Розробка методу підшарового генерування та регенерування піни для гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Зберігання нафтопродуктів є одним із найважливіших етапів у системі видобування нафти, її транспортування, переробки та споживання нафтопродуктів.

Резервуарні парки входять, в якості основних споруд, у технологічні схеми збору, підготовки нафти і нафтопродуктів у місцях її видобутку, магістральних нафтопроводів і нафтопродуктопроводів, нафтопереробних і нафтохімічних підприємств, перевалочних терміналів і розподільних нафтобаз, промислових і сільськогосподарських підприємств.

Відповідно до діючих в Україні норм, зазначені об'єкти підлягають обладнанню установками автоматичного пожежегасіння. Однак, через недостатню ефективність існуючих систем, рішення задач ліквідації виникаючих пожеж здійснюються, як правило, оперативними підрозділами пожежної охорони.

Питання, пов'язані із забезпеченням пожежної безпеки резервуарних парків, де на порівняно невеликій території зосереджені значні запаси нафти і нафтопродуктів, традиційно є предметом особливої уваги відповідних служб.

У багатьох наукових центрах України, ближнього і далекого зарубіжжя ведуться інтенсивні роботи з пошуку і розробки способів підвищення ефективності методів попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами та розширення функціональних можливостей засобів пожежегасіння.

Проте, існуючий стан із забезпеченням пожежної безпеки резервуарів з нафтопродуктами, ступінь пожежної небезпеки яких, незважаючи на значне збільшення витрат, пов'язаних із ускладненням протипожежних систем і підвищенням технічних можливостей пожежних підрозділів, залишається надзвичайно високим, обумовлює нагальну потребу розробки нових методів і систем, здатних забезпечити не тільки ліквідацію в найкоротший час пожежі, що виникла в резервуарі з нафтопродуктом, але й ефективне її попередження.

У зв'язку з викладеним, тема даної дисертації, присвяченої пошуку раціонального рішення зазначеної вище задачі, є актуальною і практично значимою, особливо для України, у зв'язку з обмеженістю її власних джерел нафтовидобутку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційні дослідження проводилися в рамках державної програми забезпечення пожежної безпеки, планів роботи Дніпропетровської філії Академії наук пожежної безпеки України і тематики пошукових НДР Інституту технічної механіки ПАН України і НКА України на період 1998-2000р.р. (Тема № 249 "Розробка шляхів і способів використання технологій ракетно-космічної галузі для попередження і гасіння високо енергетичних пожеж", № державної реєстрації 0198V003416).

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи - обґрунтування можливості створення і розробка ефективного методу попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами та системи пожежегасіння, що характеризуються універсальністю й ефективністю застосування, високою екологічною безпекою й економічністю, на основі системної інтеграції прогресивних науково-технічних досягнень та інженерно-конструкторських рішень ракетно-космічної галузі, що володіє величезним досвідом безаварійної роботи з виробами та технологіями з унікально високими рівнями концентрації енергії в локальних просторах.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити наступні задачі:

- узагальнити і проаналізувати досвід використання сучасних методів і систем гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами;

- на основі уявлення пожежі, як інтерактивної системи, виявити основні параметри управління, вплив яких на пожежу приводить до якісних змін у її розвитку, вибрати раціональний механізм їхньої реалізації і структурну схему системи пожежегасіння;

- розробити математичну модель процесу гасіння пожежі;

- провести експериментальні дослідження для одержання кількісних даних про вплив параметрів управління на основні процеси, що визначають характер протікання пожежі;

- розробити методику розрахунку і вибору основних режимних, проектних і конструктивних параметрів системи пожежегасіння;

- розробити методику і провести імітаційні та вогневі експерименти щодо підтвердження ефективності запропонованого методу і системи пожежегасіння.

Об'єкт дослідження.

Фізичні процеси, що протікають у зоні пожежі при роботі системи пожежегасіння.

Предмет дослідження.

Функціональні, проектні та конструктивні параметри системи пожежегасіння, а також їхній вплив на ефективність роботи.

Методи досліджень.

