Анализ проектируемого водородного ожижителя с точки зрения безопасности эксплуатации

Анализ проектируемого водородного ожижителя с точки зрения безопасности эксплуатации.
При проектировании любого оборудования необходимо уделять большое внимание вопросам надежности оборудования, безопасности эксплуатации, обеспечению охраны труда обслуживающего персонала и охраны окружающей среды.

Криогенное оборудование имеет некоторые особенности, такие как возможность утечек газов, взрывоопасность и другие, которые необходимо учитывать для предотвращения впоследствии несчастных случаев.

При работе водородного ожижителя обслуживающему персоналу приходится иметь дело с ожиженным газом (водородом), имеющим очень низкую температуру, аппаратами и баллонами, находящимися под высоким давлением (до 15 МПа), различными движущимися частями машин и механизмов, электрическими машинами и приборами.

Вышеперечисленные факторы требуют рассмотрения проектируемой установки с точки зрения безопасности эксплуатации, зависящей от следующих факторов:

Утечка газа и связанная с этим загазованность окружающей среды.
Обращение с криопродуктом.
Взрывоопасность.
Электробезопасность.
Производственное освещение.
Шум и вибрация.

Для обеспечения безопасности эксплуатации проектируемого ожижителя установка снабжена контрольными и измерительными приборами, а также защитными устройствами.

Для обеспечения эффективности работы обслуживающего персонала предусматривается создание на рабочих местах микроклимата с параметрами в закрытом помещении (при легком характере работ) по ГОСТ 12.1.005-88:

температура воздуха 18-21С при температуре наружного воздуха ниже 10С и 22-25С в теплое время года;
скорость движения воздуха не более 0.2 м/с в холодный период и не более 0.3 м/с в теплый период.

Утечка газа и связанная с этим загазованность окружающей среды.

Используемое в установке рабочее тело водород не токсичен в любом агрегатном состоянии, однако при разгерметизации системы произойдет его утечка в атмосферу помещения, что может снизить содержание кислорода в воздухе закрытого помещения и вызвать удушье. Минимально допустимое для дыхания массовое содержание кислорода в воздухе 16 %. При снижении парциального давления кислорода в легких, возникает кислородное голодание, которое вызывает ряд неприятных ощущений, а при большой длительности приводит к обмороку и смерти человека. Для предотвращения этого необходимо перед началом смены проверить концентрацию водорода в воздухе.

В случае падения концентрации кислорода ниже 18% помещение проветривают (немедленно приводится в действие вытяжная вентиляция), установка останавливается с дальнейшим выяснением и устранением причин утечек.

В проектируемой установке приняты специальные меры по предотвращению загазованности окружающей среды:

все соединения по возможности выполняются сварными или паяными;
количество соединений трубопроводов сводится к минимуму;
проведение при контроле сосудов с газом и другой арматуры испытания на герметичность с помощью течеискателя методом щупа.

Обращение с жидкостями, находящимися при криогенных температурах.

В процессе эксплуатации ожижителя водорода необходимо принять все меры предосторожности при работе с криопродуктами, так как при попадании криогенной жидкости на кожный покров человека и при случайном прикосновении к холодной части машины неизбежно обмораживание пораженных частей тела.

Чтобы избежать обмораживания, в установке предусмотрены защитные кожухи на турбодетандеры, теплоизоляция трубопроводов и теплообменников.

При непосредственном обращении с криогенными жидкостями обслуживающий персонал обязан работать инструментом, изготовленным из материалов с низким коэффициентом теплопередачи (например, аустенитные нержавеющие стали, сохраняющие необходимые механические свойства при температуре жидкого водорода).

В случае демонтажа оборудования обязателен его отогрев теплым водородом, а также необходимо убедиться в том, что отогрев прошел полностью.

Взрывоопасность.

Это самый важный вопрос в охране труда при функционировании водородного ожижителя.

Экспериментальными исследованиями установлено, что детонирование смеси водород - воздух в свободном пространстве возможно только при условии, если обеспечен соответствующий состав реагирующей смеси и имеется достаточно сильный источник ударной волны. Даже искра далеко не всегда вызывает взрыв смеси.

