Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПРОЕМОВ В КРЫШЕ РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Изобретение относится к определению площади проемов (клапанов) в крыше вертикальных стальных резервуаров, необходимых для предупреждения механических повреждений и разрушения конструкции резервуаров при срабатывании автоматической установки газового пожаротушения (АУГП).

Известен способ ликвидации пожара в негерметичном помещении [патент на изобретение RU 2030192 С1, опубл. 10.03.1995, МПК: А62С 2/00], при котором в негерметичное помещение, имеющее проемы и характеризуемое исходным содержанием кислорода, подают огнетущащее вещество в виде газожидкостной среды. Подачу огнетушащего вещества осуществляют пневмоакустическим методом, обеспечивающим получение газожидкостной среды с заданной дисперсностью частиц жидкой фазы. Предварительно определяют предельное содержание кислорода, при котором прекращается горение всех горячих материалов, находящихся в негерметичном помещении, суммарную площадь проемов негерметичного помещения и время ликвидации пожара, которое выбирают прямо пропорционально разности исходного и предельного содержания кислорода и суммарной площади проемов негерметичного помещения и обратно пропорционально его объему и расходу огнетушащего вещества с заданной дисперсностью жидкой фазы газожидкостной среды.

Известны нормативные документы в области проектирования установок автоматической противопожарной защиты объектов [СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности», сс. 37-41, СП 5.13130.2009 «Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования», сс. 36-37, 88], в которых предусматривается выполнение расчета и приводятся соответствующие методики определения площади проемов только для сброса избыточного давления. Расчетно-экспериментальные обоснования размеров проемов, необходимых для предупреждения разрушения конструкций резервуаров в результате воздействия вакуумметрического давления при срабатывании установок газового пожаротушения, в настоящее время отсутствуют.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка методики расчета размеров проемов, учитывающей результаты модельного исследования динамических характеристик нестационарных процессов, обусловленных наличием фазовых переходов газовоздушной среды внутри резервуара при подаче сжиженной двуокиси углерода в результате срабатывания автоматической установки газового пожаротушения АУГП, с целью оценки достижения предельных нагрузок на конструкцию резервуара.

Техническим результатом заявленного изобретения является исключение риска возникновения аварий, связанных с избыточным вакуумметрическим давлением внутри резервуаров, оборудованных установками газового пожаротушения.

В заявленном изобретении задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе определения площади проемов в крыше резервуара для хранения жидких углеводородов выбирают для конкретного типа резервуара значения геометрических размеров резервуара; с помощью применения расчетно-аналитического метода, основанного на разработанной математической модели нестационарных газодинамических процессов при подаче газового огнетушащего вещества в объем резервуара для хранения жидких углеводородов в результате срабатывания автоматической установки газового пожаротушения (АУГП), устанавливают соотношение фазовых состояний огнетушащего вещества на выходе из насадка и дисперсность частиц огнетушащего вещества, находящегося в твердой фазе; с использованием установленных соотношений фазовых состояний и дисперсности частиц огнетушащего вещества определяют значения параметров газо-воздушной смеси в резервуаре: вакуумметрическое давление в резервуаре Р и температуру газо-воздушной смеси Т, а также величину отрезка времени τ подачи газового огнетушащего вещества до достижения максимального вакуумметрического давления в резервуаре; определяют площадь проемов в крыше резервуара F_C для компенсирования разрежения в резервуаре, которая необходима для предотвращения разрушения конструкции резервуара при срабатывании УАГП, в соответствии со следующей формулой:

где K - коэффициент запаса;

m_возд - масса воздуха в резервуаре (кг);

ΔР - абсолютное значение разности предельно допустимого вакуумметрического давления внутри резервуара и давления на открытом воздухе (Па);

ρ_возд - плотность воздуха (кг/м³).

Дополнительно, способ заключается в том, что на основе математической модели нестационарных газодинамических процессов в процессе подачи газового огнетушащего вещества в объем резервуара при срабатывании УАГП определение вакуумметрического давления в резервуаре производят исходя из условий, соответствующих следующим случаям: абсолютно герметичный резервуар, резервуар со стационарными вентиляционными патрубками, резервуар со стационарными вентиляционными патрубками и клапанами для аварийного сброса избыточного давления.

Кроме того, коэффициент запаса выбирают из диапазона 1,1≤K≤1,3.

Дополнительно, в качестве газового огнетушащего вещества используют сжиженную двуокись углерода СO₂.

Заявленное изобретение поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2, на которых изображены:

фиг. 1 (а, б) - изменение давления в резервуаре при подаче газового огнетушащего вещества при проведении натурных испытаний в сравнении с градиентом давления при различных граничных условиях моделирования;

фиг. 2 - график изменения значений вакуумметрического давления в резервуаре в зависимости от площади проемов резервуара.