При проведенні дисертаційних досліджень використані наступні методи: для розробки математичної моделі процесу пожежегасіння - теорії тепломасообміну і гідродинаміки барботажного шару, математичного моделювання і системного аналізу; при проведенні експериментальних досліджень - теорії планування експерименту при обробці експериментальних даних і одержанні емпіричних залежностей регресійного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- одержані залежності для визначення коефіцієнта приєднаної маси бульбашки при масовому барботуванні рідини та залежності для визначення динаміки зміни товщини пінного шару на поверхні барботуємої газом рідини, що враховують вплив температури її поверхні і теплового випромінювання полум'я;

- розроблена експериментальне обґрунтована математична модель процесу гасіння пожежі методом підшарового генерування (і регенерування) піни з використанням напірного барботажу;

- розроблені рекомендації з вибору раціональної структурної схеми системи попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами;

- розроблена методика розрахунку і вибору раціональних значень режимних, проектних і конструктивних параметрів системи попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами;

- показана ефективність використання барботажного методу підшарового генерування піни для гасіння пожеж нафтопродуктів у резервуарах, у тому числі з використанням піноутворювачів загального призначення.

Практичне значення одержаних результатів.

Одержані результати є основою для створення стаціонарних систем пожежної безпеки резервуарів з нафтопродуктами, що забезпечують запобігання пожеж шляхом інтенсивного зниження факторів, що сприяють загорянню, а у випадку їх виникнення -- локалізацію і гасіння пожежі в найкоротший термін при мінімальному економічному й екологічному збитку.

Одержані результати використовувалися при проектуванні перспективних стаціонарних систем пожежної безпеки резервуарів з нафтопродуктами на підприємствах ТОВ фірми "Авіас", ВАТ "Дніпронафтопродукт" і ТОВ з II "СП Юкон".

Особистий внесок здобувача.

Конкретна особиста участь здобувача в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації, полягає в обґрунтуванні ефективності попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами методом підшарового генерування і регенерування ізолюючого пінного шару з використанням напірного барботажу газовими бульбашками і раціональної структурної схеми системи пожежної безпеки, у розробці математичної моделі процесу гасіння пожежі, що враховує особливості генерування ізолюючого пінного шару напірним барботажом, в одержанні аналітичних залежностей для визначення коефіцієнту приєднаної маси барботажних бульбашок і динаміки зміни товщини пінного шару в залежності від основних режимних параметрів, у розробці методики розрахунку і вибору раціональних значень режимних параметрів системи, проектних і конструктивних параметрів барботера, а також у розробці методик і проведенні імітаційних та вогневих експериментальних досліджень.

1. Особливості протипожежного захисту резервуарів з нафтопродуктами, аналіз сучасних методів гасіння пожеж і технічних характеристик існуючих систем і засобів пожежегасіння з урахуванням тенденцій і перспектив розвитку паливно-енергетичного комплексу, вимог екології й економіки

Показано, що основними факторами, що забезпечують успішне гасіння пожежі в резервуарі з нафтопродуктом є охолодження поверхневого шару палаючої рідини та створення на її поверхні ізолюючого шару піни.

Однак, практичний досвід свідчить про незадовільну ефективність існуючих методів гасіння подібних пожеж, не забезпечуючих, зокрема, можливості створення вже в початковій стадії гасіння рівномірно розподіленого по всій поверхні палаючої рідини стійкого ізолюючого пінного шару достатньої щільності, що обумовлює значне збільшення витрат матеріальних ресурсів і часу на гасіння, навіть при використанні спеціальних піноутворювачів.

Проведений аналіз показав, що перспективним у цьому плані є застосування напірного барботажу рідини газовими бульбашками як механізму підшарового генерування пінного шару підвищеної стійкості й інтенсивного охолодження поверхневого шару палаючого нафтопродукту при мінімальних витратах матеріальних і енергетичних ресурсів.

Контролюємість параметрів напірного барботажу і порівняна простота управління ним створюють реальні передумови, обумовлюючі можливість істотного підвищення ефективності систем попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами за рахунок:

- забезпечення ефективного перемішування нерівномірно нагрітої рідини та зменшення швидкості нагромадження відкладень на дні резервуара;

- забезпечення рівномірного генерування і регенерування пінного шару підвищеної стійкості на всій поверхні палаючої рідини;

- простоти конструкції та високої надійності барботажної системи, а також можливості розміщення перемішуючого та піногенеруючого устаткування в захищаємому резервуарі.

Сформульовано основну задачу дослідження, проведена її декомпозиція на ряд підзадач, аналіз особливостей рішення яких показав, що центральним питанням є використання процесів складного тепломасообміну, що протікають при гасінні пожежі в резервуарі з використанням напірного барботажу газовими бульбашками для перемішування рідини і генерування ізолюючого пінного шару.

