Выбор оборудования по параметрам технологического процесса

Давление рабочее – максимальное внутреннее избыточное или наружное давление,

возникающее при нормальном протекании рабочего процесса.

Давление расчетное – давление, на которое производится расчет на прочность.

Давление условное – расчетное давление при температуре 20 °С, используемое при

расчете на прочность стандартных узлов, деталей, арматуры.

Параметры сепарации нефти соответствуют понятию " нормального протекания рабо-

чего процесса". По определению понятия " рабочее давление" мы с полным правом можем

выбрать аппарат с рабочим давлением 0, 6 МПа.

Зададимся следующим вопросом: может ли аппарат с рабочим давлением в 0, 6 МПа

работать при этом давлении в конкретных условиях сепарации нефти?

Для ответа на него необходимо рассмотреть требования нормативных документов по

следующей логической цепочке.

Давление на источнике больше рабочего давления сепарации, следовательно, в соот-

ветствии с требованиями [2] сепаратор должен иметь защиту от завышения давления –

пружинный предохранительный клапан (ППК). Сброс с ППК состоит из пожаровзрыво-

опасных газов, которые, в соответствии с требованиями [4] должны направляться на фа-

кел для утилизации выброса. В соответствии с требованиями ВНТП 3-85 [5] факел дол-

жен находиться на значительном удалении от взрывоопасной установки сепарации нефти,

следовательно система сброса будет иметь существенное гидравлическое сопротивление.

Нормы [4] ограничивают гидравлическое сопротивление системы сброса газа величиной

0, 1 МПа. Правила [2] допускают кратковременное превышение давление в аппаратах при

срабатывании систем защиты от завышения давления на величину не более 15 % от ра-

бочего давления. Предохранительные клапаны конструкции ВНИИНЕФТЕМАШ, ис-

пользуемые в РФ, оснащаются пружинами, жесткость которых обеспечивает изменение

нагрузки на клапан при его полном открытии на величину 10 % от давления начала откры-

тия.

Теперь необходимо привести в систему этот массив требований и исходных данных

для ответа на поставленный вопрос.

Действие первое – необходимо выполнить тарировку ППК на испытательном стенде и

установить давление начала его открытия. Если клапан будет открываться при давлении

0, 6 МПа, то он будет постоянно сбрасывать газ (а вместе с ним и нефть) на факел, так как

сепаратор работает при этом давлении. Устанавливаем давление начала открытия, равное

1, 05 от рабочего давления, то есть 0, 63 МПа. В этом случае между рабочим давлением и

давлением открытия ППК имеется запас, равный 5 % от рабочего давления. Герметич-

ность системы в рабочих условиях обеспечена. Проверим соответствие такой настройки

характеристике пружин ППК. При полном открытии ППК давление в аппарате увеличит-

ся дополнительно на 10 % от рабочего, что в сумме составит 15 %. Эта величина является

предельным увеличением давления в сосуде при срабатывании системы защиты, уста-

новленной требованиями Правил [2].

Действие второе – определим, как будет вести себя система защиты при возник-

новении противодавления в системе сброса газа?

Величина противодавления в системе сброса в соответствии с указаниями п. 3.12

Правил ПБ 03-591-03 [4] составляет 0, 1 МПа. Пункт 4.1 этих правил предписывает

- 48 -

" Сбросы от предохранительных клапанов направлять в факельные системы". ГОСТ

12.2.085–2002 [6] в п. 3.2.3 указывает на то, что при направлении сброса в систему с про-

тиводавлением давление настройки клапанов (на тарировочном стенде) принимается

меньше (рабочего давления) на значение расчетного противодавления.

Действие третье – мы установили, что тарировку клапана на величину 1, 05 рабочего

давления мы выполнили неверно. Изменяем настройку клапана на величину 1, 05 Р раб ми-

нус 0, 1 МПа. Регулируем пружину клапана на начало открытия 0, 53 МПа.

Действие четвертое – устанавливаем клапан на сепаратор. Проверяем работоспособ-

ность выполненной установки сепарации нефти. Установка работает устойчиво на фа-

кел, продукцию она выдавать не может.

Дело в том, что противодавление в системе сброса возникает при срабатывании си-

стемы защиты. Если сброса нет, то нет и противодавления. Противодавление запирает

предохранительный клапан. При отсутствии противодавления клапан открывается при

давлении настройки на стенде, то есть при 0, 53 МПа. Клапан открывается задолго до того,

как в сепараторе установится рабочее давление.

