Анализ пожароопасных свойств веществ, обращающихся в производстве

На объекте ПСП «Каменный Лог» взрывопожароопасным веществом является газонефтяная эмульсия, которая представляет собой горючую вязкую жидкость, содержащую в различных пропорциях нефть, попутный газ и сероводород. Нефть и попутный нефтяной газ являются основными пожароопасными веществами в эмульсии. Перечень основных показателей пожарной опасности сырья и готовой продукции приведен в таблице 7.

Нефть представляет собой сложную смесь органических соединений, в основном углеводородов. Имеет вид маслянистой жидкости бурого цвета с характерным запахом. В воде практически не растворяется. Характеризуется высокой взрыво- и пожароопасностью. Неправильное выполнение той или иной технологической операции может послужить причиной образования горючей и взрывоопасной среды, привести к авариям и несчастным случаям с травмированием или отравлением людей.

Основными элементами, входящими в состав нефти, являются углерод и водород. Содержание углерода в нефти колеблется в пределах 82-87%, водорода 11-14%. Также в состав нефти входят такие органические вещества, как сера 0,5-6,0%, азот 0,02-1,7%, кислород 0,005-3,6%. Различают легкую (0,65-0,87 г/см³), среднюю (0,871-0,910 г/см³) и тяжелую (0,910-1,05 г/см³) нефть[22].

В процессе подготовки и транспортировки нефти имеют место следующие опасные факторы:

- наличие легковоспламеняющейся жидкости (нефти), паров и газов;

- способность паров нефти и нефтяного газа образовывать вместе с воздухом взрывоопасные смеси;

- способность нефти действовать отравляюще на организм человека;

- способность нефти и пластовой воды оказывать коррозионное воздействие на оборудование, арматуру и трубопроводы;

- способность нефти при своем движении по трубопроводам образовывать статическое электричество[14].

Попутный нефтяной газ - это простейший углерод, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха. Малорастворим в воде, легче воздуха.

Таблица 7

Показатели пожароопасности сырья и готовой продукции

№ п/п	Наименование сырья, полупро-дуктов, готовой продукции, отходов производства	Агрегатное состояние	Класс опасности (ГОСТ 12.1.007-76)	Температура, °С	Концентрацион-ный предел, % по объему	Характеристика токсичности (воздействие на организм человека)
вспышки	воспламенения	самовоспламенения	нижний предел	верхний предел
	Нефть товарная и пары нефти	жидкость			-		1,26 для паров	6,5 для паров	При длительном контакте вызыва-ют кожные забо-левания. Пары нефти оказывают наркотическое действие
	Попутный нефтяной газ (по метану)	газ		-	-	-	5,0	15,0	Не оказывает то-ксикологического действия, но при концентрациях, снижающих со-держание кисло-рода в атмосфере до 15-16%, вызы-вает удушье
	Сероводород	газ		-	-	-	4,3	45,5	Очень токсичен. При высокой концентрации однократное вды-хание может вызвать мгновен-ную смерть

Таким образом, наибольшую угрозу с точки зрения пожароопасности на приемно-сдаточном пункте представляют товарная нефть, попутный нефтяной газ и сероводород (входит в состав попутного нефтяного газа), способные при определенных условиях образовывать взрывоопасные концентрации, но зная свойства горючего, обращающегося в технологическом процессе, можно оценить их пожаровзрывоопасность и на основании этого предложить соответствующие профилактические мероприятия, снижающие пожарную опасность, а именно:

- строго соблюдать технологический регламент;

- немедленно прекращать работу неисправного оборудования;

- своевременно производить освидетельствование, ревизию, ремонт сооружений, оборудования;

- проводить обучение, инструктажи и аттестацию обслуживающего персонала;

- строго соблюдать имеющиеся должностные инструкции, инструкции по технике безопасности, пожарной и газовой безопасности, инструкции по эксплуатации оборудования, плана ликвидации аварий;

- размещать предупредительные знаки безопасности на площадке ПСП и в производственных помещениях.

2.3 Оценка возможности образования взрывоопасных концентраций внутри технологического оборудования

Опасность образования взрывоопасных концентраций внутри аппаратов с ЛВЖ и ГЖ может иметь место в случае наличия в них насыщенной горючей паровоздушной смеси в свободном от жидкости пространстве. В случае неподвижного хранения нефтепродукта в РВС длительное время, газовое пространство постепенно насыщается его парами и концентрация выходит из области воспламенения. На процесс насыщения влияют устройства, препятствующие испарению жидкости с поверхности нефтепродукта (понтоны, плавающие крыши и т.д.), устройства, влияющие на доступ атмосферного воздуха в газовое пространство (диски - отражатели, дыхательная арматура), температура нефтепродукта, а также воздействия, оказываемые снаружи (температура воздуха, солнечная радиация, погодные условия)[20].

