Разработка методики расчета аварийных режимов криогенных неизотермических резервуаров для сжиженного природного газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Клеблеев Тимур Ильдарович

• Клеблеев Тимур Ильдарович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Клеблеев Тимур Ильдарович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МАЛОТОННАЖНОГО ХРАНЕНИЯ И ТРАСПОРТИРОВАНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

1.1 Технологии хранения и транспортирования крупнотоннажного сжиженного природного газа

1.2 Особенности использования малотоннажного сжиженного природного газа

1.3 Использование двухоболочечных резервуаров для обеспечения пожарной безопасности объектов малотоннажного сжиженного природного газа

1.4 Моделирование теплофизических процессов в криогенных резервуарах

1.5 Выводы по обзору и цели исследований

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВАРИЙНОГО ПРОЦЕССА В КРИОГЕННОМ ДВУХОБОЛОЧЕЧНОМ РЕЗЕРВУАРЕ

2.1 Развитие аварийного процесса в двухоболочечном резервуаре

2.2 Физическая модель и основные допущения при расчете аварийного режима

2.3 Математическая модель аварийного процесса

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА

3.1. Задачи исследований и направление работ

3.2. Стенд для исследований аварийного режима в криогенном резервуаре

3.3. Испытания макета на жидком азоте

3.4. Испытания макета на сжиженном природном газе

3.5. Особенности испарения криогенной жидкости в изоляционном пространстве криогенного резервуара

3.6. Заключение по результатам испытаний

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНОГО ПРОЦЕССА В

КРИОГЕННОМ РЕЗЕРВУАРЕ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

П.1 Протоколы испытаний макета двухоболочечного резервуара на жидком азоте

П.2 Протокол испытаний макета двухоболочечного резервуара на сжиженном природном газе

П.3 Расчеты криогенного резервуара на прочность к внутреннему давлению и на устойчивость к внешнему давлению

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуальной является задача существенного снижения стоимости объектов хранения малотоннажного сжиженного природного газа (криогенные автозаправочные станции, станции автономного газоснабжения, системы хранения сжиженного природного газа (СПГ) при малотоннажном производстве и др., объем СПГ до 200 тонн), в том и числе за счет уменьшения стоимости противопожарных мероприятий и уменьшения противопожарных разрывов. Одним из путей решения этой задачи является использование для хранения и транспортирования СПГ криогенных двухоболочечных резервуаров, конструкция которых исключает пролив СПГ наружу при нарушении герметичности внутреннего сосуда.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики расчета аварийных режимов криогенных неизотермических резервуаров для сжиженного природного газа»

Цель работы

Разработать и обосновать физико-математическую модель переходного процесса в криогенном двухоболочечном резервуаре при нарушении герметичности внутреннего сосуда и истечении жидкости в изоляционное пространство

Основные задачи

• Разработать сценарии и физико-математическую модель развития аварийного процесса в криогенном резервуаре при нарушении герметичности внутреннего сосуда.

• Экспериментально подтвердить достоверность предложенной физико-математической модели аварийного процесса и работоспособность двухоболочечного резервуара с перепускным предохранительным устройством.

• Провести численное моделирование аварийных режимов и разработать основы расчета двухоболочечного резервуара с перепускным предохранительным устройством.

• Оценить перспективы применения криогенных двухоболочечных резервуаров для хранения малотоннажного СПГ

Научная новизна

• Впервые рассмотрена задача по развитию аварийного процесса в криогенном двухоболочечном резервуаре при нарушении герметичности внутреннего сосуда и перетекании жидкости из внутреннего сосуда в межстенное (теплоизоляционное) пространство криогенного резервуара, разработана и экспериментально подтверждена физико-математическая модель переходного процесса, позволяющая определять изменения давлений в сосуде и в межстенном пространстве резервуара

• Впервые получены экспериментальные данные по развитию аварийного процесса в двухоболочечном криогенном резервуаре с различными типами изоляций.

На защиту выносятся:

• Физико-математическая модель и сценарии развития аварийного режима в криогенном двухоболочечном резервуаре.

• Результаты испытаний промышленного макета двухоболочечного резервуара с вакуумной изоляцией на жидком азоте и с вакуумно-порошковой изоляцией на СПГ.

• Результаты численного моделирования процесса аварийного режима в криогенном двухоболочечном резервуаре и основы методики расчета двухоболочечного резервуара.

Степень достоверности полученных автором результатов

Предложенная автором физико-математическая модель аварийного процесса, базируется на фундаментальных законах и уравнениях теплообмена и

термодинамики открытых систем и подтверждается результатами испытаний, проведенных в условиях, приближенных к реальным.

Расхождение между экспериментальным и расчетными значениями ключевых параметров не превышает 15%.

Практическая значимость

Обосновано применение и показана работоспособность двухоболочечного резервуара с перепускным предохранительным устройством в аварийных режимах.

Разработаны основы расчета двухоболочечных криогенных резервуаров с перепускным предохранительным устройством, применение которых позволяет на порядок сократить стоимость противопожарных мероприятий на объектах малотоннажного СПГ.

Определена возможная область применения двухоболочечных резервуаров с перепускным трубопроводом

Апробация работы

Основные результаты работы диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. На третьей международной научно-практической конференции: «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» - Москва: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), (Москва, 2020).

2. На 8-ом ежегодном международном конгрессе СПГ (круглый стол: Промышленная и пожарная безопасность), (Москва, 2022).

3. На международной научно-практической конференции «Применение низких температур в науке и промышленности», - Москва: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), (Москва, 2022).

Личный вклад автора.

Разработана физико-математическая модель и проведено численное моделирование развития аварийного процесса в криогенном резервуаре при нарушении герметичности внутреннего сосуда.

Разработана методика эксперимента, спроектирован макет двухоболочечного резервуара, проведены эксперименты на жидком азоте и СПГ, обработаны результаты проведенных экспериментов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 119 наименований, трёх приложений и содержит 125 страниц основного текста, 35 рисунков, 7 таблиц.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МАЛОТОННАЖНОГО ХРАНЕНИЯ И ТРАСПОРТИРОВАНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО

ГАЗА

1.1 Технологии хранения и транспортирования крупнотоннажного сжиженного природного газа.

Хранение и транспортирование крупнотоннажного СПГ производится, как правило, в одностенных криогенных резервуарах объемом в десятки тысяч кубических метров при давлении близком к атмосферному и практически при постоянной температуре около 110К (изотермические резервуары). Резервуары изолируются материалами с низкой теплопроводностью (пеностекло, пенопласт, дерево и др.) Сливо-наливные операции осуществляются погружными криогенными насосами.

Вопросы производства, хранения и использования СПГ рассматриваются в работах Изотова Н.И., Кузьменко И.Ф., Краковского Б.Д., Ходаркова И.Л., Федоровой Е.Б. и др. [1-10].

Одной из проблем при производстве и использовании сжиженного природного газа является его повышенная пожароопасность. Как показано в работах В.С. Сафонова и других авторов [11-28] повышенная пожароопасность обусловлена тем, что при проливе СПГ возможно воспламенение как пролитой жидкости, так и паров СПГ, образующихся при испарении жидкости. При температуре паров ниже 115К плотность паров газа ниже, чем плотность воздуха, и поэтому пары не поднимаются вверх, а расстилаются по поверхности в виде паровоздушного (парогазового) облака. Парогазовое облако образуется, в частности, при сбросе холодных паров СПГ через систему дренажа (газосброса).

При наличии случайного источника воспламенения возможно возгорание пролитой жидкости и (или) воспламенение парогазового облака. Кроме того, при нарушении герметичности емкостей и газопроводов возможно образование

высокотемпературного горящего факела, возникающего при истечении паровой и (или) жидкостной фазы СПГ.

Особенностью процесса горения СПГ является высокая интенсивность теплового излучения (около 200 кВт/м2) по сравнению с горением пропана (80 кВт/м2), бензина (60 кВт/м2), дизельного топлива (40 кВт/м2). При этом, естественно, увеличивается зона поражения людей и оборудования.

Воспламенение газовоздушного облака возможно при повышении содержания природного газа в облаке сверх нижнего концентрационного предела распространения пламени. При этом, как и в предыдущем случае, имеет место тепловое излучение высокой интенсивности. Кроме того, при воспламенении газовоздушной смеси возможно относительное небольшое повышение давления. Что касается возможности взрыва газовоздушного облака при воспламенении, то в открытых пространствах взрыв не происходит (в отличие от воспламенения газовоздушной смеси в замкнутых или ограниченных объемах).

