Bezpečnější vyprazdňování potrubí přepravujících hořlavé plyny a kapaliny

Významné zvýšení bezpečnosti práce při vytěsňování hořlavých plynů a kapalin i při odvzdušňování plynovodů skýtá použití inertizační směsi s vysokým obsahem dusíku. Díky tomu nehrozí žádné riziko vzniku výbušné směsi v potrubí a tedy ani riziko výbuchu.

Generátor dusíku při přepravě na staveniště

Pro tuto technologii vyvinul CEPS generátor dusíkové inertizační směsi na bázi membránové separace a po jejím úspěšném provozním odzkoušení pořídil další technologickou řadu s výstupním tlakem až 25 barů.

Vyprazdňování potrubí s hořlavými plyny a kapalinami pomocí vzduchu má svá rizika

Jednou z bezpečnostně závažných operací při uvádění plynovodů do provozu nebo jejich odstavování je odvzdušňování a odplyňování. Při těchto operacích dochází na rozhraní plyn/vzduch ke vzniku směsi s koncentrací plynu ve vzduchu mezi horní a dolní mezí výbušnosti, tzv. výbušné směsi.
U potrubí dopravujících hořlavé kapaliny, jako ropu, naftu nebo benzin, je situace ještě komplikovanější, protože výbušná směs vzniká nejen při samotném vytlačování přímo na rozhraní vzduch-médium, ale následně vzniká v celém vyprázdněném objemu, protože do vzduchu se odpařují hořlavé složky, které i po vyprázdnění ulpívají v kapalné formě na stěně potrubí.

Řešením problému je použití inertních plynných směsí

Ze všech důvodů uvedených v předcházející části přistoupila řada provozovatelů ve světě k náhradě vzduchu při odplyňování inertizačním plynem, jímž je zpravidla dusík. V případě vyprazdňování ropovodů a produktovodů se používá inertizační směs prakticky vždy, což předepisuje i evropská norma EN 14161(Naftový a plynárenský průmysl - potrubní přepravní systémy).
Hlavním přínosem použití inertizační plynné směsi je fakt, že zóna výbušné směsi vůbec nevzniká, a proto je možnost exploze zcela vyloučena. Výhodou této technologie je rovněž skutečnost, že po vytlačení média je vnitřek potrubí naplněn inertním dusíkem, takže nehrozí jakékoli riziko exploze jinak výbušných a hořlavých plynů nebo uhlovodíkových par.

Vytváření inertizační směsi z kapalného dusíku

Ve světě je pro vyprázdnění potrubí převážně používána technologie založená na využití kapalného dusíku. Podstatou této technologie je vytlačování plynu nebo kapalného média prostřednictvím dusíku, který se přivádí na začátek vyprazdňovaného úseku. Kapalný dusík se na začátek potrubí dopraví v hluboce podchlazeném stavu (zhruba - 180 ºC) pomocí kryogenních cisteren, ve speciálním zařízení se dusík stlačí a následně odpaří. Vzniklý tlakový dusík se pak vede do potrubí a prostřednictvím čisticího pístu vytlačuje médium na druhý konec vyprazdňovaného úseku. Tato technologie má však také určité nevýhody:

• značná spotřeba energie pro výrobu kapalného dusíku zkapalňováním vzduchu,
• poměrně dlouhotrvající příprava akcí - větší množství kapalného dusíku je třeba zpravidla objednávat s dostatečným předstihem, stejně jako zajištění přepravních cisteren,
• odpaření kapalného dusíku vyžaduje speciální výkonné odpařovací hořáky spalující velké množství nafty,
• kryogenní přepravní cisterny jsou převážně v silničním provedení, a proto jen obtížně dojedou do míst trasových uzávěrů, která jsou zpravidla přístupná jen lehkými nebo terénními automobily. Takové případy je pak třeba řešit výstavbou dočasného potrubí pro dopravu plynného dusíku od cisterny/odpařovače k trasovému uzávěru nebo zpevněním cest.

Technologie vyprazdňování pomocí dusíku dováženého v kapalné formě je tedy organizačně, nákladově a energeticky poměrně velmi náročná.

