СПОСОБ РАССЕИВАНИЯ ГАЗОВОГО ОБЛАКА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ УТЕЧКЕ ИЗ НАЗЕМНОЙ ЕМКОСТИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DISPERSION OF GAS CLOUD FORMED DURING LEAKAGE FROM GROUND CONTAINER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область применения
Изобретение относится к противопожарной технике, в частности к системам, ограничивающим зону распространения газового облака, образующегося при аварийной разгерметизации наземных емкостей, содержащих тяжелые пожаровзрывоопасные и токсичные газы, осуществляющим рассеивание указанного газового облака до безопасных концентраций, предотвращающим распространение пожара при его воспламенении.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для локализации аварий на наземных хранилищах взрывопожароопасных, ядовитых газов и жидкостей (а.с. СССР №1695949 А1, МПК А62С 3/00), сопровождающихся разгерметизацией емкостей с указанными газами и жидкостями, предназначенное ограничивать зону распространения указанных газов и паров указанных жидкостей, а в случае их воспламенения - зону распространения огня способом, включающим формирование вокруг емкости сплошного ограждения, выполненного из огнестойкого материала и сложенного в обваловании емкости, путем поднятия (расправления) указанного ограждения вверх при возникновении аварийной ситуации.
Указанное устройство содержит сплошное ограждение из гибкого и огнестойкого материала, уложенное в обваловании емкости, подъемную оболочку, соединенную с указанным ограждением, источник легкого газа, соединенный шлангом с указанной подъемной оболочкой, детекторы газа, расположенные вблизи емкости. При срабатывании детекторов легкий газ (гелий) из источника этого газа по шлангу подается в подъемную оболочку.
Подъемная оболочка движется вверх, увлекая за собой (развертывая) ограждение так, что емкость оказывается окруженной со всех сторон этим ограждением. Поднятое ограждение предотвращает опасное воздействие газового облака на людей, технику и соседние емкости с пожаровзрывоопасными и ядовитыми жидкостями и газами, при этом газовое облако движется вверх из огражденной зоны и рассеивается над ограждением.
Ограничение зоны распространения газов и паров жидкостей, а в случае их воспламенения - зоны распространения огня указанным способом и с помощью указанного устройства не всегда может быть эффективным. Это связано со следующим:
а) применение огнестойких материалов в ограждении без применения отвода тепла от этого ограждения (его охлаждения) приводит к тому, что в случае воспламенения газа ограждение может перестать функционировать. Например, фторопласт при температуре 327°С начинает медленно плавиться, а при температуре 415°С разрушается (переходит в вязкотекучую массу), тогда как, например, при горении сжиженного природного газа, который на 75-99% состоит из метана, температура пламени достигает 1800°С;
б) применение сплошного ограждения приводит к тому, что при воспламенении газа со взрывом газ, мгновенно расширяясь, оказывает ударное механическое давление на ограждение и может разрушить его (давление взрыва может достигать 800-850 кПа);
в) при утечке из емкости тяжелых газов образовавшееся газовое облако слабо рассеивается над ограждением; за пределами ограждения значительная часть указанного газового облака движется вниз и, распространяясь по территории объекта, скапливается в естественных и искусственных углублениях, полузамкнутых объемах и подобных им участках.
Известно устройство для рассеивания облака тяжелых взрывоопасных газов, образующегося в результате утечки газа из наземной емкости (патент СССР №843704, МПК А62С 3/00), способом, включающим формирование вокруг емкости сплошного ограждения, препятствующего горизонтальному распространению газового облака в нижней части емкости, и создание над указанным ограждением завесы из струек пара, направленных вверх, которые препятствуют горизонтальному распространению газового облака над ограждением, а также, увлекая газ за собой, способствуют рассеиванию газового облака.
Указанное устройство содержит сплошное ограждение, установленное вокруг емкости и имеющее коллектор с отверстиями, а также источник пара и детекторы, сигнализирующие о наличии опасной концентрации газа (детекторы газа). При обнаружении детекторами опасной концентрации газа в коллектор подается пар и вокруг емкости над сплошным ограждением создается завеса из струек пара.
Недостатком известных способа и устройства является то, что пар можно поднять на небольшую высоту, что обусловлено техническими возможностями коллектора и свойствами пара. Это приводит к возможности проникновения через паровое ограждение части (зачастую значительной) парогазового облака. Кроме того, при использовании на открытом пространстве известное паровое ограждение может быть нарушено ветровыми потоками. Все это приводит к невысокой эффективности рассеивания, что может привести к пожару.
