Система подавления испарений и нейтрализации проливов жидкого аммиака на холодильной установке

УДК 504.06: 628.52

Т. Н. Мустафин, А. Г. Сайфетдинов, И. И. Шарапов, С. В. Визгалов

СИСТЕМА ПОДАВЛЕНИЯ ИСПАРЕНИЙ И НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ПРОЛИВОВ ЖИДКОГО АММИАКА НА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

Ключевые слова: аммиак, холодильная установка, нейтрализация аварии, экологическая безопасность, аварийная ситуация,

разлив аммиака, техника безопасности.

Выбросы жидкого аммиака в результате разгерметизации, течи участка трубопровода, сосуда или аппарата холодильной установки являются опасной аварийной ситуацией, т.к. резко возрастает концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны. Согласно нормативным требованиям Ростехнадзора такие установки должны иметь системы локализации выбросов аммиака в жидкой и газообразной фазе. Предложено техническое решение, позволяющее создать эффективную и надежную в эксплуатации систему подавления испарения и нейтрализации выбросов и проливов жидкого аммиака на промышленной холодильной установке.

Key words: ammonia, refrigeration system, failure neutralization, environmental safety, emergency situation, ammonia spillage,

accident prevention.

Ammonia spillage as result of a refrigeration system piping, device or vessel depressurization is a really dangerous emergency situation. During this situation increasing of ammonia concentration in working zones can occur. According the normative requirements of the Federal Environmental, Engineering & Nuclear Supervision Agency a localization system of an ammonia emission should be installed to the refrigeration system. Technical solution which allows creating an efficient and reliable evaporation reduction and liquid ammonia spillage neutralization system was presented.

Повышение энергоэффективности в холодильной технике во многом связано с проблемой выбора хладагента, от которого зависит стоимость холодильной установки, ее безопасность при эксплуатации и энергозатраты при производстве единицы холода [1, 2].

К настоящему времени принят ряд регламентирующих производственную деятельность международных соглашений, в которых пересмотрены экологические требования к хладагентам. Это связано с тем, что традиционные марки фреонов оказывают разрушающее действие на озоновый слой и способствуют увеличению парникового эффекта, поэтому подлежат замене на альтернативные хладагенты. В свою очередь, альтернативные хладагенты уступают

традиционным по термодинамическим свойствам, а так же лишь не многие решают проблему парникового эффекта. Большинство из них являются смесевыми не азеотропными хладагентами, что усложняет эксплуатацию холодильной установки.

С точки зрения экологических факторов аммиак не оказывает влияния на озоновый слой (потенциал разрушения озонового слоя ОйР = 0), и не способствует увеличению парникового эффекта (потенциал глобального потепления GWP = 0). В этом аспекте аммиак является приемлемой альтернативой фреонам. Кроме того, аммиак как природный хладагент, обладает хорошими термодинамическими и теплофизическими свойствами.

Основным недостатком аммиака является его токсичность и пожаро - и взрывоопасность. ПДК аммиака в производственном помещении составляет 20 мг/м3, в смеси с воздухом при объемной концентрации 15 ^ 28 % и наличии открытого пламени аммиак взрывоопасен. Несмотря на

использование современных электронных систем контроля и оповещения, имеется потенциальная опасность разгерметизации сосудов и аппаратов аммиачных холодильных установок (АХУ).

В соответствии с Правилами безопасности аммиачных холодильных установок [3] для ликвидации последствий возможных аварий АХУ должны быть оснащены системами и средствами подавления испарения и нейтрализации проливов жидкого аммиака, системами локализации и рассеивания газообразного аммиака. Поэтому создание эффективной системы локализации аммиака для повышения безопасности АХУ в настоящее время является актуальной задачей.

В литературе имеется несколько работ по проблеме ликвидации аварийных проливов аммиака на АХУ. В частности в работе [4] предлагается адсорбировать жидкий аммиак минеральными сорбентами (палыгорскит и др.), однако при этом, как и признают авторы, выделяющаяся теплота адсорбции будет способствовать росту испарений аммиака, особенно на начальной стадии. Данные о промышленном применении данного метода отсутствуют. В патенте [5] предложен вариант системы локализации пролива аммиака, предполагающий самотечный слив жидкости из поддонов в ресивер, установленный с заглублением в приямке и сообщающийся с атмосферой. При этом принятие мер по устранению испарений пролива аммиака не предусматривается. В работе [6] указывается, что установки подавления испарения и нейтрализации возможных проливов хладагента должны основываться на защитном эффекте покрытия проливов жидкого аммиака пенными растворами, не вступающими во взаимодействие с аммиаком, указаны их марки, однако технического

решения о применении этих растворов в рамках АХУ не представлено.

