автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Прогнозирование пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК

Мотлохов Владислав Владимирович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ ТЭК

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль - энергетика)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2005

Мотлохов Владислав Владимирович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ ТЭК

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль - энергетика)»

--

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2005

Работа выполнена в ООО «Научно-производственное объединение ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ» (г.Саров Нижегородской области).

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник В.Е. Селезнев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.Н. Баратов

кандидат технических наук В.Ф. Чучко

Ведущая организация: ФГУП «Федеральный научно-производственный центр - Научно-исследовательский институт измерительных систем имени Ю.Е. Седакова» (Федеральное агентство по атомной энергии), г. Нижний Новгород.

Зашита состоится 23 мая 2005 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д205.002.02 в Академии государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, д.4, зал совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан «_»_2005 года, исх.№

Отзывы на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять по указанному адресу. Телефон для справок: 283-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

С. В. Пузач

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В соответствии с законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21 июля 1997г. №116-ФЗ газораспределительные станции (ГРС) являются опасными высокоэнергонасыщенными промышленными объектами. В России насчитывается более 3500 газораспределительных станций с суточной подачей газа потребителям более 1200млн.м3. Износ трубопроводных конструкций и отклонение от нормативных режимов работы оборудования ГРС в результате ошибок обслуживающего персонала ведет к увеличению количества аварий с тяжелыми социальными, экологическими и экономическими последствиями. Часто разрушения трубопроводов сопровождаются возгоранием транспортируемого продукта и последующим интенсивным пожаром (по статистике промышленных аварий, официально публикуемой Госгортехнадзором России, около 80% разрывов газопроводов сопровождаются пожарами, а по данным ОАО «Газпром» 92% утечек природного газа приходится на утечки из газораспределительных систем, что составляет около 3% от всего добытого газа). Очень часто ГРС располагаются в черте городов и поселков. Таким образом, с точки зрения жизнедеятельности людей, опасность ГРС усугубляется их большим количеством и близким расположением к населенным пунктам. Поэтому в настоящее время является актуальной задача разработки методов моделирования прогнозирования пожаровзрывоопас-ности на ГРС.

Одним из основных направлений повышения пожарной и промышленной безопасности ГРС является использование численного моделирования для анализа как номинальных, так и аварийных режимов функционирования ГРС. Применение разработанных в диссертационной работе методов позволяет выбирать наиболее безопасные режимы функционирования ГРС, формулировать требования к параметрам трубопроводов и оборудования, системам оповещения о возникновении пожаровзрывоопасной ситуации, к безопасному расположению диспетчерского пункта вновь проектируемых ГРС. Анализ возможных аварийных ситуаций от причин их возникновения до подробного моделирования процесса их развития с учетом возможных каскадных эффектов позволяет выработать меры по предотвращению подобных аварий в действительности.

Данная диссертационная работа направлена на повышение пожарной и промышленной безопасности ГРС.

Целью работы являлась разработка и обоснование новой технологии полевого моделирования, предназначенной для прогнозирования пожаровзрыво-опасности при эксплуатации ГРС в результате проведения подробного численного анализа физических процессов образования и распространения горючих газовоздушных смесей по территории и помещениям ГРС при организованных и аварийных факельных выбросах с учетом применения в помещениях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации.

Объектом исследования в диссертационной работе являются физические процессы возникновения и протекания организованных или аварийных

выбросов горючих газов, транспортируемых по трубопроводной системе ГРС, для анализа пожарной и промышленной безопасности как самой ГРС, так и прилегающих территорий.

Предметом исследования является пожаровзрывоопасность на газораспределительных станциях топливно-энергетического комплекса (ТЭК), включая анализ путей ее снижения за счет использования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации.

Задачи исследования:

1) разработка технологии полевого моделирования эволюции облаков газовоздушных смесей на территории и в помещениях ГРС с учетом функционирования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;

2) разработка рекомендаций по обеспечению раннего предупреждения о формировании пожаровзрывоопасных газовоздушных смесей на ГРС;

3) разработка рекомендаций по определению эффективных режимов работы в зданиях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;

4) получение новых данных о функционировании трубопроводных систем ГРС, причинах возникновения и механизмах протекания аварий на ГРС.

Методологические и теоретические основы исследования составили научные труды широкого круга отечественных и зарубежных ученых. К таким научным трудам в области механики сплошных сред следует отнести работы Леонтьева А.И., Лойцянского Л.Г., Работнова Ю.Н., Седова Л.И. и других; в области численных методов механики сплошных сред - это работы Белоцер-ковского О.М., Давыдова Ю.М., Самарского А.А., Шевелева Ю.Д., Андерсона Д., Патанкара С, Плетчера Р., Таннехилла Дж., Флетчера К. и других; в области моделирования струйных течений - Абрамовича Г.Н., Вулиса Л.А., Дулова В.Г., Ершина ША, Лукьянова Г.А., Ярина Л.П., Хинце И.О., Шеца Дж. и других; в области моделирования трубопроводных систем - это работы Айнбиндера А.Б., Алешина В.В., Прялова С.Н., Селезнева В.Е., Сухарева М.Г., Харионовского В.В. и других; в области моделирования пожара и анализа огнестойкости конструкций - это работы Астапенко В.М., Баратова А.Н., Брушлинского Н.Н., Есина В.М., Кошмарова Ю.А., Молчадского И.С., Пузача С.В., Драйздейла Д. и других.

Основными методами исследования являются: методы анализа нестационарных газодинамических процессов в трубопроводных сетях ГРС; методы нелинейного анализа прочности промышленных трубопроводных систем; методы анализа истечения и распространения транспортируемого газа в помещениях и на территории ГРС

Научная новизна работы состоит в следующем: 1) разработана новая технология прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК, предполагающая поэтапное численное моделирование механизма зарождения аварийной ситуации на ГРС с использованием базовых моделей механики сплошных сред (уравне-

ний Навье и уравнений движения деформируемого твердого тела) и распространения в окружающей среде пожаровзрывоопасной газовоздушной смеси в результате совместного решения системы уравнений Рейнольдса и системы одномерных уравнений газовой динамики, предназначенной для анализа функционирования источника выброса;

2) для численной оценки параметров функционирования источников выброса на ГРС разработана новая математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС на базе адаптации полной системы уравнений газовой динамики для одномерных течений;

3) с использованием разработанной технологии получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании трубопроводных систем, причинах возникновения и механизмах протекания аварий на ГРС:

• расчетные оценки параметров безопасных режимов транспортирования природного газа по трубопроводам ГРС;

• расчетные оценки влияния ветра на снижение эффекта всплытия пожа-ровзрывоопасного облака газовоздушной смеси при его распространении по ГРС и прилегающим территориям;

• анализ причин возникновения и развития аварий на ГРС;

• анализ эффективности использования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации в помещениях ГРС при разрушении технологических трубопроводов на территории ГРС. Практическая значимость работы. Выносимые на защиту технология и

математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС были реализованы в вычислительной технологии «PipEst», ряде производственных компьютерных газодинамических симуляторов трубопроводных сетей (ГДС), построенных на базе программно-математического комплекса «CorNet» и предназначенных для повышения пожарной и промышленной безопасности конкретных газотранспортных предприятий. Эти ГДС активно используются для решения практических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводных сетей газотранспортных предприятий как в России, так и за рубежом. Так, например, на базе «CorNet» при активном участии автора диссертации была разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS» для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологии в Международной газотранспортной компании «SPP».

С помощью «CorNet» установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий. Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Росатома, Госгортехнадзора России, Международной газотранспортной компании «SPP» (Словакия), Сандийских национальных лабораторий (США) и др.

Созданная технология численного прогнозирования пожаровзрывоопасно-сти на газораспределительных станциях ТЭК может быть использована при разработке рекомендаций и проведении мероприятий по обеспечению пожарной и промышленной безопасности промышленных энергетических объектов ТЭК.

Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается:

• использованием современных научно-обоснованных методов вычислительной газодинамики и методов нелинейного анализа прочности;

• результатами натурных и численных экспериментов;

• многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах топливно-энергетического комплекса как в России, так и за рубежом.

