СИСТЕМА ВЗРЫВОЗАЩИТЫ В ГАЗОПРОВОДАХ
EXPLOSION PROTECTION SYSTEM IN GAS PIPELINES

Изобретение относится к энергетической, химической, нефтегазовой, угольной отраслям промышленности, в частности к устройствам взрывозащиты, применяемым для предотвращения распространения воспламенения и/или взрыва по газопроводам, по которым транспортируется взрывоопасный газ.
При разработке устройств взрывозащиты необходимо учитывать режим распространения воспламенения и/или взрыва газовоздушных смесей, который может меняться от дефлаграции до детонации. По скорости распространения пламени различают: нормальное горение (дефлаграция) -последовательное воспламенение горючей смеси по механизму теплопроводности и диффузии, и детонацию - чрезвычайно быстрое горение, распространяющийся со скоростью, превышающей скорость звука.
Известен коммуникационный огнепреградитель (патент РФ на полезную модель №195092, дата приоритета 16.09.2019 г., дата публикации 28.01.2020 г. в бюл. №4, класс МПК А62С 4/00), корпус с входным и выходным патрубками с фланцами, состоящий из внутренней и наружной части, причем внутренняя часть корпуса является продолжением входного патрубка и на ней расположен по меньшей мере один пламегасящий элемент, а наружная часть корпуса соединена с одной стороны через усеченный конус с выходным патрубком, с другой стороны - через кольцевую пластину с внутренней частью корпуса, при этом на наружной части корпуса расположен по меньшей мере один взрывной предохранительный клапан.
При возникновении воспламенения и/или взрыва в газопроводе со стороны источника тяги, ударная волна через выходной патрубок попадает в наружную часть корпуса и выбрасывается наружу через легкосбрасываемые мембраны взрывных предохранительных клапанов. Пламя, движущееся за ударной волной, попадает на пламегасящие элементы и гаснет в его узких каналах.
Недостатком известного коммуникационного огнепреградителя является отсутствие контроля возникновения воспламенения и/или взрыва для передачи управляющих воздействий, направленных на прекращение горения и развития аварии. Еще один недостаток известного коммуникационного огнепреградителя заключается в его низкой надежности работы при транспортировании газа с водой. Также сброс давления в случае взрыва обеспечен только со стороны источника тяги для транспортирования взрывоопасного газа, а в случае возникновения взрыва с противоположной стороны, ударная волна может разрушить огнепреградитель.
За прототип заявляемого изобретения принято устройство для тушения пламени в газовой магистрали (патент РФ на полезную модель №23572, дата приоритета 20.12.2001 г., дата публикации 27.06.2002 г. в бюл. №18, класс МПК А62С 4/00, А62С 4/02), содержащее размещенные в полости газопровода: огнепреградитель с пламегасящим элементом, связанные между собой и огнепреградителем два дисковых поворотных затвора, расположенный между затворами сепаратор воздуха и воды, датчик контроля разности давления и датчик контроля пламени, установленные на огнепреградителе. При этом датчик контроля разности давления и датчик контроля пламени, а также дисковые поворотные затворы через электрические цепи, соединены с блоком автоматики. Все указанные составные части устройства размещены в передвижном утепленном корпусе.
