автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Образование и распространение паровоздушных облаков сжиженных углеводородных газов при техногенных авариях

На правах рукописи

ИСЛАМХУЗИН ДАМИР ЯГФАРОВИЧ

ОБРАЗОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПАРОВОЗДУШНЫХ ОБЛАКОВ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ ПРИ ТЕХНОГЕННЫХ АВАРИЯХ

05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Казань - 2003

Рабата выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» в Казанском государственном технологическом университете

Научные ^5уководнгели:

доктор технических наук, профессор Телжов Эдуард Шархиевич,

доктор технических наук, профессор Гимранов Фвдаис Мубаракович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Гайнутдийов Рафаил ь Шакирович

кандидат технических наук, ст. шуч. сотр. Шакирзянов Рапшд Габдулович

Ведущая организация

Открытое акционерное общество "КАЗАНЬОРГСИНТЕЗ" (г. Казань)

Защита состоите« 10 декабря 2003 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68-, зал заседаний Ученого совета (А-330).

С диссертацией можно ознаяомягься в библиотек^ Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « В» ноября 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.080.02 д. х. и., профессор -X)

Гуревич ПЛ.

ЖУЧЬ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность проблемы. Современное промышленное производств© характеризуется значительной энергонас ы ще нностью. На небольших производственных площадках сосредоточено значительное количество опасных вей [ест в, обладающих высоким энергетическим потенциалом и/или являющихся токсичными Большинство опасных веществ в оборудовании н в трубопроводах находятся под высоким давлением Учитывая, что оборудование в настоящее время достаточно изношено, не исключается возникновение аварийной разгерметизации технологической системы с выбросом значительного количества опасных веществ в окружающую срелу и образованием паровоздушных облаков (ПВО) По статистике вероятность аварийной разгерметизации на единицу нефтеперерабатывающей установки составляет 102-10"1 случаев/гол. Аварийность па объектах магистрального трубопроводпот транспорта составляет (0,16-0.25) аварий/1000 км гол. При зтом примерно каждая 36-я авария сопровождается взрывом образующихся ПВО Опасность паровоздушных облаков обусловлена тем. что они пол воздействием а 1 мосферных потоков могут перемешаться на значительные расстояния, что увеличивает вероятность воспламенения облака случайным источником зажигания. При воспламенении облака может возникать крупномасштабный пожар или взрыв Необходимым условием воспламенения облака является превышение локальной концентрации в^ывоопасного вещества в точке расположения источника воспламенения нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПРП).

Оценка последствий вероятных техногенных аварий на опасных производственных объектах, с целью принятия компенсационных мер (выбора площадки застройки, оценки риска эксплуатации опасных производственных объектов), предполагает проведение количественной оценки распространения паровоздушных облаков в открытом пространстве с расчетом концентрационных полей, формирующихся в окрестностях точки выброса опасного вещества (ОВ) Действующие нормативные методики расчета концентрационных полей (ОНД-86 и "Токси") разрабатывались с существенными упрощениями и не всегда адекватно описывают распределение концентраций ОВ в пространстве. В частности, они малопригодны при описании распространения облаков тяжелых углеводородных газов, поскольку их плотность существенно отличается от плотности атмосферного воздуха.

Особую сложность представляет расчет последствий техногенных аварий, связанных с истечением из трубопроводов сжиженных углеводородных газов (СУГов), что связано с физико-химическими особенностями этих систем. К СУГам относятся сжиженные углеводороды (пропан, бутаны) и их смеси - широкие фракции легких углеводородов (ШФЛУ), а также нестабильные бензины, содержащие значительные количества легких углеводородов. Особенности поведения этих систем проявляются уже в самих механизмах истечения среды через аварийные отверстия, взаимодействия (массо-теплообмене) истекающей среды с окружающей средой (подстилающим грунтом и атмосферой) и в особенностях формирования концентрационных полей ОВ в атмосфере.

Цель работы.

1. Разработка методики расчета интенсивности и размеров источника испарения СУГов на основе моделирования процесса истечения ШФЛУ при нарушении герметичности нродуктопровода и последующего тепловою взаимодействия СУГов с окружающей средой.

2. Разрабо1ка и программная реализация методики расчета распространения паровоздушных облаков с учетом влияния температурной стратификации атмосферы

3. Оценка адекватности разработанных моделей по экспериментальным данным.

4. Сопоставление разработанной методики расчета распространения ПВОеОПД-86 и "Токси"

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель истечения сжиженных углеводородных газов из аварийных разрывов магистральных трубопроводов и их последующего испарения за счет теплового взаимодействия с подстилающим фунтом и атмосферой

2. Для расчета эволюции паровоздушных облаков СУГов путем решения системы дифференциальных уравнений сохранения массы, импульса и энергии предложена методика расчета параметров атмосферного воздуха, а также характеристик турбулентности приземного слоя, основанная на численном решении модельных уравнений атмосферной турбулентности с учетом температурной стратификации.

3. Дана опенка достоверности результатов расчетов распределения концентраций ПВО по нормативным методикам ОНД-86 и "Токси". а также по разработанной методике

4. На основе разработанной методики расчета состояния атмосферы исследовано влияние температурной стратификации атмосферы на параметры турбулентности. Достоверность численных о кспериментов подтверждена путем сопоставления с данными натурных экспериментов, в ¡я I ыми из литературных источников. Точность ре-зулыаюв расчетов по разрабомнной методике базируется на решении дифференциальных уравнений Навье - Стокса для турбулентных течений.

Практическая значимость. Результаты работы могут использоваться для оценки последствий аварийной разгерметизации оборудования опасных объектов и магистральных трубопроводов, а также при разработке деклараций промышленной безопасности опасных производственных объектов Разработанный программный комплекс был использован при корректировке ряда проектов строительства магистральных нефтепроводов.

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 3 научные статьи. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и изложена на 116 сфапицах, включая 3] рисунок, 3 таблицы и список лн-теразуры, который содержит 117 источников.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научныч конференциях КГТУ (2001-2002 гг.)

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, рассматривается степень изученности проблемы, формулируются цели и задачи исследований.

4

В первой главе приведен аналитический обзор работ отечественных и «рубежных авторов по тематике диссертации. Предварительно проведен анализ причин и последствий возникновения и развития аварийных ситуаций при транспортировке СУ1 о». Проведен статистический анализ причин возникновения аварий. Из описания характеров разрушений сделаны выводы о закономерностях и явлениях, предшествовавших авариям Проведен качественный анализ развития аварийной си гуанин и выбраны критерии, определяющие поведение паровоздушных облаков.

Основными факторами, оказывающими влияние на формирование и распрос (ранение паровоздушного облака, являются скорость его образования, количество взрывоопасного 1 аза в облаке, скорость перемещения и харакгер рассеяния облака в пространстве Поггому направлениями исследований выбраны:

нахождение размеров источника испарения;

определение интенсивности испарения;

моделирование механизма воздейс!вия метеороло!ических условий в аварийной зоне на формирование концентрационною поля в пространстве.

Влияние метеорологических параметров на испарение, образование и -эволюцию взрывоопасного облака является определяющим. Для подготовки базы для численного исследования влияния температурной стратификации атмосферы на профиль скорости ветра и на характеристики турбулентности излагаются основные положения теории атмосферной турбулентности.

В конце главы делается вывод о том, что существующие на сегодняшний день методики расчета вредных выбросов в атмосферу (в том числе нормативные методики) дают противоречивые результаты, не в полной мере подтверждены экспериментальными данными, и их применение недостаточно обосновано.

Во второй главе излагаются теоретические предпосылки для моделирования истечения СУГов из аварийных отверстий в подземных продуктопроводах ШФЛУ. Приведена схема расчета количества утечки СУГов через отверстие, интенсивности и площади испарения жидкой фазы за счег теплового взаимодействия ШФЛУ с грунтом и атмосферой.