Значение вакуумметрического давления внутри резервуара, возникающего в результате запуска установки газового пожаротушения, способно превысить максимально допустимую величину для резервуара, привести к потере конструктивной устойчивости и создать аварийную ситуацию. Проведенная апробация работоспособности автоматической установки газового пожаротушения, выполненной на основе изотермических модулей для жидкой двуокиси углерода и смонтированной на резервуаре для хранения жидких углеводородов, подтвердила возможность образования разрежения внутри металлических конструкций резервуара.

Настоящее изобретение направлено на определение размеров проемов в резервуаре для хранения жидких углеводородов, достаточных для исключения риска возникновения аварий на резервуарах, оборудованных установками газового пожаротушения.

Способ расчета площади проемов для предотвращения разрушения конструкций резервуаров при срабатывании установки автоматического газового пожаротушения учитывает результаты исследования динамических характеристик нестационарных процессов, обусловленных наличием фазовых переходов газо-воздушной среды, происходящих внутри резервуара при подаче газового огнетушащего вещества (ГОТВ) в результате срабатывания УАГП. В качестве ГОТВ используется двуокись углерода СО₂, хранящаяся в резервуаре изотермическом пожарном для жидкой двуокиси углерода (РЖУ) в жидкой фазе, которая при срабатывании системы газового пожаротушения через систему трубопроводов поступает внутрь резервуара после открытия герметизирующих клапанов на насадках.

Для конкретного типа резервуара значения геометрических размеров резервуара выбирают в соответствии с нормативной документацией. Далее с помощью применения расчетно-аналитического метода устанавливают соотношение фазовых состояний огнетушащего вещества на выходе из насадка и дисперсность частиц огнетушащего вещества, находящегося в твердой фазе.

Снижение давления связано с интенсивным испарением двуокиси углерода, приводящим к снижению температуры газо-воздушной смеси. Мгновенное снижение давления двуокиси углерода СО₂, находящейся в трубопроводе для подвода СO₂ к резервуару, при разгерметизации насадка, выпускающего СO₂ в резервуар, сопровождается ее переходом из жидкого состояния в газообразное. Понижение температуры, возникающее при фазовом переходе, приводит к тому, что часть двуокиси углерода охлаждается и переходит в твердое состояние (лед). Данное приближение процесса фазового перехода, происходящее при истечении двуокиси углерода, позволяет оценить параметры вещества, задаваемые при входе в расчетную область.

Интенсивность испарения СO₂ напрямую зависит от соотношения фазовых состояний огнетушащего вещества, а также от площади испарения частиц огнетушащего вещества, соответственно, диаметр частиц, находящихся в твердой фазе, играет ключевую роль в изменении давления и достижения максимального значения вакуумметрического давления. При более мелких частицах скорость снижения давления резко возрастает.

Дисперсность частиц огнетушащего вещества, находящегося в твердой фазе, является одним из граничных условий для расчетно-аналитического метода. Ввиду отсутствия экспериментальных данных по параметрам истечения двуокиси углерода высокого давления в воздух оценку размера частиц огнетушащего вещества в твердой фазе проводят с использованием математического моделирования. Моделирование выполняют с помощью программного комплекса вычислительной аэро- и гидродинамики FlowVision, предназначенного для моделирования трехмерных стационарных и нестационарных течений жидкости и газа в широком диапазоне чисел Маха и Рейнольдса (ламинарный/ турбулентный поток).

Значения размеров частиц огнетушащего вещества и соотношение фазовых состояний огнетушащего вещества на выходе из насадка используют для дальнейшего анализа течения газо-воздушной смеси в резервуаре и определения методом математического моделирования физических процессов значений вакуума в резервуаре, температуры газо-воздушной смеси и величины отрезка времени подачи газового огнетушащего вещества до достижения максимального вакуумметрического давления для оценки риска достижения предельных нагрузок на конструкцию резервуара.

Верификацию полученной модели выполняют на основе сравнительного анализа расчетных данных с фактическими результатами натурного эксперимента по показателям вакуумметрического давления (фиг. 1, а, б), полученными при проведении испытаний АУГП.

Для оценки значения вакуумметрического давления (разрежения) выполняют математическое моделирование при следующих начальных условиях:

- абсолютно герметичный резервуар;

- резервуар со стационарными вентиляционными патрубками;

- резервуар со стационарными вентиляционными патрубками и дополнительно смонтированными аварийными клапанами для сброса избыточного давления.