На защиту выносятся:

1) технология прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК, предполагающая поэтапное численное моделирование механизма зарождения и развития аварийной ситуации на ГРС с использованием адаптированных базовых моделей механики сплошных сред;

2) математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС на базе адаптации полной системы уравнений газовой динамики для одномерных течений;

3) результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании трубопроводных систем, причинах возникновения и механизмах протекания аварий на ГРС.

Личный вклад автора заключается:

• в разработке новой технологии прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК;

• в обосновании используемой математической модели факельного выброса природного газа при разрушении технологических газопроводов ГРС;

• в проведении анализа параметров факельных выбросов при разной ветровой нагрузке;

• в проведении моделирования распространения многокомпонентных газовых смесей по территории и в помещениях ГРС;

• в разработке математической модели транспорта природного газа через автоматический регулятор давления на ГРС;

• в проведении анализа эффективности использования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации в помещениях ГРС при разрушении технологических трубопроводов на территории ГРС.

Апробация и практическая реализация результатов работы.

Основное содержание диссертации и результаты применения предложенных в ней методов повышения пожарной безопасности многониточных газо-

проводов представлены и обсуждены на: Международной конференции «Complex Pipeline System (High precision gas dynamics computation)» (июнь 2002, Словакия); Второй международной конференции «AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System - 2003» (октябрь 2003, Словакия); Десятой международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (март 2004 года, г.Москва). Внедрение результатов работы подтверждено:

• справкой о промышленном внедрении комплексной компьютерной аналитической системы «AMADEUS» в международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия);

• актом о промышленном внедрении технологии моделирования возникновения и снижения пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК во ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (г.Саров);

• актом о промышленном внедрении технологии моделирования возникновения и снижения пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях в компании ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ» (г.Саров);

• актом о внедрении технологии моделирования возникновения и снижения пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК в компании «Ай-Теко» (г.Москва).

Основное содержание диссертации и результаты применения предложенной в ней технологии прогнозирования возникновения пожаровзрывоопасности на ГРС представлены и доложены на 14-том конкурсе РАН для молодых ученых и студентов (сентябрь 2002, Москва), на рабочих совещаниях с руководителями, учеными и ведущими специалистами ОАО «ГАЗПРОМ», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», МЭИ (ТУ), Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия), Математического института Словацкой Академии Наук.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано шесть работ, в том числе одна монография в соавторстве и одно приложение к монографии в соавторстве.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка источников из 167 наименований и приложения. Содержит 191 страницу, 5 таблиц, 92 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Список используемых ПРИ изложении содержания работы сокращений: ГДС - газодинамический симулятор; ГРС - газораспределительная станция; АРД - автоматический регулятор давления; ПМК - программно-математический комплекс; НКПР - нижний концентрационный предел воспламенения; ВКПР - верхний концентрационный предел воспламенения; ТЭК -топливно-энергетический комплекс; УРС - уравнение состояния.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,

сформулирована основная цель работы, описаны объект и предмет исследования, поставлены задачи исследования.

Глава 1 посвящена критическому анализу ранее разработанных методов математического моделирования, которые можно использовать для решения актуальной задачи численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК.

Изучение предъявляемых к технологическому оборудованию ГРС требований норм технологического проектирования и правил пожарной безопасности (включая ведомственные правила пожарной безопасности) показало, что эти требования относятся к стадиям разработки проектов новых или реконструкции существующих ГРС, процессу их строительства и сдачи в эксплуатацию. На стадии эксплуатации ГРС действующие нормативные документы регламентируют только организационные мероприятия. Вместе с тем, методы и технологии оценки фактического состояния оборудования ГРС, с точки зрения возникновения пожаровзрывоопасности, существующими нормативными документами либо не регламентируются, либо заменяются существенно упрощенными процедурами, не позволяющими обеспечить требуемую на современном уровне развития техники достоверность прогнозных оценок.

Для получения практически значимых результатов по прогнозированию пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК необходим комплексный подход, позволяющий с высокой точностью учитывать влияние на эволюцию пожаровзрывоопасных газовых смесей на ГРС газодинамических режимов транспорта горючих газов, фактического состояния трубопроводов и состояния окружающей среды.

Одним из элементов оборудования, оказывающих доминирующее влияние на газодинамические режимы транспорта газа через ГРС, является автоматический регулятор давления (АРД). В качестве основных недостатков большинства существующих методов моделирования АРД на ГРС следует отметить применение упрощенных форм уравнений газовой динамики и использование упрощенных термического и калорического уравнений состояния. Перечисленные недостатки не позволяют адекватно моделировать неустановившиеся режимы функционирования трубопроводной сети ГРС, которые наиболее характерны для аварий, сопровождающихся разрушением трубопроводов. Это, в свою очередь, приводит к неверным оценкам температурных нагрузок на трубопроводы ГРС и ошибочным прогнозам режимов функционирования источника выбросов. Все вышесказанное свидетельствует о необходимости разработки новой математической модели нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС на базе адаптации полной системы уравнений газовой динамики.

На характер факельного выброса горючего газа в атмосферу существенное влияние оказывают форма и размеры источника выброса. Для их оценок целесообразно использовать методы нелинейного прочностного анализа трубопроводов, дополненные континуальными критериями разрушения.

Моделирование образования и эволюции горючих газовоздушных облаков на территории и в помещениях ГРС позволяет выработать научно-обоснованные требования к расположению газосигнализаторов для раннего оповещения персонала об опасности пожара и/или взрыва и системам аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации в помещениях ГРС. Такое моделирование позволяет прогнозировать различные сценарии возникновения и развития пожаровзрывоопасности на конкретной ГРС. По результатам прогнозирования должны разрабатываться рекомендации по предотвращению подобных аварийных ситуаций и определяться пути эвакуации персонала при разрушениях газопроводов ГРС.

В настоящее время методы моделирования распространения газовоздушной смеси можно условно разделить по степени глубины и детальности решения физической задачи на следующие группы: полуэмпирические инженерные методики; методы, основанные на замене решения полной системы уравнений газовой динамики в частных производных решением упрощенной задачи с системой обыкновенных дифференциальных уравнений; методы на базе численного решения системы уравнений Рейнольдса, замкнутых различными моделями турбулентности; стохастические методы оценки параметров газового выброса. Рассмотрев достоинства и недостатки перечисленных методов, в главе 1 был сделан вывод о необходимости применения для достоверного прогнозирования возникновения пожаровзрывоопасности на ГРС современных методов вычислительной газодинамики, основанных на решении полной системы уравнений Рейнольдса, замкнутых известными моделями турбулентности.

По результатам проведенного критического анализа существующих подходов и требований к обеспечению пожаровзрывобезопасности на ГРС были сформулированы задачи исследования диссертационной работы, изложенные в разделе «Общая характеристика работы» настоящего автореферата. Также была сформулирована постановка задачи, требующая разработку технологии полевого моделирования эволюции облаков газовоздушных смесей на территории и в помещениях ГРС с учетом функционирования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации. Эта технология должна быть основана на комплексном рассмотрении всех этапов возникновения пожаровзрывоопасности на ГРС от формирования источника выброса до анализа эффективности систем вентиляции и упреждающей флегматизации в помещениях ГРС.

В главе 2 изложен метод моделирования возникновения и функционирования источника факельного выброса на ГРС.

Для адекватной оценки параметров нестационарного функционирования источников выброса газов на ГРС в данной главе используется модель течения газа через трубопроводную сеть ГРС повышенной точности. Эта модель построена в результате адаптации с минимальными упрощениями полной системы уравнений газовой динамики для случая разветвленных протяженных трубопроводов. Теоретическим фундаментом полевого моделирования транспорта горючих газов по трубопроводной сети ГРС послужили известные работы В.Е.

Селезнева и С.Н. Прялова.

Наиболее наглядным примером развития разработок В.Е. Селезнева и СН. Прялова в области численного анализа режимов функционирования является создание новой математической модели транспорта газов через АРД (рис.1).