Моделирование закономерностей формирования профиля давлений по длине и роду кто про в ода при перекачке СУГов. Особенностью перекачки ШФЛУ по продук го про водам является то обстоятельство, что этот продукт нельзя рассматривать как несжимаемую жидкость Это объясняется тем, что перекачиваемая система характеризуется высоким давлением насыщенных паров (ДНП). Поэтому даже при оаа-новкс работы насосов на головной насосной станции (ГНС) в любом сечении продук-топровода давление не может упасть ниже ДНП. Поэтому при неработающем насосе на головной насосной станции профиль распределения давления по длине трубопровода будет складываться из давления насыщенных паров ШФЛУ. гидростатического давления столба жидкой фазы в точке измерения давления относительно точки выкипания ШФЛУ и потери давления на преодоление гидравлического сопротивления истечению ШФЛУ от точки измерения давления до точки приема:

р, =Р„о,

5

I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ ' БИБЛИОТЕКА 1 л С(1»тсрбур»

где Р- абсолютное давление в трубопроводе в точке ¡, Па; Рпр - давление насыщенных паров ШФЛУ при температуре грунта, Па; рт - плотность ШФЛУ, кг/м3; ДН, - перепад высот между точкой с наиболее высокой отметкой и рассматриваемой, м; ДР^ - потеря давления на преодоление гидравлического сопротивления течению ШФЛУ от рассматриваемой точки (точка с наиболее высокой отметкой) ло точки ¡, Па. ускорение свободного падения (м/с1).

Для подтверждения справедливости сделанных выводов были рассмотрены результаты измерения распределения давлений в пролукюпроводе Миннибаево - Нижнекамск. проведенного для двух режимов эксплуатации м роду кто провода: при работающем насосе на ГНС и при его отключении (таблЛ) В обоих случаях имел место прием ШФЛУ в конечной точке 11родуктопровола (резервуармый парк).

На рис.1 представлено сопоставление рассчитанных по уравнению (1) значений давления с намеренными для второго режима работы п роду ктопро вода (насос на ГНС отключен). На этом же рисунке нанесен укрупненный план трассы продуктопровода На 20-ом километре трасса преодолевает водораздел, а наибольшая высотная отметка на этом участке составляет 256 м. Очевидно, именно на этом участке может иметь место вскипание ШФЛУ.

Таблица 1

К и ломе гр по трассе Высота Давление в проду ктопро воле, МПа

Точка замера отметки, при работе насоса при остановке на-

м на ГНС соса на ГНС

0 ГНС 170 3,3 1,0

10 Вантуз 205 2,7 0,8

20 256 1,85 0,4

30 189 2,5 1,0

40 91 2,4 1,1

50 107 2.0 1.0

60 95 1,95 1,2

70 104 1,5 1,05

74 62 1,4 1.35

75 80 1.05 1,1

90 109 0,9 0,75

100 147 0,8 0,6

110 190 0,55 0.45

120 (конечный узел) Резервуар-ный парк 202 0,5 0,4

О 20 40 60 80 100 120

Продольная координата, км -о-Ряд! -Ряд2 ♦ РядЗ

Рис.1 Сопоставление рассчитанных (ряд 2) и намеренных (ряд 3) давлений е характерных точках нродуктопровода в сопоставлении с планом трассы (ряд I)

Можно отметить хорошее tooiветствие между расчетными и экспериментальными резуль 1 атами, что подтверждает справедливость уравнения (1). Поскольку II1ФЛУ представляет собой ширококипяшую фракцию с интервалом выкипания при атмосферном давлении не менее 40 °С. вскипание ШФЛУ не сопровождается пульсациями давления и практически не регистрируется в конечных точках нродуктопровода (на головной насосной станции и в резерву арном парке). При включении насоса на ГНС повышение давления в трубопроводе будет сопровождаться постепенной конденсацией паров ШФЛУ и соответственно пос тешенным ростом расхода ШФЛУ в точке её приема.

Моделирование закономерностей истечения ШФЛУ при нарушении герметичности продуктопровода. Нарушения герме т нчноети трубопровода mol \ i возникать вследствие образования свишей в теле трубы, j лавним образом в результате коррозионных эффектов в местах нарушения антикоррозионного покрытия, и в местах сварки, а также в результат разрывов ¡ела трубы "гильотинного" типа. Последний случай может являться следствием просадки грунта в месте прокладки трубопровода (карстовые явления), а также следствием несогласованной хозяйственной деятельности человека.

Наибольшие по ущербу аварии на НГ1 возникаю! при продольных разрушениях труб. Такая форма продольных трещин неоднократно отмечалась при авариях на мати-стральных нефтепроводах, поэтому образование разрывов именно этого типа может считаться наиболее вероятным. Коррозионные свищи при определенных условиях также могут достаточно быстро развиваться в продольные трещины. В дальнейшем предполагается. что дефектное отверстие имеет форму ромба с отношением длины трещины к ее ширине равным 8:1. Тогда размер отверстия может быть задан через соотношение (характерный размер) Ц, = L/D, где D - диаметр трубопровода, a L - длина трещины.

Вероя ыосчь обраювапия разрыва с характерным размером Ц подчиняется распределению Вейбулла. Дефектные отверстия при характерном размере Ц,=0,3 могут рассматриваться как свищи, при 1_г, =0,75 - как продольные трещины и при Ц = 1,5 - как разрывы «гильотинного» типа.

Утечка ШФЛУ через аварийные отверстия п роду кто провода на первом этапе будет сопровождаться её адиабатическим испарением. При этом температура испаряющейся системы практически м!новенно понижается до температуры её кипения при атмосферном давлении. Температура начала кипения ШФЛУ составляет примерно -30"С Очевидно, до этой температуры будут охлаждаться и прилегающие слои грунта. На следующем этане испарение ШФЛУ будет продолжаться за счет взаимодействия жидкого остатка с окружающими слоями грунта, а при разливе ШФЛУ по поверхности - и с прилегающими слоями атмосферы. Условия теплообмена будут зависеть от времени гола и погодных условий Учитывая, что конец кипения ШФЛУ достигается при температуре примерно +20°С, в летний период следует ожидать достаточно быстрого полного испарения ШФЛУ.

Поскольку при утечке через свищи прилегающие слои грунта будут быстро охлаждаться до температуры начала кипения ШФЛУ, процесс испарения ШФЛУ в основном будет протекать за пределами свища, а расход истекающей ШФЛУ будет существенно меньше расхода ШФЛУ по самой трубе. Поэтому с достаточной степенью точности представляется возможным использовать для расчета скорости истечения обычные соотношения теории гидравлики:

„ |2хДР

где К^ коэффициент истечения, ДР - перепад давления в стенке каверны. Па. При расчете ДР в качестве наружного давления принимается атмосферное, а внутреннее давление определяется в ышерассм отре иными режимами работы продукте провода. Расчет по уравнению (2) был сопоставлен с данными, приведенными в ''Руководстве по проведению исследований опасности и эксплуатационной пригодности'' (Лондон. 1977 г.) в части расчета утечки жидкого пропана (Т„т = -42°С) через круглое отверстие в трубопроводе. Оказалось (табл. 2), что эти данные хорошо согласовываются друг с другом

Таблица 2

Диаметр отверстия В трубопроводе (мм) Величина утечки через отверстие (кг/с)

расчет по уравнению (2.2) по номограмме из "Руководства..."

2 0,12 0,12

3 0,266 0,255

5 0,74 0,72

10 2,95 2,8

20 11,9 11,8

50 73,6 70

В случае разрыва продуктопровода "гильотиннот" тина уравнение (2) для описания процесса истечения ШФЛУ становится непригодным. Подобные разрывы практически всегда связаны с выбросом грунта в окрестностях аварийной точки. В этом случае в месте разрыва происходит резкое падение давления среды до атмосферного и интенсивное испарение ШФЛУ уже непосредственно внутри участка продуктопровода, прилегающего к месту разрыва. Длина участка занятою испарившейся фазой будет зависеть о1 степени иснарения ШФЛУ (доли отгона паровой фазы), но всегда будет достаточно протяженной. Образовавшаяся паровая фаза имеет при зточ объем почти на 2 порядка превышающий объем исходной жидкой ШФЛУ. в связи с чем скорость её течения резко возрастет. Однако зта скорость не может превысить критическую (скорость звука). Последняя может быть определена по известному уравнению:

где к - показатель адиабаты истекающих паров, 1их абсолютная температура, К, М ' - молекулярная масса, кг/кг-моль.

Таким образом, при полном разрыве продуктопровода ШФЛУ будет истекать из аварийного участка не в виде жидкости (с последующим сё иснарением в фунте), а в виде паровой фазы после се исиарения внутри (рубы Поскольку температура грунта даже в летний период не превышает 16 "С, температура ШФЛУ также соответс1вуе! этой температуре и может считься известной. Решение задачи однократного исиарения для заданных условий, позволяет определи 1ь объем образовавшейся паровой фазы. Не испарившаяся часть жидкой фазы окажется распределенной в паровой фазе в виде взвеси и будет дополнительно испаряться при движении смсси ио (рубопроводу за счет теплообмена с окружающим продукте провод I рун том, Недо испарившаяся часть жидкой фазы буде1 выброшена из продуктопровода вместе с паровой фазой.

