Содержание к диссертации
Введение 8
Глава 1. Современное состояние противопожарной защиты 20
резервуаров с нефтепродуктами
Пожары в резервуарных парках 20
Существующие системы противопожарной защиты резервуар- 43 ных парков
Анализ нормативных требований по противопожарной защите 45 складов для хранения нефти и нефтепродуктов
Разработка предложений по противопожарной защите парков 52 хранения нефти и нефтепродуктов установками пожаротушения
Опыт тушения пожаров в резервуарных парках 65
Технические средства и нормы подачи огнетушащих ве- 67 ществ
Системы тушения пожаров в резервуарах стационарными 72 установками пенного пожаротушения
1.3. Технология применения пленкообразующих пен 76
Научные исследования по созданию эффективной технологии 77 противопожарной защиты
Анализ движения жидкости в поверхностном слое при под- 87 слойной способе подачи воздуха
Закономерности тушения нефтепродуктов низкократными пе- 92 нами
Механизм огнетушащего действия пленкообразующих пено- 95 образователей
Теоретические исследования тушения нефтепродуктов пена- 97 ми
Экспериментальное определение огнетушащей эффективно- 100
сти пен низкой кратности
1.4. Средства тушения пожаров в резервуарных парках 106
Комбинированные составы на основе воды и пенных средств 106 тушения
Классификация и номенклатура пенообразователей для туше- 109 ния пожаров
Использование огнетушащих средств и тактико-технических 117 приемов тушения пожаров в резервуарах
1.4.4. Нормативные требования подачи огнетушащих средств при 121
тушении пожаров на резервуарах
Устройства для тушения пожаров в резервуарных парках пе- 124 ной низкой, средней и высокой кратности
Постановка задач 133 Глава 2. Методы исследования свойств пленкообразующей пены 135 2.1. Экспериментальное определение эффективности пленкообра- 135 зующих пен низкой, средней и высокой кратности
Метод определения толщины водных пленок растворов ПАВ 136 на поверхности углеводородов
Метод определения эффективности изолирующего действия 139 водных пленок растворов ПАВ
Метод определения огнетушащей эффективности растворов 146 пенообразователей, подаваемых в слой и на поверхность горючего
при пожаре в модельном резервуаре
Метод определение скорости растекания водной пленки по 151 поверхности углеводорода
Метод определения количественных параметров процесса пе- 156 нообразования
2.1.5.1. Компенсационный метод измерения капиллярного давления 157
в пенных каналах
Метод определения дисперсности высокократной пены 159
Метод измерения электроосмотического переноса жидкости 161 в высокократной пене
2.1.6. Метод определения параметров тушения закрытого помеще- 164 ния высокократной пеной, объемным способом
Глава 3. Экспериментальные исследования свойств пленкообра- 166 зующей пены
3.1. Экспериментальные исследования эффективности пленкообра- 166
зующих пен низкой, средней и высокой кратности
Влияние состава пенообразователя на процесс пленкообразо- 167 вания водных растворов на поверхности нефтепродуктов
Влияние состава пенообразователя на изолирующую эффек- 174 тивность водных пленок на поверхности нефтепродуктов
Исследование зависимости огнетушащей эффективности экс- 188 периментальных составов пленкообразующих пенообразователей
3.2. Комплексное исследование свойств фторсинтетической пены 205
для тушения нефтепродуктов
3.2.1. Экспериментальное определение характеристик тушения 215
пленкообразующей пеной
3.2.2. Влияние кратности противопожарной пленкообразующей пе- 230
ны на образование и растекание изолирующей водной пленки
3.3. Исследование закономерностей тушения пожаров в закрытых 236
помещениях высокократной пеной
Глава 4. Теоретические исследования процесса тушения пожаров 243 пленкообразующей пеной
Механизм тушения пламени горючих жидкостей пеной 244