В данной статье предложено техническое решение системы подавления испарения и нейтрализации проливов жидкого аммиака, системы рассеивания газообразного аммиака на АХУ, имеющей в своем составе несколько единиц различного емкостного оборудования (линейные ресиверы, отделители жидкости, циркуляционные ресиверы), с поддонами для сбора жидкого аммиака согласно [3].

Система подавления испарения и нейтрализации проливов жидкого аммиака основана на защитном эффекте покрытия проливов жидкого аммиака пенными растворами. Система работает следующим образом (рис. 1). При аварийной разгерметизации оборудования холодильной установки и утечке аммиака срабатывает штатная аварийная система автоматизации и подается сигнал на блок управления системы локализации аммиака. При этом автоматически через венитль СВ9 подается вода под давлением 3^6 атм в бак - дозатор пеногенерирующей установки (ПГУ1), где образуется раствор пенообразователя. Далее раствор по трубопроводам, через вентили СВ1, СВ2 подается к пеногенераторам (ПГНПГ6), установленным над поддонами аппаратов холодильной установки. Пена образуется за счет контакта раствора пенообразователя с воздухом в пеногенераторе и подается на поверхность розлива аммиака. Пена покрывает поверхность разлитого аммиака и предотвращает его испарение. Одновременно автоматически включается насос (Н1) откачки аммиака и пеноаммиачной смеси из поддонов в аварийный ресивер (РД1). Работа насоса в режиме откачки и подача пены продолжается в течение 10 мин. Их работа может быть также прервана вручную. После сбора проливов в аварийный ресивер схема переключений позволяет эвакуировать аммиак из аварийного ресивера насосом через заправочную станцию в аварийную автоцистерну.

Система локализации и рассеивания газообразного аммиака работает параллельно с аварийной и общеобменной вентиляцией. В случае разрушения оконных проемов для предотвращения выхода облака аммиака за пределы здания и его локализации предусматривается установка водяной завесы.

Водяная завеса устанавливается снаружи здания над оконными проемами машинного отделения. Она создается с помощью коллектора для подачи воды с вмонтированными в него оросителями - форсунками дренчерного типа. При аварии система автоматики подает команду на открытие автоматического вентиля СВ10, подачу воды в водяной коллектор и осуществляется орошение распыленной водой оконных проемов. При этом водяная завеса поглощает пары аммиака и минимизирует их прорыв в окружающую среду. Кроме этого аварийная вытяжная вентиляция снабжается фильтрами-поглатителями, предотвращающими выброс паров аммиака в окружающую среду.

Возможными сценариями возникновения и развития аварий с выбросом аммиака на аммиачной холодильной установке являются [7]:

1. Повреждение компрессора с разгерметизацией корпуса, сварных, фланцевых соединений (сценарий 1).

2. Разгерметизация сосуда, аппарата и трубопровода, находящегося в машинном отделении (сценарий 2).

3. Разгерметизация испарительного конденсатора, находящегося на наружной площадке, а также элементов его трубопроводной обвязки (сценарий 3).

4. Разгерметизация гибкого съемного шланга в пункте слива жидкого аммиака, находящегося на наружной площадке (сценарий 4).

Наиболее опасными сценариями аварий, приводящих к выбросу жидкого и газообразного аммиака в помещение цеха и образованию взрывоопасной концентрации аммиака с воздухом помещения, являются сценарии 1 и 2.

Для определения количества пенообразователя, а также выбора типо-размера пеногенераторов необходимо количественно оценить выбросы жидкого аммиака в соответствии с каждым из возможных сценариев аварии. Расчет количества выброса жидкого и газообразного аммиака проводится по методикам, изложенным в [7, 8, 9, 10]. Вычисления производятся для каждого технологического блока при условии, что происходит полное разрушение аппарата или трубопровода данного технологического блока при целостности остального оборудования холодильной установки.

