Использование водопленочных теплозащитных экранов для защиты от теплового излучения при горении проливов сжиженного природного газа

В. Ю. ШИМКО, генеральный директор ООО "СпецПожТех"

УДК 614.842.618

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОПЛЕНОЧНЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ ПРОЛИВОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Представлены результаты исследований принципиально нового типа теплозащитных экранов, предназначенных для использования в качестве противопожарных преград с целью ослабления мощного теплового излучения при горении проливов сжиженного природного газа.

Ключевые слова: сжиженный природный газ; теплозащитный экран; водяная пленка; тепловой поток; парогазовое облако.

Современные мировые тенденции характеризуются увеличением масштабов и расширением области использования природного газа. Этот процесс, охвативший в настоящее время все передовые индустриальные страны, обусловлен прежде всего технологическими достоинствами природного газа, рациональное использование которого позволяет получить значительный экономический эффект.

Сегодня мы находимся на рубеже резкого повышения интереса к сжиженному природному газу (СПГ) как к "мобильному" энергоносителю, обладающему всеми экологическими и экономическими преимуществами. В соответствии с инвестиционными предложениями ОАО "Газпром" разработаны следующие схемы использования СПГ:

• газификация 362 муниципальных образований;

• применение в качестве резервного топлива на промышленных предприятиях 15 регионов;

• перевод автотранспорта на газомоторное топливо для 68 регионов.

Однако, наряду с преимуществами использования СПГ, процессы его производства, хранения и применения связаны с чрезвычайно высокой опасностью пожара и взрыва при аварийных ситуациях.

Одной из серьезных проблем при обеспечении пожарной безопасности объектов производства и применения СПГ является высокое тепловое излучение, возникающее при горении природного газа. В частности, среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени СПГ может достигать 220 кВт/м2 [1], что в 5,5 раза выше, чем у дизельного топлива, и примерно в 3 раза — чем у пропан-бутана.

Для защиты от теплового излучения могут использоваться следующие технические решения:

• защитные водяные завесы, создаваемые с помощью веерных распылителей;

© ШимкоВ.Ю., 2013

• стационарные ограждения специальной конфигурации и достаточной высоты;

• конструктивная стационарная огнезащита технологического оборудования.

Защитные водяные завесы, создаваемые с помощью веерных распылителей, обеспечивают снижение плотности тепловых радиационных потоков в 3-4 раза. Однако создание длительно действующей водяной завесы требует большого расхода воды, что создает серьезные проблемы при их применении, особенно в регионах с холодным климатом.

Создание стационарных ограждений требует существенных материальных затрат. Кроме того, они усложняют прокладку коммуникационных и транспортных линий на объекте.

Конструктивная стационарная огнезащита технологического оборудования от теплового излучения пламени СПГ, среднеповерхностная плотность которого может достигать 220 кВт/м2, является сложным и дорогостоящим техническим решением. Причем оптимальный состав и структура такой огнезащиты определяются путем моделирования процессов тепломассопереноса в композиционной огнезащите и на защищаемом объекте с учетом влияния нагрева и термического разложения, влагопереноса и сопровождающих его тепловых эффектов испарения-конденсации влаги в системе композиционная огнезащита - защищаемый объект, а также лучистого и конвективного переноса теплоты через слои этой системы.

Теплозащитный водопленочный экран

В настоящей статье для защиты от теплового излучения пламени СПГ предлагается инновационная технология ослабления тепловых потоков [2], реализуемая с помощью ограждающей конструк-

ции специального вида — теплозащитного водо-пленочного экрана.

Принципиальная схема экрана представляет собой две поверхности из металлических сеток с заданными параметрами (размер ячейки, вид металла, диаметр проволоки сетки и т. д.), между которыми имеется зазор. Ослабление теплового потока обеспечивается распылением воды с помощью специальных форсунок, расположенных в межсеточном пространстве, из расчета 0,06-0,10 л воды на 1 м2 экрана.

Система водообеспечения состоит из фильтров для очистки воды и проложенного в межсеточном пространстве медного трубопровода с укрепленными на нем форсунками. При подаче воды на сетки на них образуется водяная пленка, а в межсеточном пространстве — водо-, паро- и капельно-воздушная среда. Этот многофазный комплекс частично поглощает, частично отражает электромагнитные волны преимущественно ИК-диапазона и препятствует прохождению газов. Следует отметить, что в зимних условиях подачу воды, очевидно, следует производить только при пожаре, когда на экран воздействует мощный тепловой поток.

