автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Прогнозирование зон воздействия при авариях на объектах газовой промышленности методами математического моделирования нестационарных термогазодинамических и массообменных процессов

Г Г Б ОД

7

на правах рукописи УДК 622.692.4:519.6:533.7

ЕДИГАРОВ АНДРЕЙ СУРЕНОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗОН ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ АВАРИЯХ НА ОБЪЕКТАХ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

на правах рукописи УДК 622.692.4:519.6:533.7

ЕДИГАР08 АНДРЕЙ СУРЕНОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗОН ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ АВАРИЯХ НА ОБЪЕКТАХ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ). Официальные оппоненты: - доктор технических наук, гл.н.с.

Шеберстов Е. В.

- доктор технических наук, профессор Иарон В.И.

- доктор технических наук, профессор Еременко В. А.

Ведущее предприятие - ВНИПИгаздобыча

Защита диссертации состоится 1997 года в 13.30

часов на заседании диссертационного совета Д. 070.01.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Всероссийском научно-исследовательском институте природных, газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ) по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, п. Развилка, ВНИИГАЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГАЗа.

Автореферат разослан "__[__1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

И.Н.Курганова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В соответствии с современными требованиями по безопасности промышленных объектов ("Положение о декларации безопасности промышленного объекта". утвержденное постановлением Правительства Российской Федерации N 675 от 1.07.1995; "Методические указания по проведению анализа риска опасных промышленных объектов", утвержденные Госгортехнадзором России в 1996 г.) обязательной составной частью экспертизы и декларации безопасности промышленного объекта является анализ риска. Это связано с осознанием того, что проблема повышения безопасности в промышленности не может быть решена только с помощью технических средств защиты, а требует детального изучения внутренних механизмов возникновения и развития аварии, как неотъемли-вого свойства любой технической системы. Являясь по существу частью системного подхода к принятию решений и практических мер по предупреждению или уменьшению опасности промышленных аварий, методология анализа риска предлагает механизм получения обоснованных количественных оценок потенциальной опасности объекта, учитывающих вероятность возникновения различных аварийных ситуаций на объекте и их возможные последствия.

Одним из основных этапов проведения анализа'риска опасных промышленных объектов является прогноз последствий аварий на этих объектах. Успешное решение этой задачи сопряжено с необходимостью создания достоверных математических моделей и методов расчета нестационарных термогазодинамических и массообменных процессов, отражающих различные стадии развития аварийной ситуации на объектах газовой промышленности (ОГП). Значительные размеры ущерба, вызванного авариями, сложный нестационарный характер физических процессов и необходимость в объективной информации для принятия адекватных мер свидетельствует об актуальности данного исследования, направленного на разработку научных основ современных методов анализа закономерностей развития и прогноза последствий аварий на объектах транспорта, хранения и добычи природного и сжиженного углеводородного газа (СУГ), сопровождающихся образованием и распространением облаков взрывоопасного или токсичного газа.

Цель работы состоит в разработке метода прогнозирования зон воздействия и последствий аварий на объектах газовой промышленности на основе создания системы оригинальных математических моделей, численных алгоритмов и программ, позволяющих с помощью численных экспериментов исследовать пространственно-временные закономерности развития аварий с учетом реальксго

многообразия сценариев аварийных выбросов и конструктивных особенностей ОГП, рассчитывать зоны вероятного поражения или ущерба, принимать рациональные решения по повышение безопасности объекта.

Основные задачи исследования :

1. Провести анализ особенностей аварийных выбросов на объектах газовой промышленности и определить совокупность физических процессов, моделирование которых требуется для прогноза зон воздействия при авариях, сопровождающихся образованием и распространением облаков взрывоопасного или токсичного газа.

2. Обосновать логическуо последовательность рассмотрения физических процессов и разработать метод прогнозирования зон аварийного воздействия, основанный на математическом моделировании аварии как совокупности определенных взаимосвязанных физических процессов.

3. Создать новые математические модели нестационарных термогазодинамических и массообменных процессов, учитывающие особенности формирования и распространения облаков взрывоопасного или токсичного газа при аварийных выбросах сжиженного углеводородного газа и природного газа.

4. Разработать комплекс численных алгоритмов и программ для расчета физических процессов при авариях на ОГП и прогнозирования зон термического или токсического воздействия.

5. Провести детальную верификацию предложенных математических моделей путем сравнения теоретических и экспериментальных данных.

6. Численно исследовать закономерности эволюции взрывоопасных облаков тяжелого холодного газа при аварийных выбросах на объектах транспорта и хранения СУГ в зависимости от типа и расходных характеристик выброса, конструктивных особенностей объекта и атмосферных условий рассеяния.

7. Численно исследовать процессы термогазодинамики и массообмена при распространении в атмосфере струйных выбросов токсичного или горючего газа из скважин и трубопроводов и определить влияние различных факторов на зоны токсической или пожарной опасности при авариях на объектах природного газа.

8. Получить расчетные значения зон воздействия при авариях на конкретных объектах транспорта, хранения, добычи природного газа и СУГ.

Научная новизна :

1. Предложена обобщенная математическая модель нестационарного теплообмена сжиженного углеводородного газа с окружающей средой, учитывающая особенности формирования температурных полей во влажном грунте и в атмосфере, и

разработан алгоритм расчета интенсивности испарения при различных режимах кипения СУГ на поверхности грунта или "защитного" покрытия.

2. Разработана новая трехмерная нестационарная модель турбулентного течения и рассеяния тяжелого холодного газа (паров СУГ) в приземном слое атмосферы. В отличие от существующих моделей впервые рассмотрена полная система сопряженных трехмерных нестационарных уравнений сохранения массы, количества движения и энергии, полученных из уравнений Навье-Стокса в рамках обоснованной автором алгебраической модели турбулентной вязкости, с учетом фазовых переходов атмосферной влаги при распространении холодного газа. Численное решение задачи получено с помощью оригинальной консервативной неявной конечно-разностной схемы повышенной точности, основанной на использовании модифицированного численного алгоритма расщепления по физическим процессам и пространственным направлениям в сочетании с методом контрольного объема.

