Podstawowym zadaniem układów oddechowych jest wyrównanie ciśnienia w zbiorniku względem ciśnienia zewnętrznego. Wspomniana różnica ciśnień jest następstwem procesu napełniania i opróżniania zbiornika, a także ogrzewania (parowanie produktu w zbiorniku) i ochładzania (kondensacja produktu w zbiorniku) jego ścian i dachu w wyniku działania warunków atmosferycznych. Przy produktach palnych układ oddechowy ma jeszcze jedno istotne zadanie – musi chronić atmosferę gazową w zbiorniku przed przedostaniem się płomienia. Jak zatem prawidłowo dobrać układ oddechowych z przerywaczem płomienia?

Ze względu na rozległy zakres wynikający z różnorodnej konstrukcji zbiorników występujących w przemyśle w niniejszym artykule skupimy się tylko na układach oddechowych dla bezciśnieniowych zbiorników podziemnych o osi poziomej.

Ochrona przed płomieniami

Z punktu widzenia obowiązujących przepisów ropę naftową i produkty ropopochodne (z wyjątkiem gazu ziemnego) dzielimy na trzy klasy, zestawione w tabeli 1.

Tab. 1. Podział ropy naftowej i produktów ropopochodnych na klasy w zależności od temperatury zapłonu

Powyższy podział wprowadza Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 listopada 2005 r. (Dz.U. Nr 243, poz. 2063), tj. z dnia 14 sierpnia 2014 r. (Dz.U. z 2014 r. poz. 1853) w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać bazy i stacje paliw płynnych, rurociągi przesyłowe dalekosiężne służące do transportu ropy naftowej i produktów naftowych i ich usytuowanie (zm. Dz.U. z 2017 r. poz. 282).

Rozporządzenie wskazuje, jaki typ zabezpieczeń należy zastosować dla danej klasy substancji magazynowanej w zbiorniku. Podsumowaniem wspomnianego rozporządzenia może być punkt 10 paragrafu 39, który mówi: Liczba zaworów oddechowych lub kominków wentylacyjnych, urządzeń zabezpieczających przed przedostawaniem się ognia do strefy gazowej zbiornika, ich parametry pracy i konstrukcje powinny być dostosowane do charakterystyki technicznej zbiornika, warunków eksploatacji, właściwości magazynowanego produktu, warunków klimatycznych oraz rodzaju spalania przewidywanego w ocenie ryzyka.

Przykładowo produktem klasy I będzie surowa ropa naftowa oraz benzyny silnikowe. Do produktów klasy II zaliczamy paliwa lotnicze typu Jet A1. III klasa obejmuje paliwa do silników diesla czy różnego rodzaju oleje napędowe. Oleje opałowe w 99% są paliwami pozaklasowymi. Dokładną weryfikację klasy produktu należy przeprowadzić na podstawie jego karty charakterystyki.

Zapis punktu 10 wskazuje na konieczność wykonania analizy zagrożeń, jakie mogą powstać podczas eksploatacji zbiornika, i uwzględnienia ich przy doborze rozwiązania zabezpieczającego – jest to pierwszy krok. Kolejnym krokiem warunkującym rodzaj zastosowanych elementów zabezpieczających nasz zbiornik podziemny jest określenie klasy produktu. Przykładowo w przypadku produktów III klasy zgodnie z pkt 7 par. 39 wymagane zabezpieczenie to kominek wentylacyjny chroniący przed przedostaniem się płomienia – zgodnie z normą EN-ISO16852 pkt 3.21 jest to końcowy przerywacz płomienia. Kolejną istotną informację mamy w pkt 2: wylot rurociągu oddechowego musi znajdować się minimum 4 m nad poziomem terenu.

Gdy już określiliśmy rodzaj wymaganego zabezpieczenia, w kolejnym kroku należy wyznaczyć średnicę układu oddechowego. W przypadku zbiornika przysypanego warstwą ziemi przy doborze średnicy zabezpieczenia nie uwzględniamy wpływu warunków atmosferycznych (ogrzewania lub chłodzenia przez słońce i wiatr) na zmianę objętości magazynowanych substancji, czyli tzw. oddechu termicznego.

