HİDROKARBON GAZ İÇEREN BASINÇLI KAPLARDA ARAL, EYÜP SAMİ...hİdrokarbon gaz İÇeren basinÇli...

HİDROKARBON GAZ İÇEREN BASINÇLI KAPLARDA BLOWDOWN VE FEHA (FIRE and EXPLOSION HAZARD

ANALYSIS) ANALİZİ

Aydıncan ARAL, Ph.D, ChE.

Eyüp Sami Soytekin B.S ME.

09-10 NİSAN 2019

Blowdown Nedir?

•Blowdown basınçlı kaplarda ya da boru hatlarında oluşabilecek acil durumlarda kapalı sistemin hızla boşaltılması için kullanılan bir yöntemdir. •Blowdown genelde bir flare sistemine yapılabildiği gibi direkt olarak atmosferede yapılabilmektedir. •Blowdown analizi tasarımda hem emniyet açısından hemde basınçlı kap malzeme seçimi açısından önem arz eder. •Emniyet ventili her zaman basınçlı kabın sigortası olabilir mi?

API 521 Pressure-relieveing and Depressuring Systems

•Yangın durumlarında direk alevlere maruz kalan basınçlı kap, emniyet ventili set değerinin altında katastrofik zarar görebilir. •API 521, 5.20.1 bu duruma işaret ederek, basınçlı kap basıncının yaklaşık 15 dakika içinde yarıya indirilmesini şart koşar (Jet yangını durumunda ise ekipman 5 dakikada dahi zarar görebilir). •Bu değer karbon çelik basınçlı kaplarda cidar sıcaklığı ve kopma stresi (stress to rupture) ilişkisinden hareketle kalınlığı 25.4mm ve üzeri basınçlı kaplar için geçerlidir.

Senaryo İncelemesi

•Irak, Basra, WQ II Gelişim Bölgesinde Luk Oil için ENKA’nın müteahhitliğini yaptığı 3 x GE 6B GTPP (3 x 42 MW) an itibariyle üretimde olan Doğalgaz Enerji santrali. •Ana yakıt Doğal gaz (Associated Gas), yedek yakıt ise dizel. Associated gas, bu santralin beslediği komşu tesis CPF te ön arıtması yapılan ham petrol ile beraber kuyulardan çıkan kirli gaz. •Gaz Türbinlerinin yakıt değişimi esnasında kesintisiz operasyona devam edebilmesi için 3 x 74 m³ in line buffer tanklar kullanılmıştır. Burada 27 barg ve 100°C de Doğal gaz tutulmaktadır. GT ler baz yükte 3 x 10 ton/sa doğal gaz tüketmektedir. •Tanklar D = 3.5m, H(TT) = 6.5m, t = 44 mm ve birbirlerine giriş ve çıkış kollektörlerinde 12 inç borular ile bağlıdır. Çıkış kollektöründe 3 inç lik bir Blowdown hattı ve reduced bore (2.5 inç) küresel vana ile Flare (alevlenme) kollektörüne bağlantı vardır.

Senaryo İncelemesi

Şekil 1: Buffer Tankların P&ID’si

Senaryo İncelemesi

Şekil2: Buffer Tank Genel görünüşü

Senaryo İncelemesi

•Baz senaryo: Karşı Basınç: 2 bara, C = 0.72 65mm RB 27.9 bara 100 C 221.4 m3 MW = 23.02 g/mol •Buffer tankları kollektörler üzerinden 12 inçlik kısa boru segmentleri ile birbirlerine bağlı olduğundan Buffer hacmi tek bir hacim olarak modellenmiştir. Tanklar ASME sec VIII Div 1’e göre tasarlanmıştır. •2.5 inçlik blowdown vanası açtığında bu noktada choked flow olacağından gaz ses hızı ile tahliye olurken 12 inçlik hatlarda akışkan hızı ses hızından yaklaşık 23 kat daha düşük olacaktır, bu sebeple bu bağlantılar arasındaki basınç kayıplarının etkisi ihmal edilmiştir.

Senaryo İncelemesi

Şekil 3: Doğal Gaz Kompozisyonu.

