Способ защиты резервуаров нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам защиты резервуаров нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов, возникающих в электрических полях грозовых облаков и молниевых разрядов. Способ основан на методе снижения напряженности электрических полей за счет экранирования и может быть использован при строительстве и реконструкции резервуаров нефти и нефтепродуктов.

Основной спецификой транспорта нефти и нефтепродуктов является транспортировка и хранение больших объемов горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, являющихся взрывопожароопасными веществами. Концентрация на относительно небольшой площади значительных объемов нефти и нефтепродуктов (резервуары нефти и нефтепродуктов) влечет за собой вероятность возникновения крупных пожаров и взрывов с тяжелыми последствиями, приводящими к человеческим жертвам, загрязнению окружающей среды, значительным материальным потерям.

Существует проблема защиты резервуаров от незавершенных искровых разрядов, возникающих в электрических полях грозовых облаков и молниевых разрядов и способных привести к пожарам и взрывам резервуаров нефти и нефтепродуктов. Незавершенный искровой разряд - это искровой разряд, возникающий в сильном электромагнитном поле, превышающем порог ионизации воздуха. По современным представлениям [Базелян Э.М., Нерсесян С.В., Туктаров А.Ж, «Молниезащита предприятий по переработке и транспорту углеводородного топлива», «Известия академии наук», №5, 2010 г.] незавершенные разряды при переходе в стримерную форму обладают достаточной энергией способной поджечь взрывоопасные пары нефти и нефтепродуктов. Природа незавершенных разрядов описана на основании ряда лабораторных и других исследований [Базелян Э.М., Райзер Ю.П. «Искровой разряд». М.: Изд. МФТИ, 1997]. Источниками образования незавершенных искровых каналов, могут быть как молниевые разряды, проходящие в непосредственной близости от резервуаров (например, при ударах в молниеотводы), так и электрическое поле грозового облака при отсутствии молниевых разрядов.

Наиболее вероятным местом формирования незавершенных разрядов на резервуарах нефти и нефтепродуктов является технологическое оборудование, размещенное на крыше резервуара, высота которого превышает 0,2 м. Проведенные расчетные исследования показали, что значение напряженности электромагнитного поля возле дыхательных клапанов может достигать 30-50 кВ/см. Подтверждением данного факта является то, что зафиксированные случаи пожаров возникали, как правило, на резервуарах, оснащенных дыхательной арматурой, и практически не фиксировались на резервуарах других типов.

Известен способ защиты от незавершенных искровых разрядов, основанный, на распределении потенциала внешнего электромагнитного поля на большом количестве элементов и создания коронированного заряда с полем обратного направления, и устройство для его реализации, состоящее из воспринимающего узла, установленного на элементе крепления (патент US 5043527, кл. H02G 13/00, опубл. 27.08.1991 г.). Недостаткам данного способа является низкая надежность ввиду того, что высота отдельных выступающих элементов может изменяться под воздействием внешних факторов и потенциал на них резко повыситься до критических значений.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка способа и устройства для защиты резервуаров нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов, возникающих в электрических поле грозовых облаков и молниевых разрядов.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности защиты резервуаров для нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов, возникающих в электрических полях грозовых облаков и молниевых разрядов.

Технический результат достигается за счет того, что при реализации способа защиты резервуаров для нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов, первоначально определяют высоту и диаметр резервуара, высоту защищаемого технологического оборудования, размещенного на крыше резервуара, расстояние от центральной вертикальной оси резервуара до центра массы проекции технологического оборудования для всего защищаемого технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, затем определяют внешний радиус основного тороидального экрана воспринимающего узла для всего технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, и определяют внутренний радиус основного тороидального экрана воспринимающего узла для всего технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, определяют высоту установки основного тороидального экрана для всего технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, и устанавливают воспринимающие узлы с основными тороидальными экранами, выполняя условие размещения внутри экранов всех частей защищаемого технологического оборудования.

Определяют необходимость установки дополнительных тороидальных экранов для защиты внутренней зоны защищаемого технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, из условия что, если внешний радиус тороидального экрана превышает внутренний радиус тороидального экрана в 12,5 и более раз, то дополнительный тороидальный экран необходим.

Дополнительные тороидальные экраны устанавливаются с внешним радиусом от 50 до 80% радиуса основного тороидального экрана и внутренним радиусом дополнительного тороидального экрана от 50 до 100% от внутреннего радиуса основного тороидального экрана, при этом внешний радиус дополнительного экрана выбирают таким образом, чтобы он не превышает внутренний радиус дополнительного тороидального экрана в 12,5 раза, а высоту установки дополнительных экранов над защищаемым технологическим оборудованием принимают больше высоты установки основного тороидального экрана в 3-5 раз.

При этом для защищаемого технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, центр основного тороидального экрана должен совпадать с центром массы проекции защищаемого технологического оборудования на плоскость, а внешний радиус тороидального экрана выбирают таким, чтобы проекция технологического оборудования на плоскость полностью размещалась внутри проекции тороидального экрана на плоскость.

Для защищаемого технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, определяют внутренний радиус основного тороидального экрана по формуле:

где Н - высота резервуара нефти и нефтепродуктов (м);

Dp - диаметр резервуара нефти и нефтепродуктов (м);

(h1…h_n) - высоты технологического оборудования (м);

r_{ВНУТ.ТОР} - внутренний радиус тороидального экрана (м);

R_{ВНЕШ.ТОР} - внешний радиус тороидального экрана (м);

(x₁…x_n) - расстояния от центральной вертикальной оси резервуара до центра массы проекции технологического оборудования, высота которого более 0,2 м на плоскость (м).

Высоту установки основного тороидального экрана над защищаемым технологическим оборудованием для всего технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, принимают равной или превышающей внутренний радиус тороидального экрана.

Кроме того, устройство для защиты резервуаров для нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов, состоит из воспринимающего узла, установленного на элементах крепления, при этом воспринимающий узел выполнен в виде сплошного тороидального экрана.

Все крепежные и выступающие элементы воспринимающего узла расположены на нижней поверхности тороидального экрана.

Заявленное изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид резервуара, на фиг. 2 - общий вид тороидального экрана, на фиг. 3 - тороидальный экран в разрезе, фиг. 4 - пример выбора внешнего радиуса тороидального экрана для защищаемого технологического оборудования различных форм, фиг. 5 - пример выполнения воспринимающего узла.

Способ защиты резервуаров нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов и устройство для его осуществления реализуются на следующей элементной базе: резервуар для нефти и нефтепродуктов 1, защищаемое технологическое оборудование 2, размещенное на крыше резервуара для нефти и нефтепродуктов высотой более 0,2 м; воспринимающий узле в виде тороидального экрана 3 и элемента крепления 4, и центра массы 5 проекции технологического оборудования на плоскость.

Способ защиты резервуаров нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов осуществляют следующим образом.

Определяют высоту Н и диаметр D_p резервуара нефти и нефтепродуктов (фиг. 1). Для существующих резервуаров размеры измеряется любым измерительным инструментом, а при проектировании высота выбирается в соответствии с проектными решениями.

Затем определяют высоту h всего защищаемого технологического оборудования 2 от крыши резервуара 1 до верха технологического оборудования, размещенного на крыше резервуара для нефти и нефтепродуктов, определяют расстояние от центральной вертикальной оси резервуара до центра массы 5 проекции технологического оборудования, высота которого более 0,2 м на плоскость. Для существующих резервуаров размеры измеряется любым измерительным инструментом, а при проектировании высота выбирается в соответствии с проектными решениями.

Для технологического оборудования 2, высота которого более 0,2 м определяют внешний радиус тороидального экрана 3 R_{ВНЕШ.ТОР} (фиг. 3), исходя из геометрических размеров защищаемого технологического оборудования 2 таким образом, чтобы центр массы 5 проекции технологического оборудования на плоскость совпадал с центром тороидального экрана, а проекция технологического оборудования на плоскость полностью размещалась внутри проекции тороидального экрана на плоскость (фиг. 3).

Для технологического оборудования 2, высота которого более 0,2 м определяют внутренний радиус тороидального экрана 3 r_{ВНУТ.ТР}, используя (h₁…h_n) и (x₁…x_n) конкретного оборудования по формуле (зависимость выведена авторами в процессе испытаний):

,

где Н - высота резервуара нефти и нефтепродуктов (м); D_p - диаметр резервуара нефти и нефтепродуктов (м); (h₁…h_n) - высоты технологического оборудования (м); r_{ВНУТ.ТОР} - внутренний радиус тороидального экрана (м); R_{ВНЕШ.ТОР} - внешний радиус тороидального экрана (м); (x₁…x_n) - расстояния от центральной вертикальной оси резервуара до центра массы проекции технологического оборудования высота которого более 0,2 м на плоскость (м).

Для технологического оборудования, высота которого более 0,2 с целью снижения неравномерности электрического напряженности поля в верхней зоне и выравнивания электрического напряженности поля вдоль технологического оборудования высоту установки основного тороидального экрана воспринимающего узла над защищаемым технологическим оборудованием для всего технологического оборудования, высота которого более 0,2 м принимают равной в диапазоне от 0,1 до 0,3 м так, как при других диапазонах высоты установки экранирующие свойства тороидального экрана резко снижаются (установлено экспериментально).