Анализируя описанную ситуацию, приходим IQZ_8_к? выводу, что строгое соблюдение требо-

ваний действующих норм и правил не обеспечивает работоспособности проектируемых

сооружений.

Результат, полученный нами, возможен только при создании взрывопожароопас-

ных установок, защищаемых предохранительными клапанами.

Если рассматривать подобную ситуацию при создании установок, работающих с

инертными продуктами (воздухом, азотом и т. п.), подобная ситуация возникнуть не мо-

жет, так как инертные среды сбрасывать на факел не требуется. Аппараты установок

подготовки нефти работают со взрывоопасными продуктами. Здесь велика вероятность

возникновения аварийных ситуаций, сопряженных с гибелью людей. На этих установках

подобная " неразбериха" с требованиями норм и правил совершенно не допустима.

Проблема надежности технологической системы очень актуальна, именно здесь за-

кладываются основы безопасности производства.

Для решения поставленного вопроса рассмотрим, как распределены прочностные ре-

сурсы аппарата. Если максимальным давлением в процессе является величина 0, 6 МПа, то

давление начала открытия ППК должно быть выше максимального (рабочего) давления на

величину запаса надежности, возможную величину погрешности настройки системы за-

щиты (ППК), возможную максимальную величину противодавления в системе сброса. Во-

прос о возможном диапазоне изменения противодавления заслуживает более детального рас-

смотрения.

В соответствии с требованиями пункта 4.1 Правил [4] сбросы с ППК должны направ-

ляться для утилизации на факел. Факел имеет два режима работы: нормальный и аварий-

ный. В нормальном режиме факельная система продувается газом со скоростью 0, 05 м/с.

Этот режим должен обеспечить защиту системы от проникновения в нее атмосферного

воздуха. Аварийный режим, или режим максимального сброса газа, соответствует рабо-

чей скорости в системе, достигающей 120 м/с (см. п.6.3 Правил [4]). Гидравлическое со-

противление факельной системы переменное. В аварийном режиме оно в 2600 раз больше

нормального. Максимальный перепад давления в факельной системе ограничен правила-

ми [4] на уровне 0, 1 МПа.

При проектировании факельной системы диаметр трубопровода выбирается в ре-

зультате гидравлического расчета на максимальный газовый выброс. Для обеспечения

однофазности потока в системе сброса нормы предусматривают установку цеховых и фа-

кельных сепараторов в самой низкой точке трассы трубопровода. Система удаления кон-

денсата из факельного сепаратора имеет большое количество элементов, каждый из кото-

рых имеет сравнительно низкий показатель надежности. Отказ любого элемента системы

вывода конденсата приводит к появлению жидкой фазы в факельном коллекторе.

Жидкость в факельном коллекторе появляется в результате ее уноса из сепараторов,

так как не существует сепарирующих устройств, обеспечивающих 100 %-ное отделение

капельной жидкости. Кроме того, при охлаждении сбрасываемого газа происходит его час-

тичная конденсация после сепарации.

Система удаления конденсата из факельного коллектора, выполненная по Правилам

[4], является грубейшим нарушением требований п. 5.5.16 Правил [2. Рассмотрим, что

- 49 -

произойдет с установкой, если в момент срабатывания ППК трубопровод системы сброса

будет частично заполнен жидкостью.

При сбросе с ППК происходит перемешивание газа с жидкостью, в результате чего в

трубопроводе установится нерасчетный газожидкостной режим движения смеси вме-

сто расчетного газового режима.

В газожидкостном режиме скорость движения в трубопроводе будет существенно ниже

120 м/с, так как она не может быть выше скорости звука. Скорость звука в газожидкост-

ной смеси при газосодержании 0, 3–0, 7 и абсолютном давлении в системе сброса 0, 2 МПа,

в соответствии с уравнением Вуда [7] составит 31–34 м/с. Снижение скорости движения в

3, 5 раза по сравнению с расчетной приведет к повышению плотности смеси в трубопро-

воде в такое же количество раз. Из этого следует, что давление в системе сброса может

увеличиться до 0, 6 МПа. Суммируя давление в аппарате с противодавлением, получим

недопустимое значение давления перед ППК, равное 1, 29 МПа, что существенно выше

кратковременно допустимого давления 0, 69 МПа.

Следует заметить, что в настоящее время отсутствуют надежные методы гидравличе-

ского расчета трубопроводов с газожидкостной смесью. По данным института

ВНИИСПТнефть [8] ошибка в результате такого расчета может достигать 500 %. Практи-

ка свидетельствует о том, что наряду с газом на факел сбрасываются значительные объе-

мы жидкости. Признаком таких ситуаций является неоднократный сброс факельных кол-

лекторов с эстакады в результате гидравлических ударов жидкостной пробки на поворо-

тах трассы, имеются случаи замазучивания территории ДНС мелкодисперсной нефтью из

факельного стояка.

