СПОСОБ ОБЪЕМНОГО ТУШЕНИЯ ГОРЯЩЕЙ НЕФТИ ВНУТРИ ПЕЧИ ДЛЯ ЕЕ ПОДОГРЕВА ОГНЕТУШАЩИМ ВЕЩЕСТВОМ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR TOTAL FLOODING OF BURNING OIL INSIDE FURNACE FOR HEATING THEREOF WITH FIRE EXTINGUISHING AGENT AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть применено для тушения легковоспламеняющихся нефтяных продуктов в ограниченных пространствах, либо в особо ответственных агрегатах, в частности для тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева.
Технологический регламент предусматривает сырую нефть перед пуском в ректификационную колонну для перегонки подогревать до температуры 200-250°C в печах для ее подогрева, т.е. в агрегатах ограниченного пространства.
В условиях эксплуатации возможны утечки перегоняемой нефти внутри печи вследствие прогара и образования трещин или свищей на поверхности труб теплообменника. Наиболее опасной аварией может быть полная разгерметизация труб теплообменника, в результате которой во внутреннее пространство печи может попасть значительное количество нефти. Опасность взрыва, хлопка и разгерметизации трубопровода и пролива нефти связана с наличием внутри печи нагретых выше значения температуры самовоспламенения паров нефти поверхности труб теплообменника и внутренних поверхностей конструкции печи.
В соответствии с нормативными документами и технологическим регламентом должен быть предусмотрен процесс тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом. Ввиду того, что нормативные документы лишь определяют необходимость защиты объекта системой пожаротушения, а выбор применяемого оборудования осуществляется организацией-проектировщиком с учетом пожеланий заказчика, то, как правило, в техническое решение закладывается не оборудование, обеспечивающее оптимальную защиту объекта, а оборудование, имеющее наименьшую стоимость и соответствующее качество. Оптимальное соотношение цена/качество оборудования.
По конструкции печи данного типа представляют собой узкокамерные печи с верхним отводом дымовых газов, центральным горизонтальным экраном и излучающими стенами из беспламенных панельных горелок. В печи размещают теплообменник, в который поступает нефть для подогрева. Топливный газ поступает в панельные горелки, собранные в две стены, находящиеся напротив друг друга, что обеспечивает двухстороннее облучение теплообменника, исключая ее перегрев. Печь включает в себя устройства подачи огнетушащего вещества.
Известен способ тушения пожара легковоспламеняющихся жидкостей, включающий подачу и распыливание жидкого хладона, т.е. вещества, тормозящего химические реакции процесса горения и создающего негорючую среду в защищаемом объеме, препятствующую повторному воспламенению легковоспламеняющихся жидкостей [Баратов А.Н. и др. Пожаротушение на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. - М.: Химия, 1971, с. 363].
Известный способ по эффективности уступает другим способам с огнетушащими веществами, т.к. термическому разложению подвергается примерно 5% массы хладона, поданного на тушение пожара. Эффективность определяется проектом и технической эксплуатации установки по времени, а также затраченными ресурсами на тушения пожара. Недостатком известного способа является также то, что при высоких температурах хладоны способны разлагаться с выделением токсичных веществ, что небезопасно при наличии людей.
2
2
2
Известен способ объемного тушения пожара легковоспламеняющихся жидкостей путем ввода в очаг пожара огнетушащего вещества, включающий одновременно две стадии тушения пожара - разбавления и охлаждения; в качестве огнетушащего вещества применяют газированную воду. Разложение газированной воды в очаге пожара приводит к выделению CO из воды, при этом CO проявляет огнетушащие свойства, а HO усиливает эффект охлаждения нагретых поверхностей [Авт. св. СССР №1806795, МПК A62C 3/06, опубл. 07.04.1993].
2
2
По эффективности данный способ уступает другому способу с огнетушащим веществом, т.к. требует создания необходимого запаса CO и средств доставки к месту тушения необходимого количества CO с учетом ожидаемого нормативного расхода воды. Однако при использовании известного способа для объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева необходимо учитывать сложность и дороговизну обслуживания оборудования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и взятому в качестве прототипа является известный способ объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом, в качестве которого применяют жидкую двуокись углерода, подачу ее в печь для подогрева нефти осуществляют поэтапно, вначале на первой стадии - стадии разбавления - подают до прекращения горения нефти, затем с задержкой по времени на второй стадии - стадии охлаждения - подают вторую порцию жидкой двуокиси углерода до понижения температуры в печи для подогрева ниже температуры вспышки нефти (Патент России №2225731, МПК А62С 3/06, опубл. 20.03.2004).