Анализ процесса прогревания нефти при длительном свобод- 247
ном горении в резервуаре
Механизм контактного разрушения пены углеводородами в 253 процессе тушения пожара
Закономерности формирования пограничного слоя пены 256
4.5. Механизм образования и разрушения водной пленки раствора 263
пенообразователя на поверхности нефтепродукта
Формирование водной пленки раствора пенообразователя на 264 поверхности углеводородов
Факторы, влияющие на изменение толщины водной пленки на 266 поверхности нефтепродукта
Причины потери изолирующей способности водной пленки 269 раствора ПАВ
4.6. Закономерности процесса тушения пламени нефтепродуктов 273
пленкообразующими пенами
Термическое разрушение и стабилизация "загрязненных" пен 277 под действием факела пламени нефтепродуктов
Анализ процесса самоочищения пен при формировании изо- 280 лирующего слоя на поверхности нефтепродукта
4.7. Влияние степени покрытия поверхности горения на удельную 285
скорость термического разрушения пены
4.7.1. Тушение пролива нефти пеной низкой кратности 289
Применение модели с различным скоростным напором пенной 291 струи для описания процесса тушения горючих жидкостей пеной
Математическое моделирование тушения пламени нефтепро- 301 дуктов пленкообразующей пеной
4.10. Тушение пожара заполнением помещения пеной высокой 307
кратности
Глава 5. Устройства для получения и подачи пленкообразующих 318 пен высокой кратности
Влияние конструкции и режима работы пеногенерирующего 318 устройства на процесс образования высокократной противопожарной пены
Конструкция и режимы работы проточного генератора высоко- 324 кратной полидисперсной пены
Конструкция и режимы работы полиэжекционного генератора 333 высокократной полидисперсной пены
5.3. Конструкция и режимы работы генератора высокократной по- 337 лидисперсной пены с подвижной заслонкой
Глава 6. Эффективные способы применения пленкообразующей пе- 341 ны и технология подачи
Расчетно-экспериментальное обоснование основных парамет- 343 ров системы подслойного пожаротушения резервуаров с нефтепродуктом
Комбинированная система противопожарной защиты стальных 346 вертикальных резервуаров с плавающей крышей и с понтоном
Резервуары РВС-20000 с металлическим понтоном 347
Резервуар РВС-20000 с металлическим понтоном (второй ва- 354 риант противопожарной защиты)
Резервуары РВС-30000 с металлическим понтоном и кониче- 358 ской крышей
Резервуар РВСПК-50000 с плавающей крышей 366
Расчет основных параметров системы пожаротушения желез- 373 нодорожной сливо-наливной эстакады
Расчет основных параметров системы пожаротушения камеры 375 приема - пуска скребка
Расчет основных параметров автономной автоматической ус- 377 тановки пожаротушения насосной по перекачки нефти
Выводы 381
Литература 384
Приложения 400
Приложение 1. Патент Российской Федерации 401
Приложение 2. Документы, о внедрении результатов диссертацион- 402
ной работы
Введение к работе
Топливно-энергетический комплекс России представляет наибольшую пожарную опасность в стране, и тщательно разработанные меры, направленные на то, чтобы сохранить огромные капиталовложения, оказываются порой недостаточными для предотвращения потерь от пожаров. Если же учесть все разнообразие и сложность выпускаемых в настоящее время горючих веществ, станет ясно, что перед пожарной охраной страны стоит серьезная проблема обеспечения пожарной безопасности предприятий отрасли.
Противопожарная защита резервуарных парков традиционно решается путем использования пены средней кратности, которую получают с помощью пеногенераторов, размещенных по периметру резервуаров. Опыт эксплуатации автоматических систем пожаротушения и анализ произошедших пожаров показывает низкую эффективность противопожарного оборудования, поскольку уже в первые минуты пожара в резервуаре пеногенераторы выходят из строя.