В результате анализа нормативных документов мы получили однозначный ответ на

поставленный вопрос: сосуды, работающие под давлением взрывоопасных продуктов,

оснащенные пружинными предохранительными клапанами, не могут работать при рабочем

давлении.

Данный вывод для обсуждения был направлен в журнал " Безопасность труда в про-

мышленности", на что получен ответ следующего содержания:

" Редакция журнала направляла Вашу статью на рецензию в ФГУП " НТЦ " про-

мышленная безопасность".

Специалисты НТЦ сделали следующие замечания:

Вопросы, рассматриваемые в статье, не актуальны. Статья написана технически не-

грамотно, и основана на неправильном толковании или не понимании авторами требова-

ний промышленной безопасности, изложенных в действующих нормативных докумен-

тах.

Данные выводы основаны на следующем:

1. Правила безопасной эксплуатации факельных систем не содержат требований о

сбросе газа с предохранительных клапанов на факел, и требований об ограничении гид-

равлического сопротивления системы сброса величиной 0, 1 МПа. Следует понимать, что

авторы пользуются в работе каким-то не официальным изданием, хотя таких требований

не было и в предыдущих редакциях Правил.

Наш комментарий: требования ПБ 03-591-03 о необходимости сброса от предохрани-

тельных клапанов на факел содержится в п. 4.1. Цитируем содержание пункта по изданию

ГУП НТЦ Промбезопасность 2004 г " Сбросы от предохранительных клапанов направля-

ются в факельные системы".

Ограничение потерь давления в факельных системах – в п. 3.12 Правил, изданных

ФГУП " НТЦ Промбезопасность. Цитата " Потери давления в факельных системах при

максимальном сбросе не должны превышать:

Для систем, в которые направляются аварийные сбросы газов и паров, –0, 02 МПа на

технологической установке и 0, 08 МПа на участке от технологической установки до вы-

хода из оголовка факельного ствола"

Для отдельных и специальных факельных систем потери давления не ограничивают-

ся (то есть могут быть больше 0, 1 МПа!) и определяются условиями безопасной работы

подключенных к ним аппаратов".

2. В примере указывается рабочее давление аппарата 0, 6 МПа, а давление на источ-

нике 1 МПа.. То есть сосуд рассчитан на давление меньше питающего источника и дол-

жен в соответствии с требованиями п. 5.5.6 ПБ 03-576-03 иметь на подводящем трубо-

- 50 -

проводе автоматическое редуцирующее устройство с манометром и предохранительным

устройством, установленным на стороне меньшего давления после редуцирующего

устройства. Этим объясняется несостоятельность дальнейших рассуждений авторов и

выводов сделанных ими.

Наш комментарий: В качестве редуцирующего устройства используется гидравличе-

ское сопротивление нефтесборной сети между источником давления и сепаратором

нефти. Манометр и ППК установлены на стороне низкого давления, то есть на сепарато-

ре. Все требования п. 5.5.6 ПБ 03-576-03 выполнены.

3. Дальнейшие рассуждения авторов о режимах работы факельных установок, несо-

вершенстве систем удаления конденсата, резких повышениях давления в факельной си-

стеме за счет снижения скорости движения (двухфазной смеси – комментарий наш), явля-

ются так же надуманными, необоснованными и не имеющими отношения к требованиям

промышленной безопасности, изложенным в ПБ 03-591-03.

4. Примеры, приведенные авторами, говорят прежде всего не о несовершенстве нор-

мативных требований, а о слабой технической подготовке специалистов проектных ор-

ганизаций.

5. Ответ на вопрос авторов однозначен: сосуды могут работать и работают при " ра-

бочем давлении".

Представленное здесь мнение специалистов НТЦ " Промбезопасность" подписано

главным редактором журнала.

Специальным постановлением Правительства Р.Ф. журналу " Безопасность труда в

промышленности" дано право комментировать все коллизии, возникающие при исполь-

зовании нормативных документов. Фактически проектные институты, имея письмо ре-

дакции журнала, могут действительно использовать сосуды, работающие под давлением

опасных продуктов, оборудованные пружинными предохранительными клапанами в со-

ответствии с требованиями ПБ 03-591-03, при рабочем давлении. Однако осуществить та-

кую работу сосуда будет невозможно.