Недостатком известного технического решения является низкая эффективность пожаротушения, необеспечивающая оптимальную защиту объекта, т.к. механизм прекращения горения заключается в ее способности разбавлять концентрации реагирующих веществ до пределов, при которых горение становится невозможным. Предел, при котором реализуется огнетушащий эффект, достигается в том случае, если концентрация двуокиси углерода будет не менее 30% по объему, что ведет к значительным эксплуатационным и топливно-энергетическим ресурсам, учитывая и сложность обслуживания оборудования, снижающую надежность способа и эффективность в целом.
Наиболее близкой по технической сущности и взятой в качестве прототипа к заявляемой установке, является установка для реализации способа объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом, содержащая емкости хранения огнетушащего вещества, трубопроводы для подачи огнетушащего вещества в печь для подогрева нефти, тепловой пункт подготовки огнетушащего вещества, который выполнен в виде стационарной котельной, систему подачи огнетушащего вещества, шкаф управления, запорную арматуру (Инструкция по проектированию паровой защиты технологических печей на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Инструкция утверждена Министерством нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и согласована с ГУ ГПС МВД СССР, 1976).
Недостатком известной установки объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева являются большие затраты энергии и высокая стоимость технического обслуживания котельной для нужд пожаротушения, связанная с необходимостью содержания котельной в режиме постоянной круглогодичной готовности, что снижает надежность и эффективность в целом.
Решаемой задачей изобретения является создание эффективного способа и установки для тушения горящей нефти внутри печи для подогрева нефти с одновременным снижением эксплуатационных затрат и топливно-энергетических ресурсов.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в создании высокоэффективного, простого и надежного способа объемного тушения пожара огнетушащим веществом в виде смеси парогаза и установки для его осуществления с малым интервалом смешивания газа и пара.
Технический результат достигается тем, что в способе объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом, включающем последовательные стадии тушения - первую стадию разбавления, прекращения горения нефти и вторую стадию охлаждения, предотвращения повторного воспламенения нефти, на первой стадии разбавления ведут подготовку огнетушащего вещества и в качестве огнетушащего вещества вводят парогаз - смесь пара и газа, который получают из продуктов сгорания горючего, окислителя, вводят воду, которую нагревают этими продуктами сгорания и перегревают ее, при этом смешивают поток перегретой воды со сверхзвуковым потоком продуктов сгорания горючего и окислителя, получив при этом высокотемпературный газ, а затем на второй стадии продолжают подавать только воду для охлаждения печи до заданной температуры несамовоспламенения нефти в ней.
В качестве горючего используют попутный нефтяной газ, а в качестве окислителя используют воздух, в количествах, по меньшей мере, в стехиометрическом соотношении.
Воду подают в печь в виде тумана для увеличении скорости отвода тепла.
Технический результат достигается тем, что в установке для объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом, содержащей емкости хранения огнетушащего вещества, соединенные трубопроводами с печью для подогрева нефти, систему подачи огнетушащего вещества, шкаф управления, запорную арматуру, тепловой пункт подготовки огнетушащего вещества, тепловой пункт подготовки огнетушащего вещества, состоящий из смеси пара и газа, выполнен в виде парогазогенератора, соединенного с системой подачи окислителя, горючего и воды, при этом парогазогенератор выполнен в виде форсуночной головки, внутренняя полость которой сообщена с системой подачи окислителя и горючего, камеры сгорания с наружной и внутренней рубашками, между которыми образован обогреваемый канал, полость которого сообщена с системой подачи воды и с полостью выходного устройства парогазогенератора, выполненного в виде сопла Лаваля, выходное сечение которого сообщено с внутренней полостью печи для подогрева нефти, через смешивающее устройство, на выходе которого расположен коллектор и которое снабжено форсуночным устройством в виде кольцевой щели для подачи перегретой воды и расположено в расширяющейся части сопла Лаваля, в наименьшем его сечении, за ним, для подачи высокотемпературного газа из камеры сгорания в виде продуктов сгорания окислителя, горючего и смешения потоков перегретой воды со сверхзвуковым потоком высокотемпературного газа с возможностью получения огнетушащего вещества.
Установка снабжена дополнительным контуром с системой подачи холодной воды, который выполнен на наружной рубашке расширяющего участка сопла Лаваля, внутренняя полость которого сообщена с системой подачи воды через трубопровод с запорной арматурой, при этом на выходе коллектора расположены тангенциальные отверстия, которыми он сообщен с внутренней полостью форсуночного устройства кольцевого типа для механического распыливания.
