§ 7.5. Аварийный слив жидкостей

Одним из способов предотвращения развития пожара и превра­щения его в крупный или особо крупный является аварийный слив огнеопасных жидкостей из технологических аппаратов и трубопро­водов, оказавшихся в опасной зоне. Аварийный слив может быть осуществлен с помощью специальных устройств или с использова­нием обычных технологических коммуникаций и емкостей. Необходимость устройства аварийных сливов определяется соответствую­щими нормами. Так, «Правилами безопасности в пожаро-взрывоопасных химических и нефтехимических производствах» (ПБВХП-74), распространяющимися на ряд отраслей промышленности, предусматривается располагать емкости и аппаратуру с огнеопасными (легковоспламеняющимися) и токсичными жидкостя­ми на перекрытиях и открытых площадках, на высоких постаментах. Эти требования должны обязательно учитываться при обосновании необходимости устройств аварийных сливов в различных технологических процессах.

При обосновании устройства аварийных сливов следует учитывать, что

1) емкостные аппараты, как правило, имеют большой объем;

2) жидкость, содержащаяся в аппарате, является легковоспламеняющейся (или токсичной); поступление ее в зону пожара резко осложняет обстановку;

3) емкостная аппаратура с легковоспламеняющейся жидкостью располагается, как правило, на высоте.

При обосновании аварийного слива следует учитывать особенности конструкции самого аппарата и его опор, а также его содержимого; следует учитывать и возможные последствия опорожнения или сохранения заполненным аппарата в условиях пожара.

Очень важно при аварийной или аварийно-пожарной ситуации быстро слить из аппарата жидкость, перегрев которой может, закончиться самопроизвольным термическим разложением продуктов и взрывом (например, при повышении температуры в нитраторах). Экстренная принудительная эвакуация жидкости необходима из змеевиков реакционных аппаратов, теплообменников и трубчатых нагревателей при прекращении движения жидкости, так как перегрев застойного продукта ведет к его термическому разложению и закоксованию труб.

Известно, что масса жидкости в аппарате способна поглотить значительное количество тепла пожара и тем самым предотвратить перегрев, деформацию, разрушение аппарата. Примером может служить резервуар с нефтепродуктом, степень повреждения которого огнем собственного или окружающего пожара обратно пропорциональна уровню жидкости. По этой причине устройство аварийного слива в некоторых случаях нецелесообразно. Поведение технологического оборудования, в том числе емкостного с жидкостями, рассматривается в главе 9 данного учебника.

Аварийный слив жидкостей из емкостной аппаратуры, расположенной внутри производственного здания, должен производиться в специальные аварийные или дренажные емкости подземного или полуподземного типа, располагаемые вне пределов здания. Расстояние от производственных зданий до аварийных или дренажных емкостей принимается таким же, как и для расположенного вне здания технологического оборудования. Расстояние от аппаратуры наружных установок (или технологических этажерок) до аварийных или дренажных емкостей, как правило, не нормируется, но они должны размещаться вне габаритов установки (или этажерки). Не следует располагать аварийные или дренажные емкости между зданиями и наружными установками (этажерками), связанными с этими зданиями.

Аварийный слив может осуществляться как самотеком, так и путем выдавливания жидкости инертной средой (азотом, водяным паром или двуокисью углерода). Выдавливание предпочтительнее, когда допустимая продолжительность аварийного режима не превышает 10... 15 мин. Один аварийный или дренажный резервуар может соединяться с несколькими емкостными аппаратами. В этом случае вместимость резервуара должна быть не менее объема наибольшего из аппаратов.

На складах нефтепродуктов второй группы емкость аварийного резервуара принимают не менее 30% суммарного объема всех, расходных резервуаров и не менее емкости наибольшего из них.

Аварийные резервуары выполняют закрытыми и снабжают дыхательными трубами, выведенными в безопасное место и защищенными огнепреградителями. Поскольку в процессе эксплуатации внутри аварийного (или дренажного) резервуара может скапливаться водяной конденсат, слив высоконагретых жидкостей может привести к быстрому его испарению, что, в свою очередь, вызовет резкое повышение внутреннего давления. Поэтому скапливающуюся воду необходимо систематически удалять. Днище резервуара делают с уклоном, чтобы обеспечить наиболее полное удаление воды.