Таким образом, если концентрация паров в газовом пространстве достигает состояния насыщения, горючесть паровоздушной среды оценивается по температурным пределам воспламенения следующим соотношением:

t_нтпв < t_р <t_втпв, (1)

где t_р - рабочая температура жидкости,°С;

t_нтпв, t_втпв - соответственно нижний и верхний температурные пределы воспламенения пламени, поставленной на нефтебазу партии нефтепродуктов,°С.

Данное соотношение нельзя применять, когда резервуары снабжены понтонами, где концентрация паров далека от насыщения в газовом пространстве, а также при проведении операций (закачка, опорожнение). В этом случае оценку горючести среды следует выполнять с использованием концентрационных пределов распространения пламени по соотношению:

φ_н <φ_р <φ_в, (2)

Чтобы установить, какая концентрация паров будет в паровоздушном аппарате при нормальной рабочей температуре, нужно сравнить эту температуру с температурными пределами распространения пламени и сделать соответствующие выводы (таблица 8).

t_нпрп –10°С ≤ t_р ≤ t_впрп +15°С, (3)

Таблица 8

Сравнительная таблица температурных пределов распространения пламени

№ п/п	Наименование аппарата	Наличие паровоздушного пространства в аппарате	Рабочая температура в аппарате, °С	Температурные пределы воспламенения, °С	Заключение о горючести среды в аппарате
нижний	верхний
	Резервуар, нефть (лето)	есть				ВОК образуется
		Резервуар, нефть (зима)	есть				ВОК образуется
	Насос	нет				Отсутствует паровоздушное пространство

Для более качественной оценки горючести среды внутри резервуаров без выхода паров наружу проверим условия пожаровзрывобезопасности согласно ГОСТ [3], которые зависят от нижнего φ_н и верхнего φ_в концентрационных пределов распространения пламени, имеющие следующий вид:

φ_г,без≤0,9(φ_н–0,7 R) при R=0,3%, (4)

φ_г,без≥1,1(φ_в+0,7 R) при R=0,6%, (5)

где φ_г,без - безопасная концентрация горючего вещества, %, об., г/м³;

R - воспроизводимость метода определения показателей пожарной опасности при доверительной вероятности 95%.

Рабочую концентрацию паров φ_р рассчитаем по формуле:

φ_р = (Р_s/P_o) 100(%, об.), (6)

где Р_о - давление при нормальных физических условиях, равное в данном случае атмосферному, Па;

P_s - давление насыщенных паров при рабочей температуре жидкости, определяемое по экспериментальным данным, или по формулам, например, по уравнению Антуана:

P_s = 133,322 10^{(А–В/(Са+tр))}, (7)

где А, В, С_а - константы, зависящие от свойств горючей жидкости, участвующей в оценке.

Оценку условий пожаровзрывобезопасности проведем аналогично.

Согласно [6] для г. Перми абсолютная максимальная температура воздуха составляет +37°С, абсолютная минимальная -47°С.

Интервал рабочих температур t_р примем за температуру окружающего воздуха от –50 до +40°С, приняв ее за температуру нефтепродукта.

Произведем расчет безопасных концентраций φ_г,без по формулам:

φ_г,без≤0,9(1,26–0,7 0,3); φ_г,без≤0,945%

φ_г,без≥1,1(6,5+0,7 0,6); φ_г,без≥7,612%

Константы Антуана для нефти примем[15]:

А = 4,99; В = 664,97; С_а = 221,69

Найдя P_s, определим φ_р в зависимости от температуры с интервалом в 10°С , полученные результаты сведем в таблицу 5.