Zatem w naszym przykładzie średnicę układu oddechowego należy wyznaczyć jedynie na podstawie wymaganej wielkości strumienia gazu powstałego przy opróżnianiu oraz napełnianiu zbiornika, biorąc przy tym pod uwagę wytrzymałość zbiornika na nad- i podciśnienie.

W trzech przywołanych w artykule punktach rozporządzenia mamy podstawowe informacje wyznaczające granice w jakich powinniśmy się poruszać podczas wstępnej selekcji urządzeń do projektowanego układu oddechowego.

Tyle teorii. Przejdźmy teraz do praktycznych przykładów pokazujących metodologię doboru i konfiguracji układów oddechowych dla produktów różnych klas.

Przykład 1 – produkt klasy III

W przypadku magazynowania produktów klasy III Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 listopada 2005 r. w par. 39 pkt 7 mówi: Zbiorniki naziemne i podziemne, przeznaczone do magazynowania produktów naftowych III klasy lub o temperaturze zapłonu powyżej 100°C, powinny być wyposażone co najmniej w kominki wentylacyjne.

Zgodnie ze wskazaniami rozporządzenia w przypadku produktów klasy III stosujemy końcowy przerywacz płomienia deflagracji (zwany w rozporządzeniu kominkiem), który powinien zostać zamontowany na pionowym przewodzie oparowym usytuowanym minimum 4 m nad poziomem terenu.

Dobór armatury realizujemy na bazie następujących informacji:

• wydajność napełnienia zbiornika [Nm3/h];
• wydajność opróżniania zbiornika [Nm3/h];
• klasyfikacja ciśnieniowa zbiornika (maks. nad- lub podciśnienie robocze, jakie może powstać w zbiorniku);
• średnica przewodu oddechowego lub króćca do zabudowy przerywacza;
• karta katalogowa producenta urządzenia wraz z krzywymi zależności spadku ciśnienia od przepływu (zał. 1).

Na podstawie zestawu wyżej wymienionych danych możemy określić maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia, jaki może powstać przy napełnianiu lub opróżnianiu zbiornika, i sprawdzić, czy przerywacz o średnicy równej średnicy przyłącza przewodu oparowego nie generuje oporów większych niż maksymalne dopuszczalne nad- lub podciśnienie robocze zbiornika.

Tab. 2. Przykłady doboru zabezpieczeń dla produktu klasy III

Podsumowanie

Przykład 1A pokazuje dobór optymalnej średnicy końcowego przerywacza płomienia deflagracji atmosferycznej dla zbiornika podziemnego, w którym magazynowany jest produkt palny klasy III. Dobrane zabezpieczenie spełnia wymogi prawne podane w przywołanym powyżej rozporządzeniu w zakresie poziomu bezpieczeństwa i wymaganej przepustowości oraz posiada certyfikat CE ATEX jednostki notyfikującej. W doborze rozważane było podciśnienie ze względu na dużo niższą wartość wytrzymałości zbiornika niż dla nadciśnienia – z tego względu podciśnienie zostało uznane za czynnik warunkujący prawidłowy dobór. W przykładzie 1B przyjęto zbyt małą średnicę urządzenia.

Przykład 2 – produkt Klasy II

Przy przechowywaniu produktów klasy I oraz II sytuacja jest bardziej skomplikowana. Ze względu na dużą lotność oparów tych produktów zbiorniki wyposaża się w wahadła oparowe umożliwiające ograniczenie emisji węglowodorów do środowiska przy napełnianiu zbiornika oraz odzysk oparów poprzez ich skroplenie w instalacji wychwytującej (tzw. instalacji odzysku oparów). Wahadło oparowe stwarza bardzo duże ryzyko, gdyż jest to nic innego jak rurociąg łączący przestrzeń gazową zbiornika (we wnętrzu której występuje strefa zagrożenia wybuchem 0) z innymi obiektami technologicznymi parku zbiorników, jak pozostałe zbiorniki, stanowisko rozładunku autocystern, załadunku lub rozładunku cystern kolejowych, terminalem rzecznym lub morskim oraz wspomnianą instalacją odzysku oparów.