2. Математичне моделювання процесу гасіння пожежі в резервуарі з нафтопродуктами при використанні напірного барботажу рідини газовими бульбашками в якості механізму охолодження поверхневого шару палаючої рідини та підшарового генерування піни

Побудова математичної моделі здійснювалася на основі рівнянь теплових балансів з урахуванням специфіки досліджуваної системи, обумовленої наявністю ізолюючого пінного шару на поверхні рідини і нестаціонарністю процесів теплопередачі.

Вплив пінного шару, що знаходиться на поверхні рідини, проявляється в ізоляції поверхневого шару рідини від полум'я та у зниженні інтенсивності виносу її парів у зону горіння.

Опис процесу теплопередачі, обумовленого напірним барботуванням рідини бульбашками газу, здійснювався на основі одновимірної моделі "обмінного перемішування" при наступних допущеннях:

- бульбашки барботуючого газу рівномірно розподілені в рідині і піднімаються до поверхні "пакетами", при цьому в кожному розрахунковому шарі рідини знаходиться один "пакет" бульбашок;

- швидкість піднімання бульбашок до поверхні постійна;

- усі бульбашки в розрахунковому шарі однакові за своїми геометричними характеристиками.

При наявності на поверхні рідини ізолюючого пінного шару, рівняння для визначення температури поверхневого шару має вигляд:

Як випливає з викладеного, основними факторами, що визначають температуру поверхні палаючої в резервуарі рідини, є потік тепла, що підводиться до неї від факела й визначений з урахуванням наявності ізолюючого пінного шару, і відвід тепла від поверхні вглиб рідини в процесі її барботування.

Величина останнього залежить від газовмісту барботуємої рідини та коефіцієнта приєднаної маси спливаючої бульбашки, значення якого одержані при розгляді піднімання до поверхні одиночної бульбашки, не можуть бути використані для практичних розрахунків процесу перемішування при масовому барботуванні.

Крім того, використання теоретичних методів дослідження ефективності напірного барботажу в якості механізму генерування ізолюючого пінного шару на поверхні палаючої рідини та встановлення раціональних режимів зазначеного процесу при сучасному рівні знань про механізми утворення і руйнування пін малопродуктивне.

Викладене визначило необхідність проведення експериментальних досліджень для одержання достовірних даних про зазначені фактори й уточнення математичної моделі.

Мета експериментальних досліджень полягала в одержанні кількісних даних про вплив газовмісту на ефективність перемішування нерівномірно нагрітої рідини газовими бульбашками і генерування піни, з урахуванням впливу теплового потоку від полум'я і температури поверхні рідини.

Результати експериментальних досліджень процесу перемішування нерівномірно нагрітої рідини барботуючими газовими бульбашками показали відсутність впливу маштабного фактору, конструктивних особливостей барботера та режиму витікання газу в рідину на ефективність перемішування.

Аналіз одержаних результатів показав, що найбільш істотним фактором, що впливає на значення параметра В, визначаючого коефіцієнт "барботажної температуропровідності", є газовміст барботованої рідини.

Аналіз результатів, одержаних в експериментах по дослідженню параметрів пінного шару, генеруємого барботажними бульбашками, виконаних з використанням методів теорії планування експериментів, показав, що при відсутності дефіциту піноутворюючої рідини, спільному впливі газовмісту барботажного шару, температури поверхні рідини і теплового потоку від полум'я, час наростання шару піни зворотно пропорційний газовмісту. Нагрівання поверхневого шару рідини і наявність теплового потоку до її поверхні інтенсифікують руйнування піни.

Одержані залежності, що характеризують інтенсивність перемішування нерівномірно нагрітої рідини при напірному барботажі та швидкість зміни висоти пінного шару, дозволяють забезпечити, з використанням запропонованої математичної моделі, цілеспрямований вибір найбільш раціональних, з погляду придушення горіння в резервуарі, параметрів газової барботажної системи.

З використанням експериментальних даних, одержана аналітична залежність для швидкості випарювання піноутворюючої рідини з пінного шару в процесі гасіння пожежі з коефіцієнтом множинної кореляції R2 =0,92.

Експериментально підтверджена відсутність помітного впливу піноутворювачів загального призначення на основні експлуатаційні характеристики нафтопродуктів (бензинів) і показники спінювання піноутворювачів при їхньому спільному зберіганні та кількаразовому перемішуванні протягом тривалого (2-3 років) часу.

3. Синтез структурної схеми системи попередження і гасіння пожежі в резервуарі з нафтопродуктом, розробка методики розрахунку основних її режимних, проектних і конструктивних параметрів

Синтез структурної схеми системи пожежної безпеки проводився на основі ідеї автономності підсистем попередження і гасіння пожеж, структурний і функціональний зв'язок яких здійснюється використанням в якості керуючого параметру газовмісту рідини по барботажному газу (ц).