В проектируемом ожижителе находится небольшое количество жидкого водорода. Поэтому, чтобы при утечке газа в процессе эксплуатации установки не возникала опасность возгорания или детонирования водорода, достаточно разместить установку в изолированном, хорошо вентилируемом помещении (кратность воздухообмена 15), куда на время испытания закрыт доступ персонала.

При проектировании настоящего ожижителя во избежание накопления в установке больших количеств кислорода предусматривается тщательная очистка водорода от кислорода и углеводородов. В установке устанавливаются блоки очистки. Все коммуникации с водородом находятся под избыточным давлением водорода, во избежание проникновения в установку атмосферного воздуха, и тщательно герметизируется.

Кроме того предусмотрена световая и звуковая сигнализация наличия опасных концентраций с автоматическим открытием вентиляционного фонаря и включением аварийных вентиляторов.

Также очень важно избегать инициирующих эффектов, электрооборудование установки выполняется во взрывобезопасном исполнении, а если нет возможности использовать такое оборудование, то применяют обычное оборудование с обязательным наддувом в его кожух инертного газа. При невозможности наддува оборудование выносится из опасной зоны.

При работе на установке, ремонте без останова процесса ожижения необходимо пользоваться только инструментом, исключающим искрообразование. Не рекомендуется ношение на рабочих местах белья из нейлона, терилена и обуви на резиновой подошве, так как они способны накапливать заряды статического электричества.

Наличие газов при высоком давлении и жидкостей при криогенных температурах также приводит к опасности возникновения взрыва. При этом существует два фактора, вредно или смертельно влияющих на человека при взрыве:

фугасно-осколочное давление;
выброс больших объемов водорода в помещение, что приводит к удушению.

Основные причины, приводящие к взрыву и меры борьбы с ними:

1. Резкое повышение давления в системе.
Оно может присходить в следующих случаях:

- при случайном закрытии вентилей аппаратуры;

при закупорке арматуры прямого и обратного потоков;
при выходе установки на нерасчетный режим;
при внезапном и резком вскипании криопродукта.

Для предотвращения резкого повышения давления в установке предусмотрены следующие меры:

На трубопроводах компрессора установлены предохранительные клапаны, срабатывающие при превышении давления в линии нагнетания максимально допустимого значения (для используемого компрессора - 3 МПа) и перепускающие газ в ресивер. Все ручные запорно-регулирующие вентили снабжены бирками, объясняющими их назначение.
Для предотвращения забивки арматуры (замерзший СО2, Н2О, воздух) перед пуском установки необходимо произвести осушку и продувку ожижителя сжатым водородом.

Отдельно стоит отметить, что проектируемая установка снабжена высокоэффективной системой криогенной очистки водорода.

Для предотвращения выхода установки на нерасчетный режим предусмотрено снабжение аппаратов контрольными приборами, регулирующими и запорными вентилями, работающими в автоматизированном режиме. Все основные показания приборов выводятся на пульт управления, на котором также устанавливается сигнализация, извещающая о нарушениях в работе ожижителя.

Для предотвращения теплопритоков к емкостям, содержащим криогенные жидкости (в проектируемой установке это ванна с жидким водородом и сборник жидкого водорода), которые могут вызвать вскипание, указанные емкости размещены в блоке ожижения, защищенном экранно-вакуумной изоляцией.

Некачественное изготовление элементов системы.

Все аппараты системы, работающие под давлением, проходят испытания на герметичность и прочность. Испытания на герметичность проводят водородом, подаваемым в аппарат под рабочим давлением

(1.9 МПа). Контроль утечек производят с помощью течеискателя методом “щупа”. Утечки не допускаются. Испытываемые аппараты охлаждают до температуры жидкого водорода (20К), отогревают до t=20С и повторяют испытания на герметичность. При появлении утечек аппарат забраковывается.

Испытания на прочность проводятся в течении 10 минут подачей в аппарат водорода при давлении 2.5 МПа. Если после испытаний аппарат не имеет видимых повреждений, его вновь подвергают испытанию на герметичность.

4. Пожароопасность.
Жидкий водород является менее опасным в обращении веществом, чем углеводородные горючие пропан или бензин. Относительная безопасность водорода следует из двух характерных его особенностей:

вследствие весьма низкой теплоты испарения и плотности

жидкий водород испаряется и рассеивается в атмосфере с

большой скоростью, что снижает опасность его воспламенения.