Из замечаний работника НТЦ Промбезопасность следует, что содержание норма-

тивных документов, которые они выпускают в жизнь, им не известно.

Если рассматривать все возможные варианты защиты сосудов от завышения давле-

ния, то можно классифицировать их в следующем виде:

· Аппараты, не требующие защиты. Это аппараты, связанные с источниками дав-

ления, величина которого ниже расчетного давления аппарата.

· Аппараты, защищаемые разрывными мембранами. Такая схема защиты практиче-

ски не применяется, хотя она исключает влияние противодавления в системе сброса, и

при ее использовании не возникает противоречий в выборе рабочих давлений аппарата

и процесса.

· Аппараты, защищаемые пружинными предохранительными клапанами со сбросом

в атмосферу. Такие решения используются на установках, перерабатывающих инертные

продукты, разрешенные к сбросу в атмосферу. Здесь также не возникает проблем с выбо-

ром аппаратов по рабочему давлению.

· Аппараты взрывопожароопасных установок, защищаемые пружинными предо-

хранительными клапанами со сбросом на факел (в систему с противодавлением).

Проблемы, затронутые в данном разделе, относятся к последней группе аппаратов.

Именно они составляют основу нефтедобычи, нефтепереработки, нефтехимии, именно

они представляют опасность взрыва и пожара на опасных производственных объектах.

Решение затронутых вопросов для этой группы установок является важнейшей пробле-

мой.

При возникновении подобной ситуации нельзя терять голову. Как должны решаться

вопросы, которые нормируются разными нормами не однозначно?

Как указывалось, подобная ситуация возникает только при защите взрывопожаро-

опасных объектов. Логика принятия решения состоит в следующем:

1. Попытаться принять к установке аппараты, рассчитанные на давление питающего

источника. Такое решение приведет к некоторому удорожанию проекта, зато будут исклю-

чены противоречия норм и возможность возникновения аварийной ситуации на объекте.

2. Если обстоятельства заставляют вас принять к установке аппарат с расчетным дав-

лением ниже давления питающего источника, не доверяйтесь мнению представителя

- 51 -

НТЦ " Промбезопасность", а согласуйте параметры работы и защиты аппарата с противо-

давлением в системе сброса. Заявление о том, что сосуды взрывопожароопасных устано-

вок, защищаемые предохранительным клапаном, могут работать при " рабочем давлении",

является грубейшей ошибкой.

Как примирить противоречивые требования Правил [2] и [4] в части установки за-

порной арматуры на линиях сброса с ППК и их дренажа? Ведь выполнив требования од-

ного нормативного документа, проектировщик автоматически нарушает требования дру-

гого.

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть историю развития норматив-

ной базы по защите сосудов от завышения давления.

До 1975 г. существовали нормы, в соответствии с которыми сброс газа с ППК осу-

ществлялся в атмосферу, линии дренажа сбросных трубопроводов имели свободный

выход жидкости на рельеф, при этом на линиях сброса и на линиях дренажа установка

запорной арматуры не допускалась. С 1975 г. начался поиск путей утилизации сбросных

взрывопожароопасных газов с целью снижения нагрузки на окружающую среду. Для ре-

шения поставленной задачи нормами предусматривалась установка двух систем ППК.

Одна система называлась контрольной, сбросы с нее направлялись на факел. Давление

начала открытия ППК контрольной системы принималось равным расчетному давлению

аппаратов. Вторая система клапанов называлась рабочей. Давление начала открытия этих

клапанов принималось равным 1, 05 от расчетного давления аппаратов. Сброс газа с рабо-

чей системы клапанов предусматривался в атмосферу.

Логика подобного решения была понятна. Контрольная система клапанов предназна-

чалась для утилизации выброса, рабочая система клапанов должна была страховать кон-

трольную систему и срабатывать в случае отказа контрольной системы. Сброс газа с ра-

бочих клапанов в атмосферу обеспечивал самую высокую надежность системы защиты

аппаратов от завышения давления.