Высоту установки основного тороидального экрана 3 над защищаемым технологическим оборудованием 2 для всего защищаемого технологического оборудования, высота которого более 0,2 м, принимают равной или превышающей внутренний радиус тороидального экрана (установлено экспериментально).

Определяют необходимость установки дополнительных экранов 3 для защиты частей технологического оборудования 2, находящихся внутри основного тороидального экрана 3 исходя из условия, что дополнительные экраны необходимы в случае, если внешний радиус тороидального экрана превышает внутренний радиус тороидального экрана в 12,5 и более раз, данное условие определено расчетным методом исходя из критического уровня напряженности электрического поля при котором формируются коронирующие разряды.

С целью снижения уровня неравномерности напряженности поля между соседними экранами дополнительные тороидальные экраны устанавливаются с внешним радиусом от 50 до 80% радиуса основного тороидального экрана, так как в данном диапазоне взаимовлияние тороидальных экранов является оптимальным, что установлено расчетным методом и внутренним радиусом дополнительного тороидального экрана от 50 до 100% от внутреннего радиуса основного тороидального экрана, так как в данном диапазоне эффективность дополнительного экрана будет максимальной. Высоту установки дополнительных экранов над защищаемым технологическим оборудованием принимают больше высоты установки основного тороидального экрана в 3-5 раз, что позволяет повысить эффективность работы устройства для защиты резервуаров для нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов, что установлено экспериментальным методом.

Причем устройство для защиты резервуаров для нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов изготавливают и устанавливают, соблюдая следующие требования:

а) поверхность тороидальных экранов должна быть гладкой, все крепежные и другие выступающие детали следует располагать на нижней поверхности экранов;

б) бэлектрическое соединение экрана с защищаемой конструкцией должно осуществляться не менее чем в двух точках;

в) элементы крепления тороидальных экранов должны выполняться из стали круглого сечения диаметром не менее 10 мм и размещаться на внутренней или нижней поверхности экранов;

г) в качестве элементов электрического соединения следует использовать узел крепления экрана;

д) в качестве материала для экранов и его узлов крепления необходимо использовать - сталь нержавеющая или алюминий.

Пример 1 выбора тороидальных экранов для защиты резервуаров нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов.

Имеется резервуар нефти высотой 10 м и диаметром 40 м, на крыше резервуара имеется дыхательный клапан высотой 2 м расстояние от центральной вертикальной оси резервуара до центра массы проекции дыхательного клапана 15 м. Диаметр дыхательного клапана - 1 м.

Принимаем внешний радиус основного тороидального экрана - 0,5 м при таком радиусе проекция дыхательного клапана на плоскость полностью будет размещена внутри проекции тороидального экрана на плоскость.

Определяем внутренний радиус основного тороидального экрана:

.

Принимаем высоту установки основного тороидального экрана над дыхательным клапаном - 0,1 м.

В виду того, что внешнего радиуса основного тороидального экрана превышает внутренний радиус основного тороидального экрана в 21 раз необходимо установка дополнительного тороидального экрана.

Внешний радиус дополнительного тороидального экрана принимаем равным 0,3 внутренний радиус дополнительного тороидального экрана принимаем равным 0,02 м, так как при таком соотношении внутренняя зона дополнительного экрана будет равномерной.

Высоту установки дополнительного тороидального экрана над дыхательным клапаном принимаем равной 0,3 м.

Пример 2. Имеется резервуар нефти высотой H=20 м и диаметром D_p=60 м, на крыше резервуара имеется дыхательный клапан высотой 1 м расстояние от центральной вертикальной оси резервуара до центра массы проекции дыхательный клапан х=25 м. Диаметр дыхательного клапана - 0,8 м. Принимаем внешний радиус основного тороидального экрана - 0,4 м при таком радиусе проекция дыхательного клапана на плоскость полностью будет размещена внутри проекции тороидального экрана на плоскость.

Определяем внутренний радиус тороидального экрана:

.

Принимаем высоту установки основного тороидального экрана над дыхательным клапаном - 0,1 м.

В виду того, что внешнего радиуса основного тороидального экрана превышает внутренний радиус основного тороидального экрана только в 5 раз необходимость установки дополнительного тороидального экрана отсутствует.

Предложенный способ защиты резервуаров для нефти и нефтепродуктов подтвержден экспериментально на дыхательных клапанах типа КДС-3000. По результатам экспериментов при отсутствии тороидальных экранов при наведенном потенциале в 2500 кВ при испытаниях фиксировались перекрытие воздушного промежутка, формирование незавершенных разрядов происходило при наведенном потенциале в 1000 кВ, при применении тороидальных экранов незавершенные разряды и перекрытия воздушного промежутка не фиксировались.

Таким образом, способ защиты резервуаров нефти и нефтепродуктов от незавершенных искровых разрядов и устройство для его осуществления позволяют создать надежную систему защиты.