при воспламенении водорода влияние пламени на окружающие

предметы незначительно вследствии низкой его излучающей

способности.

Высокая пожароопасность водорода объясняется его способностью легко вступать в химическое взаимодействие с окислителями, что сопровождается выделением большого количества тепла. Реакции взаимодействия водорода с окислителями, как правило, требуют для своего инициирования лишь незначительного теплового импульса. Водород, например, реагирует с кислородом с выделением 302,5 МДж на 1 кмоль образующейся воды, а энергия воспламенения его составляет в среднем только 10% от энергии воспламенения углеводородов.

Пределы воспламенения водорода в воздухе находятся между 4 и 75 % объемн. Н₂, что гораздо шире концентрационных пределов для большинства других горючих. Значения нижнего и верхнего пределов детонирования смесей водорода с воздухом составляют 18,3 и 74 % объемн. H₂.

Температура воспламенения водорода в воздухе равна приблизительно 580C, в то время как температуры воспламенения большинства углеводородов находятся в пределах от 205 до 315C.

Скорость распространения водородного пламени гораздо больше, чем для любого другого горючего. Если для сравнения взять расстояние угасания пламени, определяемое как предельное расстояние между двумя параллельными плоскостями, преодолеваемое пламенем без его угасания, то окажется, что для пламени водорода оно является максимальным.

При возгорании больших количеств водорода расстояние 55 м является достаточным для предотвращения серьезных термических травм (ожогов II степени) в любых условиях.

Опасности пожаров при обращении с водородом возникают в результате:

- аварийных проливов больших количеств жидкого водорода;

- загрязнения его окислителями;

- утечек из-за неполадок в деталях арматуры и узлах технологического

и специального оборудования;

- электропроводки.
При эксплуатации ожижителя необходимо принимать меры предосторожности с целью предотвращения возгорания. Не допускается возникновение утечек горюче-смазочных материалов (ГСМ). ГСМ хранятся в закрытых металлических емкостях в специальных помещениях.

Электропроводка обязательно обеспечена заземлением в двух крайних противоположных местах методом приварки шин из полосовой стали. Все электроприборы защищены автоматическим отключением при возможном обрыве фазы.

Водородный ожижитель следует размещать в помещении категории D (негорючие вещества и материалы в холодном состоянии), согласно нормам пожарной безопасности НПБ 105-95 от 01.01.96 г. и соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.010-76 “Взрывобезопасность” и ГОСТ 12.1.004-91, ГОСТ 12.1.033-81 “Пожарная безопасность”. При этом обязательно наличие специальных дорог, удобных подъездов, водопроводов, сигнализации, связи, первичных пунктов пожаротушения.
5. Электробезопасность.

Основным потребителем электроэнергии в установке является двигатель компрессора. В целях защиты персонала от поражения электрическим током в установке предусмотрено:

- защита от внезапного повышения силы тока на всех линиях,

работающих при высоких напряжениях. Для этого ставятся

плавкие предохранители, сечение проволоки которых

рассчитывается для максимально допустимой силы тока;

токоведущие части распределительных устройств, щитов

управления расположены за сплошными ограждениями,

выполненными по возможности из токонепроводящих

материалов;

электродвигатель компрессора выполнен встроенным в

компрессор, токопроводящие части изолированы;

корпус компрессора заземлен.

Расчет защитного заземления корпуса компрессора.

Приняты размеры заземления: h=80см

b=1.4см

l=230см

d=5.5см

а=600см

Расчет.

Сопротивление заземлителя:

R=*(ln(2*l/d)+0.5*ln((4*h+l)/(4*h-l))/2**l

Должны выполняться следующие условия:

а) l > d 230 > 5.5 – выполняется

б) 4*h/l <2 1.39 < 2 – выполняется

 - удельное сопротивление почвы, принято: почва–песок, =5*10 Ом*см

Следовательно, R=185 Ом
С учетом сезонных колебаний почвы:

R_тр.=R*с,

Где _с - коэффициент сезонности, _с=1.2, тогда R_тр.=222 Ом

Необходимое число труб-заземлителей с учетом экранирования:

n*_э.тр.=R_тр./R₃, где

_э.тр. – коэффициент экранирования, _э.тр.  1.0,

R₃ – сопротивление защитного заземления, R₃=4 Ом.