Výroba inertizační směsi ze vzduchu na místě použití

S přihlédnutím ke skutečnosti, že dusík je složkou vzduchu nepodporující dýchání ani hoření, společnost CEPS v letech 2010-11 odzkoušela a ověřila jinou metodu, která zásadní nevýhody vyprazdňování potrubí ropovodů a produktovodů vzduchem nebo regazifikovaným kapalným dusíkem eliminuje. Tato metoda používá pro vytlačování média inertizační dusíkovou směs, která se však připravuje přímo na místě užití na začátku vyprazdňovaného úseku a to membránovou separací ze vzduchu. Výhodou tohoto procesu je skutečnost, že dusíku ve vzduchu na místě použití je "nekonečně mnoho", a proto je možné inertizovat prakticky jakýkoli objem, zatímco při použití kapalného dusíku je nutné dovézt každý kubík, podle lokality často i ze vzdálenosti několika set kilometrů, a to inertizaci větších objemů potrubí velmi prodražuje.
Při membránové separaci se vzduch stlačí v kompresoru na cca 16 barů a vede se do membránové separační jednotky, v níž se díky různé permeabilitě membrány vůči kyslíku a dusíku ze stlačeného vzduchu separuje dusík o čistotě přes 90 %. Tato hodnota čistoty dusíku byla převzata z podnikové normy ruského největšího přepravce ropy Transněfť, který je i jedním z největších přepravců ropy a ropných produktů na světě. Použití této technologie není principielně technickou novinkou, běžně se používá v průmyslových závodech nebo na ropných tankerech při jejich vyprazdňování. Zásadně nový však byl požadavek "miniaturizace" zařízení tak, aby bylo snadno přepravovatelné i v těžkém terénu, limitem tedy byl objem standardního kontejneru ISO 20 ft. (délka 6 m, šířka i výška 2,5 m) a hmotnost do 7 tun. Navíc celé zařízení musí být energeticky soběstačné a jediným potřebným médiem smí být motorová nafta.

Od myšlenky k prototypu

Prototyp generátoru dusíku navrhl a vyrobil CEPS na vlastní náklad ve spolupráci s několika dílčími dodavateli. Od samého počátku byl prototyp vyvíjen tak, aby ho bylo možné snadno dopravovat na větší vzdálenosti i v náročném terénu (viz obr. 1).
Zařízení pracuje v automatickém režimu řízeném počítačem, počínaje čištěním a předehřevem procesního vzduchu až po regulační armatury na výstupu inertizační směsi, jejíž složení je nastavitelné ve třech úrovních - 90 %, 93 % a 95 % dusíku. Volba úrovně koncentrace dusíku závisí na typu vytlačovaného média a na tlaku, který je pro vytláčení potřebný.

Od prototypu k výkonnější jednotce

Úspěšně dokončený vývoj generátoru inertizační směsi a okamžitý zájem provozovatelů potrubních systémů o tuto službu nás vedl k rozhodnutí tuto technickou novinku rozšířit. Návrhové parametry další jednotky jsme definovali podle typických provozních podmínek při vytlačování hořlavých kapalin v běžných evropských podmínkách a v reálně potřebných časech.
Jako definiční podmínky byly zvoleny požadované provozní charakteristiky vyprázdnění ropovodu DN 700 IKL v typicky západo- a středočeském kopcovitém terénu.
Analýza spotřeby energie v typických provozních režimech pak vedla k definici uspořádání jednotky tak, že procesní vzduch bude stlačen v kompresoru na 16 barů a veden do jednotky separace dusíku. Vytvořená inertizační směs s tlakem minimálně 10 barů bude stlačena dalším kompresorem - boosterem na minimálně 23 barů.
Z přepravních důvodů (opět byl stanoven požadavek na zabudování generátoru dusíku i boosteru do ISO 1C 20 ft. kontejnerů) bylo nutné řetězec rozdělit do dvou zcela identických řad.
V roce 2012 podal CEPS přihlášku do operačního programu Podnikání a inovace, který tento typ technologických inovací podporuje. V rámci programu Inovace - Inovační projekt - Výzva IV byl CEPS pro udělení podpory vybrán a náš projekt číslo 4.1 IN04/944 získal podporu ve výši 60 %. Zbývajících 40 % musel CEPS vložit z vlastních zdrojů. Náročné cash-flow projektu, které je důsledkem dotačního systému, kdy jsou zpětně pokrývány jen již vynaložené prostředky, se podařilo vykrýt díky sofistikovanému úvěrovému programu vytvořeném ve spolupráci s naší financující pobočkou ČSOB Tábor.
Vzhledem k tomu, že v rámci financování byly využity veřejné prostředky, bylo na dodávku kompletního řetězce vypsáno veřejné výběrové řízení se všemi náležitostmi. Jen zadávací dokumentace zahrnovala 29 stran. Z několika uchazečů nakonec naplnila podmínky pouze česká společnost Acstroje, s. r. o. Jablonec nad Nisou.

