книги из ГПНТБ / Брейман, М. И. Инженерные решения по технике безопасности в пожаро- и взрывоопасных производствах

При определении места ввода «выметающего» газа следует учитывать условия продувки всей факельной системы. Расчетные объемы «выметающего» газа следует вводить в факельную систе­

му задолго до зажигания дежурной горелки (примерно за сутки).

Это связано с тем, что после прекращения сброса горячих газов,

находящихся в факельной системе, оставшийся газ немедленно на­

Например, в факельной системе объемом 56,6 м3 при 204°С,

если отсутствует подача «выметающего» газа, количество посту­ пившего воздуха составит 36,7 м3. Если «выметающий» газ посту­

пает в начало факельной системы и поэтому воспринимает тепло от трубопроводов и деталей системы, продувочный эффект усили­ вается. При этом сохраняется постоянный поток газов в направле­ нии к выпускному отверстию факела.

В работе Р. Д. Рида [30] приводятся соображения по объемам

газов, необходимым для продувки факельной системы. Один из

исследователей считает, что объем «выметающего» газа должен обеспечить скорость потока в стояке факела, равную 0,03 м/с. Сам Р. Д. Рид предполагает, что это исследование соответствует толь­ ко газам при нормальной наружной температуре. При более вы­

соких температурах для продувки требуются большие объемы

газов. По данным других авторов, на основании многократных про­ верок установлено, что для предотвращения глубокого проникно­

газ — метан). Потребность в «выметающем» газе значительно уве­ личивается при повышении скорости ветра. Полученная при испы­

тании необходимая скорость истечения газа 0,91 м/с соответствует

скорости ветра на уровне земли 32 км/ч.

Как видно, приведенные данные противоречивы, не обоснова­

ны точным расчетом, недостаточно проверены на практике, и пе­

ред нашими научно-исследовательскими организациями открыва­

ется широкое поле деятельности для исследований по этому важ­ ному вопросу.

О последствиях попадания воздуха в факельные системы мож­

но судить по некоторым авариям, описанным ниже.

На заводе «Чоколейт бейю» фирмы «Монсанто» (США) про­

изошел взрыв в факельной системе. Факельная система (рис. ІІІ.8) была предназначена для сжигания газов, образующихся при пе­ реработке нефти и поступающих в систему от предохранительных

клапанов и по системе продувания. Обычно в факельную систему

поступали вещества, представляющие собой смесь легких газо­

образных углеводородов и небольшого количества паров, вызыва­

ющих коррозию. Факельная система была снабжена сборником конденсата 4, установленным в основании стояка факела. Верх-

170

ний конец стояка расположен приблизительно на 60 м выше уров­

ня земли.

В качестве опоры этого стояка, а также для нескольких других

стояков для сжигания и выброса газов, была использована метал­

лическая конструкция (вышка). На верхних концах стояков для

факелов установлена дежурная горелка 1. Стояк факела укреплен

в верхней части вышки. Между основанием стояка и сборником

конденсата находилось компенсационное соединение 3. Система непрерывно продувалась природным газом. Расход вдуваемого в

коллектор выметающего

газа был выбран так,

чтобы предотвратить

распространение пламе­

ни от факела внутрь системы в случае образо­ вания взрывоопасной смеси.

В июле 1966 г. в фа­

кельной системе произо­

шинстве таких аварий, точную причину взрыва установить не уда­ лось. Разрушения в системе были ограничены компенсационным

соединением и сборником конденсата, расположенным в основании

стояка факела. Компенсационное соединение оказалось полностью выведенным из строя. Его осколки были найдены на расстоянии

9 м от сборника конденсата. Осмотр отдельных частей компенса­ ционного соединения показал, что в них имеются отверстия диа­

метром 12,7 мм. Эти отверстия образовались в результате корро­ зии, были обнаружены еще до взрыва, и новое компенсационное

соединение было уже доставлено на завод для замены прокорро-

дировавшего.

Расположенный в основании стояка факела сборник конденса­ та имел в нижней своей части дренажный трубопровод. Осмотр сосуда показал, что место соединения сваркой сборника с этим

трубопроводом подверглось действию интенсивной коррозии.

Как уже было отмечено выше, для предотвращения обратного распространения пламени при проникновении в факельную систе­

171

му воздуха всю систему продували природным газом. За два дня до аварии подача природного газа была прервана и временно за­

менена подачей азота. Причиной замены выметающего газа азотом

была подготовка к текущему ремонту предохранительных клапа­

нов. Поскольку этот ремонт предстояло осуществить при работа­ ющей факельной системе, замена выметающего газа азотом умень­ шала опасность выделения взрывоопасной среды.