Охлаждающая способность характеризуется удельной теплоемкостью жидкой двуокиси углерода, которая составляет величину C=846 Дж/кг·K. Из 1 л жидкой двуокиси углерода получают 509 л газа. По физико-техническим характеристикам жидкая двуокись углерода уступает и по техническим характеристикам огнетушащему веществу, в качестве которого можно использовать водяной пар, у которого удельная теплоемкость воды составляет величину C=4187 Дж/кг·K, а при испарении 1 л воды образуется 1700 л пара, что также повышает эффективность способа объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева.
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи.
На фиг. 1 изображена установка для реализации способа объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом, которая осуществляет подготовку на первой стадии разбавления в качестве огнетушащего вещества высокотемпературного потока парогаза для подачи в печь.
На фиг. 2 изображена установка для реализации способа объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом, которая осуществляет завершение тушения второй стадией - стадией охлаждения, где:
1 - печь; 2 - теплообменник; 3 - беспламенные горелки; 4 - вытяжная дымовая труба; 5 - емкость горючего; 6 - емкость окислителя; 7 - емкость воды; 8, 9, 10 - запорная арматура; 11 - трубопровод подвода горючего; 12 - компрессор системы подачи горючего; 13 - тепловой пункт в виде парогазогенератора; 14 - трубопровод подвода окислителя; 15 - компрессор системы подачи окислителя; 16 - трубопровод подвода воды; 17 - насос системы подачи воды; 18 - камера сгорания; 19 - форсуночная головка; 20 - выходное сопло в виде сопла Лаваля; 21 - внутренняя рубашка; 22 - наружная рубашка; 23 - запальное устройство; 24 - отсечной клапан; 25 - смешивающее устройство, 26 - элементы автоматики; 27 - дополнительный контур; 28 - трубопровод дополнительного контура; 29 - запорная арматура дополнительного контура; 30 - коллектор; 31 - тангенциальные отверстия; 32 - регулирующий орган.
Внутри печи 1 установлен теплообменник 2, по которому прокачивают нефть. Для подогрева нефти в теплообменнике 2 установлены беспламенные горелки 3, которые размещены в боковых стенках печи 1 для облучения наибольшей поверхности теплообменника 2. Продукты сгорания беспламенных горелок 3 выбрасываются в атмосферу по вытяжной дымовой трубе 4. На чертеже изображен фрагмент печи 1. При возникшей аварийной ситуации срабатывает установленный тепловой пожарный извещатель, который подает сигнал о пожаре в зависимости от изменения электрического сопротивления при увеличении температуры. Органы управления размещены в шкафу управления, который на чертеже не показан. Огнетушащее вещество состоит из горючего, окислителя и воды, которые размещены в емкостях 5, 6, 7 соответственно для горючего, окислителя и воды. Емкости 5, 6, 7 соответственно содержат запорную арматуру 8, 9, 10, которые размещены на трубопроводах. Трубопровод 11 подвода горючего соединяет с печью 1 емкость 5 горючего через систему подачи горючего в виде компрессора 12 и тепловой пункт 13. Тепловой пункт 13 закреплен на корпусе печи 1. Трубопровод 14 подвода окислителя соединяет с печью 1 емкость 6 окислителя через систему подачи окислителя в виде компрессора 15 и тепловой пункт 13. Трубопровод 16 подвода воды в тепловой пункт 13 соединяет с печью 1 емкость 7 воды через систему подачи воды в виде насоса 17 и тепловой пункт 13.
Тепловой пункт 13 предназначен для подготовки огнетушащего вещества по получению сигнала от пожарного извещателя. Он выполнен в виде парогазогенератора, который состоит из камеры сгорания 18, форсуночной головки 19 и выходного сопла 20 в виде сопла Лаваля. Камера сгорания 18 выполнена из внутренней рубашки 21 и наружной рубашки 22, между которыми образован обогреваемый канал, полость которого сообщена с системой подачи воды в виде насоса 17.
Форсуночная головка 19, внутренняя полость которой сообщена с системой подачи горючего в виде компрессора 12, системой подачи окислителя в виде компрессора 15 и камеры сгорания с наружной 22 и внутренней рубашками 21, между которыми образован обогреваемый канал, полость которого сообщена с системой подачи воды и с полостью выходного устройства, выполненного в виде сопла Лаваля 20, выходное сечение которого сообщено с внутренней полостью печи 1 для подогрева нефти, через смешивающее устройство 25, на выходе которого расположен коллектор 30 и которое снабжено форсуночным устройством в виде кольцевой щели для подачи перегретой воды и расположено в расширяющейся части сопла Лаваля, в наименьшем его сечении, за ним, для подачи высокотемпературного газа из камеры сгорания 18 в виде продуктов сгорания окислителя, горючего и смешения потоков перегретой воды со сверхзвуковым потоком высокотемпературного газа с возможностью получения огнетушащего вещества. В камере сгорания 18 установлено запальное устройство 23 для воспламенения компонентов окислителя и горючего. В системе подачи горючего установлен отсечной клапан 24. При аварийной ситуации элементы автоматики 26 отсекают подачу нефти в печь 1 по теплообменнику 2.
