СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРА В ЗАМКНУТЫХ ЕМКОСТЯХ И ТРУБОПРОВОДАХ И КРИОГЕННЫЙ ТРУБОПРОВОД Российский патент 1998 года по МПК A62C2/00 A62C3/00 

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано для защиты оборудования, в котором в качестве рабочего используется водородсодержащий продукт.

Известен способ предупреждения пожара в замкнутых емкостях, содержащих углеводородные топлива, включающий создание с помощью инертных газов атмосферы, не поддерживающей горение, с подачей инертного газа непосредственно в углеводородное топливо [1]. Недостаток такого способа заключается в его низкой эффективности вследствие сложности непосредственной подачи инертного газа вместо возможной негерметичности технологической системы. Кроме того, применение данного способа предусматривает обязательное присутствие системы, сигнализирующей о негерметичности или начале пожара.

Известен способ предупреждения и тушения пожара в замкнутых емкостях и трубопроводах, включающий создание в месте негерметичности с помощью инертных газов атмосферы, не поддерживающей горение, подачу инертного газа перед началом основного технологического процесса под рабочим давлением в пространстве между защищаемым объектом и герметичным кожухом, полностью охватывающим его, контроль за моментом повышения расхода газа в процессе работы и прекращение основного технологического процесса в данном объекте в случае повышения расхода газа [2]. Недостаток данного способа, а также описанного в заявке устройства состоит в том, что сигнал о разрушении объекта и прекращении технологического процесса происходит в том числе и при разрушении кожуха объекта, хотя в этом случае пожароопасность возрастает незначительно. Кроме того, в том случае, если защищаемый объект - протяженный трубопровод, недостатком является отсутствие дистанционной локализации места негерметичности на аварийном участке с целью принятия дальнейших мер по предупреждению возможности пожара.

Наиболее близким по технической сущности изобретения является способ предупреждения и тушения пожара в замкнутых емкостях и трубопроводах, заключающийся в том, что перед началом технологического процесса инертный газ подается с одинаковым расходом в разделенные диафрагмами участки (секции) пространства между кожухом и трубопроводом или емкостью, повышение расхода инертного газа на одном из участков коллектора является указателем места негерметичности [3]. Недостатком данного способа является возможность выдачи сигнала предупреждения о пожаре и прекращение основного технологического процесса в замкнутом объекте при разрушении кожуха, а также необходимость использования инертного газа для предупреждения пожара.

Кроме того, способ [3] имеет ограничения в области применения: он не может использоваться, когда пространство между объектом и кожухом отвакуумировано, что встречается довольно часто в подобных объектах, например, при хранении и транспортировке криогенных жидкостей.

Целью изобретения является повышение эффективности предупреждения пожара при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости, расширение области применения способа, а также повышение взрывобезопасности и эксплуатационной надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе предупреждения пожара в замкнутых емкостях и трубопроводах, включающем контроль загазованности рабочим продуктом защитной полости между объектом и кожухом, полностью охватывающим его, во время основного технологического процесса в объекте, согласно изобретению, при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости в защитной полости емкости или трубопровода проводят постоянный автоматический контроль за величиной потока водородсодержащей газифицирующей среды, поступающего в защитную полость, в результате негерметичности собственно емкости или трубопровода путем осуществления химического взаимодействия химически активного вещества с водородсодержащей средой, прекращение основного технологического процесса производится при повышении величины концентрации водородсодержащей среды в защитной полости.

Сущность изобретения заключается в проведении автоматического контроля во время основного технологического процесса, в защитной полости емкости или трубопровода, за величиной потока водородсодержащей газифицирующейся среды, поступающего в нее в результате негерметичности собственно емкости или трубопровода, путем осуществления химического взаимодействия химически активного вещества с водородсодержащей средой, и прекращении основного технологического процесса при повышении величины концентрации водородсодержащей среды в защитной полости до порогового значения.

Сопоставительный анализ заявленного решения и прототипа показывает следующее.

Предложенный способ предупреждения пожара в замкнутых емкостях в трубопроводах отличается от известного тем, что он позволяет проводить вмешательство в технологический процесс со стороны системы автоматического контроля за пожаробезопасностью объекта лишь в случае повреждения собственно емкости или трубопровода с продуктом, а не при разрушении кожуха.