Указанным способом и с помощью указанного устройства невозможно предотвратить распространение огня при его возгорании (возгорание газового облака может произойти в результате воздействия на него факторов внутри указанной зоны - искра и т.п., а также теплового излучения большой интенсивности от очага пожара, расположенного вне зоны, ограниченной паровой завесой).
3
Указанный способ и указанное устройство имеют ограниченное применение: их экономически выгодно применять для повышения пожарной безопасности наземных емкостей с тяжелыми газами только там, где имеется технологический пар. В связи с этим малые емкости (с вместимостью до 100 м), установленные на предприятиях небольшой мощности и в населенных пунктах, не оснащаются средствами рассеивания газовых облаков и имеют повышенную пожарную опасность.
Раскрытие изобретения
3
Задача изобретения - повышение пожарной безопасности наземных емкостей, содержащих тяжелые пожаровзрывоопасные газы, и расширение области применения за счет использования для наземных емкостей малых объемов (с вместимостью до 100 м).
Поставленная задача решается тем, что в способе рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости, включающем ограничение горизонтального распространения газового облака и его разбавление воздухом до безопасных концентраций, ограничение горизонтального распространения газового облака осуществляют формированием пленки из жидкости на сетчатом ограждении, установленном вокруг емкости, путем разбрызгивания жидкости на это сетчатое ограждение, а разбавление газового облака воздухом до безопасных концентраций осуществляют ограничением вертикального движения газового облака в огражденной зоне и разделением газового облака, истекающего из этой зоны, на отдельные потоки.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Формирование пленки из жидкости на сетчатом ограждении позволяет ограничить горизонтальное распространение газового облака, т.к. эта пленка из жидкости непроницаема для него.
Кроме этого, формирование пленки из жидкости на сетчатом ограждении позволяет предотвратить распространение пожара при возгорании газового облака, не сопровождаемого взрывом, в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, а также предотвратить возгорание газового облака в этой зоне при воздействии на него теплового излучения большой интенсивности от очага пожара, расположенного вне этой зоны. Достигается это за счет того, что пленка жидкости на сетчатом ограждении не испаряется при прямом воздействии пламени или воздействии теплового излучения большой интенсивности, а также ослабляет тепловое излучение (как испускаемое воспламенившимся газовым облаком, так и от внешнего очага пожара) до безопасных значений.
Формирование пленки из жидкости на сетчатом ограждении позволяет предотвратить распространение пожара также в том случае, когда в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, газовое облако возгорается со взрывом. При воздействии ударной волны взрыва пленка жидкости разрывается, избыточное давление сбрасывается через ячейки ограждения, затем цельность пленки жидкости восстанавливается и ограждение локализует горение газового облака, предотвращая распространение пожара.
Формирование пленки из жидкости на сетчатом ограждении и ограничение свободного вертикального движения газового облака в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, приводит к эффекту затухания горения газового облака из-за отсутствия доступа кислорода в зону горения, что предотвращает развитие аварии, влекущее за собой разрушение емкости с газом.
Ограничение свободного вертикального движения газового облака в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, и разделение газового облака, истекающего из этой зоны, на отдельные потоки обеспечивает уменьшение плотности газового облака и его эффективное перемешивание с окружающим воздухом (разбавление воздухом) до безопасных концентраций.
Это связано со следующим:
а) температура газового облака, образующегося при утечке тяжелого газа из емкости, в которой он находится в сжиженном состоянии, значительно ниже температуры окружающей среды (например, температура кипения сжиженного природного газа лежит в пределах от минус 158°С до минус 163°С), поэтому газовое облако, образовавшееся при утечке из емкости, в результате конвективного теплообмена с окружающей средой нагревается, а его плотность уменьшается; разделение газового облака на отдельные потоки ведет к более быстрому конвективному теплообмену с окружающей средой за счет увеличения площади контакта газового облака с этой средой и, соответственно, к более быстрому уменьшению его плотности;
б) ограничение свободного вертикального движения газового облака в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, приводит к повышению давления в этом облаке (до значений, не превышающих давление, выдерживаемое пленкой из жидкости) и, соответственно, к увеличению скорости движения газового облака в истекающих из этой зоны потоках, повышая эффективность теплообмена с окружающей средой и обеспечивая эффективное перемешивание с воздухом (разбавление воздухом).