Кроме пролива СПГ аварийные ситуации могут возникнуть и при сбросе холодных паров СПГ через дренаж в атмосферу, когда из-за высокой плотности паров они расстилаются по поверхности земли в виде газовоздушного (парогазового) облака, и в случае их воспламенения также имеет место тепловое излучение высокой интенсивности.

По тяжести последствий и вероятности событий аварийные ситуации можно разделить на следующие группы:

1) разрушение одностенного резервуара или его трубопроводов с проливом всей массы жидкости из резервуара на территорию станции;

2) частичное нарушение герметичности внутреннего сосуда двустенного резервуара или его трубопровода с ограниченным проливом жидкости наружу;

3) частичное нарушение герметичности трубопровода с ограниченным проливом жидкости или выбросом газа, в том числе, при высоком давлении (при использовании насоса);

4) переполнение резервуара или криогенного топливного бака транспортного средства при заправке;

5) технологические сбросы газа через свечу или локальные проливы жидкости при проведении технологических операций;

6) разрыв трубопровода подачи СПГ или КПГ в бортовую топливную систему при начале движения транспортного средства без отсоединения заправочных коммуникаций.

Наиболее тяжелыми по возможным последствиям, но наименее вероятными, являются аварийные ситуации первой и второй групп, в том числе авария с полным или частичным разрушением резервуара. Разрушение резервуара сопровождается проливом большого количества СПГ с парообразованием при вскипании жидкости и образованием облака пожароопасной смеси холодного природного газа с воздухом. В дальнейшем возможно распространение этого облака по ветру и вспышка с основным поражающим фактором - тепловым излучением.

В настоящее время общее количество криогенных резервуаров в мире относительно невелико, что не позволяет надежно оценить вероятность нарушения герметичности сосуда под давлением, но в нормативном документе МЧС [29] приводятся данные по частоте нарушения герметичности для обычных резервуаров, которые можно использовать для расчетов криогенного емкостного оборудования (Таблица 1).

Таблица 1.

Частоты повреждения сосудов под давлением

Диаметр отверстия истечения, мм Частота разгерметизации, год-1

5 4,0-10-6

12,5 1,010-6

25 6,210-7

50 3,810-7

100 1,710-7

Полное разрушение 0,610-8

В Таблице 2 приведены вероятности разгерметизации и аварий для некоторых объектов ПАО «Газпром».

Таблица 2.

Вероятности разгерметизации и аварии для опасных составляющих площадных объектов (ОСПО) компрессорных станций

ОСПО Расчетная вероятность события за год Руководство по безопасности

Разгерметизация Авария

Одностенный резервуара со стабильной жидкостью 1,05 • 10-5 1,05-10-5 (1 - 2)10-5

Одностенный резервуар с нестабильной жидкостью 1,15 -10-5 1,15-10-5

Эти данные с некоторыми ограничениями можно использовать для оценки вероятности нарушения герметичности внутреннего сосуда криогенного резервуара.

Для ограничения последствий от воспламенения СПГ или его паров обычно принимаются следующие меры [30]:

В случае нарушения герметичности емкостного оборудования и пролива СПГ наружу жидкость выливается в защитное ограждение, которое выполняется в виде обваловки, бетонной стенки и др. При этом ограничивается площадь пролитой жидкости, уменьшается поверхность испарения и размеры паровоздушного облака (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Схема противопожарной защиты площадки для сливо-наливных операций с СПГ.

Защита населения от огневого воздействия обеспечивается удалением емкостного оборудования на такое расстояние от жилого массива (селитебной зоны), при котором вероятность поражения не превышает нормированной величины. Для РФ величина индивидуального пожарного риска в результате воздействия опасных факторов пожара на производственном объекте для людей, находящихся в селитебной зоне вблизи объекта, определяется Сводом правил СП 326.1311500.2017 [31] и составляет 10-8 1/год (для большинства стран, где предусмотрено поголовное страхование жизни граждан, эта величина принимается 10-6 1/год). Для персонала станции вероятность аварии не должна превышать 10-6 1/год. Безопасные расстояния, определенные из этих условий, для резервуаров объемом 8, 16, 25 м3 приведены на Рисунке 1.2. Видно, например, что для резервуара объемом 25 м3 минимальное расстояние для вероятности 10-8 1/год

составляет 115 м, а для вероятности 10-6 это расстояние равно 55 м, т.е. уменьшается в два раза.

Рисунок 1.2. Зависимости потенциального риска Р(а) от расстояния между резервуаром с СПГ и жилой зоной.

1 - объем резервуара 8 м3; 2 - объем резервуара 16 м3; 3 - объем резервуара 25 м3.

Предусматривается защита оборудования от теплового воздействия при воспламенении, в том числе, путем водяного орошения оборудования и ограничение зоны распространения загазованности с помощью водяных распылителей, что предполагает наличие системы пожарного водоснабжения.

При проливе и возгорании СПГ в зоне резервуаров, помимо поражения населения в селитебной зоне в результате теплового излучения, возможно повышение давления в резервуаре из-за огневого воздействия и разрушение резервуара. Чтобы избежать чрезмерного повышения давления при возникновении пожара в зоне хранения пожароопасных жидкостей, предлагается охлаждать резервуары водой за счет внешнего орошения (Рисунок 1.1).

Следует отметить, что необходимость орошения распространяется не только на стационарные емкости, но и на передвижные заправщики во время

проведения сливо-наливных операций, когда заправщик рассматривается как стационарный резервуар.

Наряду с орошением применяется ограничение зоны распространения загазованности с помощью водяных распылителей.

При аварийных ситуациях второй группы (нарушение герметичности трубопровода с ограниченным проливом жидкости или выбросом газа, в том числе, при высоком давлении) возможно воспламенение пролитой жидкости или струи жидкости, или газа из трубопровода. Основная задача противопожарной защиты в этом случае - ограничение количества пролитой жидкости. Это достигается автоматическим прекращением подачи жидкости в негерметичный трубопровод со стороны высокого давления путем закрытия клапана. В частности, предполагается, что клапан слива жидкости из резервуара автоматически закрывается при появлении опасной концентрации газа на территории станции путем отключения электроэнергии или по команде оператора. Но если разрушение трубопровода произошло на участке между внутренним сосудом и отсечным клапаном, то ограничить величину пролива жидкости закрытием клапана невозможно. Значительное количество жидкости из внутреннего сосуда выливается наружу в защитное ограждение с возможным последующим воспламенением.

Третья группа аварийных ситуаций - перелив жидкости при заправке топливных баков транспортных средств и криогенных резервуаров. По мере испарения жидкости возможно образования облака с опасной концентрацией метана и его последующей вспышкой. Учитывая высокую вероятность такой ситуации, необходимо принимать специальные меры по ее предотвращению. Во-первых, в резервуаре должно быть два независимых устройства для контроля над максимальным уровнем жидкости. При достижении максимального значения подается звуковой и световой сигнал, по которому оператор перекрывает подачу жидкости в резервуар. Кроме того, электрический сигнал о достижении максимального уровня передается на станцию, и подача жидкости автоматически

отключается. Для автоматизации этого процесса необходимо согласовать параметры систем управления криогенной бортовой топливной системой и заправочной станции. Эффективным методом, устраняющим опасность перелива при заправке, является переход к бездренажной заправке, когда дренажный трубопровод во время заправки закрыт, и давление в баке поддерживается постоянным путем конденсации пара за счет нагревания поступающей жидкости. Когда в конце процесса заправки давление в резервуаре начинает повышаться, то в какой-то момент давление в баке и давление подачи выравниваются, и заправка автоматически прекращается.

Технологические сбросы газа и пролив жидкости при технологических операциях также могут создавать аварийные ситуации. Особенность технологических сбросов газа заключается в том, что периодически через свечу сбрасывается небольшое количество холодного газа, плотность которого выше плотности воздуха. Из-за низкой степени турбулентности газ быстро перемешивается с воздухом, оставаясь холодным. Холодная смесь метана и воздуха опускается вниз и при достижении опасной концентрации возможно воспламенение этой смеси на поверхности.