Расчет по уравнению (3) показывает, что величина утечки ШФЛУ для случая разрыва "гильотинного" типа не может превысить 28-30 кг/с при диаметре продуктопровода 250 мм и 40-45 кг/с при диаметре 300 мм, что даже меньше фактическою расхода ШФЛУ по соответствующему трубопроводу, определяемою производительностью насоса на ГНС. Потому разрыв протяженных л родуктоп роводо в для перекачки сжиженных газов не сопровождается каким-либо существенным падением давления на головной насосной станции, что до сих пор не учитывается при разработке систем противо-аварийной защиты (ПАЗ) продуктопроволов Необходимо также иметь в виду, что истечение СУГов при аварийной разгерметизации продукюпроводов будет происходить из обоих участков разрушенного трубопровода, т.е как по направлению движения от-I качиваемой системы, так и в обратном направлении.

Моделирование процесса взаимодействия истекающих СУГов с окружающей средой. При поступлении ШФЛУ в атмосферу из аварийного разрыва «I ильотинного» 1ипа источник может рассматриваться как точечный. Количество поступающей в атмосферу ШФЛУ будет определяться при этом уравнением (3). 11ри аварийных разрывах в форме свищей и продольных трещии небольшого размера (1т=0.3-0,75) физическая картина поступления ШФЛУ в атмосферу будет существен но сложнее. Действительно.

9

в этом случае выброса фунта из окрестностей аварийной точки не происходит Поэтому вокруг точки истечения будет формироваться зона остаточной (частично испаренной) жидкой фазы ШФЛУ с температурой, соответствую шей условиям адиабатического испарения исходной ШФЛУ. Паровая фаза будет фильтроваться через слой грунта (глубина укладки продуктопровода 1.6 м), а жидкая фаза - пропитывать грунт Ввиду малой плотности (575 м/м3) жидкая фаза ШФЛУ будет вытесняться влажным фунтом и расплываться в слое, прилегающем к поверхности земли, образуя псевлогрязевую (псевдоледовую) каверну (рис 2), '>гому же будет способствовать и образование гидратов при взаимодействии легких углеводородов жидкой фазы (прежде всего пропана) с

Дальнейшее испарение жидкой фазы будет происходить за счет теплопритока от окружающего каверну грунта через ее боковую поверхность и от атмосферы через се верхнюю торцевую поверхность. Мосле

непродолжительного периода формирования псевдоледовой каверны процесс будет протекать в стационарных условиях, характеризующихся постоянством всех параметров процесса (расход истекающей ШФЛУ. температурные условия процесса). Форма псевдоледовой каверны будет определяться решением тепловой задачи по балансу энергии, поступающей к боковой поверхности каверны от фунта и к торцевой поверхности от атмосферы Эта энергия расходуется на испарение жидкой фазы. Форма псевдоледовой каверны должна отвечать условию минимума поверхности теплообмена. Поэтому поверхность будет иметь форму полусферы или полуэлипсоида вращения. В результате моделирования определяется площадь поверхности, через которую ШФЛУ поступает в атмосферу (площадь источника выброса). Результаты в существенной мере будут зависеть от приня гых условий процесса (метеорологические, температура и теплопроводность фунта). Необходимые данные для проведения расчетов могут быть приняты, например, по рекомендациям методики ОПВХП ПЕ 09-540-03.

Третья глава посвящена математическому моделированию распространения паровоздушных облаков СУ1 ов в атмосфере.

Моделирование процесса распространения паровоздушных облаков в атмосфере. Особенности распространения паровоздушных облаков, образованных СУГами, обусловлены прежде всего существенными различиями между термодинамическими характеристиками паров СУГов и атмосферного воздуха. Пары сжиженных газов активно включаются в формирование конвективных течений и существенно изменяют характер атмосферной турбулентности Следует отметить, что процессы тепломассообмена и газодинамики в образующемся облаке протекают в условиях сильной нестационарности. вызванной возникновением больших градиентов плотности и температуры в области течения.

влагой, содержащейся в грунте.

ТТТ—гтгтрг-ггг

м

\\ Чч

1

/ /

и_1

Рис.2 Схема формирования «псевдоледовой» каверны

Переменная, в общем случае, скорость поступления газа в атмосферу и ограниченное время действия реальных источников также предопределяют нестационарный характер эволюции облака.

Поскольку процессы тепломассообмена и газодинамики в таких облаках протекают в условиях турбулентного течения, то решение этой задачи во многом определяется выбором соответствующей модели турбулентного переноса массы, импульса и энергии. Математическое описание этого процесса гребует рассмотрения полной системы уравнений Рейнольдса для двух компонентного, вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа в поле силы тяжести. 1 (рименительно к рассматриваемой задаче эти уравнения для осредненного течения в векторной форме в декартовой сиоеме координат имеют вид:

закон сохранения массы:

(4)

Л

—^' + сЦу(рис)= МрК ра<1(С)) (5)

й

закон сохранения количества движения:

%-) + <1^(рйО)=01у(рК ЕГЦИ))-|Р (6)

ст ох

+ <Пу(р1>>)= <Му(рК 8гаф)ЬЩ---Р8 (8)

Й (ж

закон сохранения энергии:

%^ + <||*(рин)=<1.*(рК ега<1(Н)) + — (9)

й й

В уравнениях (4)-(9) I - время, с; и - вектор абсолютной скорости ветра, м/с; р -плотность смеси газ-воздух. кт/м~'; С - массовая концентрация газа в облаке, кг газа/кг смеси; Р - давление. Па; Н - удельная энтальпия смеси газ-воздух, Дж/кг; К - коэффициент турбулентной диффузии. м7с.

В работе Едигарова для решения системы уравнений (4)-(9) предложено использовать консервативную конечно-разностную схему, основанную на применении модифицированного метода растепления по физическим процессам и пространственным направлениям в сочетании с методом контрольного объема. Данная схема имеет первый порядок точности по времени и второй - по пространственным координатам

Давление рассчитывается по уравнению состояния для идеального лвухкомпонентно го газа:

Р = рТ(С К, +(1 -С) Л.) (10),

где Т - абсолютная температура. К; Г1г и - газовые постоянные опасною вещества (СУГа) и атмосферного воздуха, Дж/кг-К. При этом энтальпия с гемпературой связывается выражением:

Н= |(С ср1 +(|-С) (П),

иеср, и соотвеютвешю удельные теплоемкости газа и воздуха, Дж/кг-К.

Наибольшие сложности связаны с описанием зависимости коэффициента турбулентной диффузии К от структуры турбулен 1 ного потока. По литературным данным, наиболыпе согласование с экспериментальными данными обеспечивает модель турбулентного переноса Т. Спайсера-Д. - Хавепса. основанная на обработке лабораторных экспериментов по стратифицированным течениям. Предложенная в этой работе эмпирическая зависимость для расчета коэффициентов турбулентной диффузии в области течения с преобладающим влиянием отрицательной плавучести (область гравитационного распространения облака) основана на большом экспериментальном материале, охвашваюшем стратифицированные течения в широком диапазоне изменения массового числа Ричардсона Л»' Указанный диапазон изменения практически полностью охватывает возможные сценарии выброса холодного тяжелого газа в атмосферу. Вертикальный коэффициент турбулентной диффузии в эюй модели описывается уравнениями:

_к и. _

'"{0,«8 + 0,099 Ю\мХиу) (|2>

Л,и = о) и;

н"=ш!с<1г <|4>-

где Н[ГГ - эффективная высота облака, м; рл - плотность воздуха, кг/м\ С0(\) - максимальная концентрация на оси симметрии облака, кг газа/кг смеси; и• - динамическая скорость, м/с; у - показатель в иепенном законе изменения скорости ветра по высоте

При формулировке граничных и начальных условий приняты следующие допущения:

• Разлив образуется мгновенно, а источник выброса условно имеет форму прямоугольника со сторонами и а2.

* Размеры источника выброса, скорость испарения, скорость ветра и параметры атмосферы (плотность, температура) остаются постоянными в течение всего расчетного отрезка времени.

* Ось х направлена по направлению ветра, ось у направлена перпендикулярно направлению ветра, ось г направлена вертикально вверх.

