Пожарная опасность взрывных режимов испарения сжиженного природного газа

Введение. На основе рассмотрения результатов опубликованных исследований проанализирована специфика пожарной опасности взрывных режимов испарения сжиженного природного газа (СПГ). К числу таких режимов относятся ролловер и быстрый фазовый переход (БФП).

Особенности процессов взрывного испарения СПГ. Ролловер реализуется в резервуарах хранения СПГ при самопроизвольном смешении слоев продукта, имеющих различные температуры и плотности. Такие слои образуются при подаче в резервуар, содержащий остаточное количество хранимого СПГ («старый» продукт), новой партии СПГ («свежий» продукт) с другими параметрами (температура, плотность, состав). Ролловер сопровождается резким (взрывным) увеличением скорости испарения с соответствующим ростом давле­ния в резервуаре, которое может превысить допустимое для резервуара значение. Быстрый фазовый переход происходит при контакте воды и пролитого на ее поверхность СПГ, в результате чего может реализоваться взрывное испарение сжиженного природного газа с образованием ударных волн и обширных зон загазованности.

Исследования эффекта ролловера. Отмечено, что для возникновения ролловера необходимым условием является стратификация (образование слоев продукта с различными температурами и плотностями). При этом за счет теплообмена нижнего (более плотного) слоя со стенками резервуара может происходить его перегрев с уменьшением плотности продукта. Одновременно происходит преимущественное испарение из верхнего слоя легких компонентов (метана, азота) с увеличением плотности продукта в верхнем слое. При выравнивании плотностей слоев происходит их самопроизвольное перемешивание со взрывным вскипанием нижнего перегретого слоя. Величина временной задержки возникновения ролловера может достигать 60–70 ч после загрузки «свежего» продукта в резервуар со «старым» продуктом.

Исследования эффекта быстрого фазового перехода. В случае БФП энергия, выделяющаяся при взрывном испарении, и давление в ударной волне зависят от многих факторов, таких как скорость истечения СПГ, локализация источника истекающего продукта — над или под уровнем воды, состав СПГ, температура воды. Найдено, что опасные для целостности зданий и сооружений давления в ударной волне наблюдаются на расстояниях до 500 м от места пролива. Получено эмпирическое соотношение, связывающее температуру воды при возникновении БФП с предельной температурой перегрева СПГ, выше которой кипение происходит в режиме гомогенной нуклеации.

Выводы. Показано, что реализация взрывных режимов испарения СПГ приводит к существенному увеличе­нию уровня пожарной опасности объектов хранения и транспортировке сжиженного природного газа. Сформулированы рекомендации по предотвращению возникновения данных явлений.

1. Sarsten J.A. LNG stratification and rollover // Pipeline Gas Journal. 1972. Vol. 199. Issue 11. Pp. 37–39.

2. Kulitsa M., Wood D.A. LNG rollover challenges and their mitigation on Floating Storage and Regasification Units: New perspectives in assessing rollover consequences // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018. Vol. 54. Pp. 352–372. DOI: 10.1016/j.jlp.2018.04.007

3. Kulitsa M., Wood D.A. Floating storage and regasification units face specific LNG rollover challenges: Consideration of saturated vapor pressure provides insight and mitigation options // Natural Gas Industry B. 2018. Vol. 5. Issue 4. Pp. 391–414. DOI: 10.1016/j.ngib.2018.05.001

4. Minsuk Kang, Juwon Kim, Hwalong You, Daejun Chang. Experimental investigation of thermal stratification in cryogenic tanks // Experimental Thermal and Fluid Science. 2018. Vol. 96. Pp. 371–382. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2017.12.017

5. Yeonpyeong Jo, Kyeonseok Shin, Sungwon Hwang. Development of dynamic simulation model of LNG tank and its operational strategy // Energy. 2021. Vol. 223. P. 120060. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120060

6. Shi J.Q., Bedu Z.C., Scurlock R.G. Numerical modelling and flow visualization of mixing of stratified layers and rollover in LNG // Cryogenics. 1993. Vol. 33. Issue 12. Pp. 1116–1124. DOI: 10.1016/0011-2275(93)90004-8