Предохранительные клапаны после ремонта были поставлены на свое место приблизительно за 5 ч до взрыва. В тот момент, когда произошел взрыв, продолжалась подача азота. Приблизи­ тельно за 20 ч до взрыва произошло временное прекращение пода­

чи электроэнергии на всем заводе. Это обстоятельство усложнило

проведение расследования. Связь между аварией в энергосети и взрывом установить не удалось. В результате аварии в энергосети колонный перегонный аппарат, который продувался в факельную систему, на некоторое время был остановлен для очистки системы

предварительного подогрева сырья. При вводе колонны в дейст­

вие произошел взрыв. Остальная часть оборудования функциони­ ровала нормально.

Взрыв произошел в результате проникновения воздуха в фа­ кельную систему. Воздух попал в систему либо через отверстия в сильно корродированном компенсационном соединении, либо в результате подсоса в факельную систему из перегонной колонны во время ввода ее в действие. Наиболее вероятной причиной попа­

дания воздуха в систему было повреждение компенсационного со­ единения в результате коррозии. При нормальных условиях рабо­ ты скорость выметающего газа была достаточной для предотвра­

щения поступления воздуха через прокорродировавшие места в

систему. Дежурная горелка факела, по-видимому, стала источни­ ком воспламенения находившейся в системе взрывоопасной смеси.

К Другим многочисленным обстоятельствам, которые в той или иной степени могли стать причиной взрыва, можно отнести:

проведение ремонтных работ без выключения системы;

неудачный выбор материала для компенсационного соедине­ ния;

отсутствие возможности отключить от системы предохрани­

тельные клапаны.

Включение факельной системы в работу после ремонта — весь­

ма ответственная операция.

На одном нефтехимическом предприятии фирмы «Монсанто»

(США) произошел взрыв в факельной системе из-за попадания

в нее углеводородов во время подготовки системы к продувке азо­

том после текущего ремонта.

Факельная система была предназначена для сжигания газов

при продувке аппаратов технологических установок и сбросов с

предохранительных клапанов. Факельный ствол оснащен дежур­

ной горелкой и сборником конденсата, установленным у его осно­ вания. Сборник конденсата не был оборудован гидрозатвором.

172

При остановке производства на текущий ремонт факельная си­

стема была освобождена от газа, все предохранительные клапаны отглушены от факельных трубопроводов, дежурная горелка пога­

шена.

После окончания ремонтных работ на установке приступили к

подготовке факельной системы к пуску, при этом сняли ранее ус­

При расследовании причин взрыва выявилось, что взрывоопас­

ные газы попали в факельную систему через неплотно закрытый

пробковый кран, установленный после предохранительного клапа­

на и служащий для отключения установки от факельной системы.

При снятии заглушки за клапаном (по ходу потока) возник под­ сос воздуха в факельную систему. Источником воспламенения

взрывоопасной смеси послужил временный факел, расположенный

в непосредственной близости от основного факельного ствола и обслуживающий временную установку.

Взрывы и аварии в факельной системе могут происходить

вследствие попадания в систему газов, которые вступают в хими­

ческое взаимодействие. Дж. Л. Килби [31] описывает обстоятельст­

ва взрыва в факельной системе, происшедшего по указанной выше причине.

На одном производстве имелись две самостоятельные факель­

ные системы. Одна факельная система обслуживала технологиче­

скую установку «А», другая — установку «В». При нормальном

режиме на установке «А» в факельную систему стравливались

инертные газы, а при нарушении режима в факельную систему

вместе с инертными газами стравливался ацетилен. В аналогич­

ных условиях из установки «В» в свою факельную систему страв­ ливались инертные газы, этилен и хлор.

Однажды появилась необходимость в ремонте факельного ствола, на котором сжигаются газы из установки «В». Во избежа­

ние останова установки «В» был смонтирован временный трубо­

провод, соединивший факельную систему этой установки с факель­

ной системой установки «А». Через некоторое время, когда обе

установки пользовались одним факельным стволом, произошел

взрыв.

Как потом выяснилось, в период работы на один факельный

ствол на установке «В» вследствие нарушения технологического

режима в факельную систему попал хлор. Одновременно был на­ рушен технологический режим на установке «А» и в факельную систему попал ацетилен. Известно, что ацетилен с хлором реаги­

рует со взрывом.

Из приведенных выше примеров следует, что безопасность экс­

плуатации пожаро- и взрывоопасных производств в значительной степени зависит от герметичности факельных систем и особенно от

наличия н поддержания в них постоянного минимального избыточ­ ного давления.

173

Особое внимание должно быть уделено организации ремонтных

работ на факельных системах и технологических установках, свя­

занных с факельными системами, чтобы во время производства

ремонта не допустить проникновения в систему воздуха и образо­

вания там взрывоопасных концентраций.