Описанная система оказалась громоздкой и достаточно сложной в управлении. Для

аппаратов непрерывного действия необходимо было в каждой системе клапанов преду-

сматривать рабочий и резервный клапан, кроме того необходимо было создать такое

устройство, которое, в соответствии с требованиями Правил [2] обеспечивало од-

новременное соединение двух или четырех клапанов (2 резервных и 2 рабочих) с защища-

емым сосудом. Для этого создавались специальные узлы группового переключения запор-

ной арматуры, устанавливаемой на входах и выходах клапанов с обязательным требова-

нием, чтобы при любом положении узла переключения с аппаратом были соединены 2

ППК (один от контрольной системы, второй от рабочей системы) или 4 ППК (по 2 от каж-

дой системы). Отключение ППК на входах и выходах предусматривалось для обеспечения

возможности их демонтажа при работающем аппарате. В систему блокировочной арма-

туры для каждой группы клапанов (контрольной и рабочей) входило по 4 задвижки (2

на входах ППК и 2 на выходах ППК). Блокировочное устройство приводило в действие

одновременно 4 привода ручной арматуры, при этом 2 задвижки должны были откры-

ваться и подключать к аппарату резервный клапан, а 2 задвижки должны были закрывать-

ся для вывода одного клапана на ремонт или ревизию. Если учесть, что все задвижки

сконструированы на допустимый крутящий момент при ее закрытии и открытии, усилие,

которое необходимо приложить при одновременном манипулировании 4 задвижками в 4

раза превосходило допустимую величину.

Описанное решение было признано нецелесообразным, и к 1980 г. появились новые

нормативные документы, объединившие функции контрольных и рабочих систем защиты

в единой системе. При этом предусматривалось, что единая система клапанов будет осу-

ществлять защиту сосудов от завышения давления и утилизацию сброса путем его

направления на факел.

Указанная рационализация технических решений по защите сосудов от завышения

давления сразу вошла в противоречие с действующими Правилами [2]. Если эти правила

запрещают установку запорных органов на линиях сброса газа с ППК и на линиях дре-

нажа коллекторов сброса, то новые правила по факелам предусматривают дренаж фа-

кельного коллектора с помощью сложной системы, оборудованной средствами контроля

и регулирования уровня жидкости в конденсатосборнике, насосами с запорной армату-

рой на их входе и выходе, системой автоматического управления насосом откачки и ди-

- 52 -

станционно управляемой запорной арматурой. Если раньше защита обеспечивалась

сбросом с ППК в атмосферу и вероятность отказа системы составляла приблизительно

0, 000001, то при наличии большого количества элементов в системе дренажа факельного

коллектора общая вероятность отказа системы защиты повысилась до 0, 7, так как отказ

любого элемента (а их более 10) приводит к отказу всей системы.

Правила по сосудам переиздавались несколько раз, а противоречие указанных нор-

мативных требований так и не устранено.

Утилизация выброса – функция, не свойственная системе защиты объекта от завы-

шения давления. Отмеченное противоречие будет существовать до тех пор, пока не будет

выполнено разделение функций на разные системы. Такое разделение можно выпол-

нить, например, следующим образом: Функцию утилизации выброса передать системе

автоматической защиты от завышения давления. Для этого необходимо предусмотреть

установку позиционного регулятора, контролирующего максимальное давление в систе-

ме. Как только давление достигнет предельного значения, клапан должен открыться со

сбросом газа на факел. Если рост давления в аппарате продолжается (например, по при-

чине отказа системы утилизации) при давлении, равном 1, 05 расчетного должен от-

крыться ППК со сбросом в атмосферу. Этот выброс не должен направляться на факел,

поскольку это направление сброса не соответствует требуемому уровню надежности. Пред-

ложенное решение обеспечивает и утилизацию выброса и надежную защиту объекта от

завышения давления. Это предложение строго соответствует требованиям Правил [2].

Техническое решение имеется, вопрос заключается в том, как обойти требование

Правил [4] о направлении выброса с ППК на факел. Не исключено, что предлагаемое

решение необходимо всякий раз обосновывать в проекте и получать согласование экс-

пертизы Промбезопасности или Ростехнадзора.

Для примера, на Южно-Балыкском товарном парке ШФЛУ установлено 40 емкостей

объемом по 200 м3. Каждая емкость оборудована двумя предохранительными клапанами

(рабочим и резервным) с блокировочным узлом переключения и со сбросом газа на фа-

кел. В составе товарного парка имеется факельная система, рассчитанная на макси-

мальный сброс паров ШФЛУ в случае возникновения пожара. Для поддержания факель-

ной системы в готовности осуществляется продувка факела выметающим газом, исклю-

чающая проникновение атмосферного воздуха в факельный коллектор. Собственного газа

товарный парк не имеет. Для обеспечения продувки факела приходится использовать спе-

циальную систему газоснабжения факела. Парк работает более 25 лет. За это время не

было срабатывания ни одного из 80 ППК. Все это время клапаны обслуживаются, перио-

дически тарируются, факел продувается покупным газом. Продукты сгорания продувоч-

ного газа загрязняют атмосферный воздух. За 25 лет вредных выбросов с факела было во

много раз больше, чем это может быть при срабатывании ППК с выбросом в атмосферу

без сжигания газа.