Решение проблемы тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах связывается с использованием способа подачи пены в слой горючего. Причем, реализация этого способа предусматривается в резервуарах различной конструкции и вместимости. Применение подслойного способа пожаротушения нефтепродуктов в резервуарах с понтоном и плавающей крышей сдерживается по ряду объективных причин и, в первую очередь, из-за нормативных документов,
предписывающих использовать камеры типа ГПСС для противопожарной за-
V. щиты пространства кольцевого зазора в резервуаре.
Систематические исследования по тушению пожаров пеной низкой, средней и высокой кратности позволили разработать новый комбинированный способ пожаротушения резервуаров повышенной вместимости, а освоение производства пленкообразующих фторсинтетических пенообразователей типа "Под-слойный" в промышленных масштабах позволяет приступить к реализации комбинированной системы тушения пожаров в резервуарных парках.
Комплексный подход к применению пен для тушения пожаров в резерву-арных парках позволяет решить важную государственную проблему, в частности для конкретных объектов транспорта нефти Компании ОАО «АК«Транснефть», связанную с освоением технологии комплексной противопожарной защиты Морского наливного терминала (г. Приморск) и насосных станций Балтийской трубопроводной системы (г. Кириши-Ярославль-Приморск).
Впервые в масштабах международной праісгики поставлена задача достичь защиты и тушения пожаров на объектах резервуарного парка «Единым» пенообразователем в трех различных системах пенного пожаротушения.
Для применения комбинированной системы пожаротушения необходимо реализовать комплексный подход к решению противопожарной защиты объектов резервуарного парка на базе создать единой технологии получения пен и аппаратуры, с помощью которой можно реализовать эту технологию.
Реализация комплексного подхода к решению противопожарной защиты объектов резервуарного парка стала возможной после разработки и организации производства собственного пенообразователя на Новороссийской базе Компании «АК«Транснефть».
Поэтому задача разработки научных принципов осуществления отечественной комбинированной системы тушения пожаров и создание современной противопожарной защиты резервуарных парков является актуальной и включена в Концепцию развития Компании ОАО "НК "РОСНЕФТЬ" в области промышленной, пожарной и экологической безопасности (протокол НТС 12.04.2004 г.).
Цель диссертационной работы: в реализации комплексного подхода к решению противопожарной защиты объектов резервуарного парка на базе создания единой технологии получения пен и аппаратуры, с помощью которой можно реализовать эту технологию.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ существующих систем противопожарной защиты резервуаров, современных стационарных средств подачи пены в резервуар, руководящих документов по тушению пожаров в резервуарах и резервуарных парках, расчетных методов и экспериментальных данных по применению пленкообразующей низкократной пены при пожаре в резервуаре;
разработать способ тушения пожаров резервуаров, позволяющий комбинированно подавать пену низкой кратности в слой горючей жидкости и на ее поверхность
выявить факторы, определяющие огнетушащую эффективность пен низкой, средней и высокой кратности;
разработать высокопроизводительную аппаратуру, позволяющюю получить пену высокой кратности и заданной структуры внутри замкнутого задымленного помещения;
выявить на основании экспериментальных исследований основные закономерности процесса тушения пожаров нефтепродуктов пленкообразующей пеной низкой кратности, подаваемой на поверхности и в слой горючей жидкости с расчетно-экспериментальным обоснованием основных требований к комбинированной системе пожаротушения резервуара;
разработать научные принципы, позволяющие применить комплексную систему пожаротушения объектов резервуарного парка;
внести изменения в руководящие документы по тушению пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках, уточнив существующую технологию и нормы подачи низкократной пены в процессе тушения резервуара, а также при проведении превентивных атак для предотвращения воспламенения паров нефти и нефтепродуктов в соседних резервуарах.
разработать рекомендации по противопожарной защите резервуаров nolo
вышенной вместимости с использованием комбинированной системой пожаротушения.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
совместное рассмотрение и комбинирование трех тактик тушения пожара нефти в резервуарном парке с использованием пены низкой, средней и высокой кратности, полученной на основе одного огнетушащего пенообразующего состава;
выделение нового объекта исследования в процессе контактного разрушения пены средней кратности, при взаимодействии с нефтью и нефтепродуктом;
детализация причин физического эффекта образования вспышек паровоздушной смеси над пенной поверхностью при тушении нефтепродуктов пеной;
использование нового метода исследования изолирующей эффективности пен, устанавливающего взаимосвязь степени загрязнения пены и межфазным натяжением на границе «пена-нефтепродукт»;
применение специального пеногенерирующего оборудования для обоснования технологических параметров получения высокократной полидисперсной пены.