Предотвращение распространения пламени в факельных системах

При эксплуатации факельных систем существует потенциаль­

ная опасность распространения фронта пламени от факельного

ствола в факельные газопроводы и даже до технологической уста­

новки, с которой происходит стравливание газов.

Ниже приводится описание аварии, которая произошла на од­ ном нефтеперерабатывающем заводе фирмы «Монсанто» (США).

Факельная система была предназначена для сжигания газов,

поступающих с технологических установок при сбросах с предо­ хранительных клапанов. Как обычно, рядом с факельным стволом

постоянно горела дежурная горелка. У основания факельного

ствола был смонтирован сборник конденсата, оборудованный гид­

розатвором.

Однажды из-за резкого повышения давления в системе техно­

логической установки открылся предохранительный клапан, уста­

новленный на реакторе. После восстановления нормального ре­ жима в реакторе выяснилось, что нарушена герметичность предо­

хранительного клапана, в связи с чем вынуждены были остано­

вить установку.

Для безопасной работы по ревизии и ремонту предохранитель­ ного клапана следовало предварительно отключить клапан от фа­ кельной системы пробковым краном, установленным после кла­

пана. Однако рабочие, не перекрыв кран, сняли предохранитель­

ный клапан. В этот момент в факельной системе произошел взрыв и огонь вырвался из открытого фланца, с которого сняли предо­

хранительный клапан.

Эта авария произошла главным образом по следующим причи­

нам:

гидрозатвор сборника конденсата в результате утечки воды

оказался сухим;

после снятия предохранительного клапана естественная тяга в системе вызвала подсос воздуха;

пробковый кран, расположенный на стороне низкого давления

предохранительного клапана, не был перекрыт; 1

дежурные горелки факела послужили источником обратного

удара пламени.

Предотвращение распространения фронта пламени в факель­ ных системах обычно обеспечивается за счет установки на подво­ дящем газопроводе к факельному стволу огнепреградителя или

гидрозатвора. В отечественной нефтехимической и химической про­

174

мышленности в настоящее время применяют главным образом су­

хие огнепреградители.

Действие сухих огнепреградителей основано на гашении пла­ мени в узких каналах, через которые свободно проходит горючая смесь, а пламя распространяться не может. Пламегасящая способ­ ность огнепреградителя в значительной мере зависит от диаметра гасящих каналов и слабо зависит от их длины. >

Ниже приведены определенные опытом значения критических

* Значение критического диаметра каналов для водородно-воздушной смеси несколько занижено.

В результате изучения пределов гашения пламени некоторых

горючих газовых и парогазовых смесей при различных условиях

накоплен определенный теоретический и экспериментальный мате­

риал, позволяющий оценивать гасящую способность различных

типов огнепреградителей [32]. Между тем в производственной практике известны случаи, когда огнепреградители применяют без какого-либо инженерного расчета.

На одном нефтехимическом заводе в непосредственной близо­ сти к факельным стволам был смонтирован насадочный огнепре­ градитель, заполненный стальными трубками диаметром 15 мм и длиной 400 мм. Из-за трещины в линзовом компенсаторе на фа­

кельной линии произошел подсос воздуха, вследствие чего в фа­

кельной системе образовалась взрывная концентрация углеводоро­

дов с воздухом. В факельном стволе произошел взрыв и пламя распространилось до факельной емкости (сепаратора), располо­ женной на расстоянии 50 м от факела. Эта емкость разорвалась.

В насадочных огнепреградителях, один из которых был приме­

нен в данном случае, при их горизонтальном расположении воз­

можно образование в верхней части полого пространства между

материалом насадки и внутренней стенкой корпуса. Весьма веро­

ятно, что это явилось главной причиной распространения пламе­

ни и взрыва в факельной системе. При ликвидации последствий

взрыва огнепреградитель заполнили керамической насадкой и од­ новременно организовали подачу «выметающего» газа в факель­ ную систему.

Выше уже подчеркивалось, что безопасность эксплуатации фа­

кельных систем во многом зависит от технически обоснованного

выбора типа и конструкции огнепреградителя. Стандартные сухие огнепреградители не способны отсечь фронт пламени при горении

смесей воздуха с водородом, ацетиленом, этиленом и дисульфи­

дом углерода. В таких случаях отсечка фронта пламени должна быть осуществлена с помощью водяных затворов.