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости, включающем сплошное ограждение, выполненное вокруг емкости, установленные между сплошным ограждением и емкостью детекторы газа, связанные с системой управления, и коллектор с отверстиями, на верхней кромке сплошного ограждения установлено по крайней мере одно сетчатое ограждение, на которое ориентированы форсунки, размещенные в отверстиях коллектора, соединенного с источником жидкости, а на верхней кромке сетчатого ограждения закреплена крыша с отверстиями, в которых установлены трубы.
Дополнительно с зазором относительно первого установлено второе сетчатое ограждение, при этом коллектор с форсунками размещен между ними.
Между емкостью и сетчатым ограждением установлены детекторы теплового излучения, связанные с системой управления.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Сетчатое ограждение в обычных условиях эксплуатации наземных емкостей (без пленки жидкости) продувается воздухом, и незначительные пары газа, образуемые при ведении технологических операций, рассеиваются не образуя пожаровзрывоопасных газовых облаков.
Детекторы газа подают сигнал системе управления при появлении опасной концентрации газа. Этот сигнал поступает в систему управления, которая подает команду на исполнительный орган. Исполнительный орган включает подачу жидкости от источника в коллектор.
Форсунки, установленные в отверстиях коллектора, разбрызгивают жидкость на сетчатое ограждение, создавая на этом ограждении пленку из жидкости, которая:
- непроницаема для газового облака;
- в случае возгорания газового облака в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, предотвращает распространение пламени за пределы сетчатого ограждения;
- в случае воздействия интенсивного теплового излучения на газовое облако в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, предотвращает возгорание газового облака.
В качестве жидкости в теплое время года может использоваться вода, а в холодное время года - антифриз.
Крыша с отверстиями ограничивает свободное вертикальное движение газового облака в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, и при наличии пленки из жидкости на сетчатом ограждении в газовом облаке создается повышенное давление, заставляющее газовое облако истекать из указанной зоны через отверстия в крыше с повышенной скоростью.
Трубы, установленные в отверстиях крыши, разделяют газовое облако, истекающее с повышенной скоростью из зоны, ограниченной сетчатым ограждением и крышей, на отдельные потоки, при этом происходит быстрое уменьшение плотности газового облака при движении в трубах за счет повышения эффективности теплообмена с окружающей средой и эффективное перемешивание газового облака с окружающим воздухом (разбавление воздухом) до безопасных концентраций при истечении из труб.
Детекторы теплового излучения сигнализируют о действии на устройство теплового излучения опасной интенсивности со стороны очагов пожара, расположенных за пределами устройства. Они, как и детекторы газа, соединены с системой управления. При появлении сигнала от этих детекторов система управления подает команду на исполнительный орган, который включает подачу жидкости в форсунки, при этом на сетчатом ограждении образуется пленка из жидкости, которая ослабляет интенсивность воздействующего теплового излучения до безопасных значений. Таким образом, устройство, помимо решения задачи рассеяния газового облака, образуемого при утечке тяжелого газа из наземной емкости, решает также задачу защиты емкости с ее оборудованием, трубопроводами и трубопроводной арматурой, находящимися в зоне, ограниченной сетчатым ограждением, от опасного воздействия теплового излучения в течение всего времени эксплуатации емкости, повышая ее пожарную безопасность.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображен один из вариантов устройства с одним сетчатым ограждением для рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости (трубы, установленные в отверстиях крыши, и коллектор с форсунками не показаны); на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - фрагмент устройства, показывающий размещение труб на крыше устройства; на фиг.4 - вид спереди варианта устройства с двумя сетчатыми ограждениями (трубы, установленные в отверстиях крыши, не показаны); на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.4.
Лучший вариант осуществления изобретения
Способ рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости, может быть осуществлен устройством, которое включает сплошное ограждение 1, установленное вокруг емкости 2, содержащей тяжелый газ. На верхней кромке сплошного ограждения 1 установлено сетчатое ограждение, содержащее каркас 3 в форме прямоугольной призмы с закрепленными на нем сетчатыми панелями 4 (сетки с окантовкой металлические или из другого материала). Коллектор 5 с отверстиями закреплен на каркасе 3 сетчатого ограждения. В отверстиях коллектора 5 установлены форсунки 6, ориентированные на сетчатые панели 4, закрепленные на каркасе 3 сетчатого ограждения. Коллектор 5 через систему управления 7 соединен с источником жидкости (на чертеже не показан). Между емкостью 2 и сплошным ограждением 1 установлены детекторы газа 8, сигнализирующие о наличии опасной концентрации газа в газовом облаке. Детекторы газа 8 соединены с системой управления 7. На верхней кромке каркаса 3 сетчатого ограждения закреплена крыша 9 с отверстиями 10, в которые установлены трубы 11.