Согласно графику изменения значений вакуумметрического давления в резервуаре в зависимости от площади проемов резервуара (фиг. 2) полученное разрежение в объеме резервуара при полной его герметичности приведет к значительному превышению максимально допустимого значения вакуумметрического давления, установленного нормативными документами в целях обеспечения конструктивной устойчивости резервуара и исключения риска его разрушения. Производительность установленных на резервуаре стационарных вентиляционных патрубков не позволяет обеспечить сохранение прочности строительных конструкций и требует установки на резервуаре дополнительных проемов для компенсации разрежения. Дополнительные проемы для сброса избыточного давления, размеры которых могут быть определены по СП 5.13130.2009, устанавливают параметры клапанов для выпуска избыточного давления. Однако при возникновении в резервуаре разрежения в целях обеспечения конструктивной устойчивости резервуара необходимы клапаны, способные обеспечить интенсивное поступление воздуха внутрь резервуара, расчет площади проемов которых является предметом настоящего изобретения.

При выполнении математического моделирования используют следующие граничные условия: значение максимального вакуумметрического давления в резервуаре, значение минимальной температуры газо-воздушной смеси при максимальном разрежении в резервуаре, время достижения значения максимального вакуумметрического давления после выпуска воздуха из трубопроводов и начала подачи СO₂, значение проектной площади проемов в резервуаре со стационарными вентиляционными патрубками. Полученные по результатам моделирования характеристики вакуумметрического давления и температуры газовоздушной среды используют далее при расчете проемов резервуара для компенсации избыточного вакуумметрического давления.

Расчет проемов резервуара для компенсации избыточного вакуумметрического давления выполняется следующим образом. Согласно закону Дальтона сумма парциальных давлений газов в объеме равна давлению смеси в том же объеме. Для расчетов принимают, что в резервуаре находится воздух, т.к. концентрация СO₂ в резервуаре находится в пределах погрешности расчетов. Значение парциального давления смеси воздуха в резервуаре рассчитывают как разницу между минимальным давлением вакуума, полученным по результатам математического моделирования, и предельно допустимым вакуумметрическим давлением: Р_возд.=Р_min-Р_пр, где P_min - значение вакуумметрического давления в резервуаре (Па); Р_пр - предельное допустимое вакуумметрическое давление в резервуаре (Па).

В соответствии с уравнением состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона) определяют массу воздуха, необходимую для компенсации вакуумметрического давления:

где m_возд. - масса воздуха в резервуаре (кг); µ - молярная масса воздуха (кг/моль); R - универсальная газовая постоянная (Дж/(моль·К)); Т - температура воздуха в резервуаре (К); V_p - объем резервуара (м³).

Объем резервуара определяют как сумму объемов цилиндрической части и крыши резервуара: V_p=V_ц+V_кр. Объем цилиндрической части резервуара определяется как: V_ц=πR²Н, где R - радиус резервуара (м); Н - высота резервуара (м).

В случае конической крыши объем определяется из соотношения: , где V_кр.кон - объем крыши резервуара (м³), R - радиус резервуара (м); h - высота крыши резервуара (м). В случае купольной (сферической) крыши объем определяется из соотношения: , где V_кр.куп. - объем купольной крыши резервуара (м³), h - высота крыши резервуара, принимается в соответствии с проектными решениями (м); r - радиус сферы, принимается от 1,6R от 3,0R (м), где R - радиус резервуара (м). Максимальное значение объема крыши резервуара определяют из соотношения: .

Исходя из уравнения скоростного напора определяют скорость движения воздуха через вентиляционные проемы резервуара: , где ΔР - абсолютное значение разности предельно допустимого вакуумметрического давления внутри резервуара и давления на открытом воздухе (Па); v - скорость движения воздуха (м/с); ρ_возд - плотность воздуха (кг/м³), значение которой зависит от температуры окружающей среды. При расчете площади проемов для компенсации вакуумметрического давления выбирают значение плотности воздуха при максимальной температуре эксплуатации резервуара по нормативным требованиям.

Расход воздуха G определяется из соотношения: , где G - расход воздуха через проем (кг/с); m_возд - масса воздуха, поступившего в резервуар для компенсации вакуумметрического давления (кг); τ - время подачи углекислоты до достижения максимального значения вакуума в резервуаре.

Площадь проемов для компенсирования вакуумметрического давления (м²) определяется из уравнения расхода как: , а с учетом соотношения для расхода воздуха и скорости движения воздуха через вентиляционные проемы резервуара площадь проемов резервуара определяют по формуле:

где K - коэффициент запаса. Коэффициент запаса определяют из условия компенсации погрешности вычислений и выбирают из диапазона 1,1≤K≤1,3.

Пример.