Аварийному сливу высоконагретых жидкостей должна предшествовать продувка водяным паром (или инертным газом) внутреннего объема аварийного резервуара и сливной линии. Продувка нужна для предупреждения возможности взрыва горючей смеси, образующейся при соприкосновении с воздухом высоконагретого продукта, сливаемого в аварийную емкость закрытого типа.

Трубопроводы систем аварийного слива прокладываются с односторонним уклоном (в направлении аварийной или дренажной емкости) и по возможности прямолинейно (с минимальным количество поворотов). Установка задвижек по всей длине аварийного» трубопровода не допускается (за исключением задвижек аппаратов). Линию аварийного слива от распространения пламени защищают гидравлическими затворами.

Аварийные задвижки располагают, как правило, вне здания: (или на первом этаже), Вблизи выходов. При наличии дистанционного привода аварийную задвижку устанавливают вблизи от аппарата (или установки), подлежащего опорожнению; кнопку пускателя — вблизи от выходов, вне здания. Наиболее удачно такое решение аварийного слива, при котором включение аварийных задвижек автоматизировано и сблокировано с устройствами для аварийной остановки аппаратов или установок. Датчики автоматических систем открывания задвижек устанавливают в зоне возможного горения.

Рис. 7.1. Схема аварийного слива жидкости самотеком: / — наполнительная линия; 2—аппарат;

3—расходная линия; 4 — линия ава­рийного слива; 5 — линия подачи инертной среды для продувки;

6 — гидравлический затвор; 7—аварийная емкость; 8 — дыхательная линия

На рис. 7.1 показана принципиальная схема аварийного слива из вертикального аппарата постоянного сечения. После прекращения подачи жидкости в резервуар осуществляют продувку аварийной системы инертной средой. Затем задвижки на линиях 3 и 5 закрывают и, открывая задвижку на линии 4, обеспечивают слив продукта в аварийную емкость. Возможно использование инертной среды для увеличения скорости слива. Использование инертной среды позволяет параллельно решить и другую задачу пожарной безопасности — устранить вероятность взрыва внутри аппарата.

В производственных помещениях, когда объем емкостной аппаратуры (мерников, распределительных сосудов, напорных и топливлых бачков, закалочных ванн и т. п.) невелик, не устанавливают специальные аварийные резервуары, а для аварийного слива используют производственные емкости, расположенные снаружи здания (или в соседних помещениях за глухой стеной). Жидкости сливают при этом только самотеком.

В цеховой документации должны быть всегда инструкции по приведению аварийной системы слива в действие.

Задача проектного (или поверочного) расчета установок аварийного слива сводится к определению фактической продолжительности процесса эвакуации жидкости из опасной зоны, сравнению ее с допустимой (нормативной) продолжительностью аварийного режима. В общем случае продолжительность процесса аварийного слива из емкостной аппаратуры определяется зависимостью

τ_ав.сл = τ_опор + τ_оп ≤ τ_ав.реж, (7-1)

где τ_ав.сл — продолжительность аварийного слива; τ_опор — продолжительность опорожнения аппарата; τ_оп — продолжительность операций по приведению системы слива в действие; τ_ав.реж — допустимая продолжительность аварийного режима.

Рассмотрим методы оценки некоторых величин, входящих в зависимость (7.1). Продолжительность операций по приведению системы аварийного слива в действие зависит от конкретных особенностей технологической установки. Допустимая продолжительность аварийного режима устанавливается в пределах 10...30 мин исходя из условий безопасности (огнестойкость несущих и ограждающих конструкций, защита технологической аппаратуры и коммуникаций от теплового воздействия при пожаре, характеристика пожароопасных свойств жидкости и т. п.) и экономической целесообразности. Когда в качестве определяющего фактора принимается возможность деформации незащищенных металлических конструкций или технологической аппаратуры и коммуникаций, допустимая продолжительность аварийного режима может быть принята равной 15 мин исходя из огнестойкости незащищенных металлических конструкций и среднего времени до начала тушения пожара.