Ослабление теплового потока достигается за счет как теплофизических эффектов, так и оптических явлений.

Теплофизические эффекты обеспечиваются в основном поглощением тепловой энергии водой, которая непрерывно поступает на металлические поверхности экрана и аккумулируется на них.

Оптические явления обуславливаются особенностями взаимодействия теплового потока, представляющего собой электромагнитное излучение пламени пожара, с мелкодисперсными каплями воды в межсеточном пространстве и пленками воды на самих сетках. Следует отметить, что теоретические и экспериментальные исследования [3] позволили доказать, что основной вклад в ослабление теплового потока в нашем случае вносит рассеяние ИК-излучения на пленках воды, образующихся на сеточных поверхностях экрана, за счет их неоднородности. В зависимости от величины зазора между сеточными поверхностями, расходом воды на форсунках и параметрами сеток способность экрана ослаблять тепловой поток возрастает скачкообразно в момент образования на сетках пленок воды.

Экспериментальные исследования [3], проведенные с использованием различных источников теплового излучения (промышленная печь, горящий штабель дров, горючие жидкости) с плотностью потока от 25 до 65 кВт/м2 и при температуре пламени до 1200 °С, показали, что во всех опытах достигалось ослабление теплового потока экраном не менее чем в 50 раз.

Рис. 1. Огневые испытания теплозащитного экрана

На рис. 1 дана иллюстрация одного из огневых испытаний теплозащитных экранов.

Успешные испытания теплозащитных экранов дали основание предположить, что они могут эффективно ослаблять и значительно более мощные тепловые потоки горящего СПГ — со среднеповерх-ностной плотностью до 220 кВт/м2 при температуре пламени до 1800 °С [4].

Способность экранов эффективно ослаблять мощные тепловые потоки горящего СПГ была исследована в серии крупномасштабных экспериментов, которые проводились на территории испытательного полигона Оренбургского филиала ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ в 2011 г.

Проведение эксперимента

Для проведения экспериментов был создан стенд с целью исследования теплозащитных экранов в условиях аварийных ситуаций, связанных с горением проливов СПГ. На рис. 2 показан процесс монтажа такого стенда.

Рис. 2. Монтаж стенда для исследования теплозащитных экранов

64

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №12

Рис. 3. Горение пролива СПГ в непосредственной близости от защитного экрана

Цилиндрическая емкость с СПГ диаметром 1 м и высотой 3 м устанавливалась в вертикальном положении в центре бетонного ограждения высотой 1 м, представляющего собой в плане квадрат с длиной стороны 3 м. Четыре экранирующие панели размером 3x4 м монтировались на верхней кромке ограждения, образуя прямоугольный параллелепипед высотой 4 м, внутри которого и находилась защищаемая емкость с СПГ.

Проведение экспериментов на стенде осуществлялось в такой последовательности. Конструкция с теплозащитными экранами устанавливалась на поддон и фиксировалась с помощью элементов крепления. Внутри конструкции размещались термопары, датчики тепловых потоков и газовые анализаторы, а вокруг установки — датчики тепловых потоков и газовые анализаторы.

В ходе проведения опыта измеряли температуры и концентрации метана в различных точках —

внутри конструкции из экранирующих панелей и вокруг экранов, плотность тепловых потоков вокруг установки, параметры атмосферы.

Огневые испытания по определению теплозащитной эффективности экранов с целью обеспечения пожаровзрывобезопасности емкости с СПГ при воздействии внешних источников теплового излучения проводились в условиях горения пролива СПГ в непосредственной близости от ограждения в течение 300-650 с. На рис. 3 представлен один из огневых опытов с горением пролива СПГ.

Датчики теплового потока, установленные в непосредственной близости от поверхности защитного экрана с внешней стороны ограждения, где происходило пламенное горение испаряющегося газа, показали, что плотность тепловых потоков, падающих на экранирующие панели ограждения, достигала 220 кВт/м2. При этом датчики тепловых потоков, установленные внутри ограждения на расстоянии 0,3 м от поверхности защитного экрана, показали, что максимальная зафиксированная в серии опытов плотность теплового потока, проникающего внутрь защищаемого объема и воздействующего на емкость с СПГ, равна 4,8 кВт/м2. Удельный расход воды, подаваемой на экраны во время экспериментов, составлял 0,1 л/(м2-с).