3. Предложена трехмерная струйно-диффузионная модель турбулентного течения и рассеяния аварийных струйных выбросов природного газа из трубопроводов и скважин, основанная на численном решении двумерных нестационарных уравнений тепломассообмена и газовой динамики в.области струйного смешения, восстановлении параметров течения в третьем направлении по нормальному закону, последующем переходе к гауссовой модели факела в области диффузионного рассеяния и сопряжении численного и аналитического решений в переходном сечении.

Предложена оригинальная методика расчета коэффициентов турбулентного обмена для струйных потоков газа с отличной от воздуха плотностью и температурой.

В отличие от существующих методов расчета рассеяния промышленных выбросов модель в совокупности учитывает специфические особенности аварийных выбросоз на объектах природного газа, а именно: нестационарный характер и высокую скорость (вплоть до звуковой) истечения газа при разрыве газопровода или аварии на скважине, наличие звукового участка в нерасчетной струе или начального в дозвуковом потоке, произвольную в общем случае простр-энстаен-ную ориентацию выброса, широкий диапазон возможного изменения термодинамических и расходных параметров выброса, существование вертикальной неоднородности скорости ветра и характеристик турбулентности в приземном слое атмосферы.

4. На основе разработанных моделей и обобщения существующих методов расчета сопряженных физических процессов впервые предложен метод прогнозирования зон воздействия при авариях на ОГП, позволяющий с помощью численных Экспериментов воспроизводить близкие к реальности аварийные ситуации, исследовать закономерности развития аварий, прогнозировать зоны потенциальной опасности, оценивать эффективность инженерно-технических и организационных решений по снижению ущерба.

5. Предложена оригинальная модель распространения в атмосфере нагретых потоков газа и метод расчета тепловой нагрузки на экосистему вследствие выбросов высокотемпературных продуктов сгорания многоцеховых компрессорных станций, расположенных в зоне многолетнемерзлых грунтов.

Достоверность предложенных математических моделей и вычислительных алгоритмов обоснована использованием при построении моделей общих законов механики сплошной среды, установленными физическими закономерностями процессов, сопоставлением результатов расчетов с аналитическими решениями частных задач, данными лабораторных и натурных экспериментов.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что в ней представлен эффективный метод прогнозирования зон воздействия при авариях на объектах газовой промышленности, разработанный на основе новых решений прикладных задач тепломассообмена и вычислительной аэродинамики, и получены практические результаты расчетов зон термической и токсической опасности вследствие аварийных выбросов на типовых объектах добычи, транспорта, хранения природного газа и СУГ.

Большинство результатов работы использованы в промышленности при анализе безопасности и риска Оренбургского газоперерабатывающего завода, Астраханского газоконденсатного месторождения, продуктопровода широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) Сургут-Урал-Центр, бутанопровода Миннибаево -- Казань, морского терминала СПГ, Бованенковского газоконденсатного месторождения. С помощью предложенных моделей рассмотрены различные аварийные ситуации на этих объектах, исследованы закономерности возможного развития аварий с учетом конструктивных особенностей объекта и даны оценки зон токсической и термической опасности.

Полученные результаты численного моделирования аварий на объектах транспорта, хранения и добычи природного газа и СУГ могут быть использованы при проектировании и эксплуатации подобных объектов для решения вопросов их оптимального размещения, разработки технических требований на оборудование,

количественных оценок зон вероятного ущерба, принятия рациональных решений по снижение последствий аварий, создания обоснованных планов действий при чрезвычайных ситуациях, учитывающих закономерности опасного развития аварийной ситуации.

Разработанные автором математические модели и примеры их практического использования вошли в "Отраслевое руководство по анализу и управлению риском, связанным с техногенным воздействием на человека и окружающую среду при сооружении и эксплуатации объектов добычи, транспорта, хранения и переработки углеводородного сырья с целью повышения их надежности и безопасности", утвержденное РАО "ГАЗПРОМ" в 1996 г.

Практическая состоятельность результатов диссертации подтверждена соответствующими актами об их использовании при анализе безопасности ОГП.

Апообааия работы. Математические модели, составляющие основное содержание диссертации, и полученные на их основе результаты численных расчетов были представлены на международной конференции по управлению экологическим риском (Киев, 1990 г.), третьей европейской конференции по анализу риска (Париж, 1991 г.), международном симпозиуме по предупреждению риска (Москва, 1992 г.), ежегодной конференции американского общества по анализу риска (Сан Диего 1992 г.), четвертой европейской конференции по вопросам технологии и опыта анализа безопасности и управления риском (Рим, 1993 г.), второй международной конференции по промышленной безопасности (Москва, 1994 г.), международном семинаре ВНИИГАЗ-АМ0К0 (Москва, 1994 г.), международном симпозиуме по оценке химического риска (Москва, 1994 г.), международном семинаре по риску и страхованию (Иркутск, 1994 г.), пятой европейской конференции по анализу и управлению риском в глобальной экономике (Штутгарт, 1995 г.), международном конгрессе американского общества инженеров-механиков (Сан Франциско, 1995 г.), международной конференции по газу (Канны, 1995 г.), шестой европейской конференции по анализу безопасности и риска (Гилфорд, 1996 г.), международном конгрессе по газовой технологии (Вена, 1996 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа написана на 432 страницах, из них 285 страниц машинописного текста, 91 рисунок, 34 таблицы, список литературы из 207 наименований.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 41 опубликованной работе, включая академические издания: "Журнал вычислительной математики и математической физики", "Инженерно-физический журнал", "Математическое

моделирование", "Российский химический журнал", "Известия РАН: Энергетика", реферативный сборник ВИНИТИ "Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях", труды ВНИИГАЗа, а также научные доклады и тезисы на международных конференциях.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и-практическая значимость результатов, обоснована структура диссертации.