Чтобы исключить загазованность территории объекта при дренаже холодного газа обычно или подогревают пары СПГ, пока плотность газа не станет меньше плотности воздуха, или разбавляют пары азотом, или сжигают пары в факельной системе. При этом усложняется эксплуатация объекта, повышается стоимость оборудования, ухудшаются экологические показатели, а факел сам является источником пожарной опасности. Однако, если дренаж холодных паров СПГ осуществляется с высокой скоростью (критерий Яе > 20000), то пары поднимаются вверх, нагреваются в результате теплообмена с окружающим воздухом, плотность паров уменьшается и опасность их опускания и загазованности территории исключается. Возможность дренажа холодных паров в атмосферу предусмотрена в ГОСТ 55892-2013 [32].

1.2 Особенности использования малотоннажного сжиженного природного газа

В 90х годах ХХ века наряду с крупнотоннажным производством СПГ начало развиваться малотоннажное производство, направленное на применение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива и автономного газоснабжения. Результаты работ по этому направлению отражены в работах [3338]. В последнее десятилетие большее внимание стало уделяться безопасности хранения и транспортирования СПГ. Ряд научных трудов был посвящён вопросам безопасности при заправке, транспортировке, моделирования аварийных ситуаций при проливах СПГ на суше и в море [39-43]. Объем емкостного оборудования для хранения СПГ при малотоннажном производстве составляет 5...200м3, объем криогенных заправщиков (автоцистерн) - 10... 50м3. Первоначально в качестве емкостного оборудования использовались одностенные изотермические резервуары с пеноизоляцией, аналогичные резервуарам для СУГ (пропан, бутан), но сосуд изготовлялся из хладостойкой стали. Недостатки таких резервуаров - большие потери от испарения и необходимость практически постоянного дренажа паров СПГ, так как величина рабочего давления близка к атмосферному. Но главный недостаток - возможность пролива жидкости наружу из-за нарушения герметичности сосуда и, как следствие, необходимость в специальных противопожарных мероприятиях на объекте (защитное ограждение, противопожарное орошение, противопожарные разрывы).

Поэтому, наряду с одностенными резервуарами, для хранения и транспортирования малотоннажного СПГ применяются криогенные неизотермические двустенные резервуары с вакуумно-порошковой или вакуумно-многослойной изоляцией, полностью аналогичные емкостному оборудованию для жидкого кислорода, азота, аргона.[44] Рабочее давление при хранении СПГ,

как правило, равно 0,5 - 0,8 МПа (изб.), температура жидкости 111 - 145К, емкость резервуаров до 260м3.

На первом этапе развития технологии малотоннажного СПГ предполагалось, что уровень пожароопасности объектов хранения СПГ на базе криогенных неизотермических резервуар такой же, как для изотермических резервуаров, т.е. возможно нарушение герметичности резервуара с проливом жидкости наружу с последующим воспламенение жидкости или паровоздушной смеси. Поэтому на объектах малотоннажного СПГ необходимо применять меры противопожарной безопасности такие же, как и для объектов крупнотоннажного СПГ: защитное ограждение для приема пролитой жидкости, систему противопожарного водоснабжения для орошения и защиты оборудования, а также организацию безопасного дренажа (подогрев или флегматизация паров СПГ). На основании расчетов пожарного риска для населения были определены противопожарные расстояния и требования к криогенным автозаправочным станциям (Таблица 3) [45].

Следует заметить, что для объектов крупнотоннажного СПГ, расположенных в удаленных районах и включающих несколько крупных резервуаров СПГ, стоимость противопожарных мероприятий составляет несколько процентов от стоимости объекта. Но для объектов малотоннажного СПГ стоимость противопожарных мероприятий может превысить стоимость технологического оборудования. Например, объем затрат на противопожарные мероприятия комплекса производства СПГ в д. Канюсята, Карагайского района Пермского края (производство 1,5 тонны СПГ в час, объем емкостного оборудования для хранения СПГ 60 м3, стоимость емкостного оборудования около 10 млн. руб.) составляет около 73 млн. руб. (включая строительство артезианской скважины, водопровода, пожарного бассейна с подогревом воды, противопожарного оборудования). Кроме того, необходимость больших разрывов увеличивает стоимость земли под объекты и ограничивает возможность размещения криогенных заправочных станций вблизи населенных пунктов.

Таблица 3.

Минимальные расстояния от резервуаров до зданий и сооружений.

Наименование объектов, не относящихся к ОПр и ОП СПГ Минимальные расстояния от резервуара, м (при объемах хранения, м3)

с избыточным давлением свыше 0,6 до 0,8 МПа включительно

до 8 включительно свыше 8 до 16 включительно свыше 16 до 25 включительно свыше 25 до 50 включительно свыше 50 до 63 включительно свыше 63 до 100 включительно

Жилые, общественные и торговые здания 77 83 87 100 105 130

Производственные, складские и административно-бытовые здания, сооружения и строения промышленных и сельскохозяйственных организаций 40(25) 43(27) 48(32) 55(40) 60(42) 70(50)

Гаражи и открытые стоянки автомобилей 77(33) 83(40) 87(48) 100(55) 105(58) 130(65)

Железные дороги общей сети и автомобильные дороги общей сети: I, II и III категорий 40(25) 43(27) 48(32) 55(40) 60(42) 70(50)

Примечание.

1) Значения расстояний, приведенные в скобках, относятся к резервуарам, оснащенным стационарной системой защиты, исключающей возможность горения пролитого СПГ в пределах ограждения, или к двухоболочечным резервуарам. Таким же требованиям должны удовлетворять передвижные заправщики.

2) Двухоболочечный резервуар для СПГ - резервуар (сосуд) для хранения СПГ, оснащенный термоизоляционным кожухом, предназначенным для обеспечения вакуумной изоляции и обеспечивающим при разгерметизации рабочего

(внутреннего) сосуда удержание в межстенном пространстве жидкой фазы СПГ и контролируемый сброс паров СПГ в атмосферу из указанного пространства через систему газосброса объекта производства СПГ или объекта потребления СПГ

[31].

Для снижения затрат на противопожарные мероприятия на объектах малотоннажного СПГ необходимо, во-первых, уменьшить противопожарные разрывы и, во-вторых, по возможности, отказаться от систем орошения и ограничения распространения пламени, что позволит исключить систему пожарного водоснабжения, в-третьих, исключить сжигание паров СПГ при дренаже.

Для решения этих вопросов можно идти по трем направлениям:

- уменьшить величину допустимого риска, заложенную в Федеральный Закон №116-ФЗ [46] и равную 1 • 10-8 1/год,

- уточнить исходные данные по авариям, которые использовались при расчете значений пожарного риска,

- разработать технические предложения по упрощению системы противопожарной защиты, в том числе за счет использования двухоболочечных резервуаров.

1.3 Использование двухоболочечных резервуаров для обеспечения пожарной безопасности объектов малотоннажного сжиженного природного газа

Применение для хранения и транспортирования СПГ обычных криогенных резервуаров с вакуумно-порошковой или вакуумно-многослойной изоляцией не исключает, как показано ниже, возможность пролива жидкости из резервуара на территорию объекта при нарушении герметичности внутреннего сосуда или коммуникаций в межстенном пространстве.

Упрощенная технологическая схема криогенного резервуара представлена на Рисунке 1.3 [47].

Рисунок 1.3. Схема обычного криогенного резервуара.

1 - внутренний сосуд; 2 - межстенное пространство; 3 - наружный кожух; 4 - трубопровод слива-налива; 5 - трубопровод газосброса; 6 - мембранное предохранительное устройство на кожухе. А - сброс газа из межстенного пространства через разрывную мембрану; Б - течь в стенке внутреннего сосуда.

Резервуар состоит из внутреннего сосуда, помещенного в наружный кожух. Межстенное пространство заполнено порошковой или многослойной изоляцией под вакуумом [48]. Через межстенное пространство проходят трубопроводы обвязки внутреннего сосуда - трубопровод газосброса с предохранительной арматурой, трубопроводы слива/заправки жидкости, выдачи жидкости в испаритель наддува, а также опорные элементы.