Недостатком прототипа является то, что для перекрытия поступления взрывоопасного газа из источника и забора свежего воздуха использованы два дисковых поворотных затвора, располагаемых отдельно и независимых друг от друга, что снижает надежность прототипа. Также недостатком прототипа является отсутствие устройств оповещения об аварии в случае воспламенения и/или взрыва в газопроводе и засорения пламегасящего элемента в огнепреградителе. Еще один недостаток прототипа заключается в том, что пламегасящий элемент в огнепреградителе создает значительное сопротивление распространению ударной волны в случае возникновения взрыва, что может привести к разрушению огнепреградителя и значительному ущербу при аварии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы системы взрывозащиты в газопроводах, повышение технологичности монтажа и обслуживания, повышение уровня безопасности персонала.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе взрывозащиты в газопроводах, содержащей размещенные в газопроводе огнепреградитель с пламегасящим элементом, сепаратор, дисковый поворотный затвор, установленные на огнепреградителе датчик контроля разности давления и датчик контроля пламени, которые соединены вместе с дисковым поворотным затвором через электрические цепи с блоком автоматики, согласно заявляемому изобретению, в корпусе дискового поворотного затвора размещено продувочное окно. Также в заявляемую систему дополнительно включены устройство сигнализации и автоматизированное рабочее место оператора, связанные через электрические цепи с блоком автоматики. Также в заявляемой системе по обе стороны от пламегасящего элемента огнепреградителя расположены по меньшей мере по одному взрывному предохранительному клапану с легкосбрасываемой мембраной. Легкосбрасываемая мембрана взрывного предохранительного клапана выполнена поворотной с механизмом возврата в исходное положение.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема заявляемой системы, на фиг. 2 показан дисковый поворотный затвор, на фиг. 3 показано сечение А-А дискового поворотного затвора, на фиг. 4 показан огнепреградитель со взрывными предохранительными клапанами, на фиг. 5 показан огнепреградитель, где легкосбрасываемые мембраны взрывных предохранительных клапанов выполнены поворотными с механизмом возврата в исходное положение.
Заявляемая система (фиг. 1) содержит размещенные в газопроводе 1 огнепреградитель 2 с пламегасящим элементом 3, дисковый поворотный затвор 4 и сепаратор 5, установленные на огнепреградителе 2 датчик контроля разности давления 6 и датчик контроля пламени 7, которые вместе с исполнительным механизмом 8 дискового поворотного затвора 4 соединены через электрические цепи с блоком автоматики 9. Блок автоматики 9 также соединен через электрические цепи с устройством сигнализации 10 и автоматизированным рабочим местом 11 оператора. Стрелками показано направление движения потока транспортируемого газа.
Сепаратор 5 предназначен для отделения и удаления влаги из потока транспортируемого газа. Вместо сепаратора 5 может быть использован водоотделитель, который эффективно удаляет влагу при меньшей скорости потока транспортируемого газа, циклон, который обеспечивает удаление не только влаги, но и грязи (твердого остатка) из потока транспортируемого газа.
Дисковый поворотный затвор 4 относится к широко известной трубопроводной арматуре, предназначенной для управления потоком рабочей среды в трубопроводах круглого сечения. Дисковый поворотный затвор (фиг. 2, фиг. 3) состоит из корпуса 12, который крепят посредством фланцевого соединения 13 к газопроводу, штока 14 с исполнительным механизмом 8, седла 15 и диска 16. Исполнительный механизм 8 выполнен в виде электрического или пневматического привода, при этом он снабжен механическим редуктором со штурвалом или ручным дублером с рукояткой. В корпусе 12 размещено продувочное окно 17. На диске 16 закреплен уплотнительный элемент 18 для плотного прилегания при закрытии продувочного окна 17. На торце продувочного окна 17 установлена решетка 19 для недопущения засорения корпуса 12 крупными фрагментами при продувке. На корпусе 12 также расположено смотровое окно 20 для монтажа и обслуживания дискового поворотного затвора 4.
Принцип действия пламегасящего элемента 3, установленного на огнепреградителе 2 (фиг. 1), основан на гашении пламени посредством теплообмена в каналах малого диаметра, меньше критических пламегасящих диаметров для различных горючих и/или взрывоопасных смесей. Пламя, попадая в каналы малого сечения, дробится на отдельные мелкие потоки. Поверхность соприкосновения пламени с пламегасящим элементом 3 увеличивается, возрастает теплоотдача стенкам каналов, и реакция горения прекращается. Конструкции и материалы пламегасящих элементов и в целом огнепреградителей описаны в книге Ковальчука P.M. Быстродействующие пламеотсекатели. - М.: НИИТЭХИМ, 1977. - 92 с., и в книге Стрижевского И.И., Заказнова В.Ф. Промышленные огнепреградители. - М.: Химия, 1974. - 189 с. Пламегасящий элемент 3 может быть выполнен из чередующихся гофрированной и плоской металлических лент или набора сеток, наложенных друг на друга, что не является предметом настоящего изобретения. Таким образом, для изготовления пламегасящего элемента 3 может быть выбран любой из известных материалов и конструкций, обеспечивающих свободное прохождение взрывоопасного газа, но предотвращающих распространение пламени. Сечение пламегасящего элемента 3 определяют в зависимости от требуемой пропускной способности газопровода в месте установки огнепреградителя 2. В связи с этим, для увеличения пропускной способности огнепреградитель 2 может быть снабжен несколькими пламегасящими элементами 3.