Анализ безопасности и риска любого промышленного предприятия предполагает прогноз последствий возможных аварийных ситуаций (или нарушений регламентов технической эксплуатации) на рассматриваемом объекте и разработку способов снижения риска катастрофического развития аварий. Практически единственным доступным инструментом для такого прогноза является математическое моделирование. Сложность проблемы заключается в том, что все сопутствующие аварии физические процессы взаимосвязаны, вследствие чего погрешности в расчете одного процесса в той или иной мере сказывается на точности расчета другого сопряженного процесса и всей аварии в целом. Существующие методы расчета зон воздействия при аварийных выбросах опасных веществ в атмосферу (методики ГГО им. А. И. Воейкова и Штаба ГО, ГАНГ им. И.Н. Губкина, ВНИИГАЗа, нидерландской компании TN0; американское руководство по анализу химической опасности "ARCHIE") имеют ряд существенных недостатков (не воспроизводят адекватно реальные физические процессы, не отражают их взаимосвязи, не в состоянии учитывать характерные особенности аварийных выбросов на ОГП, такие как произвольная пространственная и временная структура источника, конечное время его действия и др.), которые значительно ограничивают область практического применения этих методик. Попытки их использования для прогноза зон воздействия при аварийных выбросах на ОГП часто приводят к неправдоподобным результатам, противоречащим экспериментальным и статистическим данным. Предлагаемый в диссертации подход к решению задачи прогнозирования последствий аварий на ОГП основан на представлении аварии в виде совокупности взаимосвязанных нестационарных термогазодинамических и тепломассо-обменных процессов, отражающих различные стадии развития аварии, и на математическом моделировании этих процессов. Алгоритм построен таким образом, что результаты расчета одного физического процесса в логической последовательности выступают в роли краевых условий или входной информации для расчета последующего процесса с учетом их временных и пространственных взаимосвя-

зей. В результате существенно расширяется область практического использования метода и повышается точность расчетов. Появляется возможность воспроизводить близкие к реальности аварийные ситуации на конкретных промышленных объектах с учетом их конструктивных особенностей, исследовать пространственно-временное распределение опасности, оценивать эффективность инженерно-технических решений по снижению последствий аварий путем их непосредственного моделирования.

В диссертации начальная стадия аварий на предприятиях газовой промышленности представляется как разрушительное высвобождение собственного энергозапаса в виде выброса больших объемов природного или сжиженного углеводородного газа. Среди множества сценариев дальнейшего развития аварии наиболее характерным и опасным, с точки зрения размеров зон воздействия и масштабов ущерба, является распространение взрывоопасных и\или токсичных облаков газовоздушной смеси. Поэтому основное внимание в работе уделено рассмотрению аварий, сопровождающихся образованием и распространением облаков горючего или токсичного газа. В этом случае ключевой проблемой при определении зон термического или токсического воздействия является корректное описание процесса распространения и рассеяния в атмосфере аварийных выбросов. Знание эволюции облака, его параметров позволяет определить зону токсической или термической опасности, рассчитывать уровень токсического воздействия, характеристики ударной воздушной волны при детонационном или дефлаграционном сгорании облака и, таким образом, оценивать последствия аварий на промышленных объектах.

Теоретическая часть данной работы главным образом посвящена решению этой проблемы - созданию трехмерных нестационарных численных моделей турбулентного течения и рассеяния газа в атмосфере и разработке на их основе метода прогнозирования зон воздействия при аварийных выбросах на ОГП.

Практическая часть диссертации посвящена численному моделированию характерных аварий на конкретных объектах транспорта, хранения и добычи природного газа и нестабильного конденсата и количественным оценкам зон термической или токсической опасности.

С точки зрения особенностей протекания физических процессов все аварии на ОГП можно условно разделить на две группы: 1 - аварии, сопровождающиеся выбросом сжиженного углеводородного газа (СУГ), 2 - аварии, сопровождающиеся выбросом природного газа. Аварии первой группы характерны для таких объектов, как продуктопроводы и хранилища СУГ или сжиженного природного газа

(СПГ), второй - для скважин и газопроводов. По аналогии диссертация разделена на две части. В первой части (главы 1,2) излагается вопросы теоретического и практического моделирования аварий на объектах сжиженного углеводородного газа, во второй части (главы 3,4) - на объектах природного газа.

В первой главе рассматриваются теоретические вопросы моделирования аварий на объектах транспорта и хранения СУГ, сопровождающихся образованием и распространением взрывоопасных или токсичных облаков тяжелого холодного газа. Последовательность описания физических процессов и их математических моделей представлена в том виде, в каком она используется в предлагаемом методе прогноза зон аварийного воздействия.

Специфика аварийных выбросов сжиженного углеводородного газа из продук-топроводов и хранилищ в первую очередь предопределяется термодинамическими свойствами СУГ, а именно низкой температурой кипения (как правило, значительно ниже температуры воздуха) и высокой плотностью паров (приблизительно в два раза выше плотности воздуха). Нарушение термодинамического баланса при аварийной разгерметизации трубопровода или резервуара вызывает интенсивное испарение истекающего и распространяющегося по поверхности земли сжиженного газа. В результате активного теплообмена СУГ с грунтом и атмосферой образуется взрывоопасное облако паро-воздушной смеси, способное при определенных условиях распространяться в приземном слое атмосферы на значительное расстояние, воспламеняться от источников зажигания и сгорать, генерируя ударную воздушную волну различной в общем случае мощности. Для моделирования эволюции облака необходимо знать функцию источника - термодинамические параметры и интенсивность поступления паров СУГ в атмосферу, которая определяется решением задач гидродинамики двухфазного истечения сжиженного газа из емкости или трубопровода, растекания по поверхности земли и теплообмена с окружающей средой.

Начальной стадией расчета зон воздействия при авариях на объектах СУГ является определение массового расхода утечки. Среди существующих методов решения этой задачи наиболее предпочтительными с точки зрения учета особенностей двухфазного истечения сжиженного углеводородного газа из резервуаров и трубопроводов, и экспериментальной подтвержденности являются: усовершенствованная автором изоэнтропийная модель K.Nyren - S.Winter (истечение из технологического трубопровода хранилища СУГ), уравнение Бернулли (истечение из отверстия в емкости или короткий патрубок длиной L/d < 4), метод R.Henry - H.Fauske (истечение из протяженного трубопровода в условиях

продолжения перекачки продукта), модель T.Morrow - R.Bass - J.Lock (истечение из перекрытой секции трубопровода).