При эксплуатации резервуара может произойти нарушение герметичности внутреннего сосуда с последующим проливом жидкости в межстенное

пространство. При этом происходит испарение пролитой жидкости и рост давления. Если величина давления в межстенном пространстве превысит давление в сосуде, то возможно разрушение внутреннего сосуда из-за потери устойчивости [49]. Чтобы ограничить последствия нарушения герметичности внутреннего сосуда, на кожухе устанавливается мембранное предохранительное устройство, которое раскрывается при незначительном превышении давления в межстенном пространстве над атмосферным давлением. Пары криогенной жидкости выбрасываются через мембранное устройство в окружающую среду и давление в межстенном пространстве остается близким к атмосферному. Однако, если давление во внутреннем сосуде достаточно велико, а нарушение герметичности происходит в нижней точке сосуда, то жидкость полностью вытесняется из внутреннего сосуда в межстенное пространство. Поскольку объем межстенного пространства, как правило, меньше объема внутреннего сосуда, то происходит переполнение межстенного пространства и выброс жидкости наружу.

Выброс жидкости из межстенного пространства наружу возможен также, если жидкость в сосуде находится в равновесном состоянии при повышенном давлении. При нарушении герметичности сосуда, жидкость изливается в теплоизоляционную полость резервуара с понижением давления. При протекании данного процесса жидкость вскипает (парообразование при понижении давления) и возможно ее «набухание» (увеличение кажущегося объема жидкости вследствие её насыщения пузырьками пара) с переливом части жидкости из межстенного пространства. Если при хранении жидкого кислорода или азота выброс жидкости наружу является инцидентом, то при проливе СПГ возникает аварийная ситуация.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Клеблеев Тимур Ильдарович, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Изотов Н.И. Сжиженный природный газ. Технологии и оборудование. - М.: ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2013. 305 с.

2 Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. М.: РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, 2011. Электронный ресурс

3 Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы. М.: НЕФТЬ И ГАЗ, 2009.

4 Бусыгина Н.В., Бусыгин И.Г. Технология переработки природного газа и газоконденсата. Оренбург, Газпромпечать, Оренбурггазпромсервис, 2002. 429 с.

5 Кузьменко И.Ф. Тенденции развития установок сжиженного природного газа средней производительности для распределительного газоснабжения. Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. №4 (40), 2008. C. 4954.

6 Краковский Б.Д, и др. Современные технологии сжижения природного газа в установках малой и средней производительности.//Использование сжиженного природного газа на железнодорожном транспорте. Материалы заседания секции Научно-технического совета ОАО «Газпром». М.: ООО «ИРЦ «Газпром», 2007. С.70 - 79.

7 Krakovskiy B.D. at all «Natural gas liquefier», The Eighth Cryogenics 2004 IIR International Confer-ence, Praha Czech Republic, 2004, Р. 203-209.

8 Скородумов Б. и др. Решение проблем энергоснабжения промышленных, социальных объектов и населенных пунктов с использованием СПГ. Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. 2002. № 6. С. 42-47

9 Сердюков С.Г., Ходарков М.Л. Сжиженный природный газ в Санкт-Петербурге и России. // «Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо». 2003. № 2.С. 59-63.

10 Сердюков С.Г., Ходарков И.Л., Типовой мини-завод по производству сжиженного природного газа на газоредуцирующих станциях (ГРС) маги-

стральных трубопроводов.// Перспективы и опыт применения сжиженного природного газа на объектах ОАО «Газпром». Материалы Научно-технического совета ОАО «Газпром», М: ИРЦ Газпром, 2002. С. 28 - 33.

11 Сафонов В.С. Проблемы обеспечения безопасности объектов сжиженного природного газа. Часть 2: Современные подходы к моделированию аварийных процессов и их последствия на объектах производства, хранения и перевозки сжиженного природного газа. - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследования проблем промышленной безопасности», 2021. 444 с.

12 Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов В.П. Горение и свойства горючих веществ. 2-изд. перпраб. М.: Химия,1981. 272 с.

13 Нечаев М.А. Техника безопасности при транспортировке, распределении и использовании газового топлива. 3-е изд. Л.:Газтопиздат, 1962. 300 с.

14 Одишария,Г.Э., Сафонов В.С., Швыряев В.А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. М.: НУМЦ Минприроды России, 1966, 2008.

15 Сулейманов В.А. Расчет нестационарных режимов эксплуатации газопроводов // Изв. АН СССР Сер.: Энергетика и транспорт 1987. Т. 25, № 1. С. 134-142.

16 Едигаров А.С., Сулейманов В А. Математическое моделирование аварийного истечения и рассеивания природного газа при разрыве газопровода // Математическое моделирование 1995. Т. 7, № 4. С. 37-52

17 Сафонов B.C., Сулейманов В.А Моделирование и анализ нестационарных гидрогазодинамических процессов при возникновении аварийных разрывов на магистральных газо- и конденсатопроводах // Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология: сб. науч. тр. М.: ВНИИГАЗ, 1997. С. 178-193.

18 Foster М. Transient flow analysis of gas pipeline systems // Pipeline industry December, 1981. P 25-28.

19 Bell R.P. Isopleth calculation for ruptures in sour gas pipeline systems // Energy Processing (Canada). Juli-August, 1978. P. 36-39.

20 Моисеев И В., Степанчук B P Расчет истечения газов из резервуара // Энергетика. Изв. высш. учебн. завед. и энергет. объед. СНГ 1963 №4. С. 115-120.

21 Нигматуллин РИ. Динамика многофазных сред: в 2 ч. М.: Наука, 1987. Ч. 1. 464 с.

22 Гриценко А.И., Клапчук О.В., Харченко Ю.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в скважинах и трубопроводах. М.: Недра, 1994. 238 с.

23 Чисхолм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках / пер. с англ. Б. Л. Кривошеина; ред. пер. В. И. Марон. М.: Недра, 1986. 205 с.

24 СТО Газпром 2-2.3-400-2-9. Методика анализа риска для опасных производственных объектов газодобывающих предприятий ОАО «Газпром».

25 Расчет параметров аварийных выбросов опасных веществ из технологических блоков с учетом притоков из смежного оборудования / А.С. Софьин, С.В. Прокудин, А.А. Агапов [и др.] // Безопасность труда в промышленности. 2018. № 3. С. 5-13.

26 Richardson S.M., Saville G. Isle of Grain pipeline depressurization tests. London: HSE Books, 1996. 34 p.

27 Webber D.M., Fannelop Т.К., Witlox H.W.M. source terms for two-phase flow in long pipelines following an accidental breach // Intern. Conf. and W. on Model. and Mitig. the Conseq. San Francisco. 1999

28 Reid R.C., Prausnitz J.M., Poling B.C. The Properties of Liquids and Gases: 4 th Edn. US: McGraw Hill. 1987. 753 p.

29 Методика определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах (утверждены приказом МЧС России от 10.07.09 № 404).

30 Правила проведения расчётов по оценке пожарного риска (утверждены Постановлением Правительства Российской Федерации от 31.03.09 № 272).

31 Свод правил СП 326.1311500.2017 «Объекты малотоннажного производства и потребления СПГ. Требования пожарной безопасности».

32 ГОСТ 55892-2013 «Объекты малотоннажного производства и потребления сжиженного природного газа. Общие технические требования».

33 Киржнер Д.Л. «О работах ОАО «РЖД» в области использования природного газа на железнодорожном транспорте». В кн. Использование природного газа на железнодорожном транспорте: Материалы заседания секции «Распределение и использования газа» Научно-технического совета ОАО «Газпром» (Екатеринбург, декабрь 2006 г.). - М. ООО «ИРЦ «Газпром», 2007. С. 12.

34 Системы хранения и подачи сжиженного природного газа, установленного на транспортные средства, Попов О.М., Брагин А.В., Колгушкин Ю.В. [и др.] в кн. Использование природного газа на железнодорожном транспорте: Материалы заседания секции «Распределение и использования газа» Научно-технического совета ОАО «Газпром» (Екатеринбург, декабрь 2006 г). - М. ООО «ИРЦ «Газпром», 2007. С. 57

35 Горбачев С.П., Жердев А.А., Славин М.В. Определение времени захолаживания криогенного бака // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2006. №5. С. 43-54.

36 Горбачев С.П., Попов В.П., Шапкайц А.Д. [и др.] Результаты испытаний опытных образцов криогенных бортовых топливных систем для транспортных средств. Газовая промышленность, спецвыпуск 626/2008, С 17-20.

