Приложение Г (справочное). Аварийные ситуации, приводящие к срабатыванию ПК

Приложение Г
(справочное)

Аварийные ситуации, приводящие к срабатыванию ПК

Г.1 Сценарии аварийных ситуаций

Сценарии аварийных ситуаций классифицируют по физическому механизму, вызывающему аварийное повышение давления, следующим образом:

- нарушение материального баланса системы, приводящее к накоплению продукта в ограниченном объеме и, как следствие, аварийному повышению давления;

- нарушение теплового баланса системы. Причинами роста давления в этом случае являются вскипание продукта в защищаемой системе и/или его тепловое расширение в ограниченном объеме.

Г.1.1 Нарушение материального баланса

Сценарии нарушения материального баланса характерны для большинства трубопроводов, оборудования и машин, работающих под давлением. Нарушение баланса подразумевает несоблюдение тождественности сумм расходов рабочих сред на входе и выходе защищаемой системы вследствие:

- аварийного закрытия выхода, например, из-за неисправности арматуры, системы управления или ошибки оператора;

- открытия или резкого увеличения входного потока, например, из-за отказа регулирующей или дроссельной арматуры, либо ошибки оператора;

- возникновения "нештатного" входного потока из-за нарушения целостности контуров защищаемой системы, например, при разрыве трубки кожухотрубчатого теплообменника, с истечением среды из пространства высокого давления в пространство низкого давления.

Сценарии с нарушением только материального баланса, как правило, наиболее просты для расчета - достаточно оценить возможную разность объемных расходов на входе и выходе защищаемой системы при параметрах сброса. Осложняющими факторами оценки сценариев являются:

- сложность расчета аварийных потоков на входе в систему вследствие разрушения целостности контуров защищаемой системы либо через арматуру (запорную, регулирующую, дроссельную), работающую в нерасчетном режиме, в особенности для случая с критическим истечением газообразного продукта или двухфазной смеси;

- наличие в защищаемой системе нескольких фаз среды;

- изменение состава среды в аппарате в процессе развития аварийного сценария.

Г.1.2 Нарушение теплового баланса

При нарушении теплового баланса возможно нарушение материального баланса.

Нарушение теплового баланса может наступить вследствие процессов, приводящих к:

- превышению тепловой нагрузки;

- расхождению в тепловых потоках на входе и выходе системы в пользу теплового потока на входе;

- возникновению аварийного внешнего теплового потока.

Сценарии нарушения теплового баланса характерны для:

- оборудования с непосредственным подогревом, например, для колонных или теплообменных аппаратов, а также емкостей с наружным или внутренним обогревом, например, при остановке перекачки обогреваемого продукта и, особенно, при одновременном закрытии входов и выходов защищаемой системы;

- систем, в состав которых входят аппараты с наружным охлаждением, например, аппараты воздушного охлаждения, когда по тем или иным причинам система охлаждения прекращает работать.

Возникновение аварийного внешнего теплового потока возможно вследствие:

- пожара (один из самых частых и типичных сценариев расчета для аппаратов самого разнообразного вида);

- нерасчетного режима работы факельной системы, солнечной радиации и т.п. Давление может повыситься вследствие испарения, десорбции, расширения жидкости в замкнутом объеме, например, сжиженных газов;

- нарушения целостности защищаемой системы, например, тот же случай разрушения трубки кожухотрубчатого теплообменника. В этом случае тепловой приток совмещается с массовым притоком;

- вышедшей из-под контроля экзотермической химической реакции - возникновение источников тепла внутри аппарата. Случай характерен для химических производств, где к нарушению теплового баланса добавляется нарушение материального баланса из-за самой химической реакции.

Г.2 Расчет сценариев аварийных ситуаций

По степени сложности расчеты сценариев могут варьироваться в очень широких пределах:

- при "простых" случаях теплового расширения жидкости или газа в аппарате или поверхностного вскипания однокомпонентной жидкости расчет сводят к оценке притока тепла в единицу времени и порождаемого им увеличения объема продукта в аппарате из-за теплового расширения (расчет с использованием коэффициента объемного расширения) или вскипания (расчет с использованием скрытой теплоты испарения);

- при поверхностном вскипании многокомпонентных жидкостей (особенно широкого состава) может потребоваться учет изменения состава продукта в аппарате по мере его выкипания и, следовательно, динамическое моделирование этого процесса в том или ином виде;

- при объемном вскипании (кипение пенистых жидкостей, а также кипение жидкостей в системах с малым расстоянием между стенками, например, в обогревающих рубашках) требуется учет двухфазного характера самого сброса (в этом случае на сброс вместе с паровой фазой будет поступать и жидкая);