Таким образом, в данной серии экспериментов было установлено, что водопленочные экраны эффективно ослабляют мощные тепловые потоки горящего природного газа: во всех опытах достигалось ослабление теплового потока экраном не менее чем в 40 раз.

Рис. 4. Фрагменты экспериментов с проливом СПГ во внутреннем объеме защитного ограждения: а — через 10 с с момента подачи СПГ; б—то же, через 60 с; в — в момент подачи воды на экран; г — в момент поджига газа внутри ограждения; д — через 5 мин с момента поджига газа; е — в момент прекращения подачи газа

В следующей серии экспериментов СПГ подавался во внутренний объем защитного ограждения. На рис. 4 представлены фрагменты данных экспериментов.

Как видно из рис. 4,а,б, экраны в "нерабочем" состоянии (без подачи воды) являются негерметичными и через 3-5 с испаряющийся газ начинает свободно проникать через нижнюю часть сеточных панелей ограждения и растекаться по поверхности земли.

После подачи воды в систему водоорошения панелей ограждения (см. рис. 4,в) происходила герметизация ограждения водяными пленками, образовавшимися на сеточных поверхностях, что практически исключало проникновение газа и продуктов сгорания сквозь них.

При поджиге газа, испаряющегося во внутреннем объеме защитного ограждения (см. рис. 4,г), происходила вспышка с последующим переходом горения в верхнюю часть ограждения. Датчики, позволяющие замерять изменение температуры во времени в характерных сечениях защитного ограждения, показали, что в нижней части защитного ограждения (0-2 м от уровня земли) нагрева конструкции не происходило, т. е. горение на поверхности пролива СПГ отсутствовало. Наблюдалось горение на высоте более 3,5 м от уровня земли (нарас-стоянии около 0,5 м от верхнего среза экранов), но и оно прекратилось при увеличении расхода газа, а пламя переместилось на верхний срез защитных экранов (см. рис. 4,д). Максимальная температура на поверхности верхней части резервуара не превышала 240 °С.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что данная конструкция, наряду с газоизолирующим свойством, обладает и способностью предотвращать горение на поверхности пролива за счет прекращения доступа окислителя (воздуха) в зону го-

рения. Таким образом, исключается горение в наиболее опасном месте—под днищем резервуара, в результате чего пламя переносится в район верхнего среза, и при соответствующей высоте экрана защищаемый объект будет находиться вне зоны прямого воздействия пламени.

Выводы

В штатном режиме работы объем, огороженный экранирующими панелями, свободно продувается сквозь сеточные поверхности, и незначительные малые технологические утечки газа даже при длительной эксплуатации не приводят к скоплению газа внутри ограждения. При возникновении аварийной ситуации на соседнем оборудовании, связанной с выбросом СПГ и образованием пожароопасного облака или горением пролива, панель управления от сигнала соответствующих датчиков подает команду на подачу воды в систему водооро-шения экранирующих поверхностей ограждения. На сеточных поверхностях образуется сплошная водяная пленка, при этом обеспечивается очень высокая (более чем в 40 раз) степень ослабления мощных (до 220 кВт/м2) тепловых потоков, которые реализуются при горении СПГ. Наряду с защитой от внешних источников теплового излучения, данная конструкция обладает газоизолирующей способностью, что позволяет исключить проникновение газа и продуктов сгорания сквозь экран, а также обеспечить предотвращение горения на поверхности пролива (внутри ограждения) за счет исключения доступа окислителя (воздуха) в зону горения.

Таким образом, экспериментально была подтверждена высокая эффективность применения теплозащитных экранов в качестве ограждений объектов хранения сжиженного природного газа в условиях аварийных ситуаций, связанных с проливами и горением СПГ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 12.3.047-98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общиетребо-вания. Методы контроля. — Введ. 01.01.2000 г. — М. : Изд-во стандартов, 1998.

