Россия
Россия
Работа посвящена решению проблемы обеспечения пожарной безопасности путем количественной оценки уровня пожарной опасности при эксплуатации технологического оборудования, в котором используется, транспортируется или хранится водородсодержащий газ. К таким технологических участкам преимущественно относятся: склады для хранения емкостей с водородом, электролизные цеха, помещения, в которых размещены ресиверы для водорода, водородные компрессорные станции и т.п. В работе представлен перечень показателей пожарной опасности газообразного водорода, описаны способы определения данных показателей (параметров критериальной модели) для технологического участка, на основе разработанной программы для электронной вычислительной машины предложен метод отнесения технологического объекта к определенной категории уровня пожарной опасности. Данная модель применима только для закрытых технологических площадок, на которых размещены аппараты и (или) трубопроводы, в которых обращается водородсодержащий газ с чистотой не менее 99,9 %.
водородное оборудование, водородсодержащий газ, параметры критериальной модели, допустимые значения, технологический участок, категория уровня пожарной опасности
В настоящее время водородсодержащий газ (ВСГ) широко используется в различных отраслях промышленности, причем с увеличением производственных нужд увеличивается объемы его производства [1]. По прогнозам компании по анализу данных и консалтингу GlobalData, глобальные мощности по производству «низкоуглеродного» водорода с большой вероятностью достигнут 14 млн т в год к 2030 г., что в 20 раз больше, чем на сегодняшний день (рис. 1) [2].
С развитием производственной водородной инфраструктуры наблюдается параллельное развитие автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), в связи с чем происходит последовательное усложнение задач, стоящих перед системами управления от управления отдельными установками и параметрами, к автоматизации процессом в целом. Применение современных АСУ ТП дает возможность
не только с высокой эффективностью реализовывать контроль и управление на производстве, но и отчасти избежать человеческих ошибок в оперативном управлении. К актуальным вопросам в данном случае относят вопросы развития интеллектуальных технологий АСУ ТП
в направлении разработки алгоритмов реагирования на возникающие критические ситуации в динамическом режиме.
Актуальность исследования обусловлена тем, что применяемая на технологических производствах АСУ ТП не учитывает всех существующих показателей пожарной опасности обращаемых в технологических аппаратах веществ, в данном случае водородсодержащего газа, что не позволяет полноценно оценивать риски возникновения аварийных ситуаций.
Внедрение расчетной оценки уровня безопасности технологического оборудования, использующего водород, позволит обеспечить существенное снижение аварийности и прочих производственных рисков. Работа направлена на решение данной проблемы.
В странах с развитой водородной инфраструктурой данная проблема частично решена. Так, в работе [3] представлен обзор критериев опасности, которые могут быть использованы при количественной оценке пожарного уровня пожарной опасности водородных установок.
В исследовании [4] предлагается модель оценки рисков на основе индекса, оценивающая водородную инфраструктуру, используя относительный рейтинг рисков, таких как: производство, хранение и транспортировка водорода.
Разработан программный инструментарий HyRAM для оценки безопасности инфраструктуры заправки топливом и хранения водорода. Его также используют для количественной оценки пожарного риска с интегрированным анализом последствий аварии [5].
Целью работы является разработка и развитие комплексного подхода в обеспечении пожарной безопасности для объектов водородной энергетики, позволяющей оценивать состояние взрывопожароопасного технологического оборудования в целом, в том числе
в динамике.
Поставленные задачи представлены в виде разработки критериальной модели, а также программы для ЭВМ, содержащих в своем составе: описание и построение параметров критериальной модели, а также разработку методики отнесения технологического участка, на которой размещено водородное оборудование, к определенной категории уровня пожарной опасности (риска).
Методы исследования
На сегодняшний день существует множество теоретических и экспериментальных методов определения показателей пожарной опасности газообразных веществ [6], однако некоторые из них невозможно применить для оценки пожарной опасности водородсодержащего газа из-за существенных отличий физико-химических и пожаровзрывоопасных свойств с углеводородными газами.