Далее формулируются начальные н граничные условия для модели (4-9), согласно которым, в начальный момент времени, а также на границах расчетной области рас-

пределенне величин />, V ,11 определяется состоянием атмосферной турбулентности и не подвержено влиянию диффундирующей примеси.

р{х,у,--,<)-рА--К ¿ф.г,_-,/)= ¿4-), я(дг,у,-(Ь"Л--К

где, /?,{-), Н А2)' плошость и энтальпия воздуха, кг/м3 и Дж/кг; и „(г) - скорость ветра, м/с. Отсюда возникает задача нахождения зависимостей (г). 11^(1) и #„(-).

Все перечисленные параметры атмосферы взаимозависимы и для их нахождения необходимо численно решить уравнения сохранения импульса и энергии.

Запишем исходную систему уравнений для атмосферного воздуха;

к -ъ ¿и, и. 5г

—Ы)

(25)

=-а-[Г, -7-и(0)]-К -0,01 • С„ (26)

(27)

ЙЕ

Первое слагаемое в правой части уравнения (26) представляет собой турбулентный поток тепла от поверхности земли к воздуху, второе слагаемое - изменение температуры по высоте за счет сухоадиабати чес кого градиента.

Для замыкания системы уравнений (25)-(26) воспользуемся масштабом Обухова, который характеризует температурную устойчивость атмосферы (ее стратификацию)'

Функция имеет вид:

+ при /О0 <29>

У^ при ^<0 (30)

13

При этом коэффициент турбулентной диффузии и энтальпия описываются соответственно уравнениями:

к и. /

(31)

Н,=Т, с,.

(32)

Дополнительно воспользуемся уравнением состояния идеального газа:

к. т,

и введем граничные условия для системы уравнений (25)-(27):

(33)

РаЩ=Рш "и(0) = 0

(34)

(36)

т(о)=ти и.(10) = (/о

(35)

(37)

В уравнениях (25)-(33):

к - константа Кармана; Та и Т, - температуры воздуха и земли. К; Тс -значение температуры воздуха на уровне земли I = 0. К; а - коэффициент теплоотдачи от поверхности земли к атмосферному воздуху. Вт/м2К: ип-скорость ветра на высоте г^ 10 м. м/с.

При формулировке задачи сделано допущение, что энтальпия вещества равна произведению сдельной теплоемкое]и вешеива на его абсолютную температуру. При этом удельная теплоемкость имеет постоянное значение во всей расчетной области.

Зависимости р;г(г),«и(г), 7"„(;). А'а{У), значение динамической скорости м> получаются путем численного решения системы (25)-(27).

Для идентификации модели (25-27), были проведены численные расчеты, которые сравнивались с экспериментальными значениями скорости ветра. Результаты сравнения расчетных профилей скорости ветра с экспериментальными данными приведены на рис. 3. Можно отметить хорошее согласование модели и эксперимента

На основе вышеописанной методики был разработан программный комплекс, предназначенный для расчета возникновения и эволюции паровоздушных облаков, возникающих при аварийной разгерметизации продукте проводов, перекачивающих СУГи. ШФЛУ и нестабильные бензины. Программа позволяет вычислять начальные и [раничные условия (параметры атмосферы и характеристики турбулентности) по модели (25Н27) и автоматически экспортировать их в расчетную схему основной системы. При этом расчетная область строится автоматически, в зависимости от размеров источника испарения.

Рнс.Э Сравнение расчетных значений профиля скорости вегра с экспериментальными данными 1 - эксперимент, 2 - расчетные лначения

Проверка адекватности математической модели В целях оценки применимости изложенной математической модели для описания процесса распространения паровоздушного облака тяжелого газа в атмосфере, проведено сопоставление расчетных данных с результатами натурных зкепериментов по разливу на воде сжиженного природного газа (эксперимент №29) и пропана (эксперимент №46). Временной шаг интегрирования равнялся 1 сек. Использовалась неравномерная пространственная сетка. Исходные данные для расчетов представлены в табл.3.

Таблица 3

Исходные данные Эксперимент №29 Эксперимент №46

Объем утечки (м3) 21,9 22,2

Скорость ветра на высоте Юм (м/с) 7,4 8,1

Температура воздуха (°С) 16 16

Температура поверхности воды (°С) 17 18

Максимальный диаметр источника (м) 20,9 17

Эквивалентный размер источника (м) 18,5 15

Во всех экспериментах этой серии зафиксирована категория устойчивости атмосферы - "Д*' (нейтральная), шероховатость поверхности - 0,00034 м, интенсивность испарения СПГ- 0,085 кг/мгс, пропана - 0,12 кг/м2с. Форма источника выброса принималась квадратной.

На рис.4 и 5 приведены результаты сравнения численных расчетов с экспериментальными данными а также с результатами расчетов по нормативным методикам ОНД-86 и "Токси". Как видим, предлагаемая методика существенно лучше согласуется с экспериментальными данными, чем нормативные методики Это позволяет рекомендовать разработанную методику для практического использования в широком спектре задач (например, при оценке риска, связанного с эксплуатацией конкретных трубопроводов).

с.%

Рис.4 Сравнение расчетных {предложенная методика, методика « ГОКГИ» и методика ОНД-86) и экспериментальных значений приземной концентрации опасного вещества (эксперимент №29)

ч, м

Рис.5 Сравнение расчетных (предложенная методика, методика «ТОК-СИ» и методика ОНД-86) и экспериментальных значений приемной концентрации опасного вещества (жсперимент №46)

Данные численного анализа показали, что нижний предел взрываемости достигается лаже на достаточно большом удалении от источника на оси факела выброса при малых скоростях ветра. Сами концентрации возрастают с уменьшением екорос1и ветра Это объясняется гем. что в приземном слое атмосферы турбулентность главным образом генерируется за счет градиента скорости, следовательно с ее уменьшением падают значения турбулентных пульсаций, что приводит к снижению значений коэффициентов турбулентной диффузии. При этом происходит более медленное рассеивание облака и отслеживается сохранение больших концентраций на значительных расстояниях от источника испарения.

В четвертой главе изложены результаты использования материалов диссертации при разработке декларации промышленной безопасности производственных объектов по переработке уме водород но го сырья и при выборе трассы продукте провода ШФЛУ от Карабашской ЦКППН НГ ДУ «Иркен нефть» до центрального товарного парка ЩТП) управления «Татнефтегазпереработка» ОАО «Татнефть» в обход д. Абдрахманово. Исследовалось влияние различных факторов (характерных размеров разгерметизации, атмосферной стратификации, скорости ветра) на параметры турбулентности и размеры паровоздушных облаков.

Показано, что наиболее высокие концентрации углеводородов создаются непосредственно около псевдоледяной каверны, из которой испаряется ШФЛУ. Концентрация быстро снижается по мере удаления от оси факела выброса, причем с увеличением скорости ветра зона относительно высоких концентраций в поперечном направлении сжимается.

Эти результаты позволили дать оценку опасности образующегося при утечке ШФЛУ паровоздушного облака. Очевидно, наиболее опасным случаем является превышение локальной концентрации ШФЛУ в факеле выброса нижнего предела взры-ваемости газовоздушной смеси.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. I Разработана методика расчета интенсивности испарения СУГов с поверхности разлива и размеры источника выброса при аварийных ситуациях на магистральных продуктопроводах Искомыми параметрами для математического описания процесса испарения являются массовая скорость испарения СУГов с единицы поверхности источника и эквивалентный диаметр разлива 2. Математическая модель для расчета параметров атмосферного воздуха, позволяет вычислять с достаточной степенью точности параметры турбулентности, функцию изменения скорости ветра по высоте, зависящие от атмосферной стратификации Данная модель позволяет использовать найденные параметры атмосферы в качестве начальных и граничных условий при численном расчете эволюции паровоздушного облака в атмосфере, что повышает сходимость результатов расчетов с экспериментальными данными.

3 Выполнены сравнения результатов расчетов по разработанной в диссертации методике и нормативным методикам ОНД-86 и "Токси" с экспериментальными данными, которые показали, что предлагаемая методика лучше согласуется с экспериментом.