37 Stephens C. A., Hanna G. J., Gong L. Thermal-Fluid Analysis of the Fill and Drain Operations of a Cryogenic Fuel Tank. NASA Technical Memorandum 104273, 1993

38 Захаров Ю. В., Лехмус А. А. Рациональные способы захолаживания цистерн метановозов перед приемом грузов // Судостроение: Респуб. межвед. науч.-техн. сб. Киев: Вища шк., 1986, Вып. 35, С. 57-63

39 Кириенко К.И. Разработка моделей и расчет процессов заправки криогенных бортовых топливных систем сжиженным природным газом : дис. ... канд. тех. наук : 05.04.03. Москва. 2014. 126 с.

40 Николенко Т.М. Разработка моделей формирования источников поражающих факторов при авариях с участием сжиженного природного газа : дис. ...канд. тех. наук : 05.26.03. Санкт-Петербург. 2022. 152 с.

41 Рахимов В.О. Особенности термодинамических процессов при хранении сжиженного природного газа : дис. .канд. тех. наук : 25.00.19. Уфа. 2013. 136 с.

42 Городнов А.О. Моделирование тепломассообмена при бездренажном хранении криогенных топлив : дис. .канд. тех. наук : 01.02.05.Москва. 2020. 128 с.

43 Рахманин А.И. Обеспечение безопасности резервуаров для хранения сжиженного природного газа с учетом негативных эксплуатационных факторов : дис. .канд. тех. наук : 05.26.02. Москва. 2015. 137 с.

44 Горбачев С.П., Клеблеев Т.И. Аварийные режимы в криогенных неизотермческих резервуарах для сжиженного природного газа. Научно-технический сборник «Вести газовой науки». №1(42). 2020. С.130-135.

45 Свод правил СП 156.13130.2011 «Станции автомобильные заправочные требования пожарной безопасности».

46 О промышленной безопасности опасных производственных объектов: Федеральный закон от 21 июля1997г.№ 116 - ФЗ.

47 . Криогенные системы: Т.2.Основы проектирования аппаратов, установок и систем /А.М. Архаров, И.А. Архаров, В.П. Беляков и др. 2-изд., М.: Машиностроение, 1999. 720с.

48 Клеблеев Т.И., Семенов В.Ю. Экспериментальное исследование теплообмена в межстенном пространстве криогенного резервуара с порошковой изоляцией. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2023. № 3 (146). С. 113126.

49 Горбачев С.П, Карпов В.Л., Клеблеев Т.И. [и др.]. Испытания макета двухоболочечного резервуара для хранения и транспортирования сжиженного природного газа //Газовая промышленность. 2022. №2. С. 20 - 25.

50 Горбачев С.П., Клеблеев Т.И., Семенов Ю.В Технологические схемы криогенных двухоболочечных резервуаров для СПГ// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2021. №7. С. 16-19.

51 Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. 5-изд., М.: Химия, 1972. 752с.

52 Патент на изобретение № 2653611 РФ Б17С 3/00 «Резервуар для хранения криогенной жидкости» Горбачев С.П., Карпов В.Л.,2008

53 Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Энергия, 1966. 275 с.

54 Каганер М.Г. Тепломассобмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях. М.: Энергия, 1979. 256 с.

55 Каганер М.Г., Глебова Л.И., Влияние заполняющего газа на перенос теппла в пористых материалах. ИФЖ, 1964, т.7, №5, С. 59 - 62.

56 Каганер М.Г. Метод расчета скорости естественного отогрева резервуаров для сжиженных газов. В кн.: Аппараты и машины кислородных и криогенных установок, вып. 13. М.: Машиностроение, 1971. С. 50 - 60.

57 Каганер М.Г. Влияние сложного теплообмена между изоляцией, стенками и газом в сосудах для криогенной жидкости на теплоприток к жидкости. В кн.: Криогенная техника, вып. 15. НПО Криогенмаш, 1973. С. 174 - 18.

58 Каганер М.Г. Влияние уровня жидкости на потери от испарения в сосудах для сжиженных газов. В кн.: Аппараты и машины кислородных и криогенных установок, вып. 13. М.: Машиностроение, 1971. С. 79 - 89.

59 Костылев В.М., Набатов В.Г., О переносе тепла в дисперсионном изоляционном слое. - ИФЖ, 1965, т.9, №3. С. 377 - 383.

60 Костылев В.М., Перенос тепла в вакуумированных рыхловолокнистых материалах. - Теплофизика высоких температур, 1964, т.4, №3. С. 351 - 354.

61 Першин Н.П., Михальченко Р.С., Тучкин Ю.А., Теплоперенос излучением в перфорированной слоисто-вакуумной изоляции. - В кн.: Вопросы гидродинамики и теплообмена в криогенных системах, вып. 4. Харьков: ФТИНТ, 1974. С.96 -102.

62 Лин Дж.И. Анализ течения газа через многослойную изоляцию. Ракетная техника и космонавтика, 1973, т.11, №7. С. 125 - 131.

63 Агафонов И.М., Домашенко А.М., Особенности процесса тепло-масообмена при бездренажном хранении криогенных жидкостей. Химическое и нефтяное машиностроение, 1983, №2. С. 19 - 21

64 Аксельрод Л.С., Баслина Е.М., Винников А.И. Экспериментальное исследование тепломассобменных процессов в закрытых сосудах с низкотемпературными жидкостями. Минск: Наука и техника, 1968, т4. С.172 -182.

65 Кириченко Ю.А., Сапрунов Ж. А. Особенности моделирования процесса теплообмена в замкнутом объеме, частично заполненным жидкостью Харьков, 1980. 24 с. Препринт АН УССР Физ. тех. ин-та низких температур.

66 Кириченко Ю.А. К расчету температурного расслоения в заполненных жидкостью замкнутых емкостях при постоянной плотности теплового потока на оболочке. - Инж.-физ. журнал., 1978, т.34,№1. С. 5 - 11.

67 Ионочкин А.И., Пуртов Н.А., Филин Н.В. К расчету оптимальной степени заполнения резервуара при бездренажном хранении криогенных продуктов. - В кн.: Процессы м технологии в криогенном машиностроении. Балашиха: НПО «Криогенмаш», 1978. С. 3 - 17.

68 Блинова И.Д., Буланов А.Б., Пронько В.Г. Охлаждение жидкого водорода барботированием гелия. В кн.: Криогенная техника. Технология контроль и управление. Балашиха: НПО «Криогенмаш», 1974, вып.16. С.23 - 35.

69 Домашенко А.М., Качура В.В., Филин Н.В., Экспериментальное исследование неравновесных процессов испарения при охлаждении жидкого кислорода и азота вакуумированием парового пространства. В кн.: Процессы м технологии в криогенном машиностроении. Балашиха: НПО «Криогенмаш», 1975. С. 144 - 155.

70 Леонова В.Г., Пронько В.Г. Расчет процессов охлаждения криогенного оборудования//Химическое и нефтяное машиностроение. 1971, №1. С. 9-11

56 Reid R.C., Prausnitz J.M., Poling B.C. The Properties of Liquids and Gases: 4 th Edn. US: McGraw Hill. 1987. 753 p.

72 Житомирский И. С., Романенко В. Г. Методика численного расчета нестационарных тепловых и гидрогазодинамических процессов в сложных криогенных системах (Препр. АН УССР, Физ.-техн. ин-т низ. температур 32-86). Харьков: ФТИНТ, 1986. 52 с.

73 Пронько В. Г. Двухступенчатая модель теплопередачи применительно к охлаждению криогенного оборудования в условиях пленочного кипения // Криогенная техника. Процессы в установках и системах. Балашиха: НПО "Криогенмаш". 1975. №17. С. 28-42

74 Велик Н.П., Беляев Н.М., Шандоров Г.С. Расчет процесса опорожнения газовой емкости//Инженерно-физический журнал. 1964. Т7, №9. С. 25-28.

75 Смирнов В.А. Наполнение и опорожнение сосудов ограниченной емкости сжимаемым газом при постоянном и переменном объеме сосуда//Инженерно-физический журнал. 1965.Т.8, №3. С. 349 - 357.

76 Пронько В.Г., Аксельрод Л.С., Никонов А.Н., Анализ процессов выдавливания криогенных жидкостей и определение расхода газ наддува. В кн.: Аппараты и машины кислородных и криогенных установок. М.: Машиностроение ,1971.