С точки зрения достижения целей: моделирования безопасности технологического процесса обращения водорода и создания системы обеспечения его безопасности в заданном технологическом процессе следует выделить два вида параметров – управляемые (внутренние (А) и управляющие (внешние (В). Первые влияют на безопасность технологического процесса, улучшая или ухудшая ее, вторые воздействуют на состояние защищенности, в котором управляемые параметры находятся в зоне запрещенных значений. Таким образом, управляемые параметры зависят от управляющих. Следовательно, внутренние параметры в технологическом процессе можно рассматривать как набор показателей пожарной опасности. В соответствии с табл. 1 приложения к Федеральному закону от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» к перечню показателей, необходимых для оценки пожарной опасности газообразных веществ, относятся 19 показателей [7].
Любое состояние защищенности технологического процесса можно охарактеризовать следующим конечным множеством параметров: X = (x1, x2, x3, …, xi).
При
на защищаемый объект [8].
Естественно, что необходимым условием обеспечения пожарной безопасности объекта является выполнение следующего неравенства:
где xi – действующее значение параметра источника опасности; xiдоп – допустимое значение параметра источника опасности.
Следовательно, необходимым условием при оценке уровня безопасности технологического оборудования, в котором обращается ВСГ, будет выглядеть следующим образом:Состояние защищенности технологического процесса обращения ВСГ можно охарактеризовать следующим конечным множеством параметров:
где Wmin – минимальная энергия зажигания, Дж; φв – верхний концентрационный предел распространения пламени по смеси горючего вещества с воздухом, % (об.); φн – нижний концентрационный предел распространения пламени по смеси газообразного горючего вещества с воздухом, % (об.); φф – минимальная флегматизирующая концентрация флегматизатора, % (об.); ΔP – максимальное избыточное давление взрыва газа, кПа; dр/dτmax – максимальная скорость нарастания давления взрыва водородо-воздушной смеси, кПа/с; Su – нормальная скорость распространения пламени, м/с; φО2 (МВСК) – минимальное взрывоопасное содержание кислорода в горючей смеси, % (об.); φПДГ – концентрационный предел диффузионного горения газовых смесей в воздухе, % (об.); tсам – температура самовоспламенения, К; dкр – критический диаметр длинного цилиндрического огнегасящего канала, мм; δбэмз (БЭМЗ) – максимальный экспериментальный безопасный зазор, мм; u0 – предельная скорость срыва диффузионного горения, м/с; Q – низшая теплота сгорания вещества, МДж/кг; q – удельная теплота сгорания вещества, МДж/кг; Tапп – температура технологического аппарата, К; Т0 – температура вещества при нормальных условиях, 273 К; Pапп – давление в аппарате, кПа; Vапп – объем реакционного сосуда, м3; P0 – атмосферное давление, 101,3 кПа; ρв – плотность воздуха до взрыва при начальной температуре Т0, кг∙м-3; А – кратность воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, с–1; τпост – продолжительность поступления ВСГ в объем помещения, с (120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов; 300 с при ручном отключении трубопроводов).
Результаты исследования и их обсуждение
В табл. 1 представлены основные параметры, влияющие на безопасность технологического оборудования, в котором обращается ВСГ, их допустимые значения, методы расчета, а также исходные данные, задаваемые оператором АСУ ТП для оценки уровня пожарной опасности.
Допустимые значения основных параметров, влияющих на безопасность технологического оборудования, в котором обращается ВСГ
|
Параметр |
Параметры, задаваемые оператором |
Допустимое (предельное) значение |
Единицы измерения |
Расчетная формула |
|
φн |
Tапп (задается, в К), jн0 (4,0 % (об.), |
4,0 [9] |
% (об.) |
|
|
φв |
Tапп (задается, в К), jв0 (75,0 % (об.), |
75,0 [9] |
% (об.) |
|
|
δбэмз |
dкp (м) |
0,00029 [10] |
м |
|
|
∆Р |
b (м), l (м), h (м), |
16 [11] |
кПа |
|
|
φф: 1) состав 2) CO2 3) N2 |
Выбирается один |
38,4 74,4 91,2 [12]
|
% (об.) |
|
|
Su |
Pапп (кПа), Tапп (К), Su0 (3,06 м/с), m (2,23), |
2,1 [13] |
м/с |
|
|
dр/dτ |
Vапп (м3), Su (м/с), Рапп (кПа) |
|
кПа/с |
|
|
tсам |
Tапп (К) |
783 [12] |
К |
|
|
Wmin |
а (0,5), qг (Дж/м3), lк (м) |
6800 [12] |
Дж |
|
|
φО2: 1) CO2 2) N2
|
φф (соответствует концентрации выбранного флегматизатора, % (об.)
|
4,2 1,8 [12]
|
% (об.) |
|
|
Параметр |
Параметры, задаваемые оператором |
Допустимое (предельное) значение |
Единицы измерения |
Расчетная формула |
|
u0 |
K (0,75); |
600 [13] |
м/с |
|
Примечание: ТГ – температура горения смеси в воздухе, К; b, l, h – ширина, длина и высота помещения, м; Сp – теплоемкость воздуха, кДж∙кг–1 ∙К–1; Pтруб – давление в трубопроводе, кПа;
Z – коэффициент участия ВСГ в горении; qвсг – расход ВСГ, определяемый в соответствии
с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газовой среды и т.д., м3 ∙с-1; rподв(отвод) – внутренний радиус трубопроводов, м;
Lподв(отвод) – длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м; Su0 – известное значение нормальной скорости при давлении P0 и температуре Т0, равное 3,06 м/с; n и m – соответственно барический и температурный показатели; qг – удельное объемное количество тепла, необходимое для нагрева горючей смеси от t0 до tсам, Дж/м3; а – коэффициент пропорциональности; lк – критический зазор зажигания, мм; K – коэффициент расхода форсунки, равный 0,75; Cp – теплоемкость исследуемой газовой смеси, 20,80 кДж/(моль·K); γ – показатель адиабаты (коэффициент Пауссона, равный 1,410)
На базе высокоуровневого языка программирования Python был разработан программный код, позволяющий упростить определение параметров критериальной модели.
В диалоговом окне вводятся исходные значения параметров, которые подставляются
в расчетные формулы и сравниваются с допустимыми значениями параметров пожарной опасности. При превышении того или иного допустимого значения переменной присваивается 1, если допустимое значение не превышено переменной – присваивается 0. По результатам сравнения критериев отнесения технологического участка, на котором размещено водородное оборудование, к определенной категории уровня пожарной опасности (риска), технологическому участку присваивается категория(табл. 2).
Таблица 2
Критерии отнесения технологического участка, на котором размещено водородное оборудование, к определенной категории уровня пожарной опасности
|
Категория уровня пожарной опасности |
Критерии |
|
Высокий |
Превышаются более семи допустимых значений основных параметров |
|
Средний |
Превышаются не более семи допустимых значений основных параметров |
|
Умеренный |
Превышаются не более пяти допустимых значений основных параметров |
|
Низкий |
Превышаются не более трех допустимых значений основных параметров |
Фрагмент критериальной модели оценки уровня безопасности технологического оборудования, где применяется водород, в виде исходного кода разработанной программы для электронной вычислительной машины (ЭВМ) на базе языка программирования Python представлен на рис. 2.
Заключение
Результаты исследования реализованы в виде программы для ЭВМ, которая прошла государственную регистрацию в Федеральной службе по интеллектуальной собственности [20]. В рамках проведенного исследования была достигнута цель работы путем решения следующих задач: представлены существующие модели оценки уровня пожарной опасности (риска)
на объектах водородной энергетики; отмечена актуальность использования данных моделей
в системах безопасности объектов водородной энергетики; разработана критериальная модель оценки уровня пожарной безопасности при эксплуатации технологического оборудования
на объектах водородной энергетики, позволяющая оценивать состояние взрывопожароопасного технологического оборудования в целом, в том числе в динамике. К отличиям разработанной модели от других можно отнести простоту использования, а также оценку уровня пожарной опасности объекта с помощью метода расчета показателей, необходимых для определения пожарной опасности газообразных веществ, установленных Федеральным законом от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ, и в дальнейшем – отнесения объекта к определенной категории уровня пожарной опасности. Рассматриваемая модель апробирована и внедрена на нескольких объектах водородной энергетики, в их числе: электролизный цех Каргалинской ТЭЦ и электролизный цех Балаковской ТЭЦ. По результатам апробации данным цехам присвоена средняя категория уровня пожарной опасности. В будущем планируется апробировать и внедрить данную модель на технологических участках предприятий топливно-энергетического комплекса Санкт-Петербурга в составе систем безопасности АСУ ТП, использующих водородные системы охлаждения турбогенераторов. Также актуальным применением критериальной модели будет являться ее внедрение в систему безопасности АСУ ТП установок паровой конверсии природного газа нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических и металлургических предприятий.
1. Егоров А. Перепись водорода // Корпоративный журнал ПАО «Газпром». 2019. № 9. С. 42.
2. Global low carbon hydrogen production capacity to reach 14 mtpa in 2030, forecasts GlobalData. URL: https://www.globaldata.com/media/oil-gas/global-low-carbon-hydrogen-production-capacity-reach-14-mtpa-2030-forecasts-globaldata/ (дата обращения: 16.05.2023).
3. LaChance J., Tchouvelev A., Engebo A. Development of uniform harm criteria for use in quantitative risk analysis of the hydrogen infrastructure // International journal of hydrogen energy. 2011. Т. 36. № 3. С. 2381-2388.
4. Kim J., Lee Y., Moon I. An index-based risk assessment model for hydrogen infrastructure // International journal of hydrogen energy. 2011. Т. 36. № 11. С. 6387-6398.
5. Groth K.M., Hecht E.S. HyRAM: A methodology and toolkit for quantitative risk assessment of hydrogen systems // International journal of hydrogen energy. 2017. Т. 42. № 11. С. 7485-7493.
6. Шебеко А.Ю. Особенности пожарной опасности горючих газовых смесей сложного состава. М.: ООО «Изд-во ТРИУМФ», 2018. 146 с. DOI:https://doi.org/10.32986/978-5-93673-204-1-2018-1-150.
7. Тимошенко А.Л., Самигуллин Г.Х., Алексеик Е.Б. Показатели, необходимые для оценки пожарной опасности водородсодержащего газа // Пожарная безопасность: современные вызовы. Проблемы и пути решения: материалы Всерос. науч.-практ. конф. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2023.
8. Безопасность жизнедеятельности: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / В.А. Трефилов [и др.]; под ред. В.А. Трефилова. М.: Издательский центр «Академия», 2011. 304 с.
9. Гамбург Д.Ю., Семенов В.П., Дубовкин Н.Ф. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. М.: Химия, 1989. 672 с.
10. ГОСТ 12.1.011-78. Система стандартов безопасности труда. Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытаний. URL: https://docs.cntd.ru/document/871001049 (дата обращения: 16.05.2023).
11. Об утверждении Руководства по безопасности «Методические основы анализа опасностей и оценки риска аварий на опасных производственных объектах»: приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 3 нояб. 2022 г. № 387. М., 2022. 85 с.
12. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справ.: в 2-х т. Сер.: Учебные и справочные издания. М.: ООО «Издательство «Пожнаука», 2004. Т. 2. 774 с.
13. Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород. Параметры горения и взрыва. М.: Физматлит, 2008. 288 с.
14. Теория горения и взрыва: практикум / Н.Н. Вершинин [и др.]. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2014. 64 с.
15. Минимальные флегматизирующие концентрации экологически безопасных огнетушащих составов для горючих газовоздушных смесей / А.П. Чугуев [и др.] // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2019. № 1 (10). С. 450-453.
16. ГОСТ Р 12.3.047-98. Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200003311 (дата обращения: 16.05.2023).
17. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ материалов: руководство (согласовано ГУГПС МЧС России, исх. № 30/4/1808 от 25 июня 2002 г., утв. ФГУ ВНИИПО МЧС России от 30 авг. 2002 г.). М.: ВНИИПО МЧС России, 2002. 77 с.
18. ГОСТ 12.1.044-2018. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200160696 (дата обращения: 16.05.2023).
19. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200071156 (дата обращения: 16.05.2023).
20. Расчет пожарного риска технологического участка объекта водородной энергетики: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2023663736 Рос. Федерация / А.Л. Тимошенко, Г.Х. Самигуллин, Д.В. Медведев; заявитель и правообладатель Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. № 2023661668; заявл. 06.06.2023; опубл. 27.06.2023, Бюл. № 7. 1 с.