Причем, автоматический контроль производится в защитной полости путем осуществления химического взаимодействия активного вещества с водородсодержащей средой при пороговом значении величины утечки водородсодержащей среды. При этом, при повреждении кожуха химической реакции активного вещества с натекающим воздухом не происходит в связи с малой концентрацией водорода в атмосфере: менее 10% (по объему) (Физическая энциклопедия./ Под ред. Прохорова А. М. - М.: Советская энциклопедия, т. 1, 1988, с. 297). Это позволяет избежать временных потерь при осуществлении основного технологического процесса и повысить эффективность контроля, а также расширить область применения способа. Все эти факторы обеспечивают повышение эффективности предупреждения пожара при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости.

Таким образом, заявленный способ предупреждения пожара в замкнутых емкостях и трубопроводах соответствует критерию "новизна".

При анализе известных технических решений не обнаружены признаки, сходные с признаками отличительной части формулы изобретения. На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен трубопровод, содержащий собственно трубопровод 1, наружный кожух 2, секции 3, исполнительные механизмы 4. В нижней секции 3 размещено химически активное с водородсодержащей средой вещество, расположенное в датчиках 5. Датчики 5 связаны с регистрирующей системой 6, регистрирующая система 6 связана с системой управления 7. Система управления 7 связана с исполнительными механизмами 4.

Пример осуществления способа. При хранении или транспортировке водородсодержащей жидкости в замкнутых емкостях или трубопроводах в защитной полости емкости или трубопровода проводят постоянный автоматический контроль за величиной потока водородсодержащей газифицирующей среды, поступающей в нее в результате негерметичности собственно емкости или трубопровода. Контроль загазованности рабочим продуктом защитной полости проводят путем осуществления химического взаимодействия химически активного вещества с газифицирующейся водородсодержащей средой. При использовании в качестве химически активного вещества интерметаллида реализуется обратимая реакция с эндо- и экзотермическим эффектом
M + 1/2 H₂ <---> MH + Q,
где
M - металл (сплав);
H₂ - водород;;
MH - металлогидрид;
Q - тепло.

Наиболее эффективным, с точки зрения получения максимального теплового эффекта, интерметаллидом является сплав с тепловым эффектом реакции 72,85 Дж/моль H₂. При использовании в качестве активного вещества вакуумного химического поглотителя водорода реализуется необратимая химическая реакция с экзотермическим эффектом.

MeO_n + H_n = MeO_n-1 + H₂O + Q.

Наиболее эффективным, с точки зрения получения максимального теплового эффекта, и относительной дешевизны является каталитический вакуумный химический поглотитель водорода диоксид марганца палладированный
MnO₂ + H₂ = H₂O + MnO + Q
MnO + H₂ = H₂O + Mn + Q
При появлении в защитной полости (в секциях 3, фиг. 1) емкости или трубопровода 1 потока водородсодержащей газифицирующейся среды, поступающего в нее в результате негерметичности собственно емкости или трубопровода 1, внутри патрона с перфорированными стенками реализуется химическая реакция по одному из перечисленных типов с выделением или поглощением тепла (датчики 5). Электрический сигнал от датчиков 5 поступает на регистрирующую систему 6. С регистрирующей системы 6 электрический сигнал поступает на систему управления 7. Система управления 7 в случае появления порогового сигнала дает команду исполнительным механизмам 4 на прекращение технологического процесса.

Таким образом, предлагаемый способ предупреждения пожара в замкнутых емкостях и трубопроводах позволяет повысить эффективность предупреждения пожара при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости. Способ позволяет проводить вмешательство в основной технологический процесс со стороны системы автоматического контроля за пожаробезопасностью объекта лишь в случае повреждения собственно емкости или трубопровода с продуктом, а не при разрушении кожуха. Кроме того, способ применим, когда пространство между объектом и кожухом отвакуумировано, что встречается при хранении и транспортировке криогенных жидкостей.