77 Филин Н.В. Особенности неустановившихся процессов при транспортировании жидких продуктов по магистралям криогенных систем. - В кн.: Процессы м технологии в криогенном машиностроении. Балашиха: НПО «Криогенмаш», 1978. С. 3 - 17.

78 Филин Н.В. Неустановившиеся процессы в магистралях криогенных систем. Химическое и нефтяное машиностроение, 1978, №6. С. 16 - 19.

79 Филин Н.В., Кацнельсон Г.Г., Иовнович Я.Л. [и др.]. Регулирование величины гидроудара при наличии перед запорным органом паровой полости. В кн.: Процессы м технологии в криогенном машиностроении. Балашиха: НПО «Криогенмаш», 1978. С. 93 - 103.

80 Буланов А.Б., Филина Н.Н. Гидроудар при гейзерном выбросе криогенной жидкости. В кн.: Процессы и контроль в криогенных системах и установках. Сборник научных трудов. - Балашиха Моск. обл. Ротапринт НПО «Криогенмаш», 1983. С.60 - 67.

81 Буланов А.Б., Кондрашков Ю. А., Шевяков Г.Г. [и др.]. Экспериментальное исследование последствий разгерметизации изоляционного пространства резервуара с жидким водородом. В кн.: Криогенная техника. Технология, контроль и управление. Труды НПО Криогенмаш, вып.16. 1974. С.11 - 22.

67 Fauske Н. К. Flashing flows - some practical guidelines for emergency releases // Plant / Operation Progress. 1985. № 4 P. 132-134.

83 Солодов А.И, Дунаевская Н.К. Повышение эффективности тепловой защиты с охлаждаемым экраном в условиях наличия теплопереноса по газу. В кн.: Исследование процессов в установках и системах криогенного машиностроения. Балашиха, Моск. обл., 1984. С. 141-150. (Сб. научн. тр./НПО «Криогенмаш»)

84 Гухман А. А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена (процессы переноса в движущейся среде). 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1974. 328 с.

85 Тарабрин В. А. Математическая модель теплового состояния парового пространства низкотемпературного резервуара для хранения СПГ. Газовая промышленность. Сер. "Транспорт и хранение газа". 1981, №5. С. 21-28

86 Житомирский И. С., Романенко В. Г. Методика численного расчета нестационарных тепловых и гидрогазодинамических процессов в сложных криогенных системах (Препр. АН УССР, Физ.-техн. ин-т низ. температур). Харьков: ФТИНТ, 1986. 52 с.

87 . Stephens C. A., Hanna G. J., Gong L. Thermal-Fluid Analysis of the Fill and Drain Operations of a Cryogenic Fuel Tank. NASA Technical Memorandum 104273, 1993

88 Хабенский В.Б. Балдина О.М. Исследования уравнения динамики канала. Труды ЦКТИ, выпуск 98. Л,: 1969. С.44 - 59

89 Давиденко К.Я. Построение быстродействующей нелинейной модели прямоточного парогенератора. Теплоэнергетика, 1972, №3, С.78-81

90 Корольков Б.П., Таиров Э.А. Динамические характеристики цепочки теплообменников с независимым обогревом.Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1975, №3. С. 134 - 140.

91 Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогенераторов. 2-е изд., перераб. М.:Энергоиздат, 1981. 408 с.

92 Корольков Б.П., Пупин А.А. Динамика радиационного теплообменника с учетом распределения температуры по толщине стенки //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1975. № 6. С. 104 - 111.

93 Корольков Б.П. Специальные функции для исследования динамики нестационарного теплообмена, - М.: Наука, 1976. 166 с.

94 Дрейцер Г.А , Кошкин В.К., Калинин Э.К. Нестационарный теплообмен. М., Машиностроение, 1973. 328 с.

95 Калинин Э.К. Определение температуры потока и коэффициента трения в каналах при нестационарном неизотермическом течении теплоносителя в сб. «Тепло - и массоперенос». Т.1.Минск, «Наука и техника», 1965. С. 288 - 297.

96 Калинин Э.К. Нестационарный конвективный теплообмен и гидродинамика в каналах. «Изв. АН БССР. Сер. Физико-технических наук», 1966, № 4. С. 44 - 55.

97 Кузнецов Ю.Н., Белоусов В.П., Численное решение задачи о нестационарном теплообмене при течении жидкости в трубе. «Теплофизика высоких температур. Т.8, 1970, №6. С. 1218 - 1227.

98 Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск, «Наука», 1970. 660 с.

99 Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967. 559 с.

100 Муратова Т.М., Лабунцов. Д. А., Кинетический анализ процессов испарения и конденсации. «Теплофизика высоких температур». Т.7, 1969, №5. С. 959 - 968.

101 Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при течении жидкости в трубах. М., «Энергия», 1967. С. 411

102 Мартыновский В.С., Шнайд И.М. Уравнения первого и второго начала термодинамики для открытых систем. В кн.: Техника низких температур. Сборник материалов республиканской научной конференции «Повышение эффективности процессов и оборудования холодильной и пищевой продукции», Ленинградский технологический институт холодильной промышленности, 1971. С. 211 - 215.

103 Мартыновский В.С., Шнайд И.М. Термодинамические уравнения для открытых систем //Известия вузов. Энергетика. 1972. № 3. С. 68 - 72

104 Филимонов В. Е. Анализ термодинамических процессов при переменной массе рабочего тела// Сб. "Криогенная техника". НПО Криогенмаш. Балашиха. 1977. С. 21-32.

105 Филимонов В. Е. Термодинамический анализ двухфазных систем переменной массы// Сб. "Криогенная техника" НПО Криогенмаш. Балашиха. 1977. С. 33-45.

106 Славин М.В. Разработка и исследование технологии заправки автотранспорта сжиженным природным газом: дис. ... канд. техн. наук : 05.04.03. Москва. 2006. 99 с.

107 Горбачев С.П., Коледова К.И., Красноносова С.Д. Термодинамические модели заправки резервуара криогенной жидкостью // Технические газы. 2011. № 5. С. 32-40.

108 Горбачев С.П., Кириенко К.И. Исследование процессов бездренажной заправки топливного бака криогенной жидкостью // Технические газы. 2013. №6. С. 64

109 Горбачев С.П. Описание нестационарного вскипания криогенной жидкости в сосуде при снижении давления// Технические газы. 2005г. №6. С. 22 - 25.

110 Горбачев С.П., Кириенко К.И., Клеблеев Т.И. Физико-математическая модель развития аварийного режима в двухоболочечном криогенном резервуаре для сжиженного природного газа. Научно-технический сборник. «Вести газовой науки». 2022. № 2. С. 74-81.

111 Баранов Г.А., Барилович Б.А., Зысин В.А. [и др.]. Вскипающие адиабатные потоки. М.: Атомиздат, 1976. С.152.

112 Кутателадзе С.С., Стырикович М.А.Гидродинамика газожидкостных систем. Изд.2-е, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1976.

113 Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Павлов Ю.М. Кипение криогенных жидкостей, М., Энергия, 1977. 288с.

114Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1982. 512 с.

115 И.И. Берлин [и др.] Исследование кризиса пленочного кипения при естественной конвекции// Инж. физ. журн. 1973. 24, №2. С. 205 - 210

116 Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М. : Высш. шк., 1983. 448 с.

117 Справочник по физико-техническим основам криогеники/ под ред. М.П. Малкова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 432 с.

118, И. У. Аубакирова, Ю. М. Тихонов, С. Н. Терехин [и др.]. Поведение огнезащитных материалов на основе вермикулита, перлита и минеральной фибры в условиях пожара : монография /

119 Горбачев С.П., Клеблеев Т.И., Семенов Ю.В. Результаты испытаний неизотермического криогенного двухоболочечного резервуара для хранения и транспортирования СПГ// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2022. № 10. С. 19-22.

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТА ДВУХОБОЛОЧЕЧНОГО РЕЗЕРВУАРА НА ЖИДКОМ АЗОТЕ

ПРОТОКОЛ № 2 От 26.12.2019 г.

Имитация аварийной ситуации в двухоболочечном резервуаре при хранении

жидкого азота

Цель работы: испытания макета двухоболочечного криогенного резервуара в составе испытательного стенда по схеме двухоболочечного резервуара при рабочем давлении 0,5МПа.