175

Конструкция гидрозатвора должна исключать сплошной поток газа через слой воды, так как в противном случае нарушается от­ сечка фронта пламени. В работе Р. Д. Рида [30] сообщается, что опыты со смесью воздуха и водорода показывают, что фронт пла­

мени перемещается в направлении, противоположном движению потока со скоростью до 60 м/с. Это значение скорости распростра­

нения пламени было подтверждено многими экспериментами, и,

таким образом, опровергнуты ранее опубликованные данные, со­ гласно которым скорость пламени в смеси воздуха с водородом

составляет 2,7—4,8 м/с. Чтобы гидрозатвор эффективно отсекал

фронт пламени, газ должен проходить через воду отдельными,

следующими друг за другом пузырьками, между которыми долж­

ны оставаться водяные перемычки.

Вместе с тем конструкция гидрозатвора должна обеспечить стабильный непрерывный поток газа. При пульсирующей работе

гидрозатвора происходят довольно значительные спады потока,

вызывающие ритмичные колебания давления до и после затвора.

Во время работы факела это явление вызывает ритмичные вспыш­

ки горения, за которыми следует затухание пламени, на конце фа­

кела. При каждом повторном зажигании происходит хлопок.

Пульсация сильно затрудняет стабильную работу дежурных горе­

лок. Наличие прерывистого потока факельных газов, вызванного

пульсацией гидрозатвора, делает практически невозможным при­

До настоящего времени еще не разработаны способы расчета гидравлических огнепреградителей вследствие недостаточной изу­ ченности характера распространения пламени через цепь пузырь­ ков, а также условий воспламенения при адиабатическом сжатии

пузырьков горючей смеси в воде. Надежность задержания пламе­

ни этими затворами определяют опытным путем.

Важным фактором в надежности работы гидрозатворов явля­

ется стабильность расчетного уровня воды в них. Понижение уров­

ня воды в затворе вследствие ее уноса приводит к нарушению ос­ новных защитных функций затвора. В результате снижения уров­ ня жидкости увеличивается газовое пространство и возрастает

сила взрыва, возникающего внутри затвора при обратном ударе

пламени. Изменяется также гидродинамический режим работы

гидрозатвора, что может привести к образованию в жидкости

сплошного газового канала, по которому при обратном ударе пла­ мя способно проникать в факельную систему.

Исключение уноса воды из затвора потоком газа может быть

достигнуто за счет организации возврата ее с факела, для чего он

оборудуется «ложным» днищем. По этим соображениям, а также

с целью уменьшения взрывной зоны гидрозатвор должен распола­

176

рукция факельного ствола и схема бездымного сжигания факель­

ных газов показаны на рис. ІІІ.9. Факельный ствол 2 диаметром

500 мм имеет вверху съемную часть,

изготовленную из нержавеющей стали. Сжигание газа происходит в головке

3, представляющей собой укрепленный на выходе газа перфорированный от­

резок трубы диаметром 600 мм из жа­

ростойкой стали. Бездымное сжигание

газа достигается за счет подачи в го­

ловку факельного ствола водяного

пара по паропроводу 1.

Подача пара вызывает в результа­ те эжекции усиленный приток атмос­

ферного воздуха через кольцевую

эффективным способом, но требует дополнительного расхода пара.

Имеются сообщения [34], что фирма «ЭССО» (Англия) разработа­

ла и осуществила проект новой более экономичной конструкции бездымного несветящегося факела для сжигания углеводородов.

178

При изучении механизма сгорания газов установлено, что ха­ рактер горения определяет степень смешения газа и воздуха. Чи­

стое (бездымное) сгорание газа является результатом хорошего смешения воздуха и газа при скорости его истечения, достаточной для минимального образования углерода и выброса из факела в

виде сажи. Исследования турбулентного пламени, образованного

струями газа, выходящими в атмосферу, показали, что длина пла­

мени приблизительно равна 80 диаметрам газовой струи и что она не зависит от скорости газовой струи. При постоянной скорости

Рис. III.10. Принципиальная схема факельной установки с многофорсуночным факелом:

газовой струи, в струях с меньшим диаметром смешение и сгора-

ние газа и воздуха идет быстрее и полнее. Следовательно, более короткое и менее дымное пламя дают струи, сокращенные в раз­

мере. Отсюда напрашивается идея, что для создания условий без­ дымного горения факельных газов целесообразно применение мно­

гофорсуночных факелов. Проводились опыты по определению оп­ тимальных размеров газовых струй, их скорости и расстояния

между форсунками в таких факельных устройствах.

На рис. III. 10 показана принципиальная схема факельной уста­

новки с многофорсуночным факелом, предложенная фирмой

«ЭССО».

Факельные газы поступают на многофорсуночный факел в ос­

новном через гидрозатворы 4 и 8 затворных емкостей 5 и 9 и за­

пасной U-образный гидрозатвор 14. Многофорсуночный факел ос­ нащен горелками в количествах, соответствующих гидрозатворам:

из гидрозатвора 4 газ поступает на горелку 12, из гидрозатво-