Тогда, n*_э.тр.=55.5

Трубы расположены по контуру a=600 см.

Коэффициент _э.тр. из графика _э.тр.=0.6

Следовательно, количество трубок n=55.5/0.6=93.

Длина полосы соединяющей трубки:

L= 1.05*а*n=1.05*600*93=58700 см.

Сопротивление растеканию тока полосы:

Необходимо, чтобы выполнялось условие L/2*h > 2.5

58700/2*80=366 > 2.5

Поэтому:

R=10.85 Ом
С учетом сезонных колебаний:

R_пол.=R*_с=10.85*1.2=13.02 Ом

Результирующее сопротивление растеканию потока всего заземлителя:

R₃=1/(_э.пол./R_пол.+n*_э.тр./R_тр.), где

_э.пол. – коэффициент, учитывающий взаимное экранирование полос и труб.
Для a/l=600/230=2.6 _э.пол.=0.25

Тогда, R₃=1/(0.25/13.02+93*0.6/222)=3.7 Ом

По нормам требуется не более 4 Ом.
Следовательно, заземление будет работать нормально.
Для исключения случаев поражения током слудет осуществить квалифицированный монтаж электрооборудования по ГОСТ 12.1.038-86 (“Электробезопасность: предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов”), вести периодическое наблюдение за его исправностью и целостностью изоляции токопроводящих элементов.

Ремонтные работы в установке должны проводиться только при полном отключении электричества.

6. Производственное освещение.
Недостаточное освещение рабочих мест снижает качество труда, приводит к утомлению зрения, уменьшает работоспособность, ухудшает самочувствие, может стать причиной несчастного случая. Производственное освещение должно удовлетворять следующим требованиям:

должно отвечать оптимальным условиям работы;
должно быть экономичным.

Согласно специфике работы водородного ожижителя устанавливается комбинированное освещение: общее и местное.

Освещение регламентируется СНиП 2А-9-88. Световые приборы устанавливаются так, чтобы не слепить обслуживающий персонал прямым и отраженным светом. Освещение должно быть равномерным (отсутствие теней, блесткости).

Согласно СНиП 2А-9-88 общее освещение должно быть 500 люкс, непосредственно на рабочих местах – 1500 люкс (например, на рабочем месте оператора).

Шум и вибрация.

Так как в установке используются машины и аппараты с движущимися частями, неизбежно возникновение шумов и вибрации. Шум и вибрация оказывают вредное влияние на здоровье человека.

По отношению к вибрации.

Допустимые значения и методы оценки гигиенических характеристик вибраций регламентируются в соответствии с ГОСТ 12.1.012-83, ГОСТ 26568-85.

По данному стандарту воздействие вибрации на оператора установки относится к категории 3В, так как главный источник вибраций – блок компрессорных агрегатов, - вынесен в отдельное помещение.

По отношению к шуму.

Общие требования безопасности по шуму регламентируются в соответствии с ГОСТ 12.1.003-88.

В соответствии с ГОСТ 12.1.003-88 уровень звукового давления:
L_р=20*lg(Р/Р₀), где

Р – среднее квадратичное значение звукового давления, Па;

Р₀=2*10^-5 Па – исходное значение звукового давления в воздухе.
Допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот для выполнения высококвалифицированной работы, требующей сосредоточенности, административно-управленческой деятельности, в рабочих комнатах конструкторских помещений и лабораторий не должны превышать предельных спектра ПС-80 (значения в таблице даны для постоянных рабочих мест и рабочих зон в производственных помещениях и на территории предприятия):

Среднегеометрич.

частота f, Гц

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

L_р, Дб

100

93

87

82

80

78

75

73

Основными источниками шума в ожижителе являются компрессор и детандеры.

Уровень шума вызываемого в процессе работы компрессором, который используется в проектируемой установке, достигает 60 Дб при частоте 1000 Гц.

Уровень шума в детандерном агрегате достигает 50 Дб при частоте 2000 Гц.