Senaryo İncelemesi

P1 = t1 zamanındaki Tank Gaz Basıncı P2 = t2 zamanındaki Tank Gaz Basıncı t1 = Blowdown başlangıcından sonra herhangi bir an. t2 = t1 den sonraki herhangi bir an. C = Deşarj katsayısı. A = Deşarj kesit alanı. V = Tank hacmi. K = Cp/Cv gc = yer çekimi ivmesi. R = Gaz sabiti. M = Gaz molekül ağırlığı. T0 = Tank içi ilk gaz sıcaklığı. P0 = Tank içi ilk gaz basıncı. T2 = izentropik genleşme formülüne göre genleşen gazın son sıcaklığı. T1 = Gazın genleşmeden önceki sıcaklığı.

•Rasouli- Williams Modeli:

Senaryo İncelemesi

Aspen Hysys Blowdown Modülü:

•Hysys programı blowdown modülünün bağımsız termodinamik modelini kullanarak gazın herhangi bir basınç ve sıcaklıktaki fiziksel parametrelerini, gazın hangi fazda olduğunu ve gaz bileşenlerinin etkileşim faktörlerini hesap eder, basınç, sıcaklık ve kompozisyon haricinde herhangi bir parametreye ihtiyaç duymaz yani öngörü bazlı bir modeldir. •Hysys, RW aksine, gazın yoğuşmasını hatta içindeki suyun hidrat oluşturmasını ve donmasını dahi öngörebilir. •Saville ve Richardson’un geliştirdiği Blowdown programını daha sonra Aspen Hysys firması satın almış ve Blowdown Modülü olarak ana simulatöre eklenti yapmıştır.

Senaryo İncelemesi

0

5

10

15

20

25

30

0 200 400 600 800 1000 1200

Tan

k G

az B

asın

cı (

bar

a)

Zaman (sn)

RW vs Hysys Baz Senaryo Tank Gaz Basıncı

Hysys Tank basıncı

RW Tank basıncı

Şekil 4: RW ile Hysys’in Tank gaz basıncı değerlerinin kıyası

Senaryo İncelemesi

Şekil 5: RW ile Hysys’in Baz senaryo deşarj debilerinin kıyası

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

0 200 400 600 800 1000 1200

De

şarj

De

bis

i (kg

/h)

Zaman (sn)

RW vs Hysys Baz Senaryo Deşarj Debisi

Hsys Deşarj Debisi

RW Deşarj Debisi

Senaryo İncelemesi

Şekil 6: RW ile Hysys’in baz senaryo Tank gaz sıcaklığı değerlerinin kıyası

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200

Tan

k G

az S

ıcak

lığı

(°C

)

Zaman (sn)

RW vs Hysys Baz Senaryo Tank Gaz Sıcaklığı

Hysys TankGazSıcaklığı

RW TankGazSıcaklığı

Senaryo İncelemesi

Şekil 7: Hysys baz senaryo kondensat seviye, sıcaklık ve Gaz sıcaklığı değerleri.

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200

Tan

k K

on

de

nsa

t Se

viye

si (

m)

Tan

k K

on

de

nsa

t Sı

cakl

ığı

(°C

)

Zaman (sn)

Hysys Baz Senaryo Kondensat Oluşumu

Hysys Tank Kondensat Sıcaklığı

Hysys Tank Gaz Sıcaklığı

Hysys Tank Kondensat Seviyesi

Senaryo İncelemesi

Şekil 8: Tank cidarının Kondensat (L) ve Gaz (G) ile temas eden yüzeylerinin sıcaklık değişimi.

G.Saville and S.M. Richardson müsadesi ile.

Senaryo İncelemesi

Şekil 9: Hysys Farklı Deşarj katsayısı için Tank gaz basıncı eğrileri

0

5

10

15

20

25

30

0 200 400 600 800 1000 1200

Tan

k G

az B

asın

cı (

bar

a)

Zaman (sn)

Hysys Farklı C için Tank Gaz Basıncı

Tank Gaz Basıncı C = 0.72



Tank Gaz Basıncı C= 1.00

Senaryo İncelemesi

Şekil 10: Hysys farklı deşarj katsayıları için Deşarj debi eğrileri

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 200 400 600 800 1000 1200

De

şarj

De

bis

i (kg

/h)