Расчёт при -20°С:

P_s = 133,322 10^{(4,99–664,97/(221,69+(–20))}

P_s = 6575,2 Па,

тогда

φ_р = (6575,2/10⁵) 100 = 6,6%

Расчёт при -10°С:

P_s = 133,322 10^{(4,99–664,97/(221,69+(–10))}

P_s = 9412,5 Па,

тогда

φ_р = (9412,5/10⁵) 100 = 9,4%

Расчёт при 0°С:

P_s = 133,322 10^{(4,99–664,97/(221,69+0))}

P_s = 13042,3 Па,

тогда

φ_р = (13042,3/10⁵) 100 = 13,04%

Расчёт при +10°С:

P_s = 133,322 10^{(4,99–664,97/(221,69+10))}

P_s = 17571,8 Па,

тогда

φ_р = (17571,8/10⁵) 100 = 17,6%

Расчёт при +20°С:

P_s = 133,322 10^{(4,99–664,97/(221,69+20))}

P_s = 23097,6 Па,

тогда

φ_р = (23097,6/10⁵) 100 = 23,1%

Расчёт при +30°С:

P_s = 133,322 10^{(4,99–664,97/(221,69+30))}

P_s = 29708,5 Па,

тогда

φ_р = (29708,5/10⁵) 100 = 29,7%

Расчёт при +40°С:

P_s = 133,322 10^{(4,99–664,97/(221,69+40))}

P_s = 37483,6 Па,

тогда

φ_р = (37483,6/10⁵) 100 = 37,5%

Таблица 9

Сводные данные расчета концентрации паров нефти

tp,°С	Ps,Па	φр,%
–20	6575,2	6,6
–10	9412,5	9,4
	13042,3	13,04
	17571,8	17,6
	23097,6	23,1
	29708,5	29,7
	37483,6	37,5

Для наглядности по результатам расчетов построим графическую зависимость φ_p от t_р.

График зависимости концентраций от температуры

Рисунок 10. Зависимость φ_p от t_р.

Взрывобезопасные условия эксплуатации аппаратов определяются только из выражения (4), так как в процессе эксплуатации при снижении уровня продукта или температуры окружающей среды в аппараты через дыхательные устройства поступает воздух, что приводит к разбавлению «богатых» смесей и образованию взрывоопасных концентраций.

Таким образом, сопоставив полученные значения концентраций паров нефти со значениями безопасных концентраций горючего вещества по таблице 9 можно сделать вывод, что условие пожаровзрывобезопасности будет выполнено.

2.4 Оценка возможности образования горючей среды в производственных помещениях и на открытых технологических площадках

Резервуары по условиям работы относятся к «дышащему» технологическому оборудованию, так как для нормальной эксплуатации требуется сообщение их внутреннего объема с окружающей средой. Сообщение паров жидкости с атмосферой происходит через дыхательную арматуру в результате так называемых «малых» и «больших» дыханий.

Чаще всего образование горючих паровоздушных концентраций около резервуаров происходит при их заполнении нефтью (большое дыхание), при повышении температуры окружающей среды (малое дыхание).

«Большое дыхание» - это процесс вытеснения паров наружу (или подсоса воздуха внутрь) при изменении уровня жидкости в аппаратах.

«Малое дыхание» - это процесс вытеснение паров наружу (или подсос воздуха внутрь аппаратов), вызываемое изменением температуры газового пространства под влиянием изменения температуры среды.

Взрывоопасные концентрации паров нефти с воздухом при «больших дыханиях» могут образовываться сравнительно быстро при повышенных температурах наружного воздуха весной и летом, в результате чего резко возрастает их выброс через дыхательные клапаны резервуаров и емкостей.

Дыхательные клапаны предназначены для герметизации газового пространства резервуара при неподвижном уровне жидкости, тем самым предотвращая потери паров жидкости от выветривания. Кроме дыхательных клапанов для повышения надежности и безопасности процессов дыхания устанавливаются предохранительные клапаны. Предохранительные клапаны срабатывают при предельно допустимых значениях вакуума или давления в случае отказа в работе дыхательных клапанов или их недостаточной пропускной способности. Дыхательные клапаны и предохранительные клапаны относятся к главным элементам дыхательной арматуры.

На резервуарах ПСП «Каменный Лог» применяется дыхательный клапан КДС-1500/350, изображенный на рисунке 11. Клапан дыхательный совмещенный КДС-1500/350предназначен для поддержания давления в газовом пространстве в заданных пределах и герметизации газового пространства резервуаров с целью сокращения потерь нефти и нефтепродуктов от испарения и снижения загрязнения атмосферы их парами. Клапаны КДС-1500 работают как в режиме дыхательных, так и предохранительных.

Рисунок 11. Общий вид КДС-1500/350:

1 - корпус; 2 - тарелка вакуума; 3 - тарелка давления; 4 - переходник;

5 - огневой преградитель; 6 - крышка; 7 - козырек.

Проводимые технологические операции, связанные с опорожнением, простоем и закачкой нефтепродукта, а также поступлением атмосферного воздуха в газовое пространство, приводят к изменению насыщенности парами нефтепродукта и концентрации паровоздушной смеси.