Рис.1. Типовая схема газового потока в автоматическом регуляторе давления

Для достижения адекватности моделирования работы АРД используется полная система интегральных уравнений газовой динамики:

где: V - произвольный объем сплошной среды, ограниченный замкнутой поверхностью 5; р - плотность; р - давление; ё - удельная (на единицу массы)

внутренняя энергия газа; <2 - удельная (на единицу объема) мощность источников тепла; 1) - скорость газа в точке; ил =5-й - проекция 5 на единичную внешнюю нормаль п к элементу поверхности (¡Б', тв =т-п - напряжение, обусловленное действием сил вязкого трения на площадке с внешней нормалью п (т - тензор вязкихнапряжений); Ё- удельная массовая сила; = -к-УТ- вектор объемной плотности потока тепла (где к - коэффициент теплопроводности, Т - температура газа). «Крышка» над величинами определяет параметры «в точке».

Учет факторов, связанных с турбулентностью течения, предлагается про-

извести за счет подбора коэффициента гидравлического сопротивления и эффективного коэффициента теплопроводности.

Система уравнений (1) дополняется уравнениями состояния (УРС):

Зависимости в (2) являются соответственно термическим и калорическим уравнениями состояния.

При построении модели течения газа через АРД используются следующие допущения и упрощения:

1. Линейные размеры АРД пренебрежимо малы по сравнению с размерами трубопроводной сети ГРС.

2. Работа АРД подчиняется закону:

Реых{р^> Р*х) =

зад зад >

Р,ых> еСли РвЫХ < Р«х> рю, в противном случае,

(3)

.зад

где - требуемое давление на выходе АРД, р„ - реальное давление на входе в АРД, р^ - реальное давление на выходе АРД.

3. Внутренние источники тепла в АРД отсутствуют.

4. Течение на входе и выходе АРД близко к параллельно-струйному, так что допускается осреднение параметров по поперечному сечению трубы.

После обоснования принятых допущений система уравнений для моделирования течения газа через АРД записывается следующим образом:

р = р{р,Т)\ е = е{р,Т), (4,г)

где Т- осредненное по поперечному сечению трубы значение Т',

- функция теплообмена газа со стен-

ками регулятора давления.

В главе 2 выполнен научно-обоснованный анализ влияния применяемого УРС на корректность и адекватность моделирования газодинамических процессов в трубопроводных сетях ГРС, оснащенных автоматическими регуляторами давления. Хорошую точность, с точки зрения практического применения ГДС, при решении производственных задач показало применение термического УРС

Редлиха-Квонга. Корректное калорическое УРС может быть построено из известных соотношений термодинамики:

'»1 --Т.(8Ш\ +1

др)т V дТ )р р

где сР - теплоемкость при постоянном давлении, к - энтальпия.

В качестве практического примера применения первого шага технологии в диссертации рассматривается использование ГДС при моделировании режимов работы ГРС «Рузаевка», принадлежащей ООО «Волготрансгаз». Расчетная схема трубопроводов ГРС представлена на рис.2.

Рис.2. Расчетная схема трубопроводов ГРС «Рузаевка»

Распределение газодинамических параметров по длине трубопроводов ГРС показано на рис.3. Над полем графика проставлены номера трубопроводов в соответствии с рис.2. Направление потока газа - слева направо.

Координата вдоль трубы (м)

Рис.3. Температура и давление газа в трубопроводах ГРС (линия на промышленных потребителей)

В главе 3 рассматривается построение математической модели эволюции газовоздушных облаков. При этом задача моделирования истечения и распространения транспортируемого горючего газа в помещениях и на территории ГРС формулируется в следующем виде:

определить поля относительной массовой концентрации горючего газа

и абсолютных температур в зоне факельного выброса в результате численного анализа полной системы газодинамических уравнений Рей-нольдса, замкнутых моделями турбулентности и описывающих нестационарное неизотермическое турбулентное течение многокомпонентной газовой смеси в условиях открытой местности и в помещениях. При этом краевые условия задачи должны отражать: состояние атмосферы, рельеф местности и/или геометрию помещения, конструкцию источника истечения и т.д.

По предложению автора диссертации, моделирование течения многокомпонентной газовой смеси осуществляется в диффузионном приближении, обеспечивающем необходимую с точки зрения практического применения точность.

В главе 3 приводится подробное описание вывода используемой математической модели. В декартовой системе координат эта модель имеет вид:

1,273,15;

273,15 + С5 Т + С<

Мт =

_сРМт

Ргп

8с =

= /" • в = Цу-

ди, ди.

1\дх1

дх.

р-И' 3 11 дъ

дх: дх1

ди*

дхк

3 дхк

(6,з) (6,и)

(6,к)

где р - плотность смеси; Р - пьезометрическое давление; Г - температура; V

- скорость с компонентами щ, и2, щ; - коэффициент бинарной диффузии в

1 " о /

газовой фазе; £> = — У Д„ ; 5с - число Шмидта; У„ = Рт/п - относительная N / Р

массовая концентрация тл-ой компоненты (рт - плотность ти-ой компоненты

смеси); N - число компонент в газовой смеси (в нашем случае - N = 2 (воздух

и горючий газ)); § - ускорение свободного падения; г - время; Ф - оператор

набла; а ^^ + V • ..) - субстанциональная производная от скалярной

Их 5/

функции; запись субстанциональной производной от векторной функции означает субстанциональное дифференцирование компонент векторной функции; V?

Н-Нл—---полная энтальпия, где А = Ср • Г - энтальпия для совершенного

газа, Ср - теплоемкость при постоянном давлении; Су- теплоемкость при постоянном объеме; X - коэффициент теплопроводности; Яр - коэффициент турбулентной теплопроводности; р - коэффициент динамической вязкости; С3 -константа Сазерленда; ра - коэффициент динамической вязкости при нормальных условиях; рТ - коэффициент турбулентной вязкости; - заданная ско-

рость тепловыделения внешних источников, отнесенная к единице объема (заданная объемная мощность источников тепла); Д - газовая постоянная; х1,х2,х3

- координаты радиус-вектора точки (х3 - координата на вертикальной оси, направленной от центра Земли); х3 0 - фиксированная координата, соответствующая уровню моря; т - тензор вязких напряжений; 81} - символ Кронекера (8^ =1, если 1=7, и 8^ = 0, если «* j); е - скорость диссипации кинетической энергии турбулентности; К - кинетическая энергия турбулентности;

Ср 1 = 1,4 - заданные константы; Рг - число Прандтля; нижний индекс «Г» означает «турбулентный»; нижний индекс «атм» означает «атмосфера»; универсальная газовая постоянная; /„(...) - известные полуэмпирические функции. Здесь предлагается использовать следующие значения констант в (6): См =0,09; С, =1,44; С2 =1,44; С3 =1,92; Рг^ =1,0; Рг£ =1,219. При моделировании течений вблизи непроницаемых поверхностей система уравнений (6) дополняется широко известными логарифмическими функциями, позволяющими проводить анализ параметров распространения горючих газов в пристенном слое.

Для замыкания системы уравнений (6) используются следующие граничные условия:

- на границах расчетной области, где газ выбрасывается в атмосферу из газопровода: кинетическая энергия турбулентности; скорость ее диссипации и условия сопряжения, связывающие массовый расход, давление, температуру и относительные концентрации (эти параметры со стороны разрушившихся трубопроводов определяются на каждом временном шаге по результатам работы газодинамического симулятора трубопроводной сети ГРС, включая АРД);

- на поверхностях рельефа и кратера: условия, соответствующие непроницаемой адиабатической неподвижной стенке;

- на «входной» боковой границе: поле ветра; относительные массовые концентрации; температура; кинетическая энергия турбулентности, скорости ее диссипации;

- на «выходной» боковой границе: пьезометрическое давление; диффузионные потоки температуры, относительных концентраций, кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации;

- на верхней границе и на «пассивных» боковых границах: пьезометрическое давление; температура и относительные концентрации; кинетическая энергия турбулентности и скорость ее диссипации (в случае втекания газовой среды через эту границу в расчетную область); в случае вытекания среды -условия выходной границы.

В качестве начальных условий выбирается квазистационарное распределение параметров, удовлетворяющее граничным условиям при отсутствии истечения газа из аварийного трубопровода.

