Разработка метода контроля влияния низких температур на динамику взрыва газовоздушной смеси

В настоящее время разработаны методики [1] определения динамики
возникновения взрыва газовоздушных смесей в природной среде в «нормальных
условиях» и влияние низких температур на развитие процесса взрыва, на ранней
стадии протекания, практически не изучены. В связи с этим актуальной проблемой
становится изучение влияния низких температур на динамику возникновения
взрыва и горения природной среды при интенсивном освоении месторождений
Крайнего Севера.
Основной особенностью техногенной опасности объектов производства,
хранения и транспортировки сжиженных природных газов (далее СПГ) является
наличие значительного количества горючего газа в жидком состоянии.
Предупреждение и ликвидация последствий не представляет технической
сложности, однако при испарении газа в арктических условиях пожаротушение
объекта защиты становится затруднительным в связи со спецификой процесса
тушения [2]. Следует отметить, что при крайне низких температурах окружающей
среды, высокомолекулярные соединения СПГ остаются в сжиженном состоянии, а
в атмосферу испаряются низкомолекулярные органические соединения, в том
числе эфиры, распространение пламени по которым, происходит с большей
скоростью, чем по испарениям природного газа в нормальных условиях [3].
Исходя из особенностей техногенной безопасности природной среды
основными требованиями противопожарной защиты объекта защиты, хранения и
транспортировки СПГ является быстрое пожаротушение на большой площади.
Таким образом необходимо решить следующие задачи:
− подыскать огнетушащий состав, который можно хранить при
отрицательных температурах с возможностью подачи на значительное расстояние
с высокой интенсивностью;
− разработать быстродействующую систему пожаровзрывоподавления;
− обеспечить обнаружение признаков возникновение пожара на стадии
аварии.
Для решения последней задачи необходимо оценить достаточность
существующих приборов и применимость существующих методов для фиксации
аварии СУГ в условиях низких температур окружающей среды.
Теоретические основы горения и взрыва газо-воздушных смесей,
заложенные классическими трудами Н.Н Семенова, Б.Я. Зельдовича, получили
свое дальнейшее развитие в исследованиях А.И. Розловского, Г.Д Саламандры,
Р.И. Солоухина, А.С. Соколика.
В работах таких авторов, как В.Я. Балтайтис, А.А. Гурин, Н.Р. Шевцов,
П.М. Петрухин, М.И. Нецепляев, В.Н. Качан, В.С. Сергеев, И.Ф. Ярембаш,
А.М. Чеховских, В.М. Плотников, В.И. Гудков, А.Г. Абинов, С.Н. Осипов,
Ю.Ф. Булгаков представлены основные исследование взрывов
газопылевоздушных смесей и разработки способов и средств борьбы с ними.
Проведя обзор и анализируя существующие на данный момент исследования,
было выявлено, что принципы, которые действуют в пожарной безопасности для
опасных объектов нефтегазового комплекса в условиях Севера, в полной мере не
разработаны. Для этого необходимо провести еще дополнительные исследования и
детально учесть, каким образом низкие температуры влияют на параметры
возникновения пожара и взрыва.
Целью данной работы является разработка, внедрение и испытания
приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и
изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами,
позволяющих повысить безопасность эксплуатации объектов газового комплекса
посредством раннего обнаружения аварийных ситуаций и прогнозной оценки их
последствий.
Для достижения поставленной цели в работе решались основные задачи:
1. Разработать метод контроля динамики развития аварии на объектах
производства, хранения и транспортировки СПГ по параметрам теплового потока.
2. Разработать прибор контроля динамики газовоздушной смеси
имеющий лучшие характеристики по сравнению с прототипами.
3. Экспериментально установить возможность фиксации динамики
взрыва посредством применения разработанных метода и прибора, имеющих
лучшие характеристики по сравнению с прототипами, в условиях отрицательной
температуры окружающей среды.
4. Разработать практические рекомендации по применению
предложенного прибора для снижения аварийности при функционировании
объектов производства, хранения и транспортировки СПГ в условиях низких
температур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен новый метод контроля динамики взрыва газовоздушной
смеси разработанный на основе измерений теплового потока природной среды.
2. Разработан новый прибор измерения динамики взрыва газовоздушной
смеси, позволяющий проводить измерения в ИК-диапазоне с лучшими
характеристиками по сравнению с существующими аналогами.