4 Результаты научно-исследовательской работы позволили выбрать безопасное месторасположение центрального пункта управления (ЦПУ) вновь строящейся газо-фракционируюшей установки ГФУ-300 управления «Татнефтегазпереработка» ОАО «Татнефть», определить расстояния от трассы продуктопровода отд. Абдрахманово и других производственных объектов с учетом возможности дрейфа облака ШФЛУ в случае аварии на производстве.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

! Оси нова Л.Э.. Тел яков Э Ш . I имралов Ф М , Исламхузин ДЯ. Моделирование процесса формирования опасных паровоздушных облаков при производственных авариях //Те п л о массооб м е н н ы с процессы и аппараты химической технологи Межвуз. тематич сб научн тр - Казань, Казанский государственный технологический университет 2000. С.83-86

2, Исламхузин Д Я . Тсляков Э Ш . ГимрановФ.М Численный расчет распространения паровоздушных облаков опасных веществ при техногенных авариях // Те-пломассообчснные процессы и аппараты химической технологии' Межвуз тема-тич. сб научн. тр. Ка.1ань. Казанский государственный технологический университет 2002. С.76-80.

3. Исламхузин Д Я., (еляков Т Ш , [ имранов Ф М Анализ образования и распространения паровоздушных облаков сжиженных углеводородных газов па ава- * р и иных участках магистральных продукта про водов // Казанский государственный технологический учи вере и те I. - Казань. 2003 17с - ил. - Библиогр 11

назв. - Рус. - Дсп. в ВИНИТИ 07,10.03 г., №1770-В20 03.

Соискатель

)

Заказ № АМ.

Тираж 80

Офсетная лаборатория КГТУ

420015,1. Казань, ул К. Маркса, 68

I

<L

рНБ Русский фонд

2006:4 37661

U..JÜM

Введение.

Глава 1. Анализ причин и последствий возникновения и развития аварийных ситуаций при транспортировке СУГов.

1.1. Обзор типичных аварийных ситуаций

1.2. Теория атмосферной турбулентности. 11 1.2.1. Уравнения баланса кинетической энергии турбулентности и дисперсии температуры. 11 1.2.3. Теория Монина - Обухова для приземного слоя.

1.3. Современное состояние теорий, описывающих распространение вредных веществ, попадающих в атмосферу в условиях аварийных разгерметизации. Нормативные методики.

1.3.1. Модель диффузии примесей в атмосфере.

1.3.2. Граничные условия.

1.3.3. Коэффициенты уравнения атмосферной диффузии.

1.3.4. Обзор решений уравнения (1.9). Нормативные методики.

1.4. Постановка задачи исследования. '

Глава 2.Теоретическое исследование процесса истечения СУГов из аварийных отверстий характерных размеров.

2.1. Моделирование закономерностей формирования профиля давлений по длине продуктопровода при перекачке СУГов.

2.4. Полная схема расчета развития аварийной ситуации.

Глава 3. Математическое моделирование распространения ПВО в атмосфере.

3.1. Выбор и формулировка исходной системы уравнений.

3.2. Выбор приемов решения выбранного математического описания. 44 3.2.1. Обзор существующих методов решения.

3.3. Расчетная схема.

3.3.1. Матричная запись исходной системы уравнений.

3.3.2. Схема расчета.

3.3.3. Аппроксимация пространственных производных.

3.4. Коэффициенты турбулентной диффузии.

3.5. Описание численного решения математической модели.

3.5.1. Граничные и начальные условия.

3.5.2. Конечноразностный аналог математической модели изменения скорости ветра по высоте.

3.5.3. Конечноразностный аналог математической модели гидродинамического потока тяжелого газа.

3.6. Проверка адекватности математической модели.

Глава 4. Практическое применение разработанного математического описания для моделирования опасных ситуаций.

4.1. Утечка ШФЛУ через свищ диаметром 5 мм.

4.1.1. Расчет размеров и интенсивности испарения.

4.1.2. Расчет пространственно-временного распределения концентрации взрывоопасного паровоздушного облака.

4.2. Утечка ШФЛУ через свищ диаметром 50 мм.

4.2.1. Расчет размеров и интенсивности испарения.

4.2.2. Расчет пространственно-временного распределения концентрации взрывоопасного паровоздушного облака.

4.3. Утечка ШФЛУ через свищ диаметром 100 мм. 95 4.3.1. Расчет размеров и интенсивности испарения. 95 Выводы. 96 Исследование температурной стратификации атмосферы на характеристики турбулентности. 98 Заключение. ЮЗ Литература. Ю<>

Любое предприятие химической промышленности в той или иной мере представляет потенциальную опасность для экологии и населения. Особую опасность представляют предприятия, осуществляющие переработку, хранение и транспортировку нефтехимических продуктов, обладающих взрывоопасными и/или токсическими характеристиками. Особое место в списке потенциально опасных веществ занимают вещества с низкими температурами кипения. К ним относятся сжиженные углеводородные газы (этан, пропан, бутан), хлор и его соединения, оксид этилена и многие другие вещества. Процессы переработки этих веществ, а также их хранение и транспортировка проводятся под давлением (0,6-^10 МПа) и, как правило, в жидком состоянии. В основном транспортировка сжиженных газов на большие расстояния осуществляется по подземным магистральным трубопроводам, и, в случае повреждения трубопровода, возникает аварийная ситуация, отличная от аварий при разрушении оборудования на технологических установках. Во время таких аварий возникает опасность выброса большого количества сжиженного газа в окружающую среду. Основной причиной этого является большая протяженность магистралей, вследствие чего, бывает очень трудно обнаружить утечку опасного вещества. При этом утечка может происходить в опасной близости от населенных пунктов, авто-, железнодорожных магистралей, сель-хоз. угодий и т.д.

Как правило, транспортируемые вещества в трубопроводах это вещества, у которых критическая температура выше, а точка кипения ниже температуры окружающей среды. Для сжижения этих веществ их достаточно только сжать. Они отличаются способностью к "мгновенному испарению", т.е. при разгерметизации содержащего данное вещество оборудования часть жидкости мгновенно испаряется, а оставшаяся охлаждается до точки кипения при атмосферном давлении.

Основной опасностью при выбросе сжиженных углеводородных газов в окружающую среду является образование взрывоопасного и токсичного паровоздушного облака. Паровоздушное облако - это одна из наиболее серьезных опасностей химических производств. Они образуются главным образом при мгновенном разрушении резервуаров хранения или при испарении разлитий криогенных жидкостей. Паровоздушное облако может образоваться двумя различными путями. В первом случае облако возникает при достаточно длительном истечении, когда вещество выбрасывается непрерывно в течение определенного промежутка времени, часа или более. Во втором случае облако образуется в результате почти мгновенного выброса при полном разрешении сосуда, содержащего вещество, которое способно мгновенно испаряться.

Образование паровоздушного облака может привести к появлению трех типов опасностей: крупному пожару, взрыву парового облака, токсическому воздействию, а в некоторых случаях, например при выбросе аммиака, возникает опасность и воспламенения и токсического воздействия.

Для оценки последствий вероятных техногенных аварий на опасных производственных объектах с целью принятия компенсационных мер (выбора площадки застройки и т. д.), оценки риска от эксплуатации опасных производственных объектов, например, при разработке декларации промышленной безопасности согласно федеральному закону ФЗ 116 [1], необходима количественная оценка распространения паровоздушных облаков в пространстве. Декларация промышленной безопасности уточняется или разрабатывается в случае изменения сведений, содержащихся в декларации промышленной безопасности, или в случае изменения требований промышленной безопасности [2].

Приемов для полноценной количественной оценки риска от эксплуатации магистральных продуктопроводов недостаточно. Наиболее применяемые на сегодняшний день методики расчетов истечения и распространения СУГов в атмосфере дают противоречивые результаты. Это обусловлено тем, что процессы истечения СУГов из емкостей и трубопроводов, а также их рассеивания в нижних слоях атмосферы протекают в условиях, которые сильно зависят от множества природных факторов. Например, образование и рассеивание ПВО в атмосфере зависит от температуры окружающей среды, которая изменяется в пределах от-30°С до +30°С, от скорости ветра, от степени турбулизованности атмосферы и т.д. Для учета влияния всех этих факторов необходимо решать точные уравнения гидродинамики, записанные в дифференциальной форме. Существующие методики, как правило, основаны на определенных допущениях, которые игнорируют влияние тех или иных факторов.

В свете вышесказанного, разработка методики расчета для точной количественной оценки последствий аварий является очень актуальной.

Выводы.

Как видно из рис. 4.1-4.8, наиболее высокие концентрации углеводородов создаются непосредственно около псевдоледяной каверны, из которой испаряется ШФЛУ. На рис. 4.1, 4.5 показаны распределения концентраций углеводородов вдоль оси факела выброса при скоростях ветра на высоте 10 миа = 8 иЗ м/с для диаметров аварийных свищей 5 мм и 50 мм. На рис. 4.2, 4.6 изображены распределения концентрации поперек оси факела выброса.