В расчете принимается следующая модель развития выброса. При разрушении сосуда, аппарата, содержащего жидкий аммиак, количество пролитого аммиака определяется суммированием количества жидкости в аппарате, количества поступившей жидкости из смежных технологических блоков за некоторое время (закрытия отсечной арматуры или остановки компрессоров) и количества жидкости, оставшейся в прилегающих трубопроводах после полного закрытия отсечной арматуры.

Часть пролитой жидкости мгновенно вскипает за счет ее перегрева и переходит в паровую фазу. Оставшаяся доля пролитой жидкости, находящаяся в поддоне - обваловании аппарата, продолжает испаряться за счет подвода теплоты от подстилающей поверхности (пола обвалования).

На трубопроводах подачи жидкого холодильного агента в аппараты проектом предусматривается запорная арматура с автоматическим приводом. Согласно [11] время отключения трубопроводов т отсечной арматурой составляет 12 сек.

Количество выброса аммиака в виде газа вычисляется суммированием количества газообразного аммиака в аппарате, количества газа, поступающего из смежных технологических блоков до закрытия отсечной арматуры, количества газа, оставшегося в прилегающих трубопроводах после закрытия отсечных арматур, и количества газа,

образовавшегося при парообразовании пролитого аммиака.

При расчете сценария разгерметизации трубопровода с газом принимается вариант полного разрушения трубопровода. Количество выброса газообразного аммиака определяется расходом газа за время закрытия отсечных арматур или остановке компрессоров и количеством газа, оставшегося в трубопроводе после закрытия отсечной арматуры или остановке компрессоров.

В качестве примера рассмотрим методику расчета массы аммиака, поступившего в помещение при аварии линейного (жидкостного) ресивера, входящего в технологическую схему холодильной установки. Как правило блок, в состав которого входит данный аппарат, является наиболее аммиакоёмким и представляет наибольшую угрозу в случае аварии.

Масса жидкого аммиака в аппарате:

т„

= Ф- V-р ж ,кг,

где ф - коэффициент, учитывающий уровень заполнения аппарата жидким аммиаком; V - объем

аппарата, м ; рж - плотность жидкого аммиака в аппарате, кг/м3.

Плотность паров аммиака в

М . 3

помещении рп =-, кг / м ,

п Vo -

_1

где М - молярная масса аммиака, кг - кмоль ;

з

V) = 22,413 м / кмоль - молярный объем аммиака при нормальных условиях соответственно; 1в -расчетная температура воздуха в помещении, °С.

Масса пара, вышедшего аппарата в результате разгерметизации

тп = 0,01-Р1 - (1-ф) - V-рп,кг, где Р1, кПа - давление в аппарате.

Масса жидкости, вытекающей из присоединенного к аппарату трубопровода до отключения

т

ж.тр1 = т -Т кг,

где т - массовый расход аммиака через соответствующий трубопровод за время закрытия арматуры т, кг/с.

Падбод (¡оды 0АМ5МПа

6! б линию слийа на заправочной станции

Рис. 1 - Принципиальная схема системы подавления испарений и нейтрализации пролива аммиака

Масса жидкости, пролитой из присоединенного к аппарату ]-го трубопровода после отключения

тж.тр.] =Л-РЖ - + "^гХ ЬКГ,

где г и 1_ внутренний диаметр и длина участка трубопровода от аварийного аппарата до отсечной арматуры, м.

Общая масса пролитой жидкости

тж = тж

+ т

ж.тр1

+ тж

:.тр2, кг.

Масса газа, образовавшегося при мгновенном вскипании перегретой жидкой фазы сразу после разгерметизации аппарата

тг.мг = тж ф-ехр(Сж - 0к/гжЯ кг,

где 0к - разность температур жидкой фазы при регламентированном режиме и её кипении при атмосферном давлении; Сж, Дж /(кг - К) и гж, Дж / кг - теплоемкость и теплота

парообразования аммиака соответственно.

Масса жидкости, испарившаяся с поверхности

пролива тг

= 2 •

2

Гж

1 п _ 1к |рпСп^п ^

-ТГ,кг,

обв

где Рконт, - площадь контакта с твердой поверхностью, включающая как площадь

%

обвалования Робв, так и его боковую поверхность; 1 п, °С - температура поверхности; рп, Сп, Xп -

плотность, теплоемкость и теплопроводность обвалования соответственно.