Как отмечено в ряде работ, (к — е) -модель турбулентности плохо описывает процессы течения в непосредственной близости от обтекаемых поверхностей. Для корректного описания данных процессов и повышения адекватности моделирования факельных выбросов автор диссертации предложил для замыкания уравнений Рейнольдса наряду с [к — е) -моделью использовать (к — а>)

модель турбулентности, где со = К°-5 Г1 - частота турбулентности, Ь - масштаб длины. У (А - й))-модели турбулентности отсутствуют пристеночные

функции традиционного вида. В качестве граничных условий для со используется равенство нулю производной частоты турбулентности по нормали к поверхности, что приводит к сильной зависимости вычисляемых значений со от используемой разностной сетки. Алгоритм определения значений частот турбулентности у стенки требует размещения в вязком подслое большего, чем обычно, количества узлов расчетной сетки.

Для решения поставленной задачи (6) и повышения надежности получаемых расчетных оценок применяется широкий набор методов: метод конечных элементов, метод контрольных объемов и метод крупных частиц.

В главе 3 также рассматриваются практические примеры моделирования факельных выбросов транспортируемого природного газа на ГРС при различных скоростях ветра (1м/с, 6м/с, 10м/с и 15м/с). Подробно описываются задаваемые при решении задачи граничные условия. Результаты моделирования в виде поля относительных массовых концентраций метана в расчетной области при скорости ветра 6м/с, 10м/с и 15м/с представлены на рис.4.

По результатам проведенного анализа влияния ветра сделаны следующие выводы:

1) значение скорости ветровой нагрузки существенным образом влияет на характер формирования метановоздушной струи;

2) увеличение скорости ветра способствует уменьшению скорости всплывания струи, что, по-видимому, связано с интенсификацией забора воздуха с увеличением скорости ветра. Обусловленное этим повышение массовой концентрации воздуха в струе приводит к увеличению плотности струи и уменьшению влияния сил плавучести;

3) данные расчеты хорошо иллюстрируют применимость широко известной аэродинамической теории газового факела для решения практических задач расследования аварий на газопроводах.

В главе 4 излагается алгоритм анализа возможности возникновения пожара или взрыва на ГРС. При полевом моделировании выбросов или утечек горючих газов в окружающую среду в качестве одного из основных критериев возникновения пожарной опасности на ГРС предложено рассматривать:

формирование на территории ГРС (включая помещения в зданиях и служебных строениях) облаков газовоздушных смесей, для которых значения относительных массовых концентраций горючего газа лежат в диапазоне, ограниченном нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения (НКПР и ВКПР) для рассматриваемого горючего газа.

Для помещений ГРС, помимо условий возникновения пожарной опасности, в качестве критерия возникновения угрозы взрыва на ГРС рассматривается превышение минимального взрывоопасного содержания кислорода.

Рис.4. Поле относительных массовых концентраций метана на момент времени 4,5с при скорости ветра 6м/с, 10м/с и 15м/с

Алгоритм численного анализа возможности возникновения пожара или взрыва на ГРС предусматривает проведение исследований на разных временных шагах моделирования выброса (утечки) горючего газа. Процесс исследования на конкретном временном шаге можно представить в виде следующих шагов алгоритма.

На первом шаге алгоритма по критерию возникновения пожарной опасности на ГРС определяются геометрия и размеры газовоздушных облаков, представляющих пожарную опасность. Бели такие облака не обнаружены, то делается заключение об отсутствии пожарной опасности на ГРС на данном

временном шаге. В противном случае - осуществляется переход ко второму шагу алгоритма.

На втором шаге алгоритма производится разделение пожароопасных облаков на облака, находящиеся в помещениях и на открытой местности. Для облаков, образовавшихся в помещениях, производится проверка выполнения критерия возникновения угрозы взрыва на ГРС. В случае его выполнения данные облака считаются пожаровзрывоопасными.

На третьем шаге алгоритма пожароопасные и пожаровзрывоопасные облака наносятся на план или географическую карту территории ГРС. В качестве опасной территории на карту наносится не контур пожаровзрывоопасного облака, а контур помещения здания, где образовалось облако. Контуры пожароопасных облаков (облаков на открытой местности) наносятся на карту в качестве зон опасности возгорания.

На четвертом шаге алгоритма проводится ранжирование всех нанесенных зон по степени их опасности с точки зрения возможности возгорания и последствий этого возгорания.

Алгоритм анализа возможности возникновения пожара или взрыва на ГРС последовательно применяется для различных погодных условий и различных сценариев аварий. Для задания конкретных погодных условий и конкретного сценария аварии используется стохастический подход с применением закона равномерного распределения плотностей вероятностей исходных параметров. Это позволяет получить развернутую картину наихудших сценариев зарождения и развития пожарной опасности на территории ГРС.

Применение данного алгоритма демонстрируется на примере численного анализа выброса природного газа на ГРС «Plavecky Peter» газотранспортной компании «SPP» (Словакия). Геометрия расчетной области показана на рис.5. На вставке рис.5 показана конфигурация фрагментов трубопровода после разрыва (исходное состояние разорвавшейся трубы обозначено пунктирной линией).

Струя газа, истекающая из фрагмента 2 трубопровода (см. рис.5) распространяется в плоскости, отличной от плоскости задачи, и потому не показана на данном рисунке.

270м

>

Рис.5. Геометрия расчетной области

При моделировании использовались следующие исходные данные. Диаметр аварийной трубы - 720мм, толщина стенки - 10мм. Давление в трубе на момент аварии - 1,2МПа. Скорость ветра на левой границе расчетной области -10м/с, направление ветра - справа налево по нормали к боковой границе.

На рис.6 представлено поле относительной массовой концентрации метана на прилегающей к месту аварии территории на момент времени 1,1с после начала истечения из аварийного трубопровода.

По результатам анализа возможности возникновения пожара или взрыва на исследуемой ГРС сделаны выводы о возможности пренебрежения эффектом всплытия метановоздушного облака при инженерных оценках последствий аварий на МГ при скорости ветра в приземной области, превышающей 10м/с; о наличии потенциальных источников зажигания на территории ГРС; о необходимости принятия мер по усилению несущих конструкций здания диспетчерского пункта.

■ 1 03910

1 000 оэгве 00571 07857 07143

05000 04256 0 3571 02857 0 2143 91429 0 7143Е-01 -04470Е 07

Рис.6. Поле относительных массовых концентраций метана на момент времени 1,1с после начала истечения из аварийного трубопровода

Также в главе 4 описывается алгоритм анализа путей предотвращения пожара или взрыва на ГРС. Численный анализ в данном случае применяется для оценки эффективности следующих мер снижения пожаровзрывоопасности на ГРС: контроля за накоплением пожаровзрывоопасных газов в помещениях и на территории ГРС; аварийного вентилирования помещений; упреждающей флегматизации пожаровзрывоопасной среды. Получаемая информация о картине возникновения пожарной опасности на ГРС позволяет разработать научно-обоснованные схемы размещения газосигнализаторов, выбрать эффективные режимы работы систем аварийного вентилирования и упреждающей флегматизации.

Проиллюстрируем вышесказанное на примере анализа данных мер для помещений диспетчерского пункта ГРС «Plavecky Peter». На основе результатов анализа распространения метановоздушной смеси при истечении из аварийного трубопровода исследуется процесс затекания смеси внутрь здания через оконные проемы. Геометрия расчетной области показана на рис.7.

Рис.7. Геометрия расчетной области здания диспетчерского пункта (1 -подсобное помещение, 2 - санузел, 3 - комната отдыха, 4 - диспетчерская, 5

- коридор)

Далее поочередно исследуется работа систем аварийной вентиляции и флегматизации. На рис.8 представлены поля относительных массовых концентраций метана и флегматизатора в здании диспетчерского пункта ГРС.