Концентрация быстро снижается по мере удаления от оси факела выброса, причем с увеличением скорости ветра зона относительно высоких концентраций в поперечном направлении сжимается.

Эти результаты позволяют дать оценку опасности образующегося при утечке ШФЛУ паровоздушного облака. Очевидно, наиболее опасным случаем является превышение локальной концентрации ШФЛУ в факеле выброса нижнего предела взрываемости газовоздушной смеси. Последняя имеет порядок 2.4 % объемных для пропана [71], что соответствует примерно 48 г/м3 при переходе к относительным массовым концентрациям.

Данные численного анализа показывают, что эта концентрация при диаметре коррозионного отверстия, равном 5 мм достигается на расстоянии 61м от источника на оси факела выброса при скорости ветра на высоте 10 м, равной 8 м/с, и 108 м при скорости ветра на высоте 10 м, равной 3 м/с. Т.е. распределение концентраций возрастает с уменьшением скорости ветра. Аналогичное явление наблюдается и при диаметре свища 50 мм. Это объясняется тем, что в приземном слое атмосферы турбулентность главным образом генерируется за счет градиента скорости, следовательно, с ее уменьшением падают значения турбулентных пульсаций, что приводит к снижению значений коэффициентов турбулентной диффузии. При этом происходит более медленное рассеивание облака и сохранение больших концентраций на значительных расстояниях от источника испарения.

Исследование температурной стратификации атмосферы на характеристики турбулентности.

U , м/с а'

Рис. 4.9. Влияние атмосферной стратификации на формирование профиля скорости ветра по высоте.

Z - высота над уровнем земли; иа - скорость ветра; L - характерный масштаб Обухова. t, °c i

-100

-150

-200

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

X, м

Рис. 4.10. Температура на оси облака на разных высотах над уровнем земли в зависимости от продольной координаты. t - температура облака; X - продольная координата; Z - высота над уровнем земли.

Z = / 3,7 м •

1,4 M и--

-r iiz= 0,5 m •

----- i 1 z = ^- 0,2 м ----г 0 м. -1100

-600

-100

400

900 L, M

Рис. 4.11. Зависимость динамической скорости от атмосферной стратификации, и* динамическая скорость в турбулентном потоке; L — характерный масштаб Обухова.

Z, м

L = 0 м

20

L = 228,84 м L = 482,39 м

Kz,m7C

Рис. 4.12. Зависимость коэффициента турбулентной диффузии атмосферного воздуха от высоты при различных значениях атмосферной стратификации.

Z - высота над уровнем земли; Kz - коэффициент турбулентной диффузии; L - характерный масштаб Обухова.

X, м I

Рис. 4.13. Изменение коэффициентов турбулентной диффузии в облаке на разных высотах над уровнем земли.

Kz - коэффициент турбулентной диффузии; X - продольная координата Z -высота над уровнем земли.

На рисунках 4.9-4.13 показаны графики, характеризующие влияние температурной стратификации на параметры турбулентности приземного слоя атмосферы. Как видно из рис. 4.9, температурная устойчивость практически не влияет на формирование профиля скорости в приземной области (до 20 м.). Согласно рис. 4.11, при стремлении характерного масштаба Обухова L к плюс или минус бесконечности, динамическая скорость и* асимптотически приближается к значению, которую принимает при нейтральной устойчивости атмосферы.

Read Save 1*"™*" Stall 17 Sl-fi Ц, DoseJ Картинка |

Г" AutoS ave I? Л»: W Показывать картинку

Данные I ГрФикХ-С Рисинок |

24% об 16.8% об j 7,2? об 2,4% об

2,4 4,8 7,2 9,6 12,0 14,6 17,4 20,4 23.7 27,2 31,0 35,1 39.6 44,4 49,5

55,1

Время 87с

Перемещение jo ^J

Масштаб X j7o~j£j |

Масштаб Y |l0 J

Высота j~

Ув/умен. мае. |1 -^j Координаты/Концентрация

X= 47,8 м

Z- 0,8 и

С 2,429%об

Разрез'

О ПяоскХ-Z

Г Плоек X-Y !

Read

Save

F Stop f JlS"*» | Даргинка | p Показывать картинку

Данные) ГрФикХ-С Рисунок |

I 24% об 116.8% об 7,2% об 2,4% об

На высоте 0,0 м

Перемещение jo jjj

МасштабХ jig

Масштаб Y jp3~jjij

Высота jo jj

Ув/умен. мае. p ^ Координэты/Концентрация

Разрез""".

С ПлоскХ-Z

•" Плоек X-Y

Время 83с

14,6 17.4 20,4 23,7

Рис. 4.14. Интерфейс программы.

Заключение.

1. Разработана методика расчета интенсивности испарения СУГов с поверхности разлива и размеры источника выброса при аварийных ситуациях на магистральных продуктопроводах. Искомыми параметрами для математического описания процесса испарения являются массовая скорость испарения СУГов с единицы поверхности источника и эквивалентный диаметр разлива.

2. Математическая модель для расчета параметров атмосферного воздуха, позволяет вычислять с достаточной степенью точности параметры турбулентности, функцию изменения скорости ветра по высоте, зависящие от атмосферной стратификации. Данная модель позволяет использовать найденные параметры атмосферы в качестве начальных и граничных условий при численном расчете эволюции паровоздушного облака в атмосфере, что повышает сходимость результатов расчетов с экспериментальными данными.

3. Выполнены сравнения результатов расчетов по разработанной в диссертации методике и нормативным методикам ОНД-86 и "Токси" с экспериментальными данными, которые показали, что предлагаемая методика лучше согласуется с экспериментом.

4. Результаты научно-исследовательской работы позволили выбрать безопасное месторасположение центрального пункта управления (ЦПУ) вновь строящейся газофракционирующей установки ГФУ-300 управления «Татнефтегазпереработка» ОАО «Татнефть», определить расстояния от трассы продуктопровода от д. Абдрахманово и других производственных объектов с учетом возможности дрейфа облака ШФЛУ в случае аварии на производстве.

Разработанные в диссертации математические модели процесса истечения СУГов из аварийных отверстий и модель распространения паровоздушного облака в атмосфере представляют собой законченную методику моделирования развития аварийной ситуации.

Полный расчет развития аварийной ситуации состоит из двух этапов.

1. Расчет интенсивности выброса СУГов из аварийного отверстия и инте-сивности испарения с поверхности разлива. Процесс выброса СУГов из трубопровода черз свищи происходит вследствие перепада давления в зоне аварийного отверстия. Перепад давления возникает из-за разности давлений внутри и снаружи трубопровода. Вещество, истекающее из аварийного отверстия, условно считается жидким. Одновременно с истечением СУГов из трубопровода происходит адиабатическое расширение части жидкости, попавшей в окружающую среду (в исследовавшемся случае в грунт.). Частично СУГи остаются в жидком состоянии. Оставшаяся неиспаренной жидкость будет иметь температуру кипения СУГов при атмосферном давлении, которая, как правило, существенно ниже температуры окружающего грунта. Вследствие этого между жидкостью и грунтом начинается интенсивный теплообмен с испарением оставшейся жидкости. Параллельно жидкость и пар выталкиваются грунтовыми водами на поверхность земли, образуя лужу неиспаренной жидкости. Здесь возникает дополнительный подвод тепла к жидкости от турбулизовнного атмосферного воздуха. При этом натупает стационарный режим испарения жидкости с поверхности лужи. Искомым параметром для математичаского описания процесса испарения является ма-совая скорость испарения СУГов с единицы поверхности разлива (кг/м2сек.). Для описания всех перечисленных процессов предложены математические модели, реализованные на ЭВМ. Достоверность получаемых по ним результатов подтверждена экспериментальными данными.