Правилами безопасности при эксплуатации ГПП [9] предписывается обязательная за-

щита складских емкостей, заполненных сжиженными углеводородами, от пожара с помо-

щью установки пружинных предохранительных клапанов. Логика этого требования со-

стоит в следующем: При возникновении выброса продукта и его возгорания в товарном

парке вокруг одного или нескольких емкостей создается очаг горения с температурой 600

°С. Продуктами сгорания емкости нагреваются. В соответствии с термодинамикой про-

пан-бутановой смеси, с увеличением ее температуры растет давление насыщенных паров

ШФЛУ, находящейся в емкости. Предельная температура продукта, находящегося в ем-

кости, составляет 45–50 °С. При такой температуре давление насыщенных паров ШФЛУ

соответствует расчетному давлению аппарата. С ростом температуры за пределами 50 °С

давление насыщенных паров ШФЛУ становится больше расчетного давления аппарата.

Чтобы аппарат не разрушился при температуре выше 50 °С, на него устанавливаются

предохранительные пружинные клапаны со сбросом паров на факел. Описанное решение

находится в соответствии с требованиями норм и строго выполняется при проектирова-

нии складов СУГ. Требование норм о необходимости защиты аппаратов от завышения

давления при пожаре представляется обоснованным. Однако попробуем расширить рам-

ки исследования данной проблемы. Мы указывали на то обстоятельство, что при контакте

стенок аппарата с продуктами сгоранияШФЛУ температура в очаге горения равна 600 °С.

Рис. 3.4. Зависимость допускаемых напряжений от температуры стали 09Г2С

Предположим, что аппарат для ШФЛУ выполнен из стали 09Г2С, имеющей предел

прочности при расчетной температуре эксплуатации (плюс 50 °С) 560 МПа. При дости-

жении продуктом температуры 50 °С давление в аппарате достигнет предельного уровня,

при котором ППК раскроется. В дальнейшем рост температуры продукта прекращается,

так как все тепло, подводимое от стенок аппарата, расходуется на испарение ШФЛУ.

Температура стенок аппарата оказывается выше расчетной температуры, она приближается

к средней величине между температурой дымовых газов и температурой продукта и со-

ставит ориентировочно 300 °С. Если процесс испарения ШФЛУ в аппарате завершился,

температура стенок будет стремительно приближаться к 600 °С. Давление в аппарате

удерживается пружиной ППК на максимальном уровне. Рассмотрим прочностные харак-

теристики стали при изменении температуры стенки от 50 до 600 °С. В соответствии с

данными ГОСТ 14249–89 [3] допускаемые напряжения стали 09Г2С изменяются по гра-

фику, представленному на рис. 3.4. Предельное значение температуры для стали 09Г2С

составляет 480 °С.

Экстраполяция данных ГОСТа в сторону увеличения температуры до 600 °С показы-

вает, что допускаемые напряжения достигают отрицательных значений. Если учесть, что

коэффициент запаса прочности стали, в соответствии с нормами расчета сосудов на проч-

ность, составляет ориентировочно 2, 5, то при температуре 425 °С напряжения в стенках

аппарата достигли предела прочности и аппарат разрушается задолго до предельной тем-

пературы нагрева аппарата.

Проведенный анализ выявил неэффективность защиты аппарата от давления, возни-

каемого при пожаре, пружинными предохранительными клапанами. Защита сосуда не

обеспечивается, хотя технические решения полностью соответствуют нормативным требо-

ваниям.

Какой должна быть эффективная защита аппарата при пожаре? На этот вопрос ответа

в нормативных документах нет, а защита должна выполняться средствами, не поддержи-

вающими давление в аппарате, а разгружающими сосуд от внутреннего давления. К та-

ким средствам могут быть отнесены позиционный регулирующий клапан или разрыв-

ная мембрана. Если эту проблему рассматривать в плоскости нормирования, то един-

ственным средством защиты является разрывная мембрана, которая при достижения мак-

симального давления разрывается, дальнейший сброс продукта происходит при низком

давлении, стремящемся к атмосферному. Однако следует иметь в виду, что если мак-

симальное давление в аппарате создано не в результате пожара, а по другим причинам,

например переполнением аппарата продуктом, разрыв мембраны приведет к выбросу всего объема

продукта из аппарата. Позиционный регулирующий клапан должен открываться полно-

стью при температуре стенки аппарата, превышающей 50 °С. В соответствии с Правила-

ми по сосудам регулятор давления не является средством защиты аппарата от завышения

давления.