TIME - 20 2021

0 7165

0 6853

06141

0 5630

0.5118

04606

04094

0 3902

03071

О 2559

0 2047

01535

01024

0S116E-01

02235Е-07

TIME- 10.0000

04216

03033

0 3449

03000

02603

02300

01916

01533

01150

О 7665Е-01

03633Е-01

01490Е-07

б)

Рис.8. Поле относительных массовых концентраций: а) метана на момент времени 20,2с после начала затекания метановоздушной смеси; б) флегматизатора на момент времени 10с после начала его подачи

При анализе работы систем аварийной вентиляции и упреждающей флег-матизации в качестве начальных полей температур, скоростей течения газовой среды, концентраций метана и воздуха использовались результаты моделирования аварийного затекания метановоздушной смеси через окна на момент времени 45с Этот момент времени соответствует перекрытию аварийного трубопровода. При проведении анализа эффективности применения флегматизации взрывоопасной среды считалось, что впрыск флегматизатора (азота) в помещения производится из центра потолочного перекрытия каждой комнаты. Масс о -вый расход флегматизатора принимался равным 5кг/с в каждой комнате

На рис.9 представлено распределение концентраций компонент смеси для всех узлов расчетной сетки в координатах «содержание метана в смеси с воздухом и азотом» и «содержание азота в смеси с воздухом» для момента времени 70с после начала подачи азота Область концентраций составов, ограниченная кривой флегматизации и осью ординат, является горючей, а область вне кривой флегматизации - негорючей Результаты моделирования показали, что смесь становится негорючей через 254с после начала разбавления смеси азотом (см рис 9,6).

Рис.9. Распределения в узлах пространственной сетки расчетной области по концентрациям метана и флегматизатора (азот) в смеси на моменты времени 70с (а) и 254с (б) после начала разбавления смеси азотом

Моделирование работы аварийной вентиляции выполнялось до момента времени, при котором объемная концентрация в воздухе удаляемого из помещений метана не превышала 2,5% НКПР При моделировании были использованы нормированные кратности воздухообмена для всех помещений рассматриваемого здания, геометрические размеры помещений, воздухораспределителей, производительность вытяжных устройств.

Результаты моделирования показали, что для достижения безопасной концентрации метана внутри здания при заданных параметрах работы вентиляционной системы требуется примерно 200с после начала ее работы.

Результаты моделирования также показали, что служебные помещения на

ГРС, в которых постоянно работают люди, для предотвращения опасного барического воздействия на персонал и здания, возникающего в момент разрушения трубопроводов ГРС без возгорания, должны быть защищены специальными стенами, обвалованы или удалены от технологических трубопроводов на расстояния, превышающие 100м. Для снижения загазованности помещений ГРС при разрушении трубопроводов требуется использование вентиляции, оснащенной газопоглощающими фильтрами.

В главе 4 приводится результирующая последовательность действий, составляющая суть технологии прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК:

1) оценка физических параметров нестационарных режимов транспортирования горючих газов по трубопроводам ГРС;

2) исследование прочности и герметичности трубопроводной системы ГРС;

3) моделирование истечения и распространения транспортируемого газа в помещениях и на территории ГРС;

4) анализ возможности возникновения пожара или взрыва на ГРС;

5) численный анализ путей предотвращения пожара или взрыва на ГРС.

В главе 5 описываются примеры исследований адекватности математических моделей, положенных в основу методов, разработанных и изложенных в предыдущих главах.

Анализ адекватности результатов расчетов, проводимых с использованием ГДС (в котором реализована разработанная в диссертационной работе модель АРД), проводился путем сравнения:

• с расчетами по сертифицированным программно-математическим комплексам (например, таких как ANSYS, Star-CD, FLUENT);

• с натурными измерениями на газотранспортных предприятиях, полученных с использованием SCADA-системы для реальных режимов транспорта природного газа.

По результатам проведенного сравнения сделаны следующие выводы:

• максимальные отклонения расчетных данных от показаний датчиков в рассмотренной газотранспортной системе не превышает по давлению - 2,8%, по температуре -1,1%;

• для крановых площадок с АРД максимальное отклонение рассчитанных и измеренных значений давления не превышает 2,2%.

Анализ адекватности расчетных моделей факельного выброса проведен путем сравнения расчетных данных и результатов измерений относительных массовых концентраций метана при проведении планового выброса на ГРС «Plavecky Peter». Максимальное значение относительной погрешности расчетной величины массовой концентрации по отношению к измеренной (в диапазоне возможного воспламенения), в зависимости от удаления от источника выброса, составила от 2% до 15%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Новая технология прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК позволяет разрабатывать научно-обоснованные рекомендации по размещению на ГРС газоанализаторов и газосигнализаторов, определению эффективных режимов работы в зданиях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации. Научно-обоснованные рекомендации вырабатываются по результатам двумерного и трехмерного полевого моделирования всех стадий эволюции облаков метановоздушных смесей на территории и в помещениях ГРС.

2. Для адекватного моделирования нестационарных неизотермических режимов функционирования источников выброса горючих газов на ГРС необходимо использовать полевую модель течения газа через трубопроводную сеть ГРС, построенную в результате адаптации с минимальными упрощениями полной системы уравнений газовой динамики для случая разветвленных протяженных трубопроводов.

3. Обобщение результатов численного анализа распространения облаков мета-новоздушной смеси при организованных и аварийных факельных выбросах на ГРС газотранспортных предприятий при скорости ветра в приземном слое, превышающей 10м/с, показало, что эффект всплытия практически не оказывает влияние на эволюцию метановоздушных облаков из-за интенсивного турбулентного перемешивания природного газа с атмосферным воздухом. Основное влияние на динамику распространения метановоздушной смеси по территории ГРС в данном случае оказывает поле ветра в приземном слое атмосферы, расположение и конфигурация элементов застройки территории ГРС.

4. Служебные помещения на ГРС, в которых постоянно работают люди, для предотвращения опасного барического воздействия на персонал и здания, возникающего в момент разрушения трубопроводов ГРС без возгорания, должны быть защищены специальными стенами (обвалованы).

5. Служебные помещения на ГРС газотранспортных предприятий должны быть удалены от технологических трубопроводов на расстояния, превышающие 100м. Указанное расстояние можно рассматривать в качестве одной из рекомендаций, используемых при определении размеров зон отчуждения при строительстве ГРС вблизи населенных пунктов.

6. Для снижения загазованности помещений ГРС при разрушении трубопроводов требуется использование вентиляции, оснащенной газопоглощающими фильтрами.

Результаты диссертационной работы изложены в следующих основных

публикациях:

1.) Численный анализ и оптимизация газодинамических режимов транспорта природного газа / Селезнев В.Е., Алешин В.В., Мотлохов В.В., Прялов

СН., Клишин Г.С., Киселев В.В., Бойченко А.Л. // Под ред. В.Е. Селезнева. -

М.: Едиториал УРСС, 2003. - 224 с.

2.) Мотлохов В.В., Бойченко АЛ., Прялов СН. О повышении безопасности функционирования газораспределительных систем с использованием математического моделирования // Техника машиностроения. 2005. № 1. - С.7-9.

3.) Мотлохов В.В., Селезнев В.Е. Пример интерфейсной оболочки программно-математического комплекса «AMADEUS» для высокоточного моделирования переходных и аварийных процессов в ЛЧМГ // Приложение 4 в монографии: Селезнев В.Е., Алешин В.В., Клишин Г.С. Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем. - М.: Едиториал УРСС, 2002. - С. 396-405.

4.) Мотлохов В.В. Об интерфейсной оболочке программного комплекса AMADEUS для высокоточного моделирования переходных и аварийных процессов в ЛЧМГ // Сборник научных трудов Международной конференции «Complex Pipeline System 2002 (High precision gas dynamics computation)» (июнь 2002, Словакия) / Под ред. В.Е. Селезнева. Часть 1. - М.: Издательство Барс, 2002. - С.67-78.

5.) Селезнев В.Е., Мотлохов В.В. Об архитектуре высокоточных компьютерных газодинамических симуляторов газотранспортных предприятий // Сборникь научных трудов Второй международной конференции «AMADEUS Computation System for Complex Pipeline System - 2003» (октябрь 2003, Словакия) / Под ред. В.Е. Селезнева. Том 1. -М.: Издательство Барс, 2003. - С.47-65.