Таким образом, общая масса газообразного аммиака в помещении

тг.общ = тп + тг.мг + тг.исп -кг-

Масса жидкого аммиака, оставшегося в обваловании под пеной

тж.обв = тж - (тг.мг + тг.исп),кг.

Расчет выброса аммиака при расчетной аварии для других технологических блоков производится по аналогичной методике с учетом протекающих в них процессов.

Для расчета количества пенообразователя, подаваемого из бака-дозатора пены на пеногенераторы, можно использовать методику [12]. Для установки над поддонами и обвалованиями рекомендуются пеногенераторы марки Б1-8МБ-1-4, марка бака - дозатора - Б1-8МБ-1-4. Для оперативной подачи пены необходимо сооружение стационарной системы трубопроводов с верхней разводкой, а также монтаж трубопроводов слива и отсоса жидкого аммиака из каждого поддона. Аварийный ресивер необходимо устанавливать на открытой площадке в непосредственной близости от пункта заправки аммиаком.

Эффективность предлагаемой системы основана на применении имеющихся и опробованных элементов, привязке к штатной системе противоаварийной защиты АХУ для обнаружения аварии, быстрому образованию пены и ее подаче в поддоны, отсосу выбросов жидкого аммиака насосом, а также улавливанию паров аммиака, выходящего за пределы здания через окна за счет распыла воды.

Внедрение предложенной системы локализации пролива жидкого аммиака в проектах и на действующих холодильных установках позволит в первую очередь повысить безопасность АХУ, а также продолжать эксплуатировать их в условиях

возрастающих требований по эффективности и экологичности установок.

Литература

1. Ибраев, А.М., Мустафин, Т.Н., Хамидуллин, М.С. Сравнительный анализ холодильных агентов парокомпрессионных холодильных машин по ожидаемой холодопроизводительности // Вестник Казан. технол. унта. - 2014. - Т. 17, - №10. - С. 159-162.

2. Ибраев, А.М., Мустафин, Т.Н., Хамидуллин, М.С. Сравнительный анализ холодильных агентов парокомпрессионных холодильных машин по величинам энергетичеких потерь дросселирования и перегрева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2014. - Т. 17, - №14. - С. 439-442.

3. Правила безопасности аммиачных холодильных установок (ПБ 09-595-03) Утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 19.06.2003г. №79.

4. Малиновский, Е.К. и др. Ликвидация аварийных проливов жидкого аммиака с помощью природных сорбентов / Малиновский, Е.К., Цыкало, А.Л., Бартковская, Ю.Ф., Куценко, Г.Д. // Холодильная техника. - 1990. - №9, с. 44-46.

5. Пат. РФ 2318166, МКИ F25B49/02. Аммиачная холодильная установка с системой локализации пролитого жидкого аммиака. 2008 г.

6. Гущин, А.В., Лысенко, В.Я. Локализация проливов жидкого аммиака в аммиачных холодильных установках // Холодильная техника. - 2005, - №5, с. 38-39.

7. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ (РД-03-26-2007). Серия 27. Выпуск 6.

8. ФНиП «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств», 2013.

9. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности (НПБ 105-03).

10. Кочетов, Н.М. «Моделирование процесса парообразования сжиженных газов при их аварийном разливе», Проблемы анализа риска, том 6, 2009, № 3.

11. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ПБ 09-540-03).

12. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования (СП 5.13130.2009), Москва, 2009.

© Т. Н. Мустафин - доц. каф. холодильной техники и технологии КНИТУ, mustimur@rambler.ru, А. Г. Сайфетдинов - доц. той же кафедры, almazy_kstu@mail.ru, И. И. Шарапов - доц. той же кафедры, irek_kstu@rambler.ru, С. В. Визгалов - доц. той же кафедры», sv_kstu@rambler.ru.

© T. N. Mustafin - Ph.D., associate professor Department refrigeration equipment and technologies mustimur@rambler.ru, A. G. Sayfetdinov - Ph.D., associate professor Department refrigeration equipment and technologies, almazy_kstu@mail.ru,

1 I. Sharapov - Ph.D., associate professor Department refrigeration equipment and technologies irek_kstu@rambler.ru, S. V. Vizgalov - Ph.D., associate professor Department refrigeration equipment and technologies, sv_kstu@rambler.ru.