Известно устройство - криогенный трубопровод, образованный собственно трубопроводом и охватывающим его кожухом, пространство между которыми вакуумировано с помощью адсорбента, размещенного в трубчатых патронах и установленных на собственно трубопроводе (авт. св. СССР N 494556, кл. F 16 L 9/18, 1973). Криогенный трубопровод обеспечивает транспортировку криогенных жидкостей с минимальными потерями. Недостатком данного устройства является отсутствие системы контроля за безопасностью технологического процесса и оперативного вмешательства системы управления в технологический процесс для предотвращения аварийной ситуации при разгерметизации собственно трубопровода.

Наиболее близким по технической сущности (аналогом) является устройство для предупреждения и тушения пожара в замкнутых емкостях в трубопроводах, содержащее трубопровод, ограниченный с двух сторон исполнительными механизмами, охватывающий его кожух, коллектор подачи инертного газа, причем в пространстве между кожухом и трубопроводом установлены на некотором расстоянии одна от другой диафрагмы, герметично разделяющие пространство на отдельные участки. При этом каждый участок между диафрагмами соединен с коллектором посредством магистралей инертного газа с установленными на них клапанами, а в коллекторе инертного газа установлены расходомеры [3]. Устройство обеспечивает контроль и оперативное вмешательство системы управления в технологический процесс. Недостатком данного устройства является возможность выдачи сигнала предупреждения о пожаре и прекращение основного технологического процесса в замкнутом объекте при разрушении кожуха, что не всегда целесообразно. Кроме того, устройство не может быть использовано, когда пространство между кожухом и собственно трубопроводом отвакуумировано.

К недостаткам следует отнести также необходимость использования инертного газа для предупреждения пожара.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса предупреждения пожара при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости, повышение взрывобезопасности и эксплуатационной надежности, а также расширение области применения устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известном криогенном трубопроводе, содержащем собственно трубопровод, охватывающий его кожух, пространство между которыми разделено на секции, и запорные клапаны с системой управления, согласно изобретению, секции снабжены средствами поддержания вакуума и в каждой из них закреплен кронштейн, на котором через теплоизолирующую прокладку установлен патрон с перфорированными стенками, внутри патрона размещен термодатчик, при этом пространство в патроне между термодатчиком и перфорированными стенками заполнено химически активным веществом, выделяющим или поглощающим тепловую энергию при взаимодействии с водородсодержащей средой, а термодатчик связан с системой управления запорными клапанами.

Кроме того, в качестве химически активного вещества применен интерметаллид, например Mg₂Cu с тепловым эффектом реакции 72,85 Дж/моль H₂, а в патроне с перфорированными стенками в химически активном веществе размещен нагреватель. Кроме того, в качестве химически активного вещества использован вакуумный химический поглотитель водорода, например, диоксид марганца палладированный. При этом химически активное вещество изготовлено в виде гранул.

Сущность изобретения заключается в том, что секции снабжены средствами поддержания вакуума, и в каждой из них закреплен кронштейн, на котором через теплоизолирующую прокладку установлен патрон с перфорированными стенками, внутри патрона размещен термодатчик, при этом пространство в патроне между термодатчиком и перфорированными стенками заполнено химически активным веществом, выделяющим или поглощающим тепловую энергию при взаимодействии с водородсодержащей средой, а термодатчик связан с системой управления запорными клапанами.

Сопоставительный анализ заявленного решения и прототипа позволяет сделать вывод, что заявленный криогенный трубопровод отличается тем, что секции снабжены средствами поддержания вакуума и в каждой из них закреплен кронштейн, на котором через теплоизолирующую прокладку установлен патрон с перфорированными стенками, внутри патрона размещен термодатчик, при этом пространство в патроне между термодатчиком и перфорированными стенками заполнено химически активным веществом, выделяющим или поглощающим тепловую энергию при взаимодействии с водородсодержащей средой, а термодатчик связан с системой управления запорными клапанами. При этом в качестве химически активного вещества применен интерметаллид, например Mg₂Cu с тепловым эффектом реакции 72,85 Дж/моль H₂, а в патроне с перфорированными стенками в химически активном веществе размещен нагреватель. Кроме того, в качестве химически активного вещества использован вакуумный химический поглотитель водорода, например, диоксид марганца палладированный. Кроме того, химически активное вещество изготовлено в виде гранул. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