6.) Мотлохов В.В. Подход к построению архитектуры компьютерных газодинамических симуляторов трубопроводных систем ТЭК // Сборник тезисов докладов Десятой Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (март 2004, г.Москва). Том 1. - М.: Издательство МЭИ, 2004. - С.410-411.

Академия ПТС МЧС России

Тир. 70 экз

Зак. № 234

19 UAH 2005

ВВЕДЕНИЕ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ГЛАВА

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ НА ГРС.

1.1. Описание моделируемого объекта.

1.2. Анализ требований действующих нормативно-технических документов.

1.3. Анализ существующих методов моделирования работы

1.4. Анализ существующих методов моделирования факельных выбросов природного газа на ГРС.

1.5. Базовые определения.

1.6. Постановка задачи.

1.7. Выводы по Главе 1.

ГЛАВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКА ФАКЕЛЬНОГО ВЫБРОСА НА ГРС.

2.1. Оценка физических параметров нестационарных режимов функционирования источников выбросов на

2.1.1. Математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС.

2.1.2. Описание газодинамического симулятора ГРС.

2.2. Оценка геометрических параметров источников выбросов на ГРС.

2.3. Выводы по Главе 2.

ГЛАВА

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГОРЮЧЕГО ГАЗА НА ГРС И ПРИЛЕГАЮЩИХ

ТЕРРИТОРИЯХ.

3.1. Построение математической модели эволюции газовоздушных облаков.

3.2. Выбор численных методов анализа построенной модели.

3.3. Анализ влияния скорости ветра на всплытие горючих газовоздушных облаков.

3.4. Выводы по Главе 3.

ГЛАВА

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПУТЕЙ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРА ИЛИ ВЗРЫВА НА ГРС.

4.1. Численный анализ возможности возникновения пожара или взрыва на ГРС.

4.2. Численный анализ путей предотвращения пожара или взрыва на ГРС.

4.3. Обобщенная формулировка технологии численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК.

4.4. Выводы по Главе 4.

ГЛАВА

АНАЛИЗ АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРС.

5.1. Пример 1.

5.2. Пример 2.

5.3. ПримерЗ.

5.4. Выводы по Главе 5.

ВЫВОДЫ.

Транспортируемый по магистральным газопроводам (МГ) горючий газ попадает в потребительскую сеть через газораспределительные станции (ГРС). На данных объектах осуществляется редуцирование (уменьшение) давления транспортируемого газа до значений, допустимых для конкретной потребительской сети.

В соответствии с законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1] ГРС являются опасными высокоэнергонасыщенными промышленными объектами. По данным работы [2] в России насчитывается более 3500 газораспределительных станций с суточной подачей газа потребителям более 1200млн.м3. Только в одном региональном газотранспортном предприятии «Волготрансгаз» на 23 компрессорные станции (КС) приходится 297 ГРС. Очень часто ГРС располагаются в черте городов и поселков. Таким образом, с точки зрения жизнедеятельности людей, опасность ГРС усугубляется их большим количеством и близким расположением к населенным пунктам.

В настоящее время большинство трубопроводных систем российского топливно-энергетического комплекса (ТЭК), транспортирующих природный газ, находятся в эксплуатации уже свыше 30 лет, фактически приближаясь к грани своего проектного ресурса [3]. Старение и изнашивание трубопроводных конструкций ведет к увеличению количества аварий с тяжелыми социальными, экологическими и экономическими последствиями. Часто разрушения трубопроводов сопровождаются возгоранием транспортируемого газа и последующим интенсивным пожаром [4] (по статистике промышленных аварий, официально публикуемой Госгортехнадзором России, около 80% разрывов газопроводов сопровождаются пожарами [5-14], а по данным ОАО «Газпром» [167] 92% утечек природного газа приходится на утечки из газораспределительных систем, что составляет около 3% от всего добытого газа).

По сравнению с магистральными газопроводами ситуация на ГРС ухудшается за счет наличия автоматических регуляторов давления (АРД). Редуцирование давления на АРД приводит к падению температуры на десятки градусов. При этом температура газа после АРД может опускаться до отрицательных значений по шкале Цельсия на длительное время (рис.В. 1), что приводит к оледенению трубопроводов и связанному с этим пучению грунтов в месте прокладки трубопроводов.

Рис.В.1. Оледенение трубопровода при дросселировании газа на регуляторе давления

Возникающие при этом термонагрузки в трубопроводах увеличивают возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с их разрывами.

Несмотря на развитие методов и средств обеспечения промышленной безопасности объектов ТЭК и достигнутые при этом результаты, количество аварий и инцидентов на трубопроводных системах и связанные с ними экологические проблемы техногенного характера сохраняются на высоком уровне. Данное утверждение хорошо иллюстрирует представленный в работах [5-14] список крупных аварий, произошедших на ГРС за последние годы. Так, например, по информации Госгортехнадзора России на предприятии «Севергазпром» ОАО «Газпром» (Управление Печорского округа) 13 июня 1999г. на ГРС-3 г.Рыбинска произошло возгорание подогревателя газа.

В г.Ульяновск 23 февраля 2000г. на ГРС-38 произошла авария, в результате которой прорвался газопровод, идущий от ГРС в один из районов города. Без газа остались 100 тысяч человек и несколько промышленных предприятий.

В том же Ульяновске 4 марта 2000г. на ГРС-43 из-за перепадов температуры произошел сдвиг мокрого грунта, в результате чего сместился газопровод, и возникла аварийная ситуация, которая не только грозила гибелью людей, но и могла надолго оставить без тепла и газа четверть города.

На ГРС-2 ООО «Волгоградтрансгаз» 23 февраля 2002г. произошел пожар. Авария произошла в результате разрушения перехода в блоке редуцирования, с его последующим возгоранием и термическим воздействием на площадку ГРС. В результате пожара ГРС-2 была полностью уничтожена.

На Якутской ГРС в августе 2004г. в результате утечки газа и его последующего возгорания произошла серия взрывов с последующим шестичасовым пожаром. При этом высота пламени превышала 30м. В результате данной аварии была снижена мощность Якутской электростанции (из-за перевода на жидкое топливо), и как следствие было произведено отключение электричества в некоторых кварталах города. На восстановление поврежденных в результате аварии газопроводов ушел не один месяц. После аварии на Якутской ГРС Госгортехнадзор России в обязательном порядке требует наличия в котельных газоанализаторов.

По данным работы [15], анализ статистических данных аварийности и травматизма в системах газопотребления за последние 10 лет показывает, что причины аварий, произошедшие на ГРС следующие: взрывы котлов в котельных из-за загазованности топочного пространства и газоходов котлов в результате нарушений оператором производственной инструкции по розжигу - 43% всех аварий; механические повреждения наружных газопроводов при производстве земляных работ - 26%; повреждения подземных технологических газопроводов ГРС, вызванные потерей прочности сварных стыков (разрывы) из-за брака, допущенного при строительстве - 7%; коррозионные повреждения подземных газопроводов - 5%; повреждения надземных газопроводов транспортными средствами и в результате природных явлений - 11 %; прочие - 8%.

Одним из основных направлений повышения пожарной и промышленной безопасности ГРС является использование численного моделирования для анализа как номинальных, так и аварийных режимов функционирования ГРС. Анализ номинальных режимов позволяет выбирать наиболее безопасные режимы работы ГРС. Анализ возможных аварийных ситуаций от причин их возникновения до подробного моделирования процесса их развития с учетом возможных каскадных эффектов позволяет выработать меры по предотвращению появления данных аварий в действительности.

Целью работы являлась разработка и обоснование новой технологии полевого моделирования, предназначенной для прогнозирования пожаровзрывоопасности при эксплуатации ГРС в результате проведения подробного численного анализа физических процессов образования и распространения горючих газовоздушных смесей по территории и помещениям ГРС при организованных и аварийных факельных выбросах с учетом применения в помещениях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации.

Объектом исследования в диссертационной работе являются физические процессы возникновения и протекания организованных или аварийных выбросов горючих газов, транспортируемых по трубопроводной системе ГРС, для анализа пожарной и промышленной безопасности промышленных площадок ГРС и прилегающих территорий.