2. Пат. 2182024 Российская Федерация. МПК А62С2/08. Класс А62С2/08, А62С35/68. Способ ослабления потоков энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков и устройства к лафетному стволу для создания защитного экрана от потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков / М. Х. Усманов, Н. Н. Брушлинский, Р. А. Аблязис, Ю. У. Касымов, Н. П. Копылов, Н. Б. Лобанов, Ш. Садыков, Е. А. Серебренников, М. Сабиров, А. Д. Худоев. — № 2000105809/12; заявл. 13.03.2000 г.; опубл. 10.05.2002 г.

3. Усманов М. Х. Влияние термического воздействия на ограждающие конструкции: новыеметоды экспертизы мест пожаров и теплозащиты. — Ташкент : Высшая техническая школа пожарной безопасности МВД РУз, 2008. — 291 с.

4. Термодинамические свойства метана. — М. : Изд-во стандартов, 1979. — 348 с.

Материал поступил в редакцию 26 сентября 2013 г.

66

!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №12

APPLICATION OF WATER-FILM HEAT-REFLECTING SHIELDS FOR PROTECTION AGAINST THERMAL RADIATION ARISING FROM BURNING SPILLS OF LIQUEFIED NATURAL GAS

SHIMKO V. Yu., General Director, JSC SpetsPozhTekh

(Malyy Sukharevskiy Lane, 9, off. 1, Moscow, 127051, Russian Federation;

e-mail address: spth@mail.ru)

ABSTRACT

Modern world tendencies are characterized by increase of a natural gas usage scale. Today we are at the turn of sharp increase of interest to the liquefied natural gas (LNG), as to the "mobile" energy source having all ecological and economic advantages. In accordance with investment offers of "Gazprom" OJSC it were developed the following schemes of use of LNG:

• gasification of 362 municipalities;

• use of LNG as reserve fuel by industrial enterprises in 15 regions;

• change the fuel of motor transport in 68 regions to a gas fuel.

However use of LNG is connected with extremely high danger of fire and explosion in case of emergency situations. One of serious problems of ensuring of fire safety of production objects using LNG is a high thermal radiation arising from burning natural gas. Where density of thermal radiation of LNG flame can reach 220 kW/m2.

As protection against thermal radiation of LNG flame authors offer the innovative technology of weakening of heat flows by means of the special cladding structure — heat-reflecting water-film shield. Ability to weaken the heat flow is provided by dispersion of water by special nozzles in inter-greed space. Weakening of thermal stream is achieved due to the thermophysical effects and optical phenomena.

Ability of shields to effectively weaken the powerful heat flows of burning LNG was investigated in a series of large-scale experimental researches which were conducted on the territory of the proving ground of the Orenburg branch of VNIIPO FSBI of Emercom of RF in 2011.

Keywords: liquefied natural gas; heat-reflecting shield; water film; heat flow; steam-gas cloud.

REFERENCES

1. State standard of the Russian Federation 12.3.047-98. Occupational safety standards system. Fire safety of technological processes. General requirements. Methods of control. Moscow, Izdatelstvo standartov, 1998 (in Russian).

2. Usmanov M. Kh., BrushlinskiyN. N., Ablyazis R. A., KasymovYu. U., KopylovN. P., LobanovN. B., Sadykov Sh., Serebrennikov Ye. A., Sabirov M., Khudoyev A. D. Sposob oslableniyapotoka energii v vide sveta tepla i konvektivenykh gazovykh potokov i ustroystva k lafetnomu stvolu dlya zashchitnogo ekrana ot potoka energii v vide sveta, tepla i konvecktivnykh gazovykh potokov [The method of attenuation of the thermal heat flux and convective gaseous flows, and it is thermal protective fence against the conversive gaseous flows]. Patent RU, no. 2182024, 2000.

3. Usmanov M. Kh. Vliyaniye termicheskogo vozdeystviya na ograzhdayushchiye konstruktsii: novyye metody ekspertizy mest pozharov i teplozashchity [Influence of thermal effect on cladding structures: new methods of examination of fire places and heat shielding]. Tashkent, Higher Technical School of Fire Safety of the MIA of RUz Publ., 2008. 291 p.

4. Termodinamicheskiyesvoystva metana [Thermodynamic properties ofmethane]. Moscow, Izdatelstvo standartov, 1979. 348 p.