Рис. 3.5. Схема станции подкачки нефти

Для завершения раздела, связанного с параметром " давление", рассмотрим еще

один поучительный пример.

На малых месторождениях, не обустроенных полным комплексом сооружений для

получения товарной нефти, возникает проблема передачи частично подготовленной

нефти, прошедшей первую ступень сепарации, на другие сооружения для дальнейшей

подготовки. Представим себе, что расстояние между этими сооружениями таково, что пе-

редачу приходится осуществлять насосами внешней перекачки.

Подобная ситуация сложилась, например, на Кетовской ДНС, куда направлялась

нефть после сепараторов Северо-Ореховского месторождения.

На рис. 3.5 представлена схема станции подкачки нефти, совмещенная со второй

ступенью сепарации. Сырьевой поток подается на вход станции подкачки насосами после

первой ступени сепарации. Ее параметры – давление 0, 6 МПа, температура 40 °С. Нефть

с первой ступени сепарации на вход станции подкачки подается насосами с давлением

1, 6 МПа. На станции подкачки нефть сепарируется при давлении 0, 08 МПа в аппарате с

расчетным давлением 0, 8 МПа, после чего перекачивается насосом на окончательную

подготовку на ЦППН.

Рассмотрим положение с обеспечением безопасной эксплуатации станции подкачки

в части защиты оборудования от завышения давления.

В соответствии с Правилами [2], при давлении на источнике выше расчетного давле-

ния сосуда на подводящей линии необходимо установить клапан-регулятор давления и

после него защитить сосуд предохранительным клапаном. ППК должен устанавливаться

на верхней образующей аппарата для сброса газовой фазы.

Роль регулятора давления на подводящей линии играет ее гидравлическое сопротивле-

ние. Насос, установленный на источнике, предназначен для того, чтобы преодолеть со-

противление трубопровода, поэтому дополнительная установка регулятора давления на

входе станции подкачки не требуется. Установка предохранительного клапана за " регу-

лятором давления" предусмотрена. ППК установлен на буферной емкости, используе-

мой для приема и сепарации нефти. Расчетное давление аппарата 0, 8 МПа. Предохрани-

тельный клапан тарируется на давление начала открытия 0, 8 МПа, полному открытию

клапана соответствует давление 0, 88 МПа. Аппарат на 50 % объема заполнен жидко-

стью, на 50 % – газом. Расчет и выбор предохранительного клапана выполнен на газовую

среду.

Мы рассматриваем стандартное техническое решение, которое соответствует всем

действующим нормам. При внешнем осмотре никаких признаков опасности не обнару-

живается.

Давайте внимательно рассмотрим эту ситуацию, чтобы убедиться в ее безопасности.

Если внешний осмотр не обнаружил опасных свойств станции подкачки, проведем

" внутренний" анализ этой технологии.

Возвращаемся к параметрам первой ступени сепарации нефти. Она проводилась при

давлении 0, 6 МПа и температуре 40 °С. Из этого следует, что давление насыщенных паров

нефти, поступившей на вход станции подкачки, при температуре 40 °С равно 0, 6 МПа. В

буферной емкости станции подкачки давление поддерживается сбросом газа на факел на

уровне 0, 08 МПа. Давление в аппарате равно противодавлению системы вывода газа на

- 55 -

факел. Сепарация газа в буферной емкости проводится под давлением факельной систе-

мы.

Представим аварийную ситуацию, сопряженную с прекращением откачки поступа-

ющей нефти, например, по причине исчезновения напряжения в электрической сети, пита-

ющей насос. Уровень жидкости в емкости начнет повышаться, вытесняя газ на факел. Про-

должительность такого вытеснения составит 12 мин, что соответствуют расходу нефти в

подводящем трубопроводе. За это время персонал должен прекратить прием нефти, в

противном случае произойдет ее выброс на факел.