Установка снабжена дополнительным контуром 27 подачи холодной воды (фиг. 2) в расширяющуюся часть канала сопла Лаваля парогазогенератора 13. Дополнительный контур содержит трубопровод 28 и запорную арматуру 29, соединяющую систему подачи воды с коллектором 30, на внутренней поверхности которого выполнены тангенциальные отверстия 31 для механического распыливания, используя центробежный эффект. Дополнительный контур 27 содержит регулирующий орган 32.
Установка работает следующим образом. Технологический регламент предусматривает сырую нефть перед пуском в ректификационную колонну для перегонки подогревать до температуры 200-250°C в печи 1 путем теплопередачи при прокачке ее по теплообменнику 2. Нагрев осуществляют беспламенными горелками 3. Продукты сгорания беспламенных горелок 3 из печи 1 удаляются по вытяжной дымовой трубе 4 в атмосферу. Технологический регламент предусматривает противопожарные мероприятия. В исходном состоянии заправлены емкости с огнетушащим веществом, которое состоит из компонентов. В состав огнетушащего вещества входят горючее, окислитель и вода. Они размещены в нужном количестве в емкостях 5, 6, 7 соответственно. В качестве горючего может использоваться, например, попутный нефтяной газ, в качестве окислителя - воздух. В исходном положении запорные устройства 5, 6, 7 соответственно горючего, окислителя и воды закрыты. Печь 1 работает, а установка для объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева не работает, находится в режиме ожидания.
В результате длительной эксплуатации печи 1 возникает разгерметизация теплообменника 2 и происходит воспламенение легких фракций нефти. Возникает пожар в ограниченном пространстве, т.е. в печи 1, сопровождаясь увеличением температуры до температуры 1000-1300°C. Элементы автоматики 26 в результате увеличения температуры срабатывают и тепловой пожарный извещатель подает сигнал о пожаре.
2
2
2
2
2
2
2
2
Элементы автоматики 26 (оператор) подают сигнал на открытие запорных устройств 8, 9, 10. Системы подачи 12, 15, 17 горючего, окислителя и воды соответственно обеспечивают доступ этих компонентов в камеру сгорания 18 парогазогенератора 13. Запальное устройство 23 обеспечивает воспламенение окислителя и горючего в камере сгорания 18. Продукты сгорания содержат при стехиометрическом соотношении окислителя и горючего, ориентировочно, HO - 15,2%, N - 73,8%, CO - 8,4%, H - 0,24%, O - 0,34%, OH - 0,21%, CO - 0,73%, NO - 0,17% и практически следы других компонентов. Лабильные частицы в составе продуктов сгорания в камере сгорания 18 - это результат процесса диссоциации из-за высокой температуры ~2230K при давлении 0,6 МПа. При расширении высокотемпературного газа в сопле Лаваля 20, в потоке продуктов сгорания, в наименьшем сечении его температура уменьшается до величины ~1850K, достигая скорости газового потока, равной величине a=890 м/с, при этом в результате процесса рекомбинации изменяется состав продуктов сгорания, в составе остаются только стабильные частицы HO, N, CO.
Воду по трубопроводу 16 подают под давлением насосом 17 системы подачи воды в канал обогрева и нагревают. Величину давления подачи воды изменяют в зависимости от условий пожара от 0,2-1,2 МПа. Воду нагревают в камере сгорания до температуры, превышающей точку кипения при нормальном атмосферном давлении, равной величине ~120-180°C. Величину нагрева воды выбирают в зависимости от потребного размера капель при распыле. Диаметр капель получают от 100 мкм до 25 мкм и менее изменением температуры нагрева. Скорость испарения капли зависит от ее размера. В сужающейся части сопла Лаваля уменьшается поверхность охлаждения внутренней стенки, при уменьшении проходного сечения канала поток нагретой воды увеличивает скорость, при этом уменьшается давление воды в потоке, получая воду в перегретом состоянии. В наименьшем сечении сопла Лаваля 20, в зоне сверхкритического перепада давления, высокотемпературный газовый поток продуктов сгорания горючего и окислителя достигает величины скорости звука, изолируя работу камеры сгорания от внешних факторов. Высокотемпературный газовый поток продуктов сгорания при скорости выше скорости звука смешивается с водой в перегретом состоянии, при этом вода переходит мгновенно в перегретое состояние, вскипает по всему объему и образующийся пар разрывает струю, уменьшая интервал смешивания.