Определенная с помощью этих методов временная зависимость массового расхода аварийной утечки сжиженного газа из трубопровода или емкости непосредственно использовалась в качестве исходной информации для расчета поверхности разлива и доли СУГ "мгновенно" испаряющейся при истечении вследствие падения давления в сечении разрыва.

Натурные эксперименты ВНИИПО (В.И.Макеев, В.П.Некрасов, А.П.Федотов и др.) по разливу СПГ и жидкого азота показали, что Формирование лужи сжиженного газа происходит очень быстро вследствие образования паровой подушки между "холодной" криогенной жидкостью и "теплой" поверхностью земли и существенного снижения трения при растекании сжиженного газа. Уже через несколько секунд лужа практически стабилизируется, а дальнейшее увеличение ее поверхности происходит очень медленно по мере охлаждения грунта. Стабилизация поверхности означает материальный баланс между количеством СУГ, попадающим на землю при аварийном истечении, и количеством пара, поступающим в атмосферу в результате теплообмена преимущественно с грунтом. Руководствуясь этими соображениями, в диссертации предложен довольно простой метод оценки площади разлива, отражающий указанный материальный баланс, и справедливый для продолжительных выбросов сжиженных углеводородов с низкой температурой кипения. В случае залпового выброса СПГ площадь разлива может быть определена по минимальной толщине слоя жидкости, экспериментальные значения которой для различных видов поверхностей рекомендованы компанией Gaz de France.

Заключительным этапом определения мощности источника в задаче распространения облака топливо-воздушной смеси является расчет интенсивности парообразования СУГ. Известно, что массовая интенсивность испарения СУГ определяется главным образом тремя факторами: резким падением давления в сечении разрыва, теплопритоком из массива грунта и турбулентным потоком тепла из атмосферы.

Доля СУГ, участвующая в фазовом превращении непосредственно в области разрыва трубопровода, определяется по параметру газосодержания, являющегося характеристикой термодинамического состояния углеводородной смеси.

Количественный вклад турбулентного потока тепла из атмосферы и тепло-притока из массива грунта в интегральную интенсивность парообразования зависит от термодинамических параметров СУГ, теплофизических характеристик грунта и уровня естественной турбулизации атмосферы в момент выброса.

Проведенные численные расчеты свидетельствуют, что с изменением компонентного состава и температуры кипения СУГ может происходить перераспределение количественного влияния этих составляющих суммарного теплового потока на интенсивность испарения и процесс формирования облака. Причем временной характер этого перераспределения зависит от класса устойчивости атмосферы и скорости ветра. Предлагаемая в диссертации обобщенная модель теплообмена СУГ с окружающей средой учитывает указанные особенности тепломассобмена при пленочном и пузырьковом режимах кипения сжиженных углеводородов. Модель основана на численном расчете трехмерного нестационарного поля температуры в прилегающем к поверхности разлива слое воздуха и автомодельном решении следующей одномерной задачи теплопроводности в массиве влажного грунта, представленной в интегральной форме:

Я {Jo(CfPf[T0 - ТКт, z)] + r„)dz + СсРсП [То - Тс(т, z)]dz} = a[Tf(t, 0) - Tlpg]

Здесь: х - время, г - пространственная координата, С - теплоемкость, р -плотность, Т - температура, а(т) - коэффициент теплоотдачи при пленочном или пузырьковом режимах кипения СУГ, rw - количество тепла отбираемое при замораживании единицы объема грунта, e(t),s(x) - координаты фронта фазового перехода влаги в грунте и фронта теплового возмущения; индексы: с - талый грунт, f - мерзлый грунт, 1рд - СУГ, о - невозмущенное состояние.

При выводе уравнения учтены фазовые превращения поровой влаги в соответствии с классическим условием Стефана-Неймана и конвективный теплообмен СУГ, С поверхностью грунта при различных режимах кипения. Конкретные значения коэффициентов теплоотдачи находились по эмпирической зависимости, полученной в диссертации в результате обработки экспериментов Сайенсона по кипению жидкого метана.

В связи с тем, что промышленные площадки с технологическим и емкостным оборудованием имеют как правило защитное твердое покрытие (асфальт, бетон) или тепловую -изоляцию для снижения интенсивности испарения СУГ, в диссертации рассмотрена задача о кипении СУГ на поверхности "защитного" покрытия заданной толщины, уложенного на грунт. Решение получено С помощью интегрального метода теплового баланса.

Точность расчетов по предложенным моделям теплообмена СУГ с грунтом и изолирующим покрытием оценивалась в сравнении с решением частной задачи -

теплопередачи в массиве абсолютно сухого грунта, а также с данными эксперимента американской газовой ассоциации, по кипению СПГ на теплоизолирующем покрытии марки 024. Результаты сопоставления свидетельствуют о хорошем согласовании теоретических и экспериментальных данных. Кроме этого, совместно со специалистами ВНИИПО (И.Н.Валеев, Д.И.Минаев и др.) на экспериментальном полигоне института физики высоких энергий в г. Протвино были проведены натурные эксперименты по кипению жидкого азота и СПГ на песке различной влажности с защитным покрытием и без него. Анализ этих экспериментов показал, что предложенные модели хорошо описывают процесс теплопередачи для непроницаемых грунтов. Для грунтов с проницаемой поверхностью расчетную интенсивность испарения следует увеличить в 2-3 раза.

Турбулентный поток тепла из атмосферы определялся на стадии численного моделирования распространения облака холодного тяжелого газа в соответствии с расчетными распределениями температуры и характеристик турбулентности в области источника парообразования.

В диссертации мощность источника была представлена следующим уравнением для вертикальной скорости поступления паров в атмосферу \У'(т):

\Г(т) = \УрСТ(т-тр) + [\У, + \У,]а(т-ть) (1)

где: \\гр,\У„\У, - соответственно скорости поступления паров СУГ в атмосферу вследствие падения давления на срезе трубы, теплопритока из грунта и атмосферы; о - функция Хевисайда, тр,ть - время истечения и испарения.

Из структуры уравнения (1) очевидно, что функция источника в задаче распространения облака тяжелого газа является не только нестационарной, но и разрывной. Координаты разрывов соответствуют времени окончания опорожнения емкости или секции трубопровода и моменту завершения испарения СУГ с поверхности разлива.