Do prawidłowego doboru urządzeń zabezpieczających układ rurociągów oparowych w postaci rurowych jedno lub dwukierunkowych przerywaczy płomienia detonacji stabilnej, wymagany jest cały szereg informacji – analiza zagadnienia poprawności doboru jest materiałem na odrębny artykuł. Prawidłowo dobrany układ oddechowy upraszcza zagadnienie, co postaram się przybliżyć na kolejnych przykładach.

W przypadku magazynowania produktów klasy I lub II Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 listopada 2005 r. w par. 39 pkt 2 mówi: Zbiorniki naziemne o osi głównej poziomej oraz zbiorniki podziemne, przeznaczone do magazynowania produktów naftowych I i II klasy, powinny być wyposażone w zawory oddechowe nadciśnieniowo-podciśnieniowe i urządzenia zabezpieczające przed przedostaniem się ognia do strefy gazowej zbiorników, z uwzględnieniem rodzaju spalania. Zawory oddechowe dla zbiorników podziemnych o osi głównej poziomej powinny być zainstalowane na wysokości co najmniej 4 m od poziomu terenu.

Załóżmy, że w zbiorniku magazynujemy substancję klasy II. W takiej sytuacji, zgodnie z zapisami rozporządzenia, powinniśmy zastosować nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy zabezpieczający przed zjawiskiem tzw. deflagracji atmosferycznej. Zabezpieczenie tego typu musi posiadać wymagany prawem Certyfikat Badania Typu CE ATEX, wydany przez Jednostkę Notyfikowaną. W praktyce zabezpieczenie tego rodzaju stosuje się na zbiornikach do magazynowania produktów klasy II jako wymagane prawnie lub gdy użytkownik narzuca bardzo wysokie standardy bezpieczeństwa i ochrony środowiska, także na zbiornikach do przechowywania produktów klasy III.

Na przewodzie oparowym usytuowanym prostopadle do płaszczyzny ziemi na wysokości powyżej 4 m stosujemy nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy zabezpieczający przed deflagracją atmosferyczną.

Dobór armatury realizujemy na bazie następujących informacji:

• wydajność napełnienia zbiornika [Nm3/h];
• wydajność opróżniania zbiornika [Nm3/h];
• klasyfikacja ciśnieniowa zbiornika (maks. nad- lub podciśnienie robocze, jakie może powstać w przestrzeni gazowej zbiornika);
• średnica przewodu oddechowego lub króćca do zabudowy przewodu;
• karta katalogowa producenta urządzenia wraz z krzywymi zależności wydajności przepływu od nastawy zaworów dla nadciśnienia oraz dla podciśnienia (zał. 2).

Na podstawie zestawu wyżej wymienionych danych możemy określić, czy zawór o średnicy równej średnicy przewodu oparowego lub króćca na zbiorniku ma wystarczające wydajności przepływu. Należy sprawdzić warunek minimalnej przepustowości zaworu przy napełnianiu lub opróżnianiu zbiornika dla określonych nastaw zaworu dobranych w odniesieniu do maksymalnego nad- lub podciśnienia roboczego przestrzeni gazowej zbiornika.

Tab. 3. Przykłady doboru zabezpieczeń dla produktu II klasy

Podsumowanie

Przykład 2A pokazuje poprawny dobór armatury, natomiast przykład 2B pokazuje błędny dobór armatury – dla podciśnienia –2,5 mbar oraz przepływu 100 Nm3/h wywołanego pompą opróżniającą zbiornik dobrany zawór o średnicy DN 50 ma zbyt małą przepustowość – należy dobrać większą średnicę zaworu.