Таким образом, огнетушащее вещество, образованное из парогаза, т.е. смеси пара и газа, состоящего из продуктов сгорания горючего и окислителя и воды, поступает в печь 1.
В зависимости от характера пожара в печи (аварийной ситуации) предусмотрена возможность подачи холодной воды по дополнительному контуру 27 в виде коллектора на активной фазе тушения горящей нефти с возможностью перераспределения количества подачи нагретой и холодной воды.
2
2
2
2
2
2
3
Факел огнетушащего вещества, содержащий пар и высокотемпературный газ, содержащий компоненты стабильных частиц (нейтральных частиц) HO, Ν, CO, из сопла Лаваля 20 поступает в печь 1. Огнетушащее действие парогаза, являющегося идеальным теплоносителем, обеспечивает не только вытеснение воздуха из печи 1 (для прерывания процесса горения в печи), но и огнетушащее действие нейтральными компонентами HO, N, CO разбавляет продукты сгорания горящей нефти нейтральными стабильными частицами, выполняющими роль третьей частицы в цепном механизме химических превращений горящей нефти, препятствуя реакциям разветвления цепи. Норматив тушения печи объемом 500 м только паром составляет 3 мин. Норматив тушения парогазом таких объемов будет меньше.
При завершении первой стадии разбавления огнетушащим веществом продуктов горения нефти прекращается горение нефти, но нагретые до высокой температуры поверхности технологических аппаратов в печи остаются потенциальным источником повторного воспламенения нефти в печи.
Для реализации второй стадии тушения охлаждения отключают подачу окислителя и горючего в парогазогенератор 13 путем закрытия запорных устройств 8, 9.
Процесс осуществляют охлаждением, в том числе и поступившего огнетушащего вещества в виде пара и газа, путем подачи холодной воды в виде тумана, т.е. мелкодисперсного водяного потока. Мелкодисперсный водяной поток образуют механическим распылением в результате перепада давления воды в проточной части канала парогазогенератора ниже по потоку в зоне наименьшего сечения сопла Лаваля 20. Мелкодисперсным водяным потоком формируют в печи 1 крупномасштабное турбулентное течение поступившего огнетушащего вещества и продуктов сгорания горящей нефти путем смещения потока относительно оси печи для охлаждения элементов конструкции. При достижении температуры в печи, равной T=500-800°C, в объеме парогазовой смеси начинает происходить процесс конденсации благодаря контакту с холодной мелкодисперсной средой, при этом чем меньше диаметр капель на режиме туманообразного ввода воды, тем больше поглащающая способность капель, тем выше охлаждающий эффект при диаметре капель 1-5 мм, тем интенсивнее процесс конденсации влаги в объеме введенной в печь при активной фазе тушения пожара. Реализацию процесса конденсации влаги в объеме введенной в печь осуществляют при активной фазе тушения пожара. Для реализации капельного орошения и охлаждения до температуры ниже температуры вспышки нефти, уменьшая, главным образом, тепловую способность элементов конструкции самой печи, путем испарения капелек влаги на его поверхности, используя высокую теплоемкость воды C=4187 Дж/кг·K, препятствуя процессу повторного воспламенения, завершая общий процесс тушения горящей нефти при минимальном объеме подачи воды.
Установка может быть использована для тушения пожара в нескольких печах для подогрева нефти. В этом случае установка дополняется распределительными устройствами по количеству печей, установленными между печами для подогрева нефти и запорно-пусковыми устройствами.
Таким образом, предлагаемый способ и установка для объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева по сравнению с известными аналогами позволяют получить высокоэффективный, простой и надежный способ объемного тушения горящей нефти внутри печи для ее подогрева огнетушащим веществом и установку для его осуществления благодаря разбавлению на первой стадии, ведя подготовку огнетушащего вещества в виде смеси парогаза, которые получают из продуктов сгорания горючего, окислителя и вводят воду, нагревая ее этими продуктами сгорания и перегревая ее, получая при этом высокотемпературный газ, при скорости выше скорости звука, при этом вода переходит мгновенно в перегретое состояние, вскипает по всему объему и образующийся пар разрывает струю, образуя при этом факел огнетушащего вещества, состоящий из пара и высокотемпературного газа, содержащий компоненты стабильных частиц за счет разбавления концентрации реагирующих веществ до пределов, при которых горение становится невозможным, и из сопла Лаваля поступает в печь, а на второй стадии продолжают подавать только воду для охлаждения печи до заданной температуры невоспламенения нефти в ней.