Определенная таким образом (1) временная зависимость \У'(т) использовалась в качестве граничного условия для области источника в задаче эволюции взрывоопасного облака тяжелого газа.

Процесс распространения облаков тяжелого холодного газа активно исследуется в течении многих лет как в теоретическом аспекте, так и экспериментально. Этому вопросу посвящена обширная литература. К настоящему времени создано большое количество моделей разной степени сложности: модифициро-

ванные гауссовы модели факела примеси (R.Humbert-Basset, L.Montet; О.В.Доб-рочеев, А.С.Едигаров и др.); модели подобия, основанные на эмпирическом описании механизма подвода воздуха к облаку заданной конфигурации (A.Germeles, Van UI den, R.Picknett, K.Eidsvik, R.Cox, D.FIothman, G.Ooms, J.Havens, G.Colenbrander и др.); двумерные (G.Scynatz, W.Bride, N.Madsen, О.В.Добро-чеев и др.) и трехмерные (J.Hertel, J.Taft, S.Chan, А.С.Едигаров и др.) численные алгоритмы решения нестационарных уравнений гидродинамики и тепломассообмена. Однако окончательное решение этой проблемы по всей видимости еще далеко от завершения. Связано это прежде всего С тем, что процесс распространения в атмосфере паров сжиженного газа существенно отличается от пассивного рассеяния нейтральной по отношению к воздуху примеси. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о формировании сложного трехмерного турбулентного течения в области выброса холодного тяжелого газа, характерные масштабы которого зависят не только от термодинамических параметров и массы выброса, но и характера теплообмена с окружающей средой, степени естественной турбулизации атмосферы, скорости ветра, шероховатости поверхности земли и др. Возникающие в области источника паров СУГ градиенты плотности, температуры и давления формируют поле сил "плавучести", следствием которого является возникновение гравитационного течения, способствующего распространению тяжелого газа не только в направлении ветра, но и в поперечном и даже противоположном скорости ветра направлениях. Характерные скорости и масштабы указанного турбулентного гравитационного течения определяются многофакторным взаимодействием выделяющихся паров с атмосферным потоком воздуха. Интенсивность турбулентного обмена и рассеяния при этом существенно изменяется во времени и пространстве вследствие нестационарного характера воздействия источника, конечного времени его существования и неоднозначного взаимодействия турбулентности, генерируемой распространяющимися в приземном слое парами сжиженного газа, и естественной турбулентности атмосферы. Проблема осложняется еще и тем, что характерные масштабы атмосферной турбулентности в свою очередь зависят от целого ряда метеорологических параметров. Существующие инженерные методики расчета зон поражения при выбросах сжиженного газа, разработанные в ГГО им. А.И.Воейкова совместно со Штабом ГО (М.Е.Берлянд, Ю.И.Сульдин и др.), ГАНГ им. И.М.Губкина (В.М.Максимов, Г.Д.Розенберг и др.), не в состоянии в полной мере учесть указанные особенности рассеяния тяжелых газов поскольку не воспроизводят возникающее турбулентное течение и не описывают протекающие в облаке процессы

турбулентного тепломассообмена. Проведенный в диссертации, а также в работах S.Hanna, J.Havens и др. анализ различных типов моделей рассеяния тяжелого газа показал, что модели гауссового факела не пригодны для расчета распространения паров СУГ, модели подобия имеют ограниченное применение и могут быть использованы для оценочных расчетов концентраций на значительном расстоянии от источника при выбросе небольших объемов сжиженного газа.

Применение численного моделирования позволило устранить недостатки моделей подобия, построенных на условном разделении процесса рассеяния на отдельные стадии и существенно расширить область практического использования - рассматривать реальные нестационарные источники конечного времени действия. По заключению Арканзаского университета США (J.Havens, T.Spicer, P.Sheurs), проводившего подробный анализ различных моделей рассеяния тяжелого газа, наиболее предпочтительными в настоящее время являются трехмерные численные гидродинамические модели типа MARIАН (J.Taft, M.Ryne, D.Weston) и FEM3 (S.Chan, R.Gresho, D.Ermak).

В отличие от указанных зарубежных трехмерных аналогов в диссертации предлагается рассматривать задачу о турбулентном течении и рассеянии паров СУГ в общей постановке, основанной на численном решении системы трехмерных нестационарных уравнений термогазодинамики и массообмена, полученных из уравнений Навье - Стокса с помощью метода осреднения Рейнольдса и параметризации добавочных напряжений турбулентного переноса в соответствии с гипотезой Буссинеска на основе обобщения экспериментальных данных по стратифицированным течениям.

В матричной форме и декартовой системе координат эти уравнения выглядят следующим образом:

+ G (2)

где:

f =

Q=I iij,

н

G =

О О

о о

о -g

з

I SP/ее у _э_пъг ас рр-зр/зн jtj sijp^-jex,

п4 =

0 0 Р| ООО

0 0 0 ООО

. 3 ах к» а ь а» 0 0 0

0 0 0 ООО

0 0 0 ООО

0 0 *»1<В • -о ООО

0 0 0 0 РЕ 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 о

а'|Ь'| 0 0 0

о о о о <1*£ о

о 0 0 р| о о

О 0 0 0 0 0 о О .0 о о о

а'|Ь'|0 О 0с'| 0 0 0 0 0 0 о о о о о

ь =

0 0 0 0 0 10 0 0 0 10 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

о о о о о

J_

Р8Н

I, - единичная матрица, а' = , Ь' = , С = ¿§, «Г = ^

'"Рвн

Здесь: т-время, р - плотность смеси, С - массовая концентрация, и,у,\у - проекции вектора скорости и на оси х,у,г соответственно, Н - энтальпия, Р -давление , К^Ку.К, - компоненты коэффициента турбулентного обмена, % -ускорение свободного падения.

Операторы П1 -С1 з учитывают процессы конвективного и диффузионного переноса в х,у,г направлениях соответственно, П4-Об - члены с давлением в уравнениях сохранения количества движения и члены вида сИуи в уравнениях для массы и энергии.

Замыкание системы (2) осуществляется с помощью уравнения состояния для идеального газа и уравнения для энтальпии смеси газ-влажный воздух, учитывающего фазовые переходы атмосферной влаги при распространении холодного газа.