Предметом исследования являются пожаровзрывоопасность на газораспределительных станциях ТЭК, включая анализ путей ее снижения за счет использования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации.

Задачи исследования:

1) разработка технологии полевого моделирования эволюции облаков газовоздушных смесей на территории и в помещениях ГРС с учетом функционирования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;

2) разработка рекомендаций по обеспечению раннего предупреждения о формировании пожаровзрывоопасных газовоздушных смесей на ГРС;

3) разработка рекомендаций по определению эффективных режимов работы в зданиях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;

4) получение новых данных о функционировании трубопроводных систем ГРС, причинах возникновения и механизмах протекания аварий на ГРС.

Методологические и теоретические основы исследования составили научные труды широкого круга отечественных и зарубежных ученых. К таким научным трудам в области механики сплошных сред следует отнести работы Леонтьева А.И., Лойцянского Л.Г., Кочина Н.Е., Работнова Ю.Н., Седова Л.И. и других; в области численных методов механики сплошных сред - это работы Белоцерковского О.М., Давыдова Ю.М., Самарского А.А., Шевелева Ю.Д., Андерсона Д., Патанкара С., Плетчера Р., Таннехилла Дж., Флетчера К. и других; в области моделирования струйных течений -Абрамовича Г.Н., Вулиса Л.А., Дулова В.Г., Ершина Ш.А., Лукьянова Г.А., Ярина Л.П., Хинце И.О., Шеца Дж. и других; в области моделирования трубопроводных систем - это работы Айнбиндера А.Б., Алешина В.В., Прялова С.Н., Селезнева В.Е., Сухарева М.Г., Харионовского В.В. и других; в области моделирования пожара и анализа огнестойкости конструкций - это работы Астапенко В.М., Баратова А.Н., Брушлинского Н.Н., Есина В.М., Кошмарова Ю.А., Молчадского И.С., Пузача С.В., Драйздейла Д. и других.

Основными методами исследования являются: методы численного анализа нестационарных газодинамических процессов в трубопроводных сетях ГРС; методы нелинейного анализа прочности промышленных трубопроводных систем; методы численного анализа истечения и распространения транспортируемого газа в помещениях и на территории ГРС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) разработана новая технология численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК, предполагающая поэтапное численное моделирование механизма зарождения аварийной ситуации на ГРС с использованием базовых моделей механики сплошных сред (уравнений Навье и уравнений движения деформируемого твердого тела) и распространения в окружающей среде пожаровзрывоопасной газовоздушной смеси в результате совместного решения системы уравнений Рейнольдса и системы одномерных уравнений газовой динамики, предназначенной для анализа функционирования источника выброса;

2) для численной оценки параметров функционирования источников выброса на ГРС разработана новая математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления

ГРС на базе адаптации полной системы уравнений газовой динамики для одномерных течений;

3) с использованием разработанной технологии получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании трубопроводных систем, причинах возникновения и механизмах протекания аварий на ГРС:

• расчетные оценки параметров безопасных режимов транспортирования природного газа по трубопроводам ГРС;

• расчетные оценки влияния ветра на снижение эффекта всплытия пожаровзрывоопасного облака газовоздушной смеси при его распространении по ГРС и прилегающим территориям;

• численный анализ причин возникновения и развития аварий на ГРС;

• численный анализ эффективности использования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации в помещениях ГРС при разрушении технологических трубопроводов на территории ГРС.

Предложенные новые технология, модель автоматического регулятора давления (АРД) и результаты их применения, направленные на прогнозирование пожарной и промышленной безопасности объектов трубопроводных систем ТЭК, выносятся на защиту в виде научных положений диссертации, принадлежащих лично автору.

Практическая значимость работы. Выносимые на защиту технология и модель реализованы в вычислительной технологии «PipEst», а также в ряде производственных ГДС (построенных на базе программно-математического комплекса «CorNet»), предназначенных для повышения пожарной и промышленной безопасности трубопроводных систем конкретных газотранспортных предприятий [16-19]. Эти ГДС активно используются для решения практических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводных сетей газотранспортных предприятий, как в России, так и за рубежом. Так, например, на базе «CorNet» при активном участии автора диссертации была разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS» для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологии в Международной газотранспортной компании «SPP» [16-19] (см. Приложение).

С помощью «CorNet» установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий (см., например, [19,20]). Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Росатома, Госгортехнадзора России, Международной газотранспортной компании «SPP» (Словакия), Сандийских национальных лабораторий (США) и др.

Разработанная технология численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК может быть использована при разработке рекомендаций и проведении мероприятий по обеспечению пожарной и промышленной безопасности энергетических объектов ТЭК.

Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается:

• использованием современных научно-обоснованных методов вычислительной газодинамики и методов нелинейного анализа прочности;

• результатами натурных и численных экспериментов;

• многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах топливно-энергетического комплекса, как в России, так и за рубежом.

Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, заместителю главного конструктора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - начальнику отделения, доктору технических наук старшему научному сотруднику Селезневу Вадиму Евгеньевичу за постоянное внимание к его работам, поддержку, консультации, научное руководство и практическую помощь при определении направлений научных исследований, положенных в основу диссертации.

Автор диссертации выражает признательность кандидатам технических наук Алешину Владимиру Васильевичу, Прялову Сергею Николаевичу, Бойченко Александру Леонидовичу, Киселеву Владимиру Владимировичу и Фотину Сергею Валентиновичу за научные консультации по теме диссертации и поддержку его научных исследований и разработок.

Автор благодарит за научные дискуссии по теме диссертации своих иностранных коллег из Математического института Словацкой Академии Наук, Братиславского государственного университета им.Комениуса и Международной газотранспортной компании «SPP» (Словакия).

Автор выражает признательность и благодарность ученым и ведущим специалистам Академии ГПС МЧС РФ и ФГУ ВНИИПО МЧС РФ за плодотворные дискуссии по теме диссертации.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своим коллегам Дикареву Константину Игоревичу, Кобякову Вячеславу Владимировичу, Комиссарову Алексею Сергеевичу, Зеленской Оксане Ивановне, Галкину Максиму Владимировичу и Скитевой Ирине Алексеевне за сотрудничество и поддержку.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АВО - аппарат воздушного охлаждения;

АГРС - автоматическая ГРС;

АРД - автоматический регулятор давления;

БД - база данных;

ВКПР - верхний КПР;

ГДС - газодинамический симулятор режимов транспорта природного газа через трубопроводные сети газотранспортных предприятий (или фрагменты трубопроводных сетей газотранспортных предприятий); ГИС - географическая информационная система; ГПА- газоперекачивающий агрегат на КС (КЦ); ГРС - газораспределительная станция; ГУ - граничные условия; ЗВ - загрязняющее вещество; ИЗА - источник загрязнения атмосферы; КПР - концентрационный предел воспламенения; КС - компрессорная газоперекачивающая станция; КЦ - компрессорный газоперекачивающий цех; КЭ - конечный элемент;

ЛПУ МГ - линейное производственное управление магистральных газопроводов; ЛЧМГ-линейная часть магистральных газопроводов; МВСК - минимальное взрывоопасное содержание кислорода; МГ - магистральный газопровод; МДТТ - механика деформируемого твердого тела; МКО - метод контрольных объемов; МКЧ - метод крупных частиц;

МКЭ - метод конечных элементов;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

НКПР - нижний КПР;

ПМК- программно-математический комплекс;

ПУ - пылеуловитель;

СНиП - строительные нормы и правила;

ТГ - технологические газопроводы на КС (КЦ);

ТЭК - топливно-энергетический комплекс;

УРС - уравнение состояния;

ЦВТМ - Центр вычислительных технологий механики ООО «НПО

ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ»; ЦН - центробежный нагнетатель ГПА;

SCADA-система - (Supervisory Control And Data Acquisition) - система.

Символьные обозначения, применяемые в формулах, оговариваются особо в каждой Главе диссертации.