С целью определения необходимости разработки способа расчета площади проемов для предотвращения разрушения конструкций резервуаров при срабатывании УАГП были проведены испытания автоматической установки газового пожаротушения на резервуаре вертикальном стальном со стационарной крышей и понтоном РВСП номинальным объемом 20000 м³. Фактическая площадь вентиляционных проемов в резервуаре составляет 3,63 м². В качестве ГОТВ использовали двуокись углерода СO₂, хранящуюся в резервуаре изотермическом пожарном для жидкой двуокиси углерода (РЖУ) в жидкой фазе, которая при срабатывании системы газового пожаротушения через систему трубопроводов поступала внутрь резервуара после открытия герметизирующих клапанов на насадках.

По результатам испытаний был сделан вывод о превышении величины разрежения в резервуаре максимально допустимого значения вакуумметрического давления, установленного нормативной документацией в области проектирования резервуаров и возможности возникновения аварийной ситуации, связанной с разрушением конструкции резервуара при срабатывании АУГП, а также были определены следующие динамические параметры газовоздушной среды в резервуаре:

- значение максимального разрежения в резервуаре достигло 1300 Па. Замер разрежения производился преобразователями избыточного давления «Курант» с пределом измерений от минус 0,5 до 5 кПа с погрешностью 0,01 кПа;

- значение минимальной температуры газовоздушной среды в резервуаре при максимальном разрежении в резервуаре через 15 секунд после выпуска воздуха из трубопроводов и начала подачи СO₂ достигло минус 40°С. Замер температуры производился термопарами с пределом измерений от минус 100 до 1600°С с погрешностью 10°С.

После проведения натурных испытаний был проведен анализ течения газовоздушной смеси в резервуаре при помощи метода математического моделирования нестационарных газодинамических процессов на основе программного комплекса FlowVision. При оценке значений вакуумметрического давления (разрежения) методом математического моделирования были взяты следующие начальные условия:

- абсолютно герметичный резервуар - площадь проемов 0 м²;

- резервуар со стационарными вентиляционными патрубками - площадь проемов 3,63 м²;

- резервуар со стационарными вентиляционными патрубками и дополнительными аварийными клапанами для сброса избыточного давления при условии предварительного открытия аварийных клапанов для снижения вакуумметрического давления - площадь проемов 8,63 м².

Далее были установлены соотношения фазовых состояний огнетушащего вещества на выходе из насадка и дисперсность частиц огнетушащего вещества, находящегося в твердой фазе. При сравнении результатов моделирования с результатами натурного эксперимента (фиг. 1, а, б) было установлено, что 20% огнетушащего вещества на выходе из насадка находится в газовой фазе и размер частиц огнетушащего вещества составляет порядка 0,1 мм, что позволило сделать вывод о максимальном совпадении расчетного и экспериментального графиков изменения давления внутри резервуара в результате подачи огнетушащего вещества.

При проведении анализа течения газо-воздушной смеси в резервуаре для различных начальных условий были получены следующие значения вакуумметрического давления внутри резервуара:

- для абсолютно герметичного резервуара значение разрежения ГВС внутри резервуара составило около 9 кПа.

- для существующих стационарных вентиляционных патрубков полученное значение максимального разрежения составило 1300 Па.

- для стационарных вентиляционных патрубков с аварийными клапанами для сброса избыточного давления максимальное значение вакуумметрического давления не превысило 100 Па, что ниже допустимого разрежения, составляющего 200 Па.

По результатам моделирования подачи СO₂ в РВСП-20000 с фактической площадью проемов 3,63 м² были получены следующие данные, уточняющие показатели внутри резервуара при проведении испытаний, которые были использованы для дальнейших расчетов:

- минимальное давление в резервуаре (вблизи крыши резервуара) - 1300 Па;

- температура газо-воздушной смеси при минимальном давлении в резервуаре - -51°С;

- отрезок времени подачи ГОТВ до достижения максимального вакуумметрического давления в резервуаре - 14,5 с.

Рассчитанные в соответствии с заявленным способом площади проемов для компенсирования вакуумметрического давления в резервуаре типа РВСП-20000 при различных значениях температуры окружающего воздуха, учитывающих условия эксплуатации резервуара для климатической зоны с умеренным и холодным климатом по ГОСТ 15150, приведены в таблице 1.

С учетом полученных данных можно определить максимальную величину площади проемов резервуара, определяющую параметры клапанов, предназначенных для пропуска внутрь резервуара дополнительного объема воздуха с целью компенсации вакуумметрического давления, для исключения риска потери конструктивной устойчивости и возникновения аварий на резервуарах, оборудованных установками газового пожаротушения.

Таким образом, применение заявленного способа определения площади проемов в крыше резервуара для хранения жидких углеводородов для предотвращения разрушения конструкций резервуаров при срабатывании АУГП при проектировании автоматических установок газового пожаротушения позволит обеспечить поддержание величины вакуумметрического давления внутри резервуара в пределах допустимых значений и исключить потерю конструктивной устойчивости с созданием аварийной ситуации.