Краевые и начальные условия уравнений (2) можно кратко охарактеризовать следующим образом. На свободных границах рассматриваемой области (за исключением плоскости z = 0 , соответствующей земной поверхности) распределение —>

физических величин р, II,Н определяется состоянием атмосферной турбулентно-

сти на момент времени т и не подвержено влиянию распространяющейся примеси (С = 0 ). На поверхности земли задаются условия прилипания - равенство нулю компонент скорости u = v = w = o, поток примеси рКгЦ = 0 в силу предполагаемой непроницаемости подстилающей поверхности для диффундирующего газа, теплообмен облака с поверхностью земли рассчитывался по уравнению q=a(TE-T), С постоянным коэффициентом теплопередачи а.

В области источника термодинамические параметры р,Н соответствуют плотности и энтальпии выделяющегося газа при атмосферном давлении; концентрация С = 1, горизонтальные составляющие скорости u = v = 0, вертикальная составляющая определяется скоростью поступления паров СУГ в атмосферу W*(t). Начальные условия характеризуются состоянием атмосферы (p.(z), T,(z), U,(z), K,(z)) в момент выброса тяжелого газа.

Зависимость коэффициентов турбулентного обмена (К) от структуры потока и сложность определения этой зависимости являются наиболее серьезными трудностями при описании турбулентного переноса с помощью К-теории. Рекомендуемая в диссертации модель турбулентности основана на использовании в качестве характерной скорости пульсаций эмпирической зависимости для так называемой скорости "смешения" (Ve ) в области течения с преобладающим влиянием сил гравитации. Эта зависимость получена Т.Spicer-J.Havens в результате обобщения большого количества экспериментальных данных по стратифицированным течениям в широком диапазоне изменения массового числа Ричардсона, практически полностью охватывающем возможные сценарии аварийного выброса СУГ. Опираясь на анализ этих экспериментов, в диссертации был использован следующий метод расчета коэффициентов турбулентного обмена (К). Начальное распределение К для невозмущенной атмосферы находилось по известным метеорологическим формулам (J.Businger и др., C.Paulson). При описании воздействия источника тяжелого газа на прилегающие слои атмосферного воздуха в каждой дискретной точке расчетной области вычислялось массовое число Ричардсона (Ri. ). В случае Ri. > 0 и р> (р.+ 0.005) вертикальное распределение коэффициентов турбулентного обмена рассчитывалось по следующему уравнению, учитывающему присутствие в атмосфере тяжелого газа:

KVeZ ku. Z

ku. z

Ri.

Apghrfr

h* = ioTCdz

l+P (0.88+0.099 Rii04)(l+P) '

здесь: к - постоянная Кармана, V, - скорость "смешения", heff - эффективная высота облака, С0 - максимальная концентрация на оси симметрии облака, р -показатель в степенном законе изменения скорости ветра по высоте, и. - динамическая скорость в облаке паров сжиженного газа (в численных расчетах принималась равной и\).

В соответствии с рекомендациями W.England - L.Teuscher коэффициенты турбулентной диффузии в горизонтальном направлении К„ и Ку отличаются от на постоянный коэффициент, изменяющийся в диапазоне от 0.1 до 65 в зависимости от класса устойчивости атмосферы по классификации Пэскуила-Гиффорда.

Аппроксимация приведенных уравнений разностными схемами приводит к системе алгебраических уравнений, эффективное решение которых представляет серьезную проблему вычислительной математики. Численному решению системы уравнений Навье-Стокса для вязкого теплопроводного газа посвящено большое количество работ. Теоретическими вопросами создания разностных схем решения многомерных задач гидродинамики занимались С. К. Годунов, В.М.Ковеня, Ю.В. Лапин, Г.М.Махвиладзе, В.И. Полежаев, Ю.П.Попов, А.А.Самарский, М.Х.Стрелец, Н.Н.Яненко, S.Patankar, J.Shang, D.Spalding и многие другие исследователи. Существующие в настоящее время трехмерные газодинамические модели течения тяжелого холодного газа в приземном слое атмосферы предполагают использование различных разностных схем - явных (схема "чехарда" в модели SIGMET-N, метод "частиц в ячейках" в модели ZEPHYR, метод конечных элементов в FEH3) и неявных (схема Кроули в MARIAH-II). Анализ этих алгоритмов (J.Havens, T.Spicer, P.Sheurs) показал, что применение явных разностных схем приводит к большим затратам процессорного времени. Использование неявной схемы (в алгоритме MARIАН-11) позволило существенно сократить эти затраты. Однако применение схемы Кроули вызывало появление в решении осцилляций в области с большими градиентами концентрации. Для идентификации осцилляций и сглаживания решения требуется разработка специальных процедур (например "FRAM" в модели MARI АН), что безусловно усложняет алгоритм расчета.

Предлагаемая в диссертации консервативная неявная конечно-разностная схема основана на применении модифицированного метода расщепления по физическим процессам и пространственным направлениям в сочетании с методом контрольного объема. Основной идеей разработанного численного алгоритма является соединение экономичности схем расщепления по координатам и физическим процессам (В.М. Ковеня, Н.Н.Яненко) с относительно высокой точностью

метода контрольного объема, применяемого в ряде работ (Э.Рагапкаг и др.) при аппроксимации пространственных производных. В соответствии с методом контрольного объема расчетная область разбивалась на определенное число непересекающихся конечных объемов таким образом, чтобы каждая узловая точка содержалась в одном контрольном объеме, а их грани располагались посередине между двумя соседними узловыми точками. Использовалась разностная схема вида:

-Ч^+ПьЬг' +(1-гИ ] = С (3)

где: у - весовой множитель схемы, А* = £П|'|11(П|<,,- разностный аналог дифференциальных операторов в (2)), которая аппроксимирует исходную систему уравнений с порядком 0(т + Ьк). Порядок аппроксимации к определяется выбором разностных операторов для аппроксимации пространственных производных. В соответствии с алгоритмом расщепления, представляя схему (3) в каноническом виде

а.+тупЬ-1-^-^ +с

и, используя факторизацию оператора

(I, = (I, +ту 2 <$) «П (I, ,

осуществим переход с п-го на п+1 временной слой с помощью следующей последовательности дробных шагов:

(1|+туП?ь)§ = +С (4)

_уп-НЗ-П/б

{ = (

—>

где вектор-столбец \ представляет собой транспонированную вектор-строку

йГ"6.отклонений функций на слое п+]/6 от их значений на целом шаге п.