Представим себе более сложную ситуацию. Прием нефти в емкость осуществляется,

например, при ее первоначальном заполнении, при закрытой арматуре на выходе газа из

емкости на факел. Своевременное включение насоса откачки не произведено, емкость за-

полняется нефтью с превышением установленного уровня. Газ, выделившийся из нефти,

при низком давлении, заполнил пространство над жидкостью. По мере подъема уровня

жидкости газ начинает сжиматься. При неконтролируемом заполнении емкости нефтью

давление в ней может сравняться с давлением источника, то есть 1, 6 МПа. Казалось бы,

что для защиты от такого случая предусмотрена установка ППК, который обеспечит без-

опасное давление в аппарате. В соответствии с термодинамикой газожидкостной смеси в

этом аппарате при давлении, равном давлению первой ступени сепарации произойдет пол-

ное растворение газа в нефти. Газовой фазы в аппарате не будет уже при давлении 0, 6

МПа. При этом давлении ППК закрыт. Он откроется при давлении 0, 8 МПа. Выброс из

клапана на факел при давлении до клапана – жидкостной, при давлении за клапаном – га-

зожидкостной. Здесь возникает 2 проблемы. Первая заключается в следующем: когда

установка проектировалась, предохранительный клапан рассчитывался на газовый вы-

брос. Для определения пропускной способности ППК по газу имеется стандартная мето-

дика расчета. Фактически клапан работает на сбросе кипящей жидкости, которая в его

проточной части изменяет свое фазовое состояние. Для расчета пропускной способности

ППК на таком продукте методов расчета не существует. Следовательно, нет никакой га-

рантии в том, что клапан, рассчитанный на газовый выброс, справится с нагрузкой га-

зожидкостного потока. Вторая проблема заключается в том, что вместо газа на факел про-

изводится выброс нефти.

Проведенный " внутренний осмотр" технологии защиты станции подкачки нефти от

завышения давления выявил ее непригодность.

Как решить обозначенную проблему? С одной стороны, это очень сложная проблема,

потому что при газожидкостном сбросе на факел необходимо построить установку сепа-

рации этого выброса, исключающую попадание жидкости на факел. Это вытекает из тре-

бований норм [2]. С другой стороны, проблема решается достаточно просто. Спрашива-

ется, зачем на буферной емкости устанавливать предохранительный клапан, если она по-

стоянно соединена с факельной системой? Для обеспечения безопасных условий работы

станции подкачки необходимо исключить предохранительный клапан и запорную арма-

туру на линии сброса газа на факел. При этом остается открытым вопрос возможного пе-

реполнения аппарата жидкостью. Эта проблема решается средствами автоматики. Для

исключения подобной ситуации необходимо выполнить автоматическую блокировку

подачи сырья при завышении уровня в аппарате задолго до начала выброса жидкости на

факел.

Таким образом, схема работы станции подкачки формально соответствует требова-

ниям норм и правил, однако она имеет избыточные элементы (ППК и запорная арматура

на факельной линии) и не защищена от жидкостного выброса на факел.

Рассмотрев проблемы, связанные с использованием термина " давление" предлага-

ются следующие правила поведения в этом вопросе: термин " рабочее давление" исполь-

зовать только при описании параметров технологического процесса. Применительно к

аппарату термин " рабочее давление" использовать не стоит. Там, где в нормах и правилах

идет речь о рабочем давлении аппарата, следует использовать равный ему по значению

термин " расчетное давление". Это равенство определено указаниями ГОСТ 14249–89

" Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность" [3]. При этом следует

иметь в виду, что параметры испытания оборудования и параметры настройки систем

защиты должны определяться в зависимости от расчетного, а не от рабочего давления.

Это условие уже определено требованиями ГОСТ 12.2.085–2002 [6], однако в нормах

- 56 -

Госгортехнадзора спорность использования предлагаемой терминологии сохраняется.

Применительно к использованию оборудования на взрывоопасных установках расчетное

давление всегда выше рабочего давления. Применительно к оборудованию установок

нормального исполнения расчетное давление может быть равно рабочему давлению.

В связи с возросшими требованиями к контролю за использованием попутного

нефтяного газа в технических заданиях на проектирование все чаще появляются указания

о необходимости учета газа, сбрасываемого на факел.

Технически эта проблема не имеет решения. Дело в том, что факельная система

имеет 2 режима работы: дежурный и аварийный. В дежурном режиме сброс газа на фа-

кел не производится. На нем горит дежурная горелка, которая поджигает продувочный

газ.

Если факел оборудован молекулярным затвором, количество продувочного газа

соответствует скорости его движения в факельном стояке 0, 05 м/с. В аварийном режиме

скорость газа в стояке составляет 120 м/с, что больше дежурной скорости в 2400 раз. В

настоящее время не созданы измерители расхода газа на такой широкий диапазон изме-

нения скорости. По-видимому, здесь может идти речь только о замере количества газа,

сбрасываемого на факел в аварийном режиме без контроля за сбросом дежурного газа. Од-

нако эта проблема нормативами не определена, поэтому здесь придется разрабатывать

пионерные технические решения.