Практическая ценность научной работы в следующем:
Разработаны методы, позволяющие дать количественное и качественное обоснование свойств пенообразователей для тушения пожаров нефти и нефтепродуктов.
Разработано пеногенерирующее оборудование, позволяющее создать комплексную систему тушения пожаров на объектах резервуарного парка с использованием «единого» пенообразователя, при этом:
- сокращается время тушения пожаров за счет использования в комплексной технологии пожаротушения пены заданной структуры и кратности;
- снижается удельный расход и нормативный запас «единого» пенообразователя, хранящегося на объектах резервуарного парка.
Создана и запатентована технология производства пенообразователя «Мультипена» для тушения пожаров пеной низкой, средней и высокой кратности, обладающего повышенной огнетушащей эффективности, для противопожарной защиты объектов магистральных нефтепроводов Государственной компании ОАО «АК «Транснефть».
Повышается качество Российского пеногенерирующего оборудования после разработки и введения в действие нормативных документов в области пожарной безопасности России: НПБ 61-97 и НПБ 203-98.
После разработки и введения в действие ведомственных нормативных документов в области пожарной безопасности (ВНПБ 01-01-2000 и ВНПБ 01-02-2000) повышается наделшость системы противопожарной защиты объектов магистральных нефтепроводов Государственной компании ОАО «АК «Транснефть».
Повышается эффективность работы пожарных подразделений при тушении пожаров на объектах резервуарного парка нефтегазовой отрасли, действующих на основе руководящего документа Главного управления Государственной противопожарной службы МЧС России «Руководство по тушению пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках».
В результате научного исследования впервые в отечественной практике разработан, обоснован и рекомендован для применения комплексный способ тушения пожаров объектов в резервуарных парках, включающий:
защиту резервуара комбинированным способом подачи пены низкой кратности с особым пленкообразующим эффектом;
защиту сливо-наливной эстакады с использованием пены низкой кратности с особым пленкообразующим эффектом;
защиту помещений насосной - пеной высокой кратности.
Разработана оригинальная технология и оборудование для комплексного применения пен при тушении основных объектов резервуарного парка (резервуаров, насосных, ж/д эстакад и розливов).
Разработанные пенные технологии которое внедрены на объектах Компании «АК«Транснефть».
Создана нормативная база документации в области комплексного применения пен при тушении основных объектов резервуарного парка.
Разработана запатентованная технология приготовления и рецептура «Единого» пленкообразующего пенообразователя - «Мультипена».
Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений.
На защиту выносится:
способы получения пен низкой, средней и высокой кратности из пленкообразующих пенообразователей для тушения нефтепродуктов, включающих технологию получения и механизм стабилизации, после взаимодействия с нефтепродуктом, пен различной кратности: низкократных пен при подслойном тушении, пен средней кратности при движении по нефтепродукту, пен высокой кратности при заполнении помещений;
оригинальные конструкции пеногенерирующей аппаратуры;
состав и свойства «единого» пленкообразующего пенообразователя;
нормативно-техническая документация по комплексному применению пен для защиты резервуарного парка;
протвопожарная защита конкретных объектов (в частности объекты транспорта нефти Компании «Транснефть», связанные с освоением технологии комплексной противопожарной защиты Морского наливного терминала (г. Приморск) и насосных станций Балтийской трубопроводной системы (г. Кири-ши-Ярославль-Приморск).
В первой главе анализируются проблемы и достижения в области противопожарной защите резервуарных парков. Описаны способы тушения пожаров в резервуарах. Рассмотрены характерные пожары, дана попытка проанализировать современное состояние систем пожаротушения резервуаров, определены условия, затрудняющие тушение пожаров в резервуарах. Приведен обзор авторских изобретений в области технологий пожаротушения резервуаров и пенных огнетушащих составов, который позволяет сделать анализ принятых взглядов на процесс тушения воздушно-механической пеной резервуаров.