Zaletą rozwiązania z przykładu 2 jest dobry stosunek jakości do ceny – za pomocą jednego urządzenia chronimy zbiornik przed przedostaniem się płomienia deflagracji, przekroczeniem granicznych wartości nad- i podciśnienia oraz emisją oparów do atmosfery. Gdy wymogi technologiczne narzucą konieczność dodatkowego połączenia zbiornika z instalacją hermetyzacji (tzw. układ wahadła oparowego), to konieczne jest zastosowanie odpowiedniego, dodatkowego zabezpieczenia w postaci rurowego przerywacza płomienia detonacji.

Wadą jest konieczność zastosowania wzmocnień lub podpór dla przewodu oddechowego o wysokości minimum 4 m w przypadku, jeśli zawór oddechowy ma średnicę większą niż DN 50.

Dla produktów I klasy rafinerie oraz duże bazy magazynowe paliw do zabezpieczania zbiorników stosują urządzenia certyfikowane dla zjawiska spalania mogącego trwać z przyczyn technologicznych lub fizykochemicznych przez nieokreślony czas. Konieczność używania takich zabezpieczeń wiąże się z bardzo dużą lotnością węglowodorów o temperaturze zapłonu poniżej 21°C.

W przypadku zbiorników podziemnych mamy dwie opcje: możemy zastosować zawór oddechowy z odpowiednią certyfikacją lub dzięki doborowi odpowiedniej długości przewodu oparowego możemy uzyskać nadciśnieniowo-podciśnieniowy układ oddechowy zabezpieczający przed płomieniem deflagracji, spalaniem długotrwałym oraz detonacją bez konieczności stosowania kosztownych urządzeń z certyfikatem Badania Typu CE ATEX dla spalania długotrwałego. Jest to możliwe poprzez dobranie właściwej długości rurociągu łączącego zawór oddechowy z przerywaczem.

Na podstawie niemieckich wytycznych branżowych TRbF 20 w tabeli 4 zestawiliśmy minimalne długości rurociągów w zależności od ich średnic gwarantujące rozwinięcie się wewnątrz detonacji, co pozwala uzyskać ochronę przed spalaniem długotrwałym.

Tab. 4. Minimalne długości rurociągów w zależności od ich średnic, gwarantujące rozwinięcie się detonacji, chroniąc przed spalaniem długotrwałym

Aby układ spełnił funkcję zabezpieczenia przed długotrwałym spalaniem, należy zastosować następujące elementy:

• rurowy przerywacz płomienia detonacji;
• nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy (bez zintegrowanych jednostek filtra płomienia);
• rurociągi o odpowiedniej długości pomiędzy zaworem oddechowym a przerywaczem.

Na oparowym króćcu zbiornika montujemy odpowiednio podparty rurowy przerywacz płomienia detonacji. Następnym elementem jest trójnik umożliwiający podłączenie rurociągu wahadła oparowego. Następnie na wysokości powyżej 4 m montujemy zwykły nadciśnieniowo-podciśnieniowy zawór oddechowy, a poprzez zastosowanie odpowiedniej długości rurociągu pomiędzy zaworem a przerywaczem, większej niż 4 m (dla rurociągu DN 50), uzyskujemy układ zabezpieczający przed spalaniem długotrwałym.

UWAGA: warunek L > 4 tylko dla średnicy dla DN 50. Przy większych średnicach urządzeń i rurociągów należy warunek odpowiednio skorygować, zgodnie z tabelą 4.

Dodatkową zaletą powyższego rozwiązania jest możliwość wpięcia wahadła oparowego do trójnika umieszczonego za przerywaczem rurowym. W ten sposób chronimy połączone przestrzenie gazowe zbiornika i autocysterny bez konieczności stosowania kolejnego przerywacza.