Стенд испытательный на базе макета двухоболочечного криогенного резервуара смонтирован на территории производственной базы АО «НПП Криосервис» в п. «Медвежьи озера».

По окончанию изготовления и монтажа резервуар был подвергнут пневматическим испытаниям 18.12.2019г, о чем составлен Акт испытаний .№2 от 18.12.2019г.

До начала заправки стенд был приведен в исходное состояние в соответствии с Рисунком П.1.1, система измерений подключена и настроена для визуализации и регистрации показаний термометров и датчиков давления.

Шноф арматурный 3

Рисунок П.1.1 Схема принципиальная

Заправка макета осуществлялась из транспортной цистерны ЦТК-5/0,25.

Порядок работ:

1. Заправка внутреннего сосуда резервуара макета до отметки РТ2 (давление в сосуде при заправке не превышало 1 бар, давление в кожухе - минус 0,16 бар).

2. Наддув внутреннего сосуда до давления 6 бар.

3. Прогрев жидкости во внутреннем сосуде в течение 2,5 часов с минус 196°С до минус 179 °С

4. Открытие перепускного клапана 5.2. и выдача жидкого азота в ТИП.

5. Наблюдение роста давления в ТИП по датчику Р3. Достижение максимального давления в ТИП за 23 сек.с момента открытия клапана.

6. Закрытие перепускного клапана 5.2.

7. Сброс давления в ТИП.

8. Открытие перепускного клапана 5.2. и выдача жидкого азота в ТИП.

9. Наблюдение роста давления в ТИП по датчику Р3. Достижение максимального давления в ТИП за 26 сек.с момента открытия клапана.

10.Закрытие перепускного клапана 5.2.

11.Сброс давления в ТИП.

12.Замена датчика Р3 на манометр со шкалой 0.. 16 бар.

13.Открытие перепускного клапана 5.2. и выдача жидкого азота в ТИП.

14.Наблюдение роста давления в ТИП по манометру. Выравнивание давлений в ТИП и во внутреннем сосуде.

15.Принудительное раскрытие предохранительного клапана внутреннего сосуда с одновременным контролем давлений во внутреннем сосуде и в ТИП. При сбросе давления через полностью открытый клапан 3.13 разница давлений во внутреннем сосуде и в ТИП на уровне 0,2- 0,3 бар.

16.Открытие клапана газосброса внутреннего сосуда с одновременным контролем давлений во внутреннем сосуде и в ТИП. Произведена серия экспериментов с различным процентом открытия газосброса. При этом во всех случаях давление во внутреннем сосуде не превышало давление в ТИП более чем на 0,5 бар.

17.Завершение экспериментов, сброс давлений во внутреннем сосуде и ТИП.

18.Слив из внутреннего сосуда в ЦТК.

19.Отогрев

На основании проведенных испытаний установлено:

1. Подтверждена способность кожуха воспринимать нагрузки в случае пролива жидкого азота в ТИП, замкнутую на внутренний сосуд.

2. Подтверждена работоспособность обратного клапана 5.1. при работе по схеме двухоболочечного резервуара.

Требуемые доработки стенда, необходимость которых выявлена в ходе испытаний:

1. Выяснить причины неработоспособности уровнемеров и устранить их.

2. Включить в схему мановакууметр для измерения давления/разрежения в ТИП.

3. Произвести настройку датчика давления Р3 с проверкой по образцовому манометру.

П.2 ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТА ДВУХОБОЛОЧЕЧНОГОРЕЗЕРВУАРА НА СПГ

Имитация аварийной ситуации в двухоболочечном резервуаре при

хранении СПГ

Место проведения испытаний: Полигон МЧС. Оренбургская область, Оренбургский район, село Нижняя Павловка, ул. Полигонная д.1

Дата проведения испытаний: 06.11.2020 г.

Порядок проведения испытаний

За день до начала испытаний были проведены предварительные испытания на жидком азоте. В ходе испытаний на жидком азоте были устранены негерметичности, проверена работоспособность клапанов, приборов и системы архивирования.

Во время испытаний кожух обмерз на 1/3 снизу.

На следующий день после завершения испытаний на ЖА наблюдалось частичное обмерзание кожуха. Основные зоны обмерзания - нижняя четверть по бокам.

10:31:30 Начало заправки

10:44:53 Обнаружен небольшой рост давления в кожухе. Произведено открытие клапана 5.4, давление в кожухе снизилось.

Зафиксирована протечка на фланце газосброса. Принято решение не останавливать заправку, течь устранить после её завершения.

11:04:36 Повторный сброс давления из ТИП. Открытие клапана 5.4

11:33:00 Завершение заправки, газосброс открыт

13:08:40 Закрытие газосброса, начало наддува внутреннего сосуда - подача СПГ на испаритель наддува.

13:38:07 Повторный сброс давления из ТИП. Открытие клапана 5.4

13:47:30 Закрыли регулятор давления (наддув прекращен) 13:48:28 Короткое открытие газосброса

13:51:43 Открытие клапана К1. Имитация разрыва внутреннего сосуда.

15:37:00 Зафиксировано открытие перепускного клапана 5.1 (слышно дребезжание клапана в цилиндре)

Во время эксперимента наблюдали достаточно быстрое выравнивание давлений в сосуде и ТИП. После чего - длительный совместный рост давления , при котором давление в ТИП превышало давление в сосуде ориентировочно на 0.1 бар. При давлении близком к 5 бар наблюдался небольшой расход через предохранительный клапан сосуда - клапан и трубопровод за ним со временем обмерзли.

При этом продолжался плавный рост давления.

15:19:03 При достижении давления 6.85 бар в ТИП, произошел подрыв предохранительного клапана, после чего началось одновременное снижение давления во внутреннем сосуде и ТИП.

15:33:56 Снижение давления приостановилось. ПК прикрылся. 15:34:42 Принудительный подрыв предохранительного клапана 15:35:45 Закрытие ПК

15:37:05 Открытие клапана К2, сброс давления во внутреннем сосуде и ТИП для дальнейшего проведения огневых испытаний

15:39:02 Закрытие клапана К2.

15:52:20 Повторный сброс давления через К2

15:55:06 Закрытие К2

16:13:27 Начало огневых испытаний

Измеряемые параметры:

Р1 - давление во внутреннем сосуде бар

Р2 - давление в межстенном пространстве, бар

ДР1 -перепад давлений между верхней и нижней точкой внутреннего сосуда, кПа

t - температура в нижней точке внутреннего сосуда, 0С Допустимые значения параметров при проведении испытаний Р1< 6,9 бар, Р2< 8 бар, Р2-Р1< 1 бар

Таблица П.2.1

Значение регистрируемых параметров в ходе испытаний

№ Этап испытаний Время Р1, бар Р2, бар ДР, кПа 1 0С

1 Начальное значение 10:31:30 0,0376 0,0564 0,53

2 Заполнение внутреннего сосуда СПГ в количестве 4.6 м3; 11:27:51 0,1691 0,07 10,916 -162,08

3 Подъем давления в сосуде до 0,4МПа с помощью испарителя самонаддува 13:08:39 0,0385 0,0577 10,86 -163,84

4 Открытие клапана перелива жидкости из внутреннего сосуда в межстенное пространство 13:51:43 3,8242 0,0653 10,31 -163,66

5 Повышение давления в межстенном пространстве (сравнивание) 13:53:21 2,6963 2,7294 6,95 -163,5

6 Автоматическое открытие предохранительного клапана внутреннего сосуда при давлении в сосуде свыше рабочего значения (самостоятельный подрыв клапана, начавший снижение давления) 15:19:03 6,7867 6,8547 5,0215 -156,4

Таблица П.2.1

Значение регистрируемых параметров в ходе испытаний (продолжение)

Одновременное снижение давлений в сосуде и в межстенном пространстве 15:33:05 6,1279 6,1807 6,0389 -154,47

8 Одновременное снижение давлений в сосуде и в межстенном пространстве при принудительном открытии предохранительного клапана 15:34:44 15:36:47 6,1418 6,2111 65,477 -154,3

9 Открытие клапана газосброса и снижение давления в сосуде для последующего слива СПГ с дожиганием 15:39:05 3,7889 4,1351 6,7308 -152,11

П.3. РАСЧЕТЫ КРИОГЕННОГО РЕЗЕРВУАРА НА ПРОЧНОСТЬ К ВНУТРЕННЕМУ ДАВЛЕНИЮ И НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ВНЕШНЕМУ ДАВЛЕНИЮ

В обычных резервуарах с вакуумной изоляцией толщина стенки наружного кожуха определяется требованием выдержать наружное давление в 0,1 МПа (в межстенном пространстве вакуум, снаружи атмосферное давление). Т.е. цилиндрическая оболочка рассчитывается на устойчивость по отношению к внешнему давлению 0,1 МПа. При этом расчетная толщина стенки оболочки получается существенно больше, чем расчетная толщина стенки при расчете на такое же значение внутреннего давления.