Помимо пламегасящего элемента 3, огнепреградитель 2 содержит входной 21 и выходной 22 патрубки (фиг. 4), которые крепят посредством фланцевого соединения 23 к газопроводу.
При распространении ударной волны взрыва через огнепреградитель, пламегасящий элемент создает значительное сопротивление, что может привести к росту давления в огнепреградителе и его разрушению. Для недопущения этого на входном 21 и выходном 22 патрубках расположены по меньшей мере по одному взрывному предохранительному клапану 24 с легкосбрасываемой мембраной 25. Взрывные предохранительные клапаны необязательно должны быть расположены на патрубках огнепреградителя 2. Они могут быть расположены на газопроводе 1 (фиг. 1) перед и после пламегасящего элемента 3 огнепреградителя 2.
Принцип действия взрывных предохранительных клапанов 24 (фиг. 4) основан на сбросе избыточного давления воспламенения и/или взрыва. Легкосбрасываемая мембрана 25 рассчитана на определенное давление, при котором она разрушается (рвется), вылетает из прижимающих ее фланцев или открывается. Количество и сечение взрывных предохранительных клапанов 24 с легкосбрасываемой мембраной 25 определяют в зависимости от максимального давления воспламенения и/или взрыва, которое может возникнуть в газопроводе. Установка взрывных предохранительных клапанов 24 по обе стороны от пламегасящего элемента 3 обеспечивает сброс избыточного давления при распространении взрывного процесса как со стороны источника тяги, так и с противоположной стороны (источника выделения взрывоопасного газа).
Во взрывных предохранительных клапанах 26 (фиг. 5) легкосбрасываемая мембрана 27 выполнена поворотной с механизмом 28 возврата в исходное положение. После открытия легкосбрасываемой мембраны 27 под действием избыточного давления воспламенения и/или взрыва, внутреннее давление в огнепреградителе снижается. Под действием, например, пружины в механизме 28 возврата в исходное положение, легкосбрасываемая мембрана 27 закрывается, то есть возвращается в исходное положение с восстановлением герметичности газопровода.
Закрытие легкосбрасываемой мембраны 27 обеспечивает эффективное проветривание газопровода свежим воздухом при открытом продувочном окне 17 (фиг. 2, фиг. 3) дискового поворотного затвора и возможность быстрого перехода в нормальный режим работы по транспортированию взрывоопасного газа после аварийной ситуации, без необходимости дополнительных мероприятий по восстановлению герметичности газопровода.
На входном 21 и выходном 22 патрубках огнепреградителя (фиг. 4, фиг. 5) также расположены штуцеры 29 для соединения с датчиком контроля разности давления 6 (фиг. 1) и штуцер 30 для соединения с датчиком контроля пламени 7. Датчик контроля разности давления 6 используют для контроля загрязнения пламегасящего элемента 3 огнепреградителя 2. В качестве датчика контроля пламени используют, например, фотоэлектрический датчик пламени, который соединяют с входным 21 и выходным 22 патрубком для фиксации наличия пламени, или датчик температуры, который может быть соединен как с входным 21, так и с выходным 22 патрубком, так как, несмотря на гашение пламени в пламегасящем элементе 3, повышение температуры происходит с его обеих сторон.
Заявляемая система взрывозащиты в газопроводах работает следующим образом. При нормальных условиях взрывоопасный газ, транспортируемый по газопроводу 1 (фиг. 1), поступает в сепаратор 5, где происходит отделение влаги, затем проходит дисковый поворотный затвор 4. Дисковый поворотный затвор 4 в данном случае открыт, то есть диск 16 (фиг. 3) не перекрывает сечение газопровода, но закрывает продувочное окно 17. Далее взрывоопасный газ попадает в огнепреградитель 2, проходит через пламегасящий элемент 3 и продолжает транспортироваться по газопроводу.