Zaman (sn)

Hysys Farklı C için Deşarj Debisi

Hysys DeşarjDebisi C = 0.72




Senaryo İncelemesi

Şekil 11: Hysys farklı deşarj katsayıları için Tank gaz sıcaklığı eğrileri

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200Tan

k G

az S

ıcak

lığı

(°C

)

Zaman (sn)

Hysys Farklı C için Tank Gaz Sıcaklığı

Tank Gaz Sıcaklığı C= 0.72




Senaryo İncelemesi

Şekil 12: Hysys farklı karşı basınçlar için Tank gaz basıncı eğrileri

0

5

10

15

20

25

30

0 200 400 600 800 1000

Tan

k G

az B

asın

cı (

bar

a)

Zaman (sn)

Hysys Farklı KB için Tank Gaz Basıncı(C=0.80)

Hysys Tank Gaz BasıncıBP = 2 bara




Senaryo İncelemesi

Şekil 13: Hysys farklı karşı basınçlar için Deşarj debisi eğrileri

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 200 400 600 800 1000

De

şarj

De

bis

i (kg

/h)

Zaman (sn)

Hysys Farklı KB için Deşarj Debisi (C=0.80)

Hysys DeşarjDebisi BP = 2baraHysys DeşarjDebisi BP = 4baraHysys DeşarjDebisi BP = 6baraHysys DeşarjDebisi BP = 8bara

Senaryo İncelemesi

Şekil 14: RW vs Hysys 1 inçlik enstrüman bağlantısının kopması ve akabinde 2.5 inçlik (RB) EBDV vanasının açması sonucu oluşan Tank gaz basınç ve Sıcaklıkları

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Tan

k G

az S

Icak

lığı (

°C)

Tan

k G

az B

asın

cı (

bar

a)

Zaman (sn)

Tank Gaz Basınç ve Sıcaklığı 25mm+65 mm

Hysys Tank Gaz Basıncı

RW Tank Gaz Basıncı

Hysys Tank Gaz Sıcaklığı

RW Tank Gaz Sıcaklığı

Senaryo İncelemesi

•Blowdown modellenir iken koşulların yeterince detaylı tanımlanması, kabullerin gerçekçi olması ve sistem tasarımının blowdown sonuçlarını karşılayacak şekilde yapılması önemlidir. •RW modeli adiabatik (Q = 0) ve sadece gaz fazındaki blowdown senaryoları için geçerlidir. •Tanklarda dış izolasyon olduğunda gazın tank cidarından çektiği ısıyı tank metal kütlesinin çevreden geri alması daha uzun sürecektir. Bu süreçte karbon çeliğin kırılganlık sıcaklığının (brittle fracture = -29°C) altına inip inmeyeceği iyi tahlil edilmelidir. Bununla beraber Tank cidarının başlangıç sıcaklığı ve çevre sıcaklığıda önem arz eder. •Gaz çiğlenme noktasının altına indiğinde kondensat damlacıkları oluşmaya başlayacak ve çift fazlı akış sebebiyle tahliye süresi uzayabilecektir. •Sıvının ısı transfer katsayıları gaza göre çok daha yüksek olduğundan ve/veya kaynaması sebebiyle tankın kondensat ile temas eden yüzeyi ile gaz ile temas eden yüzeyi arasında ciddi ısı farkları oluşabilir.

Proses Alanlarında Yangın Tehlikeleri

• Güç Santralleri ve rafineriler içerisinde proses ekipmanları, yakıt tankları, yakıt pompları, yakıt

yükleme ve boşaltma tesisleri bulunmaktadır. Tehlikeli maddelerin işlenmesi,depolanması ve iletimi

sırasında insan faktörü olarak veya olmaksızın yangın olabilmektedir.

• Beklenen yangın tehlikeleri şunlardır;

- Atmosferik Depolama Tankı Yangınları (iç yüzey yangını, yüzer tavan yangını)

- Havuz Yangınları

- Jet Yangınları

- Buhar Bulutu Yangınları

- Flaş Yangınları

- Dökülme ve Sızma Yangınları

Yangın Senaryo Analizi

• Yangın ve Patlama Tehlike Yönetiminde ilk adım, yangın senaryo analizi ile ilgilidir. Oluşabilecek yangın ve patlama senaryoları her proses ekipmanı için tanımlanmalıdır.