7. Hubert A., Dembele S., Denissenko P., Wen J. Predicting liquefied natural gas (LNG) rollovers using computational fluid dynamics // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. Pp. 103922. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103922

8. Bates S., Morrison D.S. Modelling the behaviour of stratified liquid natural gas in storage tanks: A study of the rollover phenomenon // International journal of Heat and Mass Transfer. 1997. Vol. 40. Issue 8. Pp. 1875–1884. DOI: 10.1016/S0017-9310(96)00218-9

9. Gorieu O., Uznanski D., DuPont P. How to operate LNG terminals with flexibility/safety despite the diversification of unloaded LNG qualities // 14th International Conference and Exhibition of Liquid Natural Gas. 2004. Pp. 1–10.

10. Li Y., Li Z., Wang W. Simulating on rollover phenomenon in LNG storage tanks and determination of the rollover threshold // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015. Vol. 37. Pp. 132–142. DOI: 10.1016/j.jlp.2015.07.007

11. Baker N., Greed M. Stratification and rollover in liquefied natural gas storage tank // Process Safety and Environmental Protection. 1996. Vol. 74 (B1). Pp. 25–30.

12. Wang Z., Sharafian A., Merida W. Thermal stratification and rollover phenomena in liquefied natural gas tanks // Energy. 2021. Vol. 238. P. 121994. DOI: 10.1016/j.energy.2021.121994

13. Perez F., Saif Z.S., Al Ghafn, Gallagher L., Siahvashi A., Yoghee Ryu et al. Measurements of boil-off gas and stratification in cryogenic liquid nitrogen with implications for the storage and transport of liquefied natural gas // Energy. 2021. Vol. 222. P. 119853. DOI: 10.1016/j.energy.2021.119853

14. Люгай Д.В., Сафонов В.С. Обоснование возможных сценариев и оценка последствий утечек сжиженного природного газа при аварийных нарушениях герметичности грузовых емкостей танкеров // Вести газовой науки. 2018. № 2 (34). С. 166–176. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35311625

15. Сафонов В.С. Об особенностях эффекта быстрого фазового перехода при аварийных разливах СПГ на водной поверхности // Вести газовой науки. Научно-технический сборник. 2018. № 4 (36). С. 105–114. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37057115

16. McRaf T.G., Goldwire H.C., Koopman R.P. Analysis of large scale LNG/water RPT explosions. Livermore : LLNL, 1984. UCRL 91832.

17. McRaf T.G. Preliminary analysis of RPT explosions observed in the LLNL/NWC LNG spill tests. Livermore : LLNL, 1982. UCRL 87564.

18. Ermak D.L., Koopman R.P., McRaf T.G. et al. LNG spill experiments: Dispersion, RPT and vapor burn analysis // Proceedings of the American Gas Association Section. Washington, 1982. Pp. T203–T209.

19. Ermak D.L., Koopman R.P. Results of 40 m3 LNG spill onto water // Heavy gas and risk assessment. II: Proceedings of the Second Symposium on Heavy Gas and Risk Assessment. Frankfurt am Mine, May 25–26, 1982. 1982. Pp. 163–179.

20. Morgan D.L., McRaf T.G., Goldwire H.C. et al. Dispersion phenomenology of LNG vapor in the BURRO and COYOTE LNG spill experiments. Livermore : LLNL, 1987. UCRL 91741.

21. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М. : Мир, 1989. 671 с.

22. Bubbico R., Salzano E. Acoustic analysis of blast waves produced by rapid phase transition of LNG released on water // Safety Science. 2009. Vol. 47. Pp. 515–521.

23. Luketa-Hanlin A. A review of large-scale LNG spills: Experiments and modeling // Journal of Hazardous Materials. 2006. Vol. 132. Pp. 119–140.

24. Horvat A. CFD methodology for simulation of LNG spills and rapid phase transition (RPT) // Process Safety and Environmental Protection. 2018. Vol. 120. Pp. 358–369. DOI:10.1016/j.psep.2018.09.025