При анализе известных технических решений не обнаружены признаки, сходные с признаками отличительной части формулы изобретения. На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 2 представлен криогенный трубопровод, содержащий собственно трубопровод 1, ограниченный с двух сторон исполнительными механизмами 2 и 3, охватывающий трубопровод 1 кожух 4. Между кожухом 4 и трубопроводом 1 размещены диафрагмы 5, установленные на некотором расстоянии одна от другой, и герметично разделяющие пространство на отдельные секции 6. В каждой секции 6 на собственно трубопроводе 1 закреплен кронштейн 7. Кронштейн 7 выполнен из материала с низким коэффициентом теплопроводности. На кронштейне 7 через теплоизолирующую прокладку 8 установлен патрон 9 с перфорированными стенками 10, внутри патрона 9 размещен термодатчик 11. Пространство в патроне 9 между термодатчиком 11 и перфорированными стенками заполнено химически активным веществом 12, выделяющим или поглощающим тепловую энергию при взаимодействии с водородсодержащей средой. Термодатчик 11 связан с регистрирующей системой 13 и системой управления 14 исполнительными механизмами 2 и 3. В патроне 9 с перфорированными стенками 10 в химически активном веществе 12 размещен нагревательный элемент 15, связанный с блоком питания 16, размещенным вне конструкции трубопровода. Система управления 13 исполнительными механизмами 2 и 3 связана со стендом отображения информации 17. Собственно трубопровод 1 на участке между исполнительными механизмами 2 и 3 снабжен предохранительным клапаном 18. Химически активное вещество 12 при размещении в защитной полости между объектом и кожухом, функционирующей при атмосферном давлении или близком к нему, представляет собой интерметаллид, активно взаимодействующий с водородом, с проявлением эндо- или экзотермических эффектов, например, Mg₂Cu с тепловым эффектом реакции 72,85 Дж/моль H₂ (/Metal hydride heat pumps/ Altinisik Kemal, Vezirogly T. Nejat//Jnt. I. Energy Res. 1991, 15, N 7, с. 549 - 560).

В конструкциях замкнутых емкостей и трубопроводов, имеющих в защитной полости между объектом и кожухом вакуум, в качестве химически активного вещества 12 может быть применен вакуумный химический поглотитель водорода, также активно взаимодействующий с водородом с проявлением эндо- или (Каталитический поглотитель водорода диоксид марганца палладированный (ДМП) ТУ 6-09-5517-88) экзотермических эффектов, например, диоксид марганца палладированный. Для обеспечения условий оптимального массообмена между газифицирующейся водородсодержащей средой и химически активным веществом последнее изготовлено в виде гранул.

Тепло, выделенное или поглощенное в результате химической реакции химически активного вещества с водородсодержащей средой внутри патрона с перфорированными стенками, преобразуется термодатчиком 11 в электрический сигнал и передается регистрирующей системе 13. Регистрирующая система 13 фиксирует величину принимаемого электрического сигнала, и в случае превышения заданного максимального значения подает сигнал "Негерметичность по водороду" в систему управления 14 исполнительными элементами 2 и 3, а также на стенд отображения информации 17 для предупреждения оператора о возникшей негерметичности в собственно трубопроводе с указанием участка повреждения, а также о срабатывании автоматической системы управления исполнительными механизмами 2 и 3. После прекращения подачи водородсодержащей среды по собственно трубопроводу на участке между исполнительными механизмами 2 и 3 может повышаться давление в трубопроводе 1 вследствие теплопритоков к транспортируемой среде (особенно для криогенных жидкостей). При достижении давления срабатывания предохранительного клапана 18, последний открывается и производится дренаж газифицирующейся водородсодержащей среды в систему дожигания. После проведения регламентных работ по восстановлению работоспособности трубопровода 1 проводят восстановление поглотительной способности интерметаллида путем включения системы регенерации интерметаллида, состоящей из блока питания 16 и нагревательного элемента 15. При этом происходит выделение водорода, поглощенного интерметаллидом во время аварийной ситуации, который откачивается из вакуумной полости вспомогательными средствами откачки. Интерметаллид после проведения цикла регенерации в течение определенного времени опять готов к использованию.