Характерною рисою синтезованої структурної схеми є можливість роздільного чи спільного функціонування підсистем, що, поряд із швидким придушенням виниклої пожежі при мінімальній витраті матеріальних і енергетичних ресурсів, забезпечує можливість успішного рішення ряду задач, у тому числі: забезпечення безпечних температурних умов збереження нафтопродукту, флегматизацію пароповітряного простору і зниження потужності викидів пароповітряної суміші з резервуара, зниження швидкості нагромадження придонних відкладень, використання для гасіння виниклої пожежі більш довших піноутворювачів загального призначення, зниження імовірності ушкодження системи від факторів пожеж.

Методика розрахунку і вибору основних режимних, проектних і конструктивних параметрів системи пожежної безпеки резервуара з нафтопродуктом складається з чотирьох частин:

- визначення енергетики пожежі і теплового потоку до поверхні палаючої рідини, що базуються на елементарних даних про швидкість горіння рідких нафтопродуктів та ізолюючої дії піни на поверхні рідини;

- визначення прогріву палаючої рідини тепловим потоком випромінювання факела, апроксимуючого простираючимся над поверхнею циліндром, висота якого дорівнює висоті полум'я;

- визначення раціонального значення газовмісту рідини по барботажному газу та сумарної витрати газу, що забезпечує ефективне придушення горіння з урахуванням дії "скидних" механізмів у розвитку пожежі;

- вибору раціональної схеми і конструктивних параметрів барботера.

4. Результати комплексних і вогневих експериментів, що проводилися з метою верифікації математичної моделі процесу гасіння пожежі в резервуарі з нафтопродуктом методом підшарового генерування і регенерування піни напірним барботуванням рідини газовими бульбашками і підтвердження ефективності цього методу в умовах максимально можливого ступеню моделювання реальної пожежі

Експерименти по перевірці адекватності математичної моделі проводилися на експериментальній установці, при використанні в якості робочої рідини 6 %-розчину піноутворювача ПУ-1 у воді й інтенсивності променевого потоку тепла до її поверхні, що відповідає стаціонарному горінню низькооктанового і високооктанового бензинів.

При проведенні експериментів реєструвалися дані про зміну в часі значень температури по висоті стовпа рідини, що порівнювалися з результатами розрахунків температури поверхневого шару по математичній моделі, з урахуванням одержаних залежностей коефіцієнта приєднаної маси бульбашок, і швидкості зміни висоти від режимних параметрів.

Для порівняння тут же нанесені розрахункові залежності зміни температури поверхневого шару ( ) що свідчать про достатній для практичних потреб ступінь адекватності математичної моделі і коректності прийнятих при її побудові допущень.

Враховуючи, що характерною ознакою пожеж вуглеводневого пального у резервуарах є переважаючий вплив променистої компоненти потоку тепла до дзеркала рідини, характерної для діаметрів резервуарів D>1 м, а також експериментальне установлений факт автомодельності пожеж у резервуарах з діаметром D>2 м, була прийнята двоступінчата схема проведення вогневих експериментів на резервуарах з діаметрами D=0,6 м і В=3 м з висотою Н=0,8 і Н=1,0 м відповідно.

В якості барботажних газів використовувався азот і вуглекислий газ із транспортних балонів, установлених на шасі автомобіля пінного гасіння АКП-5, в якості горючої рідини - бензин А-76.

Вогневі експерименти проводилися на випробувальному полігоні ВАТ "ДніпроАзот" у м. Дніпродзержинську.

Відзначається задовільний збіг результатів вогневих експериментів із прогнозами, одержаними на підставі розрахункових оцінок і модельних експериментів. При цьому, у повній відповідності з результатами розрахунків по розробленій моделі гасіння в початковий період часу відбувається різке зниження інтенсивності горіння, що пояснюється швидким зниженням температури поверхні палаючої рідини (бензину) та швидкості його випаровування.

Генерування піни на поверхні починається через кілька секунд після початку барботування, при цьому піна утворює рівномірний по всій площі дзеркала малорухливий шар, що зберігається протягом декількох десятків секунд після припинення барботажу.

Підтверджено, що ефективність гасіння визначається режимними параметрами системи пожежегасіння, головним з яких є газовміст барботуємої рідини. Відзначено практичну відсутність впливу масштабного фактору на ефективність гасіння.