Продолжительность собственно аварийного слива зависит от формы и размеров емкостного аппарата, длины, конфигурации и диаметра аварийного трубопровода, величины избыточного давления над поверхностью жидкости и ее физических свойств. Методика расчета продолжительности опорожнения емкостных аппаратов (постоянного и переменного по высоте сечения) как для слива самотеком, так и для слива под действием избыточного давления инертной среды над поверхностью жидкости основана на законах гидравлики.

Аварийный слив из одиночного (постоянного сечения по высоте) аппарата. Дифференциальное уравнение для процесса опорожнения аппарата постоянного сечения (при отсутствии притока в него жидкости) имеет вид:

, (7.2)

где F— площадь поперечного сечения аппарата; f — сечение аварийного трубопровода на выходе; α — коэффициент расхода системы.

Интегрирование уравнения (7.2) дает время полного опорожнения аппарата:

, (7.3)

В том случае, когда объем жидкости задан, формула (7.3) может быть представлена следующим образом:

τ_опор= V_ж/q_ср, (7.4)

где V_ж — объем истекающей жидкости; q_cр — средняя пропускная способность системы; q _cр = 0,5{q _макс+ q _мин); q_макс — пропускная способность системы при максимальной высоте столба жидкости; q_мин — то же, но при минимальной высоте столба жидкости.

Коэффициент расхода системы слива определяют по формулам, изучаемым в курсе «Гидравлика и противопожарное водоснабжение» [7].

Среднюю скорость истечения жидкости определяют как среднеарифметическое значение скоростей при уровнях жидкости H₁ и H₂.

Если слив происходит под давлением инертной среды (азота, водяного пара, двуокиси углерода и т. п.), общая формула определения времени опорожнения аппарата (постоянного по высоте сечения) принимает вид:

(7.5)

где H_и — избыточное давление над поверхностью жидкости; р_ж — плотность жидкости при данной температуре.

Аварийный слив из одиночного (переменного по высоте сечения) аппарата. В качестве аппаратов с переменным по высоте сечением могут рассматриваться горизонтальные цилиндрические резервуары (цистерны), аппараты составные и конической формы, шаровые резервуары и т. п. В аппаратах данного типа в процессе истечения жидкости непрерывно изменяются напор, скорость и площадь свободной поверхности.

Общая формула для определения времени опорожнения аппарата, переменного по высоте сечения, имеет вид:

, (7.6)

где m и n — соответственно коэффициент и показатель степени функциональной зависимости площади сечения поверхности жидкости от уровня:

m_l = F_l/Hⁿ_l; т₂=F₂/Hⁿ₂; n = lg{F₂IF₁)/lg{H₂IH₁). (Здесь F₁ и F₂ — площадь поверхности при уровнях Н_A и H_B.)

Рис. 7.3. Схемы аварийного слива из двух аппаратов

Если аппарат имеет несколько переменных сечений, время его опорожнения определяется для каждой пары уровней (начиная с H]) и затем суммируется для всего аппарата. Ниже приводятся расчетные формулы для наиболее распространенных аппаратов.

Время опорожнения горизонтального цилиндрического аппарата (цистерны) при турбулентном режиме движения жидкости может быть найдено по формуле В. С. Яблонского:

, (7.7)

где L — длина котловой части аппарата; D — диаметр аппарата; d — диаметр сливного трубопровода на выходе; А — параметр, учитывающий степень сокращения времени опорожнения аппарата (в зависимости от величины напора H) и определяемый по графику (рис. 7.2).

Аппараты шаровой формы. Время опорожнения аппарата шаровой формы (диаметром D) может быть найдено по формуле

(7.8)

Расчет слива из группы аппаратов. Рассмотрим систему аварийного слива из двух аппаратов (рис. 7.3). Изменение схемы работы системы определяется соотношением гидродинамических напоров.