Патрон с вакуумным химическим поглотителем водорода, служащий для более раннего предупреждения о негерметичности, подлежит полной замене.

Таким образом, предлагаемый криогенный трубопровод позволяет повысить эффективность предупреждения пожара при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости и газов. Конструкция трубопровода позволяет проводить вмешательство в основной технологический процесс со стороны системы автоматического контроля за пожаробезопасностью объекта лишь в случае повреждения собственно емкости или трубопровода с продуктом, а не при разрушении кожуха. Устройство применимо и для транспортировки криогенных жидкостей, когда пространство между собственно трубопроводом и кожухом отвакуумировано. Предложенная конструкция криогенного трубопровода, включающая химические патроны с перфорированными стенками и термодатчики внутри этих патронов, позволяет повысить взрывобезопасность, эксплуатационную надежность и экономичность (за счет снижения вероятности ложных срабатываний системы контроля).

Использование: в противопожарной технике, для защиты оборудования, в котором в качестве рабочего агента используются водородсодержащие вещества. Способ включает контроль загазованности рабочим продуктом защитной полости между объектом и кожухом, полностью охватывающим его во время основного технологического процесса в объекте. При транспортировке и хранении водородсодержащей жидкости осуществляют постоянный автоматический контроль в защитной полости емкости или трубопровода за величиной потока водородсодержащей газифицирующейся среды, поступающего в нее в результате негерметичности собственно емкости или трубопровода, путем осуществления химического взаимодействия химически активного вещества с водородсодержащей средой, и прекращение основного технологического процесса при повышении величины концентрации водород-содержащей среды в защитной полости выше заданного уровня. Криогенный трубопровод содержит собственно трубопровод, охватывающий его кожух, пространство между которыми разделено на секции, и запорные клапаны с системой управления. Секции снабжены средствами поддержания вакуума и в каждой из них закреплен кронштейн, на котором через теплоизолирующую прокладку установлен патрон с перфорированными стенками. Внутри патрона размещен термодатчик, при этом пространство в патроне между термодатчиком и перфорированными стенками заполнено химически активным веществом, выделяющим или поглощающим тепловую энергию при взаимодействии с водородсодержащей средой, а термодатчик связан с системой управления запорными клапанами. Предлагаемая группа изобретений позволяет повысить эффективность предупреждения пожара при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости и газов. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ предупреждения пожара в замкнутых емкостях и трубопроводах, включающий контроль загазованности рабочим продуктом защитной полости между объектом и кожухом, полностью охватывающим его во время основного технологического процесса в объекте, отличающийся тем, что при хранении и транспортировке водородсодержащей жидкости в защитной полости емкости или трубопровода проводят постоянный автоматический контроль за величиной потока водородсодержащей газифицирующейся среды, поступающего в защитную полость в результате негерметичности собственно емкости или трубопровода, путем осуществления химического взаимодействия химически активного вещества с водородсодержащей средой, прекращение основного технологического процесса производится при повышении величины концентрации водородсодержащей среды в защитной полости. 2. Криогенный трубопровод, содержащий собственно трубопровод, охватывающий его кожух, пространство между которыми разделено на секции, и запорные клапаны с системой управления, отличающийся тем, что секции снабжены средствами поддержания вакуума и в каждой из них закреплен кронштейн, на котором через теплоизолирующую прокладку установлен патрон с перфорированными стенками, внутри патрона размещен термодатчик, при этом пространство в патроне между термодатчиком и перфорированными стенками заполнено химически активным веществом, выделяющим или поглощающим тепловую энергию при взаимодействии с водородсодержащей средой, а термодатчик связан с системой управления запорными клапанами. 3. Трубопровод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве химически активного вещества применен интерметаллид, например Mg₂Cu с тепловым эффектом реакции 72,85 Дж/моль H₂, а в патроне с перфорированными стенками в химически активном веществе размещен нагреватель. 4. Трубопровод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве химически активного вещества использован вакуумный химический поглотитель водорода, например диоксид марганца палладированный. 5. Трубопровод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что химически активное вещество изготовлено в виде гранул.