На первых трех дробных шагах рассчитывалось изменение параметров течения, связанное с конвективным и диффузионным переносом. Поскольку на этой стадии система разностных уравнений (4 ) линейна относительно функций на слое п+]/60 = 1,3), ее решение было получено скалярными прогонками для каждой компоненты вектора £ , так как оператор П^О = 1,2,3) диагональный. На 4,5,6 дробных шагах рассчитывались изменения компонент скорости, плотности и энтальпии, связанные с выравниванием давления в расчетной области. На каждом из этих шагов решается система конечно-разностных уравнений неразрывности, количества движения и энергии в соответствующем направлении. Отметим, что рассматриваемое течение относится к категории существенно дозвуковых и характеризуется относительно малыми изменениями давления. В силу этого требование к повышению точности расчета поля давления приобретает особую значимость. При использовании классического алгоритма расщепления на этом этапе наблюдалась потеря точности численного расчета. Кроме этого отмечалось появление не имеющих физического смысла пространственных немонотонностей в полях плотности, температуры и скорости (немонотонности исчезают при расчетах на смещенной сетке). Предложенная в диссертации модификация численного алгоритма расщепления в сочетании с методом контрольного объема позволила преодолеть указанные трудности и добиться удовлетворительной точности расчетов при значительно менее жестком ограничении на шаг по времени.

Для аппроксимации пространственных производных в дифференциальных операторах П (2) использовалась схема со степенным законом, в соответствии с которой определенным образом задавался профиль изменения искомой функции между двумя соседними узловыми точками. Анализ схемы, проведенный Б.РаТапкаг, свидетельствует о ее высокой точности для любого значения числа Пекле и любого числа узлов сетки. Следует отметить, что при построении консервативной разностной схемы второго порядка аппроксимации на трехточечном шаблоне использовалась смещенная сетка, в соответствии с которой плотность, энтальпия, концентрация и давление аппроксимировались в узловых точках контрольных объемов, а компоненты скорости и, v, и - в точках, лежащих на соответствующих гранях контрольных объемов.

Контроль численного решения проводился по традиционной схеме путем сравнения расчетных полей скорости, температуры, плотности и концентрации на

базовой сетке с результатами, полученными на более подробных сетках, предполагающих удвоение числа контрольных объемов в каждом направлении с одновременным уменьшением в 2 раза соответствующего размера шага сетки. Расчеты проводились с различными временными шагами. Симметричность численного решения проверялась моделированием распространения тяжелого газа при отсутствии сносящего потока воздуха. Другим методом контроля являлось сравнение численных расчетов с известным аналитическим решением задачи пассивного рассеяния примеси с ps«p. от непрерывного точечного источника, полученное

Робертсом. Согласование полученных результатов было достаточно хорошим.

8 диссертации показана экономичность предложенной разностной схемы в сравнении с другими, использованными в зарубежных трехмерных численных алгоритмах решения задачи о турбулентном течении тяжелого газа.

В целях оценки применимости предложенной модели для описания распространения и рассеяния паров СУГ в атмосфере было выполнено численное моделирование нескольких серий натурных экспериментов по выбросу тяжелого газа, включая эксперименты с СПГ и пропаном компании She 11 в Англии в 1980 г., эксперименты с СПГ Ливерморской лаборатории США на полигоне "China Lake", проведенные совместно С Центром по морским вооружениям, а также большую серию натурных экспериментов по рассеянию залповых выбросов 2000 м3 тяжелого изотермичного газа (смеси фреона и азота) на острове Thorney (Англия), в организации и проведении которых приняло участие 38 промышленных и научных организаций из 10 стран мира. Анализировались различные параметры течения: распределение максимальных концентраций в направлении ветра, протяженность фронта облака с заданной концентрацией, скорость перемещения центра облака, фронтальная скорость распространения облака, временное изменение локальной концентрации в различных точках расчетной области. Получено хорошее согласование теоретических и экспериментальных данных.

Заключительным этапом прогноза последствий аварий на объектах СУГ является расчет возлействия поражающих Факторов на организм человека или окружающую среду и оценка зон вероятного ущерба. Основными физиологическими факторами поражения для человека являются: ударная воздушная волна при взрыве топливо-воздушной смеси, механическое воздействие при разрушении конструкций, термическое воздействие при горении облака, токсическое отравление вредными веществами.

В случае выброса токсичного газа процент пораженного населения находился по традиционной методике, основанной на обработке расчетного

пространственно-временного распределения концентрации с помощью функции доза-эффект и пробит- функции. Зона термического воздействия при сгорании облака топливовоздушной смеси определяется конфигурацией и размерами области (в момент инициирования воспламенения), ограниченной изолинией приземной концентрации, соответствующей нижнему или половине нижнего (учитывая пуль-сационный характер турбулентного течения) предела воспламенения. Наибольшую опасность представляет взрывной режим превращения горючей смеси в облаке. В диссертации, для оценочных расчетов зон барического воздействия, использованы рекомендованные Б.Е.Гельфандом модифицированные эмпирические зависимости и. Вгозэагс], полученные для описания детонации сферического объема горючей смеси в неограниченном пространстве. В качестве исходного параметра в этих зависимостях используется масса реагирующей топливо-воздушной смеси, величина которой определяется из решения задачи распространения взрывоопасного облака в соответствии с расчетным распределением концентрации в момент инициирования воспламенения.

Во второй главе излагаются вопросы практического использования математических моделей физических процессов для изучения закономерностей развития аварий на объектах транспорта и хранения СУГ и прогнозирования зон термического воздействия.

Моделировались различные сценарии аварийных выбросов на типовых объектах СУГ, включая стандартные резервуары емкостью 200 м3 для хранения под давлением широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), изотермические хранилища СПГ в подземном и наземном исполнении, магистральный трубопровод ШФЛУ, бутанопровод.