• Jet Yangını Nedir?

Jet Yangını, belirli bir yönde veya yönlerde bazı önemli momentumlarla sürekli olarak serbest bırakılan bir yakıtın yanmasından kaynaklanan türbülanslı bir difüzyon alevidir.

Jet yangınları, basınçlı hidrokarbonlu tesisatlarda büyük bir yangın riskini temsil eder. Jet yangınları oluşan alev uzunluğuna, ısı akısına ve hızlarına göre değişebilir ve önemli etki faktörleri yakıtın türü, bileşenleri, basıncı, miktarı, kırılmanın geometrisi ve çevre koşullarıdır.

Isı Akısı

• Isı akısında oluşabilecek ekipman ve insan üzerindeki etkileri

Şekil 15:Isı Akısı Etkileri (Dünya Bankası, 1985)

Isı Akısı Potansiyel Tehlike

37.5 kW/m2 Proses ekipmanlarına ve tanklara hasar oluşturabilecek düzeyde

25.0 kW/m2 Süresiz maruz kalındığında, ahşabı tutuşturabilecek minimum enerji

12.5 kW/m2 Plastik boruların erimesi ve pilot alevle ahşabı tutuşturabilecek minimum enerji.

9.5 kW/m2 8 saniyede acı hissetmenize ve 20 saniyede 2. derece yanıklara sebep olabilir

4.0 kW/m2 20 saniye içerisinde herhangi koruyucu ekipmana ulaşamadığı taktirde kişide acıya sebep olabilir. Ancak ciltte kabarmalar (2.Derece yanık) oluşabilir.Ölüm riski yoktur.

1.6 kW/m2 Uzun süre maruz kalınması halinde rahatsızlığa neden olmaz

*Güneşten yer yüzüne gelen ısı akısı 1.361 (kW/m²)

Isı Akısı Etkilerinin Hesaplanması için Akım Şeması

Girdi Verileri Sonucu Hesaplanan Değerler ve Birbiri Arasındaki Bağlantı Şeması

Şekil 16:Isı Akısı Geometrik Gösterimi

Yakıtın Boşalma Oranı

(kg/saniye) Oluşan Alevin

Yüksekliği (metre)

Isı Akısının Kaynak Noktası ve Alıcı

Arasındaki Mesafe (metre)

Atmosferik Geçirgenlik Oranı

Isı Akısı Miktarı (kW/m2)

L = Gözlenebilir Türbülanslı Alev Boyu (Kırılma Noktasından İtibaren) (m) di = Jet Yangını Çapı, Nozulun Fiziksel Çapı (m) Ct = Stokiyometrik Hava-Yakıt Karışımındaki Yakıt Mol Oranı Tf,Ti = Adyabatik Alev Sıcaklığı (Kelvin) α = Stokiyometrik Yakıt-Hava Karışımı için Ürün Mol Başına Reaktif Molü Ma = Havanın Moleküler Ağırlığı (kütle/mol) Mf = Yakıtın Moleküler Ağırlığı (kütle/mol) Birçok yakıt için, Ct tipik olarak “1” değerinden azdır. α yaklaşık “1” olarak kabul edilir. Tf/Ti oranı 7 ila 9 arasında değişmektedir.

Mudan ve Croce (1988), jet yangını modellemesinde daha ayrıntılı bir inceleme sunmaktadır. Yöntem, alevin yüksekliğinin hesaplanmasıyla başlar. Nozulun üst noktası, jet alevinin başlangıç noktası olarak kabul edilerek hesaplanmaktadır.