Схема I. Жидкость движется в направлении, указанном на рис. 7.3, а, если H_А>Hв>H_д. Резервуар А питает резервуары С и Д.

Схема II. Жидкость движется в направлении, показанном на рис. 7.3, б, если H_А>Hд >H_В. Резервуары А и Д питают резервуар С.

Схема III. Жидкость движется в направлении, показанном на рис. 7.3, в, если Hа>Hв = H_д. Резервуар Д оказывается бездействующим, и реализуется схема простого слива из одиночного аппарата.

Если обозначить расход на участке АВ через Q_A, на участке ДВ через Qд, на участке ВС через Qb, получим следующее соотношение между расходами (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Соотношения расходов позволяют определить условия существования той или иной схемы в зависимости от диаметра труб, длин участков и напоров H_А и Hд, т. е. в зависимости от известных величин. Воспользуемся формулой потерь напора

Q² = k²h/l, или Q² = h/a, (7.9)

где Q — расход жидкости; k — расходная характеристика трубы; h — потери напора;

/ — длина участка трубы; а — коэффициент характеристики трубы.

Рис. 7.2. Графическая зависимость параметра А от величины напора

Тогда условия существования той или иной схемы определяются" обобщенным соотношением:

. (7.10)

где «≥» относится к схеме I, «≤» — к схеме II и « = » — к схеме III. Считая заданными значения величин H_А, Hд, l_Ав, lвс, lвд» k²_ав, lвс, Hд. потери напора и расхода могут быть определены по формулам, образующим систему уравнений (табл. 7.2).

Таблица 7.2

В общем случае решение может быть получено графоаналитическим методом, как показано на рис. 7.4 для схемы II (одновременный слив жидкости из резервуаров А и Д), т. е. для наиболее предпочтительного варианта слива.

Значения коэффициентов характеристик трубопроводов определяются из соотношения

а = l/k². (7.11)

Для упрощения расчетов величину l находят как сумму реальной длины участка трубопровода l_у и эквивалентной длины l_я, которая учитывает потери напора в местных сопротивлениях и определяется по формуле

l_Э = dξ/λ (7.12)

где d — диаметр трубопровода; ξ — коэффициент местных сопротивлений;

λ — коэффициент сопротивления трению трубопровода. По схеме II трубопроводы АВ и ДВ (рис. 7.3) работают параллельно, и их расходы суммируются при равной величине напоров, Координаты точки N — точки пересечения суммарной характеристики с характеристикой трубопровода ВС (кривая 3) —являются решением системы уравнений. Если через точку N провести прямую, параллельную оси абсцисс, то точки пересечения этой прямой с кривыми характеристик трубопроводов (точки К и М) определяют расходы по трубопроводам АВ и ДВ. По этим расходам рассчитывают время опорожнения каждого резервуара.

Рис. 7.4. Графоаналитический метод расчета аварийного слива груп­пы аппаратов (кривые характеристик трубопроводов: /—АВ; 2— ДВ; 3 — ВС; 1 и 2 — АВ и ДВ)

Перекачка горючих жидкостей из опасной зоны в менее опасную. Иногда устройство аварийных сливов может оказаться нецелесообразным. Тогда следует предусмотреть возможность перекачки огнеопасных жидкостей из емкостной аппаратуры, размещаемой в опасной зоне, в другие аппараты и емкости, расположенные в менее опасной зоне. Эвакуация огнеопасных жидкостей в этом случае не требует создания специальных установок, поскольку при возникновении аварийной ситуации могут быть использованы имеющиеся технологические коммуникации и насосы. Такой способ широко практикуется на промышленных предприятиях, а также на складах огнеопасных жидкостей, причем не только при создании аварийной ситуации, но и при остановке аппаратуры на профилактический осмотр или ремонт. Однако и здесь имеются некоторые существенные недостатки, обусловленные невозможностью осуществить аварийный слив при отсутствии свободных емкостей, а также незначительной скоростью привода системы в действие.