min
min
Минимальная высота h труб 11 и минимальное расстояние r между ними выбираются такими, чтобы обеспечить эффективное рассеивания газового облака (максимальная приземная концентрация тяжелого газа в газовом облаке после рассеивания не превышает 20% НКПР - нижнего концентрационного предела распространения пламени). Значения указанных параметров рассчитываются по формулам:
где:
min
h - минимальная высота трубы, м;
min
r- минимальное расстояние между трубами, м;
d - диаметр трубы, м;
нкпр
С - нижний концентрационный предел распространения пламени, %;
3
ρ - плотность газа на выходе из трубы, кг/м;
∞
ρ - плотность окружающего воздуха, кг/м.
min
min
min
min
нкпр
∞
3
3
В случае применения устройства для рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости сжиженного природного газа, минимальная высота h труб и минимальное расстояние r между ними имеют следующие значения: h=2,7 м, r=2, 8 м (расчет выполнен принимая диаметр труб d=0,l м; нижний концентрационный предел распространения пламени С=5%; температуру окружающего воздуха равной 20°С, а его плотность ρ=1,293 кг/м; температуру газового облака равной минус 20°С, а плотность ρ=0,776 кг/м).
Способ рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости, может быть осуществлен устройством, включающим расположенные друг относительно друга с зазором 120 мм два сетчатых ограждения, образованных каркасами 3 и 12, на которых закреплены сетчатые панели 4. Коллектор 5 с форсунками 6 в этом устройстве размещен между каркасами 3 и 12.
Детекторы теплового излучения 13, сигнализирующие о действии на устройство извне теплового излучения опасной интенсивности, также как и детекторы газа, соединены с системой управления 7.
Вышеописанные варианты устройства приведены лишь как примеры и не охватывают все возможные варианты. В частности, устройство может иметь сетчатое ограждение другой формы (цилиндрической, в виде усеченного конуса, усеченной пирамиды и т.д.).
Способ рассеивания газового облака при утечке из наземной емкости осуществляется следующим образом.
2
3
При возникновении аварийной утечки газа из емкости 2 детекторы газа 8 подают сигнал о наличии опасной концентрации газа; система управления 7 включает забор жидкости (например, воды) из источника жидкости, жидкость подается в коллектор 5 и из отверстий коллектора 5 поступает в форсунки 6, которые разбрызгивают ее на одно сетчатое ограждение с каркасом 3 и панелями 4 или на два сетчатых ограждения с каркасами 3 и 12 и сетчатыми панелями 4. В результате на указанных сетчатых ограждениях образуется устойчивая пленка жидкости. Жидкость в коллектор 5 подают под давлением 0,4 МПа, обеспечивая расход жидкости 0,1 л/с на 1 м сетчатых панелей 4. После формирования пленки жидкости на указанных сетчатых ограждениях они становятся непроницаемыми для газового облака и совместно со сплошным ограждением 1 предотвращают его горизонтальное распространение. Истекающий из емкости сжиженный газ имеет низкую температуру кипения и, интенсивно испаряясь, образует газовое облако, которое движется вверх в зоне, ограниченной сетчатым ограждением и пленкой из жидкости (например, температура кипения сжиженного природного газа лежит в пределах от минус 158°С до минус 163°С). Крыша 9 с трубами 11 ограничивает свободное распространение газового облака вверх, давление в нем повышается, и оно истекает через указанные трубы наружу. При движении через трубы 11 в результате конвективного теплообмена температура газового облака повышается (на выходе из труб лежит в пределах от 0°С до минус 20°С в зависимости от времени года), а его плотность уменьшается (на выходе из труб лежит в пределах 0,717-0,776 кг/м), и оно, истекая из труб, эффективно перемешивается с окружающим воздухом, разбавляясь до безопасных концентраций.
Промышленная применимость
3
Способ рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости, найдет применение на всех промышленных объектах и во всех населенных пунктах, где установлены наземные емкости для хранения тяжелых пожаровзрывоопасных газов, в том числе емкости малых объемов (с вместимостью до 100 м).