ВЫВОДЫ

1. Новая технология численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК позволяет разрабатывать научно-обоснованные рекомендации по размещению на ГРС газоанализаторов и газосигнализаторов, определению эффективных режимов работы в зданиях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации. Научно-обоснованные рекомендации вырабатываются по результатам двумерного и трехмерного полевого моделирования всех стадий эволюции облаков метановоздушных смесей на территории и в помещениях ГРС.

2. Для адекватного моделирования нестационарных неизотермических режимов функционирования источников выброса горючих газов на ГРС необходимо использовать полевую модель течения газа через трубопроводную сеть ГРС, построенную в результате адаптации с минимальными упрощениями полной системы уравнений газовой динамики для случая разветвленных протяженных трубопроводов.

3. Обобщение результатов численного анализа распространения облаков метановоздушной смеси при организованных и аварийных факельных выбросах на ГРС газотранспортных предприятий при скорости ветра в приземном слое, превышающей 10м/с, показало, что эффект всплытия практически не оказывает влияния на эволюцию метановоздушных облаков из-за интенсивного турбулентного перемешивания природного газа с атмосферным воздухом. Основное влияние на динамику распространения метановоздушной смеси по территории ГРС в данном случае оказывает поле ветра в приземном слое атмосферы, расположение и конфигурация элементов застройки территории ГРС.

4. Служебные помещения на ГРС, в которых постоянно работают люди, для предотвращения опасного барического воздействия на персонал и здания, возникающего в момент разрушения трубопроводов ГРС без возгорания, должны быть защищены специальными стенами (обвалованы).

5. Служебные помещения на ГРС газотранспортных предприятий должны быть удалены от технологических трубопроводов на расстояния, превышающие 100м. Указанное расстояние можно рассматривать в качестве одной из рекомендаций, используемых при определении размеров зон отчуждения при строительстве ГРС вблизи населенных пунктов.

6. Для снижения загазованности помещений ГРС при разрушении трубопроводов требуется использование вентиляции, оснащенной газопоглощающими фильтрами.

1. Моделирование режимов трубопроводного транспорта газа (Часть 3). М.: Учебно-исследовательский центр ГАНГ имени И.М. Губкина, 2002. - 16 с.

2. РД 50-213-80. Правила измерения расхода жидкостей и газов стандартными сужающими устройствами. Изд-во стандартов, 1982.-151 с.

3. ППБ 01-03. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации. Издание официальное. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003.-180 с.

4. ВППБ 01-04-98. Правила пожарной безопасности для предприятий и организаций газовой промышленности.

5. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунального назначения. Технические условия.

6. РД 153-39.4-079-01. Приказ Минэнерго РФ от 01.08.2001 №231 «О введении в действие методики определения расходов газа на технологические нужды предприятий газового хозяйства и потерь в системах распределения газа» Минэнерго России, 2001.

7. СНиП 2.04.09-84. Пожарная автоматика зданий и сооружений. -М.: Госстрой СССР, 1980.

8. Правила устройства электроустановок. М.:

9. Энергоатомиздат, 1985. 640 с.

10. РД 34.21.122-87. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. М.: Мингазпром, 1987. - 15 с.

11. Нормы технологического проектирования. Часть 1. Газопроводы. Раздел 7. ИРЦ Газпром, 1997. - 14 с.

12. СНиП 42-01-2002. Защита от коррозии.

13. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Госстрой СССР, 1991.

14. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. -М.: отдел 1.4.ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. (Электронное издание).

15. СНиП 21-01-97. Пожарная безопасность зданий и сооружений. -М.: Госстрой России, 1997.

16. ГОСТ 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов, Общие требования, Методы контроля.

17. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.

18. Клименко Е.Т., Меньшов В.Н. Экологический программный комплекс для персональных компьютеров. М.: РГУ им. И.М.Губкина, 1997. - 112 с.

19. Алешин В.В. Практическая технология численного прочностного анализа промышленных трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. 2004. №7. С.29-33.

20. Баратов А.Н., Пчелинцев В.А. Пожарная безопасность. М.: Издательство АСВ, 1997. - 171 с.

21. Моделирование пожаров и взрывов / Астахова И.Ф., Есин

22. B.М., Молчадский И.С. и др. // Под ред. Н.Н. Брушлинского и А .Я. Корольченко. М.: Пожнаука, 2000. - 492 с.

23. Математическая теория горения и взрыва / Зельдович Я.Б., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. и др. М.: Наука, 1980. -479 с.

24. Махвиладзе Г.М., Роберте Дж.П., Якуш С.Е. Огненный шар при горении выбросов углеводородного топлива. I. Структура и динамика подъема // Физика горения и взрыва. 1999. Т.35. №3.1. C.7-19.

25. Махвиладзе Г.М., Роберте Дж.П., Якуш С.Е. Огненный шар при горении выбросов углеводородного топлива. II. Тепловое излучение // Физика горения и взрыва. 1999. Т.35. №4. С. 12-23.

26. Махвиладзе Г.Н., Роберте Дж. П., Якуш С.Е. Образование и горение газовых облаков при аварийных выбросах в атмосферу // Физика горения и взрыва. 1997. Т.ЗЗ. №2. С.23-38.

27. Кошмаров А.Ю., Молчадский И.С. Моделирование пожара в помещениях зданий различного назначения // Пожаровзрывобезопасность. 1992. №1. С.22-28.

28. Термогазодинамика пожаров в помещениях / Астапченко

29. C.И., Богатищев А.И. и др. Саранск: Морд. Кн. изд. : Ковылк. тип., 2004. - 80 с.80.) Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П., Кулеш Дж., Стрелоу Р.

30. Работное Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. -М.: Наука, 1988.-712 с.

31. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968. - 192 с.

32. Лойцанский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

33. Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алешин В.В. Математический анализ газовой опасности при выбросах природного газа // Инженерная экология. 2000. №5. С.29-36.

34. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. В 2-х томах М.: Наука, 1987.-2 т.

35. Андерсон Д, Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х томах. Т.1: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.-384 с.

36. Шевелев Ю.Д. Пространственные задачи вычислительной аэрогидродинамики. М.: Наука, 1988. - 334 с.

37. Physical Properties of Natural Gases. N. V. Nederlandse Gasunie, Groningen, The Netherlands, 1980. -495 p.

38. Фрик П. Г. Турбулентность: подходы и модели. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. - 292 с.

39. Favre A. Equatijns des Gaz Turbulents Compressibles: Formes Generales. Journal Mecanique. 1965. V.4. - P. 361-390.

40. Кочин H.E., К и бель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика: Часть вторая. М.: Гос. Издат. Физ.-Мат. Лит-ры, 1963.-713 с.

41. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. -М.: Мир, 1988.- 544 с.

42. Прандтль Л. Гидроаэродинамика: Пер. с немец. Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. - 572 с.

43. Шец Дж. Турбулентное течение. Процессы вдува и перемешивания: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 276 с.

44. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. М.: УРСС, 1999. - 247 с.

45. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Изд-во МГУ, 1999. - 798 с.

46. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы математической физики. М.: Научный мир, 2000. - 316 с.

47. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. -152 с.

48. Cullen M.J.P., Morton K.W. Analysis of Evolutionary Error in Finite Element and Other Menhods // Journal of Computation Physic. Vol.34. 1980.- P.245-267.

49. Галлагер P. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984.- 428 с.

50. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1977. - 349с.

51. Вулис Л.А., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основы теории газового факела. Л.: Энергия, 1968.-204 с.

52. Вулис Л.А., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л.: Энергия, 1978.-216 с.

53. Seleznev V.E., Klishin G.S., Aleshin V.V. FLOTRAN software implementation for natural gas outflow simulation at the objects of gas industry// Papers Book of 17 CAD-FEM Users' Meeting (October 1999, Germany). Paper 1.2.10. CAD-FEM, Germany, 1999. - 10 p.

54. Моделирование выбросов и утечек природного газа / Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алешин В.В. и др. // Газовая промышленность. 2000. №1. С.6-7.

55. Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алешин В.В. Математический анализ газовой опасности при выбросах природного газа // Инженерная экология. 2000. №5. С.29-36.

56. Пискунов В.Н. Теоретические модели кинетики формирование аэрозолей. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2000. - 209 с.