3. Исследовано влияние низких температур окружающей среды на
динамику взрыва газовоздушной смеси природной среды.
4. Даны практические рекомендации по применению предложенного
прибора для снижения аварийности при функционировании объектов
производства, хранения и транспортировки СПГ в условиях отрицательных
температур природной среды.
Практическая значимость работы:
На основе теоретических и экспериментальных исследований в работе
усовершенствован и предложен метод контроля динамики взрыва ГВС на объектах
производства, хранения и транспортировки сжиженного природного газа по
параметрам теплового потока Основные результаты работы могут быть
использованы при обеспечении безопасного функционирования объектов
производства, хранения и транспортировки СПГ в условиях низких температур.
Главная технико-экономическая эффективность прибора фиксации взрыва
газовоздушной смеси связана со снижением потерь от возникающих пожаров и
взрывов за счет точного и быстрого определения очага и стадии их развития.
Методология и методы исследования. При решении поставленных задач
использовались эмпирические методы исследования (наблюдение и
эксперименты). В результате применения эмпирических методов исследования
была определена цель, сформулированы задачи исследования и выдвинута
гипотеза. Проведена обработка полученных в ходе эксперимента результатов
динамики распространения взрыва в виде теплового потока в окружающую среду
при различных температурах окружающей среды. Проведены процедуры перевода
полученных данных («сырых данных») в закономерности.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся
результаты теоретических и расчетных исследований, а также разработанные на их
основе рекомендации по контролю динамики взрыва в условиях низких температур
окружающей среды:
1. Метод контроля динамики взрыва газовоздушной смеси, позволяющий
прогнозировать аварийные ситуации на объектах производства, хранения и
транспортировки СПГ.
2. Прибор контроля динамики взрыва газовоздушной смеси имеющий
лучшие характеристики по сравнению с прототипами.
3. Результаты исследований процесса протекания взрыва газовоздушной
смеси с применением разработанного прибора в условиях отрицательных
температур природной среды имеющего лучшие характеристики по сравнению с
прототипами.
4. Влияние низких температур окружающей среды на динамику взрыва
газовоздушной смеси природной среды.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается
теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями,
выполненными с использованием прошедших поверку средств контроля.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на
I Всероссийской молодежной научно-технической конференции нефтегазовой
отрасли «Молодая нефть» (Красноярск, 17–19 мая 2014 года); IV Всероссийской
молодежной научно-технической конференции нефтегазовой отрасли «Молодая
нефть» (Красноярск, 20 мая 2017 года); II Международной молодежной научно-
практической конференции «Прогрессивные технологии и процессы» (Курск, 24-
25 сентября 2015 года); VIII Всероссийской научно-практической конференции (с
международным участием) «Мониторинг, моделирование и прогнозирование
опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций» (Железногорск,
26 октября 2018 года); 2nd International Scientific Conference on Metrological Support
of Innovative Technologies (ICMSIT 2020) «International Conference on Metrological
Support of Innovative Technologies» (Санкт-Петербург, 04 марта 2020 года);
заседаниях кафедры пожарной безопасности Института нефти и газа Сибирского
федерального университета и кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных
материалов Сибирского федерального университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в т.ч.
две работы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, одна в базе данных
SCOPUS, получен патент на полезную модель RU 195452 U1, 28.01.2020 [4].
Личный вклад. Автором лично разработан метод контроля динамики
развития аварий на объектах производства, хранения и транспортировки СПГ по
параметрам теплового потока, а также прибор фиксации взрыва газовоздушной
смеси в условиях отрицательных температур окружающей среды. Предложена
концепция совершенствования системы обеспечения пожарной безопасности и
повышения эффективности функционирования объектов производства, хранения и
транспортировки СПГ в специфических условиях Крайнего Севера (с учетом
обеспечения оптимальной пожарной безопасности объектов).
Реализация результатов работы. Результаты исследования использованы в
учебном процессе кафедры «Пожарная безопасность» Института нефти и газа
Сибирского федерального университета, внедрены в деятельность
АО «Красноярсккрайгаз», что подтверждено соответствующими актами.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав,
заключения и трех приложений. Полный объем диссертации составляет 160
страниц, 21 таблица, 72 рисунка, 66 формул. Список литературы включает
104 наименования.
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ДИНАМИКИ
ВЗРЫВА ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