Dodavatel Acstroje realizoval řetězec se třemi hlavními subdodavateli. Zatímco dokumentace samotného generátoru dusíku byla k dispozici prakticky kompletní z fáze výroby prototypu, boostery bylo třeba navrhnout a zkompletovat opět jako kusovou dodávku. Finálním řešením v každé z obou jednotek jsou dva kompresory (viz obr. 3) ve společné regulaci . Na rozdíl od primárních kompresorů procesního vzduchu, které mají pochopitelně pohon dieselovými motory, kompresory boosterů mají elektropohon (každý 22 kW), a proto musí být každá jednotka vybavena elektrocentrálou s poměrně značným výkonem 80 kVA, neboť musí být schopna pokrýt i rozběhové proudy motorů.
Každá z obou řad technologického řetězce je samostatně zásobována procesním vzduchem prostřednictvím kompresoru Atlas Copco XRHS 506 (viz obr. 4).

Pohled na boosterovou jednotku (kompresory jsou umístěny nad sebou)

Kompresor procesního vzduchu

Meze výbušnosti hořlavých plynů a par

Významnou součástí projektu bylo i definování provozních režimů zařízení. Podstatou inertizace potrubí je vytvoření takové atmosféry v potrubí, kdy je koncentrace hořlavých plynů nebo par mimo meze výbušnosti. Problémem však je, že s rostoucím tlakem se meze výbušnosti rozevírají, především horní mez výbušnosti poměrně značně roste. Zejména při vytlačování hořlavých kapalin, kdy je vzhledem k hydrostatickému tlaku nutné pracovat i s vysokými tlaky, je tedy třeba zvolit potřebnou koncentraci dusíku v inertizační směsi v závislosti na tom, jaký bude maximální tlak při vytlačování kapaliny. Navíc záleží i na složení vytlačovaného média, jiné meze výbušnosti má zemní plyn, jiné plynný LPG, jiné benzin a jiné nafta. Ještě spletitější je případ ropy, která obsahuje jak lehké, tak těžké složky, takže bezprostředně po vytlačení se do prostoru za ježkem odpařují především lehčí uhlovodíky, zatímco po delší prodlevě se odpařují uhlovodíky těžší.
Proto CEPS požádal pracovníky Ústavu plynárenství pražské VŠCHT, aby se na projektu podíleli analýzou tohoto problému. Výsledkem výzkumných prací byla definice různých pracovních režimů v závislosti na složení vytlačovaného média a rozsahu provozního tlaku.

Nasazení v praxi

Generátory inertizační směsi N-1100 byly poprvé provozně nasazeny při pracích na části ropovodu DN 700, vedoucího od hranice Lotyšsko/Bělorusko do přístavního Ventspils. Tento ropovod v délce přes 250 km, jehož vlastníkem je společnost LatRosTrans, byl dlouhodobě neprovozován a provozovatel se rozhodl potrubí z ekologických i bezpečnostních důvodů vyprázdnit, dokonale vyčistit od veškerých uhlovodíků a natlakovat inertizační směsí o koncentraci dusíku 95 %.                
Další rutinní nasazení při vytlačování hořlavých kapalin již běžně probíhá na potrubích ropovodů českého MERO (viz obr. 5),  slovenského Transpetrolu i produktovodů ČEPRO.

Provozní nasazení na ropovodu DN 700 MERO IKL

V Polsku bylo provedeno odplynění a inertizace dvou vysokotlakých plynovodů (DN 500 a DN 200) před jejich opravami, čímž se podařilo významně zkrátit čas, který by jinak odplyňování a zajištění bezpečné atmosféry klasickou metodou vyžadovalo. Zároveň zde proběhla inertizace i nově postavených vysokotlakých plynovodů DN 700 a DN 800 před jejich zprovozněním.
Začátkem léta tohoto roku proběhlo vyprázdnění 35 km potrubí produktovodu DN 500 přepravujícího motorovou naftu na území Běloruska pro společnost Transněftěprodukt.
V současné době CEPS disponuje třemi generátory dusíku a dvěma boostery.

Závěr

Zavedení technologie vytlačování hořlavých plynů a kapalin tlakovou inertizační směsí významným způsobem zvyšuje bezpečnost těchto náročných prací. Navíc v případě odvzdušňování a odplyňování plynovodů lze díky inertizační směsi bezpečně použít oddělovací ježky, a tak podstatně urychlit jak odvzdušňování, tak především odplyňování.