Приведен обзор пенообразующих композиций. Дается классификация и область применения пенообразователей в зависимости от природы горючего, свойств пены и способов ее применения.
Анализируются данные по пожарам на объектах добычи и хранения нефти и нефтепродуктов. Показано, что для данных предприятий в настоящее время характерно укрупнение объемов хранящегося топлива. Большое количество пожароопасных объектов находится в районах крайнего севера с суровыми климатическими условиями.
Разобраны основные проблемы, возникающие при тушении пожаров нефтепродуктов, установлены их причины. Рассмотрены и проанализированы реальные ситуации и основные ошибки, возникающие при тушении.
Отмечено, что в настоящее время в нефтегазовой отрасли:
противопожарная защита большинства резервуарных парков осуществляется несколькими пенообразователями;
персонал, как правило, не в курсе возможно ли совместное применение для тушения хранящихся пенообразователей;
персонал, как правило, не в курсе возможно ли смешение хранящихся пенообразователей, или не придает этому вопросу должного внимания;
персонал, как правило, считает, что пенообразователи обладают одинаковой огнетушащей эффективностью и один пенообразователь можно заменить
на другой;
при нехватке пенообразователя для тушения пожара на одном объекте собираются пенообразователи с других объектов резервуарного парка или смешиваются;
в чрезвычайной ситуации достаточно сложно сделать правильный расчет интенсивностей подачи, если происходит смена пенообразователя для пенной атаки;
не учитывается, что прибывшие по повышенному номеру вызова пожарные подразделения имеют на вооружении в основном генераторы ГПС, на которых невозможно подать пену заданной структуры, при использовании пенообразователей для получения пены низкой кратности.
Обзор литературных источников показал необходимость проведения исследований с целью создания технологии на базе «единого» пленкообразующего состава пенообразователя для получения пены низкой, средней и высокой кратности, а также для тушения пожаров нефтепродуктов подслойным способом, и работающего на «традиционном» пожарно-техническом вооружении пожарных подразделений.
На основе анализа патентной и научной литературы проводится выбор направлений исследований.
Вторая глава посвящена оригинальному комплексу экспериментальных методов исследований, которые можно разделить на две группы:
известные в практике научных исследований методы определения коллоидно-физических свойств растворов ПАВ;
разработанные при непосредственном участии автора диссертации методы определения эффективности защитного действия водных пленок на поверхности нефтепродуктов, позволяющие количественно оценить качество водных пленок, и определения огнетушащей эффективности пленкообразующих пен, подаваемых в слой нефтепродуктов. Даны характеристики веществ используе-
мых в работе.
Для оценки пленкообразующего действия раствора пенообразователя на поверхности углеводорода использовались следующие методы оценки: определение изолирующего действия водной пленки; определение скорости растекания водной пленки; определение толщины водной пленки. Для оценки пенооб-разующего действия раствора пенообразователя использовались следующие методы оценки: определение кратности пены при различных режимах подачи раствора и воздуха, компенсационный метод измерения капиллярного давления в пенных каналах, определение дисперсности высокократной пены; измерение электрокинетического переноса жидкости в высокократной пене. В комплексе, с методами определения огнетушащей эффективности, данные методы позволили разработать пленкообразующий состав, который способен образовывать пену низкой средней и высокой кратности.
В третьей главе Описаны результаты исследований, позволяющие прогнозировать пленкообразующие и изолирующие свойства экспериментальных составов пенообразователей. Изложены результаты исследований влияния свойств фторированных компонентов пенообразователя на процесс растекания и разрушения водной пленки. Приведены результаты экспериментальных исследований показателей эффективности пен различной кратности.
Проведенные термодинамические исследования различных композиций ПАВ позволили выявить наиболее эффективные пенообразующие составы, отвечающие требованию пленкообразования на поверхности нефтепродукта.