Висновки

1. В роботі одержано нові науково обґрунтовані результати, що у сукупності забезпечують вирішення науково-практичної задачі щодо обґрунтування можливості створення і розробки афективного методу попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами, що характеризується універсальністю й ефективністю застосування, високою екологічною безпекою й економічністю, на основі системної інтеграції прогресивних науково-технічних досягнень та інженерно-конструкторських рішень ракетно-космічної галузі, що володіє величезним досвідом безаварійної роботи з виробами та технологіями із унікальне високими рівнями концентрації енергії в локальних просторах.

2. Встановлено, що механізмом, який дозволяє забезпечити комплексне вирішення зазначених питань, є напірний барботаж рідини бульбашками газу, у тому числі, що генеруються в піноутворюючій рідині біля придонного шару резервуара, що дає можливість здійснювати, поряд з інтенсивним перемішуванням барботованої рідини і транспортуванням у зону горіння баластуючих газів, використання спливаючих при масовому барботажі газових бульбашок в якості ефективного засобу генерування і регенерування ізолюючого пінного шару на поверхні палаючої рідини.

3. Установлено зв'язки між режимними параметрами напірного барботажу нерівномірно нагрітої рідини бульбашками газу, характером протікання ініціюємих ним тепломасообмінних процесів і закономірностями формування ізолюючого пінного шару на поверхні рідини з урахуванням впливу теплового потоку від полум'я. Показано, що основним параметром, який визначає ефективність напірного барботування, є газовміст рідини.

4. Синтезовано функціонально-структурну схему комплексної системи попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами, характерними рисами якої є низька інерційність, висока надійність, автономність та адаптованість до різних умов експлуатації.

5. 3 урахуванням особливостей формування барботажного шару в стовпі рідини здійснено вибір раціональної конструктивної схеми газової барботажної системи, розроблено методику розрахунку і вибору її режимних і проектних параметрів.

6. Розроблено експериментальне верифіковану за результатами імітаційного фізичного моделювання математичну модель, що адекватно відображає характерні риси робочого процесу запропонованої системи попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами.

7. Експериментальне підтверджена принципова можливість тривалого спільного збереження в одному резервуарі нафтопродуктів і розчинів піноутворювачів загального призначення без помітного погіршення їхніх (нафтопродуктів) характеристик.

8. Вогневими експериментами підтверджена висока ефективність запропонованої функціонально-структурної схеми системи попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами і можливість управління її робочим процесом за допомогою одного параметра - газовмісту барботованої рідини.

9. Розроблено інженерну методику розрахунку і вибору основних режимних, проектних і конструктивних параметрів системи попередження і гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами, що реалізує спосіб підшарового генерування і регенерування ізолюючого пінного шару на поверхні палаючої рідини.

10. Обґрунтовано високу ефективність методу підшарового генерування піни напірним барботажом рідини газовими бульбашками для гасіння пожеж у резервуарах з нафтопродуктами й інтенсивним придушенням факторів, що сприяють їхньому виникненню, при мінімальних витратах матеріальних і енергетичних ресурсів і збитку, що наноситься навколишньому середовищу.

пожежегасіння конструктивний резервуар

Література

1. Бабенко В.С., Свириденко Н.Ф., Сенькин В.С. Определение характеристик поверхностного пенного слоя при барботировании горящих нефтепродуктов нерастворимым газом // Техническая механика.-1998.-Вып.8.-С.146-156.

2. Бабенко В.С., Свириденко Н.Ф., Сенькин В.С. Модель барботажного способа тушения горения жидкостей в резервуарах //Техническая механика.-1999.-№1.-С. 163-169.

3. Будник В.С., Бабенко В.С., Даниев Ю.Ф., Свириденко Н.Ф. Использование теории катастроф для разработки рациональных способов и средств тушения пожаров // Техническая механика. - 1999. - №1. - С. 158-163.

4. Бабенко В.С., Будник В.С., Свириденко Н.Ф. Выбор конструктивних параметров барботера системи пожаротушения резервуаров с нефтепродуктами // Техническая механика. - 2000. - №2. - С. 93-98.

5. Бабенко В.С. Коэффициент присоединенной массы пузыря в барботажном слое газожидкостной системи //Науковий вісник Національної гірничої академії України. - 2001. - №4. - С. 124-127.

6. Бабенко В.С. Разработка систем пожарной безопасности резервуаров с нефтепродуктами на основе метода барботирования жидкостей нерастворимым газом //Разработка рудных месторождений. Научно-технический сборник Криворожского технического университета. - 2001. - №4. - С. 120-127.

Размещено на Allbest.ru