- наиболее сложен расчет систем с экзотермическими химическими реакциями, так как для них к объемному кипению добавляется еще и необходимость расчета самих реакций и выделяемого ими тепла;

- расчет аварийных ситуаций для колонных аппаратов (где сочетаются тепловой и массовый дисбалансы), по сути, требует динамического моделирования. Однако для наиболее типичных аварийных ситуаций часто применяют приближенный метод расчета (так называемый метод несбалансированной тепловой нагрузки);

- расчет кожухотрубчатых теплообменников при разрыве трубки и истечении теплоносителя представляет собой один из самых "коварных" сценариев аварийной ситуации, когда в зависимости от состава и параметров обращаемых сред может потребоваться учет разнообразных факторов: вскипание как одного, так и другого продукта, их смешение, изменение состава продукта с течением времени и т.д.

Перечисленные выше сценарии не исчерпывают всех возможных причин повышения давления. Так, возможно локальное повышение давления вследствие гидравлического удара, а также внутреннего взрыва. Однако в этом случае ПК для защиты системы неэффективен, требуются дополнительные инженерные решения.

Г.3 Определение фазового состояния среды во входном патрубке ПК

Для расчета ПК необходимо знать, возникает ли двухфазный поток во входном патрубке.

Показателями фазового состава сбрасываемой среды служат:

- начальный уровень наполнения;

- скорость образования газа или пара;

- вязкость жидкости;

- характер пенообразования.

Г.3.1 Феномен подъема уровня

ПК часто устанавливают на вершине сосуда (на газовой стороне). Парообразование во время продувки (двухфазная реакционная система) - давление мгновенно падает после открытия ПК вследствие выпуска пара из незаполненного жидкостью объема сосуда. Изначально переохлажденная или насыщенная жидкость перегревается, т.е. температура остается выше температуры насыщения, соответствующей установившемуся давлению. Если скорость парообразования превышает скорость отделения пара на поверхности раздела, то после задержки кипения (обычно от 0,1 до 1,0 с) начинается объемное испарение жидкости, которое вызывает подъем уровня. Если смесь достигает входного патрубка клапана, то фазовый состав среды меняется с однофазного газового на двухфазный. Подъем уровня, в основном, происходит из-за ограничения скорости подъема пузырей. Данный феномен особенно распространен в сильновязких и пенящихся жидкостях. Сосуды с такими средами почти полностью опорожняются при аварийном сбросе. Это происходит даже при начальных уровнях наполнения от 15 %.

Данный феномен также встречается в системах, в которых десорбируется или образуется газ (задержка десорбции, подъем уровня и т.д.).

Примечание - Десорбция - удаление из жидкостей или твердых тел веществ, поглощенных при адсорбции или абсорбции. Применяют при регенерации адсорбентов и абсорбентов путем нагревания, понижения давления, продувки несорбируемыми газами или парами, обработки растворителями.

В сосудах с внешним нагревом (т.е. не в реакционных, не тепловыделяющих системах) пузырьки газа могут образовываться на стенках сосуда, а не в объеме жидкости. Это приводит к уменьшению подъема уровня, но при этом возможен сброс однофазовой среды при более низких начальных уровнях наполнения в сосуде.

Г.3.2 Влияние вязкости жидкости и характера пенообразования на фазовый состав сбрасываемой среды

Вязкость жидкости следует рассматривать при достижении максимального допустимого накопления давления в защищаемом оборудовании.

Для сильновязких сред рекомендуется принимать, что во время сброса среда однородна.

Если характер пенообразования жидкости не известен, следует определить его опытным путем при расчетных условиях ПК, так как характер пенообразования сложно установить только по физическим свойствам.

Г.3.3 Прогноз фазового состава потока (газ/пар или двухфазный поток)

Общие сведения для ПК, установленных наверху:

- если начальный уровень наполнения превышает критический порог наполнения, то сбрасывается двухфазная смесь;

- если критический порог наполнения не превышен, то сбрасывается только газ или пар.

Критический порог наполнения взаимосвязан с поверхностной скоростью газа в объеме цилиндрического сосуда над уровнем жидкости при расчетных условиях и характерной скоростью подъема пузырей газа и пара.

В зависимости от способа выделения или подвода тепла существует два способа образования пузырей в сосуде (на входе в ПК):

- в случае тепловой неуправляемой реакции образующиеся пузыри равномерно распределяются в объеме жидкости;

- в случае пожара или внешнего нагрева пузыри образуются на внутренней поверхности сосуда.

При образовании пузырей на внутренней поверхности сосуда при условии, что в сосуде нет внутренних перегородок, возникает рециркуляция, при этом двухфазный поток менее вероятен, чем в случае однородного распределения пузырей в жидкости.