2. Нахождение пространственно-временного распределения концентраций. Динамика эволюции паровоздушного облака очень сложна и не может быть с достаточной степенью точности описана простыми алгебраическими уравнениями. Аналитические формулы, предлагаемые в различных методиках ([66, 67]) дают противоречивые результаты. Процесс турбулентного переноса неизотропного неизотермического газа в неограниченном пространстве может быть записан в дифференциальной форме с максимальным учетом всех факторов, влияющих на процесс массопереноса. К ним относятся скорость ветра, атмосферная стратификация, рельеф местности (в настоящей работе рассматривается развитие аварийной ситуации лишь на ровной поверхности) и т.д. Существует множество способов нахождения характеристик турбулентности, представляющие собой хаотические пульсации скорости, температуры, плотности и т.д. В настоящей работе решение уравнений Рейнольдса основано на использовании классического понятия "коэффициента турбулентной диффузии", т. к. имеется множество экспериментальных данных по этим коэффициентам. Численное решение системы уравнений Рейнольдса была осуществлена на ЭВМ в виде программного продукта. Сравнение результатов численных расчетов по выбранной математической модели с экспериментальными данными, взятыми из литературных источников, показало их хорошее согласование. В то же время результаты расчетов, выполненных по нормативным методикам для условий экспериментов, дали заниженные результаты. Проведенные исследования показали, что разработанная в диссертации методика более точно согласуется с экспериментальными данными по сравнению с существующими нормативными методиками. Следовательно, она может быть рекомендована к применению в практических расчетах.

1. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». - 2-е изд., с изм. — М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003. - 28 с.

2. Порядок разработки декларации безопасности промышленного объекта Российской Федерации. Утвержден приказом МЧС России и Гос-гортехнадзором России 40496 №222/59.

3. Бесчастнов М. В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. 432 с.

4. Бесчастнов М. В., Соколов В.М, Предупреждение аварий в химических производствах. — М.: Химия, 1979. 392 с.

5. Бесчастнов М. В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико-технологических процессов. -М.: Химия, 1983.-471 с.

6. Мокроусрв С.Н. Состояние технической безопасности объектов магистральных трубопроводов// Безопасность труда в промышленности. 1998. №9. с. 2-5.

7. Бережковский М.И. Трубопроводный транспорт химических продуктов. Л.: Химия, 1979. 240 с.

8. Кравец В.А. Системный анализ безопасности в нефтяной и газовой промышленности. -М.: Недра, 1984. 117 с.

9. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев А.А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. — М.: НУМЦ Минприроды России, 1996, 208 с.

10. Едигаров А.С. Прогноз токсической опасности при аварийных выбросах сероводорода из скважин и промысловых трубопроводов. Сб. на-учн. трудов ВНИИГАЗа "Перспективы развития экологическогострахования в газовой промышленности". М.: ВНИИГАЗ, 1998, с. 49-70.

11. Черкасских В.Г. Проблемы безопасной и безаварийной эксплуатации объектов магистрального, внутри- и межпромыслового транспорта нефти и газа.// Безопасность труда в промышленности. 1997. №5. с. 711.

12. Эльтерман В.М. Охрана воздушной среды на химических и нефтехимических предприятиях. М.: Химия, 1985. 160 с.

13. Бард. В.Д., Кузин А.В. Предупреждение аварий в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. — М.: Химия, 1984. — 315с.

14. Пененко В.В., Алоян А.Я. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Неб.: Наука, 1985,256 с.

15. Легасов В.А., Проблемы безопасного развития техносферы. Коммунист, 1987, №8, с. 92-101.

16. Савельев П.С. Пожары-катастрофы. М.: Стройиздат, 1983. 315 с.

17. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей: Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 351 с.

18. Бетчов Р., Яглом A.M. Замечания о теории подобия для турбулентности в неустойчиво стратифицированной жидкости. Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана, 1971, т. 7, №12, с. 1270 - 1279.

19. Волковицкий З.И., Иванов В.Н. Диссипация турбулентной энергии в пограничном слое атмосферы. Изв. АН СССР. Сер. Физика, атмосферы и океана, 1970, №5, с. 435-444.

20. Зубковский С.Л., Копров Б.М. О балансе турбулентной энергии в пограничном слое атмосферы. Изв. АН СССР. Сер. Физика, атмосферы и океана, 1970, №10, с. 1307-1310.

21. Kai К. The budget of turbulent energy measured at the ERC 30-m meteorological tower. J. Met. Soc. Japan, 1982, Ser. 11, v 60, No. 5, p. 11171131.

22. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидроме-теоиздат, 1970, 342 с.

23. Кухарец В.П., Цванг Л.Р. О скорости диссипации турбулентной энергии в неустойчиво стратифицированном атмосферном пограничном слое. Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана, 1977, т. 13, №6, с. 620 -628.

24. Кухарец В.П., Цванг Л.Р. Спектры турбулентных потоков в пограничном слое атмосферы. — Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана, 1969, т. 5, №11, с. 1132-1142.

25. Кухарец В.П. Спектры пульсаций вертикальной компоненты скорости в пограничном слое атмосферы. Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана, 1974, №6, с. 613 - 618.

26. Яглом A.M. Закономерности мелкомасштабной турбулентности в атмосфере и океане. Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана, 1981, т. 17, №12, с. 1235-1257.

27. Обухов A.M. Турбулентность в температурно-неоднородной атмосфере. Труды Института теоретической геофизики АН СССР, 1946, № 1, с. 95-115.

28. Обухов A.M. О структуре температурного поля и поля скоростей в условиях свободной конвекции. Изв. АН СССР. Сер. геофиз., 1960. № 9, с. 1392- 1396.

29. Обухов A.M. Турбулентность и динамика атмосферы. Л.: Гидроме-теоиздат, 1985. 408 с.

30. Роди В. Модели турбулентности окружающей среды. Сб. Методы расчета турбулентных течений. — М.: Мир, 1984.

31. Краснов Н.Ф. Аэродинамика. М. Мир, 1980, Т. 1. 353 е.; Т. 2. 416 с.

32. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Ч. 1. М.: Наука, 1965. 640 с.

33. Монин А.С. О температурно неоднородном пограничном слое атмосферы. - Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана, 1965. т. 1, № 5, с. 490 -500.

34. Монин А.С., Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. JL: Гидроме-теоиздат, 1981. 319 с.

35. Монин А.С., Обухов A.M. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. Труды Геофизического института АН СССР, 1954, № 24 (151), с. 163-187.

36. Businger, J.A., J.C. Wyngaard, Y. Izumi and E.F. Brandley, 1971: Fluxpro-file relationship in the atmospheric surface layer. J. Atmos. Sci., 28, 181189.

37. Businger, J.A. and J.W. Deardorff, 1968: On the distinction between "total" heat and eddy heat flux. J. Atmos. Sci., 25, 521-522.

38. Businger, J.A. and S.P.S. Arya, 1974: Height of the Mixed Layer in the Stably Stratified Planetary Boundary Layer. Advances in Geophysics, 18A, Academic Press, N.Y., 73-92.

39. Taylor C.I. Proc. Lond. Math., 1922, Ser. 2, v. 20, p. 3 - 18.

40. Schmidt W. Der Massen austausch in freien Luft. etc. Hamburg, 1925. 20 S.

41. Берлянд M.E. В кн: Современные проблемы климатологии. JL: Гид-рометеоиздат, 1979, с. 280-291.

42. Яглом A.M. О турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана, 1972. т. 8, № 6, с. 579 - 593.

43. Roberts O.F.T. -Proc. Roy. Soc., 1923, Ser. A, v. 104, p. 640.

44. Сэттон О.Г. Микрометеорология. Пер. с англ. М.: Гидрометеоиздат, 1958. 230 с.

45. Сэттон О.Г. Микрометеорология. Исследование физических процессов в нижних слоях атмосферы. Пер. с англ. Под ред. Д.Л. Лайхтмана. -Л.: Гидрометеоиздат, 1958. 356 с.

46. Sutton O.G. A Theory of Eddy Diffusion in the Atmosphere. Proc. Roy. Soc. (London), Ser. A. 1932. v. 135. p. 143.

47. Frenkiel F.N. Turbulent Diffusion. Adv. Appl. Mech., 1953. v. 90. p. 61.

48. Колмогоров A.H. ДАН СССР, 1941, т. 31, №6, c.538-541.

49. Обухов A.M. Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1941, №4-5, с. 512-522.

50. Calder K.L. Quart. J. Mech. Appl. Math., 1943, v.2, p. 153.

51. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидромет-издат, 1970. 180 с.

52. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

53. Вызова Н.Л. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1973. 32 с.

54. Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1974,202 с.

55. Вызова Н.Л., Махонько К.П. О взаимодействии аэрозоля с подстилающей поверхностью. Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана, 1968, т. 4, №9, с. 1000-1003.

56. Вызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты загрязнения примеси. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 256 с.

57. Безуглая Э.Ю. Тр. ГГО, вып. 243, 1970. с. 69-79.

58. Скарер Р. Аэродинамика окружающей среды.// Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 550 с.