При загрязнении пламегасящего элемента 3 огнепреградителя 2 давление в выходном патрубке 22 (фиг. 4) падает. При достижении заданного значения перепада давления, определяемого датчиком контроля разности давления 6 (фиг. 1), блок автоматики 9 передает сигнал на включение устройства сигнализации 10 и направляет предупредительный сигнал на автоматизированное рабочее место 11 оператора, свидетельствующий о необходимости проведения мероприятий по очистке пламегасящего элемента 3 огнепреградителя 2 и снижения сопротивления для транспортировки взрывоопасного газа.
При возникновении воспламенения и/или взрыва в газопроводе со стороны источника тяги для транспортирования взрывоопасного газа или со стороны источника выделения взрывоопасного газа, ударная волна выбрасывается наружу через легкосбрасываемую мембрану 25 взрывного предохранительного клапана 24 (фиг. 4). В результате сброса избыточного давления воспламенения и/или взрыва огнепреградитель и газопровод не разрушаются. При использовании во взрывных предохранительных клапанах 26 (фиг. 5) поворотной легкосбрасываемой мембраны 27 с механизмом 28 возврата в исходное положение, она закрывается после снижения внутреннего давления, герметичность газопровода восстанавливается. Необходимо отметить, что горение может распространяться без скачка давления и ударной волны с малой скоростью (дефлорация), тогда легкосбрасываемая мембрана 25 (фиг. 4) или 26 (фиг. 5) не вскрывается, газопровод остается герметичным. Пламя, движущееся за ударной волной (при ее наличии), попадает на пламегасящий элемент 3 и гаснет в его узких каналах.
Датчик контроля пламени 7 (фиг. 1) фиксирует наличие пламени или повышение температуры, передает сигнал на блок автоматики 9, который в автоматическом режиме передает управляющее воздействие на исполнительный механизм 8 для закрытия дискового поворотного затвора 4, то есть диск 16 (фиг. 3) перекрывает сечение газопровода, но открывает продувочное окно 17. В данном случае происходит одновременное прекращение поступления взрывоопасного газа к источнику воспламенения и продув газопровода свежим воздухом за счет источника тяги. Свежий воздух вытесняет продукты горения и остатки взрывоопасного газа для недопущения повторения и развития воспламенения.
Сигнал о воспламенении от датчика контроля пламени 7 (фиг. 1) поступает через блок автоматики 9 на включение устройства сигнализации 10 и на автоматизированное рабочее место 11 оператора, что свидетельствует о возникновении аварийной ситуации и недопустимости нахождения персонала в месте аварии. С автоматизированного рабочего места 11 оператора обеспечена возможность управления через блок автоматики 9 исполнительным механизмом 8 дискового поворотного затвора 4 для проведения регламентных проверок работоспособности, обслуживания и аварийного закрытия дискового поворотного затвора 4.
Таким образом, заявляемая система надежно предотвращает распространение воспламенения и/или взрыва по газопроводам путем сброса избыточного давления через легкосбрасываемую мембрану взрывного предохранительного клапана и гашения пламени в пламегасящем элементе огнепреградителя. Заявляемая система не допускает развитие аварийной ситуации с помощью дискового поворотного затвора путем одновременного прекращения поступления взрывоопасного газа к источнику воспламенения и продува газопровода свежим воздухом, что также повышает надежность, технологичность монтажа и обслуживания. Также заявляемая система повышает безопасность персонала путем включения устройства сигнализации и передачи сигнала оповещения на автоматизированное рабочее место оператора при возникновении аварийной сигнализации. Также заявляемая система обеспечивает надежность работы при нормальных условиях путем передачи сигнала на включение устройства сигнализации и на автоматизированное рабочее место оператора в случае загрязнения пламегасящего элемента огнепреградителя и необходимости его очистки для снижения сопротивления при транспортировке взрывоопасного газа. Также заявляемая система повышает безопасность персонала и технологичность восстановления герметичности после аварии путем использования во взрывных предохранительных клапанах поворотных легкосбрасываемых мембран с механизмом возврата в исходное положение.