Расчет кожуха резервуара на прочность к внутреннему давлению

Минимальная толщина стенки оболочки для цилиндрического сосуда определяется формулой (П. 3.1):

Р - В

' = 2., .Р'-1 2-Р • (Д3.1)

а м внутр

где Рвнутр - расчетное внутреннее давление (абсолютное)

В - диаметр оболочки

8а - допустимое напряжение

вм - коэффициент прочности сварного шва.

Значение допустимого напряжения для нержавеющей стали (12Х18Н9Т) составляет 120,6 МПа. Для стыкового шва с полным проваром дуговой и газовой сваркой при проведении полной рентгеноскопии коэффициент прочности вм = 1,0.

Проведем расчет для расчетного внутреннего давления Рвнутр = 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 МПа и диаметра оболочки В = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3 м. Подставляя все

величины в формулу, получим значения минимальной толщины стенки оболочки. Результаты расчета приведены в таблице П. 3.1.

Таблица П. 3.1

Толщина кожуха криогенного резервуара при расчете на внутреннее давление,

мм

Давление Рвнутр, МПа Диаметр V, м

0,5 1 1,5 2 2,5 3

0,4 0,83 1,66 2,49 3,32 4,15 4,98

0,6 1,25 2,49 3,74 4,99 6,24 7,48

0,8 1,66 3,33 4,99 6,66 8,33 9,99

1,0 2,08 4,17 6,25 8,33 10,42 12,5

Расчет кожуха резервуара на устойчивость к внешнему давлению

Разрушающее (критическое) давление с одной стороны определяется

соотношением:

Р = 4Р

(П. 3.2)

где 4 - требуемый запас прочности Ра - допускаемое внешнее давление (т.е. атмосферное). С другой стороны, разрушающее давление определяется как Для длинного цилиндра:

2Е

г* V

V V

1-V

(П.3.3)

Для короткого цилиндра:

(П. 3.4)

где Е - модуль Юнга материала оболочки V - коэффициент Пуассона для материала оболочки

Ь - безопорная длина цилиндра (расстояние между кольцами жесткости для внешней оболочки).

Цилиндр называется длинным, если отношение его безопорной длины к диаметру удовлетворяет условию:

- > 1,140-(1 -V)4 ■(-12

Б Х ! Vг)

(П. 3.5)

Определим разрушающее давление:

Р = 4Р = 4 -1,013 -105 = 4,025 -105

Па.

Примем, что расстояние между кольцами жесткости равно Ь = 2,25 м, диаметр кожуха 3 м.

Определим толщину оболочки по формуле (П.3.3):

г = 3

Рс-Р3-(1 -V2)

2 Е

3

1

4,025-105 -33 -(1 - 0,282)

2-207-109

= 0,029

м.

Толщина оболочки также может быть определена из формулы (П.3.4).

V - )

1

Пренебрежем — в знаменателе и решим уравнение относительно t:

* = Ъ •

--)4{ ъ ]

2,42Е

= 3 •

5 / Г2,25

4,025 • 105 •(! - 0,282 )4 • '

2,42 • 207 •109

= 9,54 -10

-3

м.

Для полученных толщин оболочки определим критерий:

1,140.(1 -у)\ 2 = 1,140.(1 -0,28)4 •Г—3— (П.3.3): ^ *' V°,°29

= 11,4

(П.3.4):

/ ч1 Г ъ Л 2 / ч1 Г 3

1,140 • (1 -у)4 • I — = 1,140 • (1 - 0,28)4 •1

1

Л 2

9,54 • 10-

= 19,8

При этом отношение безопорной длины цилиндра к диаметру

— = 225 = 0,75

Ъ 3

Следовательно, имеем короткий цилиндр. Принимаем толщину оболочки кожуха 0, 01 м. Проверим на критическое давление:

5

П2

Рг =

2А2Е(-П)

2,42 • 207 • 109 (0р)2

(1 -V2) 4

1

П2

(&)- 0'45 -(й

(1 - 0,282)4

(ЗЦ5)- 0,45

0,01\2

= 4,194 • 105 Па.

Это значение больше, чем 4,025 105 Па, следовательно, толщина в 10 мм выбрана с запасом.

Критическое давление для полусферического, эллиптического и торосферического днищ (или для сферического сосуда) определяется как:

1

2

3

0,5- Е-1 —

Р = ) (П.3.6)

[3(1 -V2 )]2

где Яо - внешний радиус сферического днища или сферического сосуда, или эквивалентный радиус для эллиптического днища, или главный радиус торосферического днища. Эквивалентный радиус для эллиптических днищ определяется как Я0 = к1 Б. Здесь Б - главный диаметр к - коэффициент, определяемый по таблице П.3.2.

Таблица П.3.2

Эквивалентный радиус для эллиптического днища, находящегося под внешним воздействием. Б - большой диаметр эллипса, Б} - меньший диаметр эллипса

Б/Б1 к1 Б/Б1 к1 Б/Б1 к1

3,0 1,36 2,2 0,99 1,4 0,65

2,8 1,27 2,0 0,90 1,2 0,57

2,6 1,18 1,8 0,81 1,0 0,5

2,4 1,08 1,6 0,73

Требуемая толщина полусферических днищ резервуара может быть определена из формулы (П.3.6):

Я0-

Р -[3(1 -V2 )]2

0,5- Е

1,5-

4,025-105 -[3(1 - 0,282)] 0,5-207-109

3,83-10"

м.

1

1

2

2

3

г

к

Такой расчет был проведен при диаметрах оболочки — = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3 м. Результаты расчетов приведены в Таблице П.3.3.

Таблица П. 3.3

Результаты расчета резервуара на устойчивость при различных диаметрах

Диаметр резервуара, м 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

Толщина оболочки, рассчитанная по (3.3), мм 4,83 9,66 14,49 19,32 24,16 28,99

Толщина оболочки, рассчитанная по (3.4), мм 3,26 4,94 6,30 7,48 8,55 9,54

Критерий цилиндра для толщины по (3.3) 11,36 11,36 11,36 11,36 11,36 11,36

Критерий цилиндра для толщины по (3.4) 13,84 15,90 17,24 18,26 19,10 19,80

Отношение безопорной длины к диаметру резервуара Ь/Б 4,50 2,25 1,50 1,13 0,90 0,75

Итоговая толщина кожуха, мм 3,26 4,94 6,30 7,48 8,55 9,54

Толщина днища, мм 0,64 1,28 1,91 2,55 3,19 3,83

Разрушающее давление, МПа 0,408 0,411 0,413 0,415 0,417 0,419

На Рисунке П.3.1 представлены совместные результаты расчета толщины цилиндрической оболочки при внутреннем давлении (расчет на прочность кожуха) и при наружном давлении 0,1 МПа (расчет на устойчивость кожуха) при различных диаметрах кожуха.

12

10

к и

К <и н о

ей К

к ^

£

12

Диаметр, м

Рвнутр = 0,4 МПа

Рвнутр = 0,6 МПа

Рвнутр = 0,8 МПа

Рвнутр = 1,0 МПа

Рвнеш = 0,1 МПа

Рисунок П.3.1 Результаты расчета оболочки на прочность и устойчивость

8

6

4

2

0

0

3

4

Из рисунка следует, что для диаметра сосуда до 3 м толщина стенки оболочки, рассчитанная из условия устойчивости, превышает толщину стенки, рассчитанную из условия прочности для давления 0,8 МПа (изб). Это значит, что для большинства криогенных резервуаров, при переходе к двухоболочечной конструкции не требуется увеличивать толщину стенки, а только необходимо изготовлять кожух из аустенитной стали типа 12Х18Н9Т. При этом масса резервуара не изменится, но стоимость металла увеличится примерно на 20 %.