Вывод: таким образом, проведение мероприятий и соблюдение норм при

монтаже, эксплуатации и ремонте водородного ожижителя

обеспечивают требования по охране труда.
Экологическая безопасность.
Так как рабочим агентом является водород (инертен, нетоксичен), то загрязнения окружающей среды произойти не может. Для защиты воздуха от масляных примесей применяются наиболее стойкие масла К-28, П-28 и влагомаслоотделяющие фильтры.

Вывод: с точки зрения охраны окружающей среды, установка не оказывает

неблагоприятного воздействия на окружающую среду.

Расчет медных трубок на прочность.

В трубах под действием внутреннего давления могут возникать пластические разрушения и коробление. Критическое давление, при котором возникает коробление, задается выражением:

Р_кр.=(2*Е/(1-²))*(t/d)³, где
Е =11.8110¹⁰ Па – модуль упругости для меди;

=0.3;

d=0.004 м – внутренний диаметр трубки;

t=0.0002 м – толщина стенки трубки.

Р_кр.=(2*11.8*10¹⁰/(1-0.3²))*(0.0002/0.004)³

Р_кр.=0.060*10⁸ Па

Коэффициент запаса по прочности:

n= Р_кр/ Р_изб.=0.060*10⁸/2.7*10⁵n=22, что вполне удовлетворяет условиям

прочности.

Расчет на прочность стальной цилиндрической обечайки, нагруженной

внутренним избыточным давлением.

Эскиз обечайки.

Выражение напряжения, обусловленного давлением, имеет вид:

_=Р*R/S, где
Р=0.16*10⁶ Па – внутреннее избыточное давление;

R=1 м – радиус сосуда;

D=2*R=2 м – диаметр обечайки;

S=0.01 – толщина стенки сосуда.

_=0.06*10⁶*1/0.01=6*10⁶ Па
Для стали [_]=185*10⁶ Па – допускаемое напряжение.
Тогда, коэффициент запаса по прочности:
n=[_]/_=185*10⁶/6*10⁶=30.8, что полностью удовлетворяет

условиям прочности.
Для предотвращения разрыва сосуда от большого внутреннего избыточного давления на фланце установки устанавливается предохранительная мембрана, срывающаяся при резком увеличении давления. Эта мера предосторожности обеспечивает стравливание газообразного водорода из сосуда в атмосферу помещения, где располагается установка. Внутреннее давление в свою очередь измеряется манометром, установленным на том же фланце, и в случае резкого повышения давления (на 25 %) на автоматический блок управления передается управляющее воздействие, результатом которого служит включение системы вентиляции помещения, чтобы предотвратить воспламенение или детонацию водорода.
Расчет предохранительной мембраны.

Площадь поверхности установки:

F = D²/4 + DH = 3.141/4 + 3.140.52 =3.925 м2 ;

D = 0.5 м ; H = 2 м.

По экспериментальным данным плотность теплового потока составляет: q = 9429 кДж/м²ч , следовательно, общий теплоприток через площадь поверхности установки составит:
Q_общ. = qF = 94293.925 = 37 кДж/ч.
Расход жидкого водорода при испарении в случае разрушения изоляции криостата:
G = q_общ./r = 37000/442 = 83.71 кг/ч ;

r = 442 кДж/кг - удельная теплота испарения жидкого водорода.

Пропускная способность мембраны:
G=B₃**F*((P_c+1)*)^1/2

B3 = 0.77 ;

 = 0.83 - коэффициент отверстия;

 = 48.54 кг/м³ - плотность водорода перед мембраной;

F - площадь сечения мембраны;

P_c = 190 атм - давление срабатывания.

F=G/( B₃**F*((P_c+1)*)^1/2)

F=83.71/(0.77*0.83*3.925*((19*10⁶+1)*48.54)^1/2

F = 1.36 мм² .
Диаметр мембраны:
d_min=(4*F/)

d_min = 1.32 мм.

Принято, диаметр мембраны D = 10 мм = 1 см.
Толщина мембраны:
h=(P_c*D)/(k*_в), где k = 3.2 - коэффициент материала;

_в=550 Гс/см2 - предельное напряжение материала мембраны (медь).

h=(19*10⁶*1)/(3.2*550);

h = 0.1 см = 1 мм.