Isı Akısı Hesaplama Formülleri

Er= Alıcıdaki Isı Akısı Miktarı (kW/m2 ) Ƭa= Atmosferik Geçirgenlik Qr = Alev Kaynağı Tarafından Yayılan Toplam Enerji (kJ/saniye) Fp= Kaynak Noktası Faktörü (m -2 ) ȵ = Işınıma Dönüşen Toplam Enerji Oranı m = Yakıtın Kütle Akış Oranı (kg/saniye) ∆Hc = Yakıtın Yanma Enerjisi (kJ/kg)

Alev kaynağından yayılan ısı akısı, havuz yangınları için tanımlanan nokta-kaynak metodu ile benzerlik göstermektedir.Bu durumda ısı akısı aşağıdaki formul ile hesaplanır;

Isı Akısı Hesaplama Formülleri

Buffer Tank ile Gaz Türbinleri arasındaki borunun delinmesi sonucunda ortaya çıkan jet yangını t=0. saniye Kaçak olan deliğin çapı: 25.4 mm Yakıtın Boşalma Oranı:2.09 kg/saniye (Başlangıç Durumunda) Senaryo sonunda 18.9 metre mesafede oluşan ısı akısı eşik değeri 37.5 kW/m2 olarak hesaplanmıştır.

Buffer Tank Jet Yangını Senaryosu

Elde edilen sonuç sonrasında oluşabilecek yangın risklerini en aza indirme,kontrol altına alma ve söndürme imkanlarını gözden geçirilmesi gerekmektedir. Yangın ve Patlama Riski azaltmanın birçok yöntemi vardır.


Risk Azaltma Seçenekleri , Institute of Petroleum 19

Yangın Önleyici Tedbirler; - Parlayıcı ve Yanıcı Maddelerin Kontrolü - Kıvılcım Önleme - Bakım Faaliyetleri - Sıcak Çalışma (Kaynak) İzninin Verilme Denetimi - Yerleşim Mesafeleri

Gaz Algılama Detektöleri

Yangın Algılama Detektörleri

Pasif Yangın Koruma Sistemleri (Yangın Duvarı,Yangın Durdurucu Boyalar, Isı İzolasyonları)

Aktif Yangın Koruma Sistemleri( Sulu, Köpüklü, Kuru Kimyevi Söndürme Sistemleri)

Yangın ve Patlama Tehlike Analizi raporunda riski minimize etmek için; -Blowdown tasarımı yapılmış. -Yerleşim planı gözden geçirilmiş ve yangına dayanıklı termal izolasyon Buffer Tanklara uygulanmıştır. - Erken algılama için alev ve gaz detektörleri yerleşimi yapılmıştır.


Senaryo İncelemesi

•Yangın önlemlerine ilaveten Blowdown sürecinde tüm faktörler gözetilerek tank malzeme seçimi (gerektiğinde iç kaplama, kompozit v.s) yapılması, blowdown hattının ve vanasının boyutlandırılırken diğer ekipmanlara olabilecek etkileri (flare kapasitesi v.s), tahliyenin güvenli bir noktaya (flare kollektörü veya bacaya) yapılması riski azaltacak, can kaybı yada yaralanmaları önleyebilecektir.

[email protected] [email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Kaynakça

•API 521 Pressure Relieving and Depressuring Systems, 5th Edition. •ENKA, Proses Dept. Aral A., FG Buffer Tank Blowdown Calculation Report, Mart 2013. • Haque M.A. and Richardson S.M., Blowdown of Pressure Vessels I.&II., Trans IChemE, Vol 70, Part B, February 1992. •Rowlinson J.S. and Watson I. D., The prediction of the thermodynamic properties of fluids and fluid mixtures-I The principle of corresponding states and its extensions, Chem. Eng. Sci., 1969, 24: 1565 – 1574. •ICARO, Eugeni A. and Antozzi L., WQII GTPP FEHA Report, March 2013. •Guide Lines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, 2nd ed., CPS, AIChE, 2000. •Institute of Petroleum Code 19 Fire Precautions At Petroleum Refineries And Bulk Storage Installations, 2nd Edition.

FUAR İÇİ 41040 İZMİT/KOCAELİ

TEL: +90 262 315 80 00

FAX: +90 262 321 90 70

WEB: www.kosano.org.tr

E-MAIL: [email protected]

HİDROKARBON GAZ İÇEREN BASINÇLI KAPLARDA ARAL, EYÜP SAMİ...hİdrokarbon gaz İÇeren basinÇli...

Documents

Transcript of HİDROKARBON GAZ İÇEREN BASINÇLI KAPLARDA ARAL, EYÜP SAMİ...hİdrokarbon gaz İÇeren basinÇli...