Przykład 3 – produkt I klasy

Dobór armatury realizujemy na bazie następujących informacji:

• wydajność napełnienia zbiornika [Nm3/h];
• wydajność opróżniania zbiornika [Nm3/h];
• klasyfikacja ciśnieniowa zbiornika (maks. nad- lub podciśnienie robocze, jakie może powstać w przestrzeni gazowej zbiornika);
• średnica przewodu oddechowego lub króćca do zabudowy przewodu;
• karta katalogowa wraz z krzywymi zależności wydajności przepływu od nastawy zaworów dla nadciśnienia oraz dla podciśnienia (zał. 3);
• karta katalogowa wraz z krzywymi zależności spadku ciśnienia od wydatku przepływu dla przerywacza detonacji (zał. 4).

Na podstawie zestawu wyżej wymienionych danych możemy określić, czy zawór o średnicy równej średnicy przewodu oparowego lub króćca na zbiorniku ma wydajności większe, spełniając jednocześnie warunek przepustowości wynikający z napełniania lub opróżniania zbiornika przy określonych nastawach/pełnym otwarciu zaworu w odniesieniu do maks. nad- lub podciśnienia roboczego przestrzeni gazowej zbiornika. Należy również uwzględnić opory przepływu na rurowym przerywaczu płomienia detonacji.

Tab. 5. Przykłady doboru zabezpieczeń dla produktu I klasy

Podsumowanie

Jak pokazują przykłady 3A oraz 3B, przy doborze układu należy uwzględnić wiele zależności. Przykład 3A dowodzi, że układ urządzeń DN 50 spełnia wymagane parametry pracy jako układ oddechowy, gwarantując jednocześnie zabezpieczenie przed spalaniem długotrwałym. Przykład 3B, gdzie mamy większe przepływy, wymaga zastosowania przerywacza o średnicy DN 100 i tym samym rurociągu DN 100 oraz zaworu oddechowego o większej średnicy, co znacznie utrudnia realne zastosowanie w przemyśle ze względu na wymaganą długość przewodu oparowego, jego wymiary oraz aspekty konstrukcyjne.

Sprytnym wytrychem uniknięcia konieczności stosowania przerywacza i rurociągu DN 100 (wymagana długość 10 m zgodnie z tabelą 4) jest użycie dwóch przerywaczy DN 80 zabudowanych równolegle lub czterech o średnicy DN 50. Tak rozbudowany układ ma sumaryczną przepustowość spełniającą nasze założenia.

Układy z przykładów 3A i 3B można jeszcze zoptymalizować, stosując zamiast rurowego przerywacza detonacji o konstrukcji prostej przerywacz rurowy, ale o konstrukcji tzw. kątowej, czyli pomiędzy króćcem wlotowym i wylotowym mamy kąt 90 st. (zał. 5 – przykładowy rysunek kątowego przerywacza płomienia).

Konstrukcja kątowego przerywacza płomienia detonacji znakomicie ułatwia prace konserwacyjne oraz przeglądy – dostęp do jednostki filtra płomienia jest ułatwiony dzięki górnej pokrywie przerywacza. W przypadku przerywaczy o konstrukcji prostej jednostkę filtra płomienia trudniej zdemontować ze względu na naprężenia powstające pomiędzy kołnierzami przewodu oparowego (zwłaszcza przy większych średnicach).

Niewątpliwymi zaletami tak zaprojektowanego i dobranego układu oddechowego będzie bardzo dobry stosunek jakości do ceny – za pomocą dwóch urządzeń chronimy zbiornik przed przedostaniem się płomienia deflagracji oraz spalania długotrwałego, przekroczeniem granicznych wartości nad- i podciśnienia oraz emisją oparów do atmosfery, jednocześnie uzyskując możliwość pracy z układem hermetyzacji w układzie wahadła oparowego bez konieczności zastosowania dodatkowego zabezpieczenia w postaci rurowego przerywacza płomienia detonacji na wahadle oparowym.

Przykłady poszczególnych rozwiązań układów oddechowych uwzględniające wymagania co do poziomu bezpieczeństwa pokazują, jak łatwo – w przypadku zastosowania dobrej praktyki inżynierskiej i znajomości przepisów oraz norm – można uzyskać maksymalny poziom bezpieczeństwa naszego zbiornika przy zastosowaniu minimum urządzeń.

Źródło: Grupa Wolf