При аварии на нефтехимическом производстве существует вероятность утечки взрывоопасных веществ. Чтобы предотвратить дальнейшую эскалацию ситуации из аварийной в катастрофическую, важно обеспечить защиту технологических печей – предотвратить контакт горючего газа с разогретыми деталями печи, который может привести к объёмному взрыву.

Для предотвращения образования опасных концентраций взрывоопасных веществ вблизи печей применяются системы паровой защиты. По сигналу из коллекторов, окружающих печь по периметру, начинается подача пара под высоким давлением. Потоки пара, расширяясь, формируют плотную завесу, отсекая пространство печи от взрывоопасного облака и обеспечивая возможность её безопасной остановки.

Натурные испытания систем паровой защиты не всегда возможны в силу высокой стоимости и сложности в обеспечении технологического процесса. Поэтому для изучения существующих и разработки новых решений применяется CFD-моделирование.

Проектирование систем паровой защиты

Проектирование систем паровой защиты выполняется в соответствии с ГОСТ Р 12.3.047‑2012 «Пожарная безопасность технологических процессов.  Общие требования. Методы контроля» (приложение Л).

При наличии руководящего документа процесс накопления технического опыта непрерывно продолжается, разрабатываются новые технологии, возникают новые идеи и решения. Для первичной проверки новых решений применяется CFD‑моделирование, которое позволяет оценить их эффективность без натурных испытаний. После первичной оценки эффективности начинается процесс обоснования и подтверждения безопасности, который должен завершиться включением новых подходов в нормативную базу.

С помощью CFD‑моделирования можно определить концентрацию взрывоопасных веществ в защищаемом пространстве, протестировать и сравнить между собой различные конфигурации системы паровой защиты, учесть разные сценарии аварий.

Результаты моделирования

Специалистами АО «ЦИФРА» выполнен расчёт паровой завесы модельной технологической печи. В качестве защищаемого объекта рассмотрена печь высотой 6 м и периметром 36 м. Смоделирована работа паровой завесы при распространении облака взрывоопасного вещества (пропана) с имитацией реального сценария аварии. Учтены особенности площадки и преобладающие направления ветра.

Геометрическая модель паровой завесы и защищаемого объекта

Моделирование проведено для двух конфигураций системы паровой защиты: первая выполнена в полном соответствии с указаниями ГОСТ Р 12.3.047-2012, вторая основана на инженерном опыте конструкторов и технологов нефтехимических производств.

Результаты моделирования для первой рассмотренной конфигурации приведены на рисунках ниже.

Массовая доля пропана в защищаемом пространстве при работающей паровой завесе

Визуальное представление работающей паровой завесы

На приведённых изображениях видно, что пар из коллектора устремляется вверх, а затем «прилипает» к печи. Наблюдаемый эффект объясняется тем, что струя пара увлекает за собой потоки воздуха. Из-за того, что вблизи стенок поступление воздуха затруднено, возникает область пониженного давления. Пар стремится заполнить эту область и прижимается к стенке печи, формируя плотную завесу.

Вблизи печи массовая доля пропана ниже НКПР (нижнего концентрационного предела распространения пламени). Однако пропан всё же проникает через завесу, что создаёт риск накопления взрывоопасной концентрации в случае масштабной утечки.

Вторая из рассмотренных конфигураций отличается от первой в части геометрии коллектора: увеличено количество отверстий в коллекторе и его диаметр. Результаты моделирования приведены на рисунках ниже.

Массовая доля пропана в защищаемом пространстве при работающей паровой завесе (модифицированное решение)

Визуальное представление работающей паровой завесы (модифицированное решение)

Как и для первой конфигурации системы паровой защиты, на приведённых рисунках видно, что пар «прижимается» к стенке печи. При этом паровая завеса более плотная, чем для первой конфигурации, что обеспечивает лучшую защиту от проникновения взрывоопасного вещества в подпечное пространство.

Концентрация пропана в защищаемом пространстве ниже, чем для первой конфигурации, что свидетельствует о повышении эффективности паровой завесы в результате внесённых изменений.

Таким образом, подтверждена эффективность концепции нового решения – без проектирования, изготовления и натурных испытаний. Результаты численного моделирования могут служить основой для дальнейшей конструкторской проработки этого решения.

Заключение

С развитием технологий и накоплением инженерного опыта возникают новые, ранее не применявшиеся решения. Численное моделирование даёт уникальную возможность провести их виртуальные испытания без дорогостоящих и зачастую рискованных экспериментов. Это позволяет оценить эффективность новых инженерных решений, сравнить их между собой и выбрать оптимальные.

В рамках данной работы проведено численное моделирование двух различных конфигураций системы паровой защиты технологической печи. Показано, что модифицированная конфигурация, разработанная с некоторыми отступлениями от требований ГОСТ, формирует плотную паровую завесу, надёжно отсекая облако взрывоопасного вещества от технологической печи. В перспективе результаты цифровых испытаний могут стать технической основой для актуализации соответствующих нормативных документов.

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью