Технико-экономические аспекты определения концентрации газообразного азота, необходимой для обеспечения взрывобезопасности

С. С. Михалев – Начальник бюро передвижных компрессорных установок ОАО «УКЗ»

А. Л. Платонов – Главный конструктор ОАО «УКЗ»

А. С. Гришина – Инженер-конструктор ОАО «УКЗ»

 

Азот в роли инертного газа находит широкое применение в нефтегазовой промышленности, так как является наиболее чистым от механических примесей и экономически выгодным. Инертный газ используется: при добыче нефти и газа для поддержания внутрипластового давления и увеличения добычи продукта; при транспортировке нефтепродуктов и сжиженных газов; во время грузовых операций на танкерах, газовозах, нефтегазовых терминалах; для продувки резервуаров и трубопроводов и проверки их работы под давлением; в системах пожаротушения; для предотвращения коррозии и гниения.

В нефтегазовой промышленности сжатый азот, благодаря своим инертным свойствам, является обязательной составляющей многих технологических процессов и позволяет выполнять задачи, в которых необходимым условием являются взрывобезопасность и пожаробезопасность. Известно, что пожар или взрыв экономически гораздо выгоднее предупредить, чем ликвидировать последствия. Самым важным аспектом пожаровзрывобезопасности на объекте является обеспечение таких условий, когда процесс воспламенения становится крайне маловероятным или невозможным. Горение, как известно, представляет собой реакцию быстрого окисления, которая обусловлена наличием в атмосфере кислорода, а также источником воспламенения – искрой, электрической дугой, химической реакции со значительным выделением тепла. Поэтому для прекращения горения требуется эту реакцию прекратить. Именно азотные установки и станции на основе мембранной технологии позволяют создать инертную газовую среду в технологических объемах, которая является самым надежным и проверенным способом предотвращения пожаров и взрывов при проведении различного рода работ в нефтегазовой промышленности. Применение азотных мембранных установок экономически целесообразно и приводит к существенной экономии средств.

В последние годы при проведении тендеров на поставку оборудования для производства инертных газов наблюдается тенденция к постоянному наращиванию требований по чистоте вырабатываемого азота. Есть ли необходимость в ужесточении требований инертного газа?

Тенденция к необоснованному повышению требований к чистоте инертного газа неоднократно критиковалась [2]. Наработана масса практических исследований и теоретических расчетов показывающих, что для полной взрывопожарной безопасности технологических процессов достаточно обеспечить не достижение нижнего концентрационного предела возгорания.

Внесение инертного газа не только снижает относительное содержание окислителя, но обеспечивает поглощение части выделяющегося при экзотермической реакции тепла [3]. Таким образом, использование инертного газа не только приводит к снижению концентрации окислителя до нижнего предела возгорания, но и к увеличению самого предела.

Дальнейшее рассмотрение будет ограничено 2-мя основными процессами – продувка заполненной горючим газом емкости при ее выводе из эксплуатации и продувка заполненной воздухом емкости перед заполнением ее горючим газом. Также для простоты изложения оно будет ограничено 2-мя газами – метаном СН₄ (выводы можно будет распространить на природный и попутный газы, состоящие в основном из метана) и бутаном С₄Н₁₀ (имеет наименьшее содержание в стехиометрической смеси и наименьшее значение нижнего концентрационного предела возгорания - среди широко используемых алканов). С практической точки зрения вопрос безопасной обработки метана представляет наибольший интерес для добывающих компаний, а безопасной обработки бутана (пропана) – для перерабатывающих.

Завершение процесса продувки при выводе аппарата из эксплуатации должно определяться по процентному содержанию остающегося горючего газа (в [2] указывается значение 20%). Т.е. продолжительность продувки не зависит от чистоты вводимого инертного газа. График процесса продувки смесью 90% азот, 10% кислород при равномерном смешивании газов для метана приведен на рисунок 1. Кривая, отображающая изменение нижнего предела возгорания (НПВ) приведена по данным указанным в [3] . Начальное значение НПВ – 5%.

 

Рисунок 1. Процесс продувки заполненного метаном аппарата смесью 90% азот,

10% кислород

 

Как видно из графика, безопасное выполнение операции обеспечивается с существенным запасом, коэффициент запаса рекомендуется 1,2 [3] даже при 10% содержании кислорода в смеси.

При использовании мембранного способа получения азота смесь с 5% содержанием кислорода получается с более высокими энергетическими затратами – требуемая мощность, затрачиваемая на компримирование воздуха примерно на 25% выше мощности потребляемой при получении смеси с  10% содержанием кислорода. Эксплуатационные затраты повышаются без существенного повышения безопасности.

На рисунке 2 показан процесс заполнения аппарата метаном при вводе его в эксплуатацию. Вариант а) - аппарат в исходном состоянии заполнен воздухом. Как видно из графика, безопасность процесса не обеспечивается, так как в процессе есть временные интервалы, в которых концентрация кислорода выше текущего НПВ.

Вариант б) - безопасный процесс заполнения аппарата, который предварительно продули инертным газом до остаточной концентрации кислорода 15%.

 

Рисунок 2. Процесс заполнения аппарата метаном

 

Для того чтобы достичь остаточной концентрации кислорода не выше 15% требуется провести предварительную продувку аппарата инертным газом. На рисунке 3 показаны два варианта выполнения продувки – смесью 90% азота и 10% кислорода и смесью 95% азота и 5% кислорода.

Как видно из рисунка, при продувке смесью 90% азота и 10% кислорода до достижения целевой концентрации последнего занимает на 75% больше времени, нежели при продувке смесью 95% азота и 5% кислорода. С учетом большей энергоемкости получения второй смеси при использовании первого варианта потребление энергии больше на 40%. Наиболее энергоэффективным являлся бы такой способ продувки, при котором первая часть цикла выполнялась бы смесью с относительно высокой концентрацией кислорода с последующим переходом на инертный газ повышенной чистоты. На основе этого эксплуатирующей организации рекомендуется использовать станции-генераторы инертных газов изменяемой чистоты.

 

Рисунок 3. Процесс продувки заполненного воздухом аппарата

 

График процесса продувки при выводе аппарата из эксплуатации смесью 95% азот, 5% кислород бутана С₄Н₁₀ при равномерном смешивании газов приведен на рисунке 4 (процесс аналогичен рисунку 1 для метана). Кривая, отображающая изменение нижнего предела возгорания (НПВ) как и ранее приведена по данным указанным в [3] . Начальное значение НПВ – 1,8%.

 

 

 

Рис. 4. Процесс продувки заполненного бутаном аппарата смесью 95% азот, 5% кислород

 

Приемлемый результат при обратном процессе - заполнения аппарата бутаном при вводе в эксплуатацию, как показано на рисунке 5 - можно получить, только если аппарат был предварительно заполнен смесью с содержанием кислорода не более 5%. Таким образом, на газоперерабатывающих предприятиях необходимо использовать станции-генераторы инертных газов чистотой не ниже 98% или изменяемой чистоты – 95-98%.

 

 

Рис. 5. Процесс заполнения аппарата бутаном

 

Из выше сказанного следует, что для опрессовки оборудования и других различных взрывопожароопасных работ в нефтегазовой промышленности необходимы именно азотные установки и станции на основе мембранной технологии, позволяющие обеспечивать подачу инертного газа под различными давлениями и чистотой инертного газа 90%, что вполне приемлемо с точки зрения безопасности. Применение азотных мембранных установок экономически целесообразно и приводит к существенной экономии средств. А также при заполнении аппаратов инертным газом, перед вводом их в эксплуатацию, можно минимизировать энергозатраты путем постепенного увеличения чистоты азота.

 

Используемые источники:

1. ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.» г. Москва ПИО ОБТ 2003
2. «Взрывобезопасность паро-газовых система в технологических процессах.», А.И. Розловский М., «Химия», 1973.
3. «Расчет нагревательных и термических печей.» Справ. изд. Под ред. В.М. Тымчака, В.Л. Гусовского. М.: Металлургия, 1983.