59. Cramer Н.Е. In: Proc. Inst. Nath. Conf. Appl. Meteorol., Amer. Meteorol. Soc., 1957, p. 63-72.

60. Pasquill F. Meteorol. Mag., 1963, v. 90, p. 25-37.

61. Pasquill F. The Estimation of the Dispersion of Windborne Materials. Meteorol. Mag., 1961. v. 90. p. 33-49.

62. Андреев П.И. Рассеяние в атмосферном воздухе газов, выбрасываемых промышленными предприятиями. М.: Госстройиздат, 1952. 88 с.

63. Теверовский Е.Н. В кн.: Новые идеи в области изучения аэрозолей. Изд-во АН СССР, 1949. с. 108-115.

64. Хайкина А.Е. Тр. НИИСТ, 1969. №30, с. 120-125.

65. Recommended Guide for prediction of the dispersion of au borne effluent (sec. ed.). New York, 180 p. The American Society of Mechanical Engineers, 1973, №4.

66. Методика оценки последствий химических аварий (Методика "ТОКСИ". Вторая редакция). М.: НТЦ "Промышленная безопасность", 1999, 83 с.

67. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86). JL: Гидро-метеоиздат, 1987. 94 с.

68. Атмосферная диффузия. Труды ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАССНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВОТОРИИ им. А.И. Войейкова под ред. д-ра физ-мат. наук М.Е. Берлянда. Л.: Гидро-метеоиздат, 1987. Выпуск 511.

69. Атмосферная диффузия. Труды ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАССНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВОТОРИИ им.

70. А.И. Войейкова под ред. д-ра физ-мат. наук М.Е. Берлянда. Д.: Гидро-метеоиздат, 1985. Выпуск 495.

71. Атмосферная диффузия. Труды ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАССНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВОТОРИИ им. А.И. Войейкова под ред. д-ра физ-мат. наук М.Е. Берлянда. Л.: Гидро-метеоиздат, 1985. Выпуск 467.

72. Маршалл В. Основные опасности химических производств: Пер. сангл.//Под ред. Б.Б. Чайнова, А.Н. Черноплекова. М.: Мир, 1989. 678 с.

73. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. ПБ 09-540-03. Утв. постановлением Госгортехнадзора России от 05.05.03г. №29

74. Едигаров А.С. Численный анализ различных моделей турбулентного переноса в задаче диффузии тяжелого газа// ИФЖ, 1991, т. 61, № 3, с. 501-503. Деп. в ВИНИТИ 24.04.91 г., № 1726-В91.

75. Методы расчета турбулентных течений: Пер. с англ.// Под ред. В. Колльмона. М.: Мир, 1984. 464 е., ил.

76. Анучина Н.Н. О методах расчета течений сжимаемой жидкости с большими деформациями. Численные методы механики сплошной среды. Новосибирск: 1970, т. 1, № 4, с.3-84.

77. Фарлоу С. Уравнения с частными производными для научных работников и инженеров. Пер. с англ. Под ред. С.И. Похожаева. М.: Мир. 1985.384 с.

78. Бахвалов Н.С. Численные методы. — М.: Высш. шк., 1973. 631 с.

79. Белоцерковский О.М. Численное исследование современных задач газовой динамики. М.: Высш. шк., 1974. - 397 с.

80. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Высш. шк., 1982. - 392 с.

81. Вазов В.Р., Форсайт Дж. Е. Разностные методы для уравнений в частных производных. — М.: Наука, 1963. — 487 с.

82. Годунов С.К. Забродин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Проколов Г.А. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976.-400 с.

83. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука., 1973. — 400 с.

84. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. — М.: Высш. шк., 1970. 664 с.

85. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.; Высш. шк., 1978. - 512 с.

86. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование тепло- массообмена. М.: Наука, 1983. - 288 с.

87. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Высш. шк., 1970. - 368 с.

88. Самарский А.А. Введение в численные методы. М.: Наука, 1982. -271 с.

89. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. - 656 с.

90. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978, - 592 с.

91. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980. - 352 с.

92. Едигаров А.С. Численный расчет турбулентного течения холодного тяжелого газа в атмосфере// Журнал вычисл. математики и мат. физики. 1991, т.31, № 9, с.1369-1380.

93. Доброчеев О.В. рассеяние тяжелых газов в атмосфере. Физический механизм. Математические модели. М.: РНЦ "Курчатовский институт", 1993, 113 с.

94. Доброчеев О.В., Кулешов А.А., Черноплеков А.Н., Киселев М.Н. Математическая модель рассеяния инертных облаков тяжелых газов при авариях на промышленных предприятиях. М.: Препринт ИАЭ-4789/1,1989,36 с.

95. Shang J.S. An assessment of numerical solutions of the compressible Navier Stokes equations// J. Aircraft. 1985. v. 22. № 5. p. 353-370.

96. Havens J.S., Spicer Т.О., Sheurs P.J. Evaluation of 3-D hydrodynamic computer models for prediction of LNG vapor dispersion in the atmosphere// Internat. Conf. Liquefied Natur. Gas. France. 1985. Session III. № 2. p. 320.

97. Ковеня B.M., Яненко H.H. Метод расщепления в задачах газовой динамики. Новосибирск: Наука, 1981. 304 с.

98. Яненко Н.Н. Численное решение задач механики жидкости. Труды III всесоюз. семинара по моделям механики сплошной среды. Новосибирск: ВЦСО АН СССР, 1976, с. 177-199.

99. Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Наука, 1967. - 197 с.

100. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970. 904 с.

101. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824 с.

102. Spicer Т.О., Havens J.A.// J. hazard, materials. 1987. vol. 16. p. 231-245.

103. Kntha L.H., Phillips O.M., Azard R.S.// J. Flid mech. 1977. vol. 79. P.753. -168.

104. Lofquist K.// Phys. fluids. 1960. vol. 3. № 2, p.158-175.

105. Colebrook C.F., Turbulent flow in pipes with particular reference to the transition region between the smooth and rough pipe laws. J. Institution Civil Engineers 1939.

106. Goldstein S., The similarity theory of turbulence, and flow between planes and trough pipes. Proc. Roy. Soc. A 159,473 (1937).

107. Seinfeld J.H. Air Pollution Physical and Chemical Fundamentals. N.-Y.: McGraw-Hill Co., 1975, 523 p.

108. Seinfeld J.H. Atmospheric Chemistry and Physics of Air Pollution. N.-Y.: J.Wiley, 1986, 738 p.

109. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

110. Patankar S.V., Liu С.Н., and Sparrow E.M. (1977). Fully Developed Flow and Heat Transfer in Ducts Having Streamwise-Periodic Variations of Cross-Sectional Area, J. Heat Transfer, vol. 99, p. 180.

111. Patankar S.V. and Spalding D.B. (1972a). A Calculation Procedure for the Transient and Steady-State Behavior of Shell-and-Tube heat Exchangers,chap. 7 in Heat Exchangers: Design and Theory Sourcebook, Hemisphere, Washington, D.C.

112. Новиков Ф.А. Дискретная математика для программистов. СПБ.: Питер, 2002. 304 с.

113. Delphi 5. Руководство разработчика, том 1,2. Основные методы и технологии программирования: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001.

114. Colenbrander G.W., PuttokJ.S. Maplin Sands experiments 1980: interpretation and modeling of liquefied gas spills onto the sea// IUTAM Symp. Atmospheric Dispersion Heavy Gases and Small Particles. Netherlands, 1983. P. 277-295.

115. Chan S.T., Ermak D.L., Morris L.K. //J. Hazardous Materials. 1987. Vol. 16. P. 267-292.1. В.Д. Шашин исемендэге

116. ТАТНЕФТЬ» АЧЫК АКЦИОНЕРЛЫК /&ЭМГЫЯТЕ

117. ТА ТНЕФТЕГАЗПЕРЕРАБОТКА» ИДАРЭСЕ

118. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ТАТНЕФТЬ» им. В.Д. Шашина

119. АБ «Девон-Кредит» г. Альметьевск1. БИК 049202792к/с 301018104000000007921. УТВЕРЖДАЮ»

120. ГТервьш'Заместитель начальника управлениял. /, ч. ^ . ^ - *t / » '

121. Технико-экономический эффект использования результатов работы заключается в обеспечении промышленной безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов управления «Татнефтегазпереработка» и в сокращении сроков проектирования.

122. Заместитель главного инженера по промышленной безопасности и охране труда: Начальник технического отдела:1. А.А. Попов1. Г.М. Ахметзянов