Четвертая глава посвящена теоретическим исследованиям процессов, связанных с тушением пеной.
В работе анализируются выявленные закономерности образования стабилизации и разрушения водной пленки раствора пенообразователя на поверхности нефтепродуктов, на основании которых построена модель процесса пленкообразования. Представлены закономерности процесса тушения пожаров нефте-
продуктов пленкообразующими пенообразователями. Описана взаимосвязь исследуемых свойств состава пенообразователя и параметров процесса тушения пожаров нефтепродуктов. Приведен расчет степени загрязнения пенного слоя, с учетом скорости формирования самого слоя и скорости его самоочищения. Получено уравнение для определения времени тушения пламени нефтепродукта частично загрязненными пенами, на основе предложенной модели «послойного» разрушения частично загрязненных пен.
Детализация механизма образования и растекания пленки из низкократной пены неразрывно связана с рассмотрением влияния таких параметров, как:
капиллярное давление в пенных каналах Плато-Гиббса нижних слоев пены, которое уменьшается при разрушении верхних слоев пены под воздействием факела пламени;
извлечение и растекание свободного раствора под действием сил поверхностного натяжения углеводорода; изменение поверхностной активности раствора пенообразователя после извлечения углеводородных ПАВ из пленки.
Показано влияние соотношения и концентрации компонентов пленкообразующего состава на изолирующее действие водных пленок. В смеси, где положительное значение коэффициента растекания достигнуто за счет повышения поверхностной активности углеводородного ПАВ на межфазной границе, отмечено снижение изолирующего действия водных пленок на поверхности нефтепродуктов с увеличением скорости воздушного потока. Понижение концентрации углеводородного компонента ведет к повышению защитного действия водной пленки, так как затруднено образование мицеллярных комплексов молекул ПАВ, способных растворять углеводород в растворе пленки.
Часть теоретических исследований посвящена объяснению эффекта вспышек паров горючего над пенной поверхностью. Описан механизм образования вспышек над пенной поверхностью, теоретически объясняется данный процесс, исходя из соображений устойчивости пенной структуры к растеканию
по ее поверхности капель нефти и нефтепродукта.
В пятой главе изложено описание предлагаемых конструкций пеногене-рирующего оборудования для комплексного применения пен при тушении основных объектов резервуарного парка.
Известно, что достаточно сложно получить высокократную пену на основе пленкообразующих пенообразователей. Проведен комплекс экспериментальных исследований, для разработки конструктивных решений позволяющих получить высокократную полидисперсную пену из пленкообразующих пенообразователей без принудительного наддува воздуха.
Предлагаемые конструкции генераторов имеют ряд положительных особенностей: небольшие размеры и масса; работа в больших диапазонах давлений и стабильность процесса ценообразования; получение высокократной полидисперсной пены способной быстро растекаться по различным поверхностям; работа на воздухе с содержанием паров горючего и дыма.
В шестой главе изложена технология применения пен низкой, средней и высокой кратности в комплексной системе пожаротушения резервуарных парков.
Представлены расчеты интенсивностей, схемы ввода и расположение пенных насадков для «подслойного» и комбинированного способа тушения резервуаров различной вместимости. Учтены технологические особенности резервуаров и пожарная опасность хранящегося топлива. Описаны варианты пожаротушения сливо-наливных эстакад и обвалований пеной низкой или средней кратности. Приведены схемы внутренней разводки растворопроводов и расположения генераторов высокократной пены для тушения закрытых помещений объемным способом. Для каждой конкретной ситуации рассчитаны интенсивности, запас «единого» пенообразователя и предусмотрена возможность универсальной замены или дополнения объемов пенообразователя с других объектов резервуарного парка при подготовке пенной атаки.
На основе проведенного расчета определены тактико-технические параметры комбинированной системы подачи низкократной пленкообразующей пены в резервуар. Определены параметры системы тушения пожаров низкократной пеной железнодорожных эстакад и высокократной пеной помещений насосной станции.