На хранилище ШФЛУ рассматривалось аварийное истечение пропан-бутановой смеси из отверстия, технологического трубопровода, а также моделировался гипотетический сценарий аварии - залповый выброс объема единичного резервуара емкостью 200 м3. Во всех сценариях максимальную протяженность облако имело при инверсионном состоянии атмосферы типа "Т" по классификации Пэскуи-ла - Гиффорда и скорости ветра - 2 м/с. Качественная картина эволюции облака существенно изменялась в зависимости от сценария выброса. Для всего процесса развития взрывоопасного облака при истечении СУГ через трубопровод характерным являлось сначала постепенное увеличение размеров облака до максимальных (» 1 км), затем плавное уменьшение и стягивание облака к источнику. В отличие от этого сценария, при истечении сжиженного газа через отверстие или

короткий патрубок к моменту распространения облака на максимальное расстояние зона с взрывоопасной концентрацией представляла собой не сплошную область, а отдельные участки. В процессе дальнейшего рассеяния концентрация в пределах удаленных участков облака снижалась до безопасных значений, и зона газовой опасности была ограничена сравнительно небольшой областью, непосредственно примыкающей к источнику (» 0.2 км). Эти особенности эволюции опасного облака важны для корректного определения распределения массы реагирующей смеси при расчете процессов дефлаграционного или детонационного сгорания облака. Анализ результатов численного моделирования показал, что причиной качественно различного характера распространения облака является нестационарное воздействие источника. Поскольку интенсивность истечения сжиженного газа через отверстие в несколько раз превышает расход двухфазной смеси при истечении через трубопровод, то на начальных этапах эволюции облака объем поступления в атмосферу паров СУГ при истечении через отверстие будет существенно выше, чем через трубопровод. Это обстоятельство предопределило возникновение немонотонного характера распространения опасного облака (разрыв его на отдельные участки) при аварийном истечении СУГ через отверстие или короткий патрубок.

Численное моделирование залпового выброса в атмосферу большого количества тяжелого газа свидетельствует о практически полном изменении начального поля скорости и характера турбулентности в атмосфере. В области источника наблюдалось радиальное гравитационное растекание газа с характерной скоростью порядка 3-4 м/с. Анализ динамики распространения облака показал, что в данном случае максимальные размеры опасной зоны определяются закономерностями распространения "первичного" облака, образующегося в результате "мгновенного" фазового перехода значительной массы ШФЛУ. По истечении определенного времени, когда масса залпового выброса рассеется в атмосфере до безопасных концентраций, размеры опасной зоны определяются преимущественно интенсивностью парообразования с поверхности разлива. Поскольку скорость поступления паров в атмосферу к этому моменту времени составляет « 0,004 м/с, то естественно, что размеры зоны с взрывоопасной концентрацией ограничены небольшой величиной (50-100 м). Следует отметить, что характерная для данного сценария максимальная протяженность опасного облака (* 0.5 км) была значительно меньше по сравнению с аварийным выбросом СУГ из трубопровода вследствие усиления конвективного переноса паров в поперечном скорости

ветра направлении в сочетании с интенсификацией процессов турбулентного обмена.

На подземном двухстенном (внешний железобетонный корпус и внутренняя емкость из хладостойкой стали) изотермическом хранилище сжиженного природного газа емкостью 60000 м3 рассматривался следующий сценарий аварии. В результате нарушения технологического режима эксплуатации или в результате внешнего воздействия происходит нарушение целостности внутренней емкости, разлив СПГ в пределах внешнего железобетонного корпуса, разгерметизация перекрытий внутренней и наружной емкостей. Следствием пррмого теплового контакта СПГ (температура кипения -164°С) с внутренней поверхностью железобетонного резервуара является интенсивное испарение СПГ и образование облака топливо-воздушной смеси. В отличие от ранее рассмотренных аварийных выбросов ШФЛУ, в данном случае скорость парообразования определяется главным образом теплообменом сжиженного газа с внешним корпусом хранилища. В начальный период, вследствие больших температурных градиентов кипение сжиженного газа будет протекать в условиях сильной нестационарности сначала при пленочном, а затем при пузырьковом режимах. Анализ результатов численных экспериментов свидетельствует о неоднозначном характере распространения облака. Существует несколько стадий развития процесса. В начальный период пары СПГ постепенно распространяются преимущественно в направлении ветра. Достигнув в определенный момент времени максимальной протяженности, "первичное" облако газовоздушной смеси начинает уменьшаться в размерах, стягиваясь к источнику. В дальнейшем вновь наблюдалась динамика облака в направлении ветра. Характерное время продолжительности каждой стадии процесса, а также максимальные размеры облака существенным образом зависели от скорости ветра и устойчивости атмосферы. Причем в зависимости от атмосферных условий максимальная протяженность опасной зоны определялась эволюцией "первичного" облака или последующим распространением основной массы паров СПГ.

В диссертации приводятся также результаты моделирования аварий на других объектах хранения СПГ: эстакадах, наземных резервуарах и терминалах СПГ. Полученные оценки зон термического воздействия при сгорании облака для различных состояний атмосферы в диапазоне изменения скорости ветра от 1 до 10 м/с могут быть использованы при анализе безопасности подобных объектов.

Практическое моделирование аварий на объектах транспорта сжиженного углеводородного газа выполнено на примере системы трубопроводов для транспорте

ШФЛУ из района Сургута в центральную часть России и бутанопровода Миннибае-во-Казань. В результате численных экспериментов установлено, что если после ■разрыва трубопровода ШФЛУ диаметром 500 мм на полное сечение перекачка продукта продолжается, то при неблагоприятных атмосферных условиях стабилизация фронта взрывоопасного облака не происходит даже через пять часов после аварии и протяженность зоны вероятного поражения в направлении ветра к этому моменту может составить семь километров, что безусловно создает серьезную угрозу для населения и окружающей среды. Вместе с тем, указанное время является вполне достаточным для идентификации аварийной ситуации, и принятия оператором ответных действий по остановке перекачки и перекрытию аварийного участка трубопровода с помощью запорной арматуры. Моделирование той же аварийной ситуации с учетом адекватных действий оператора и перекрытия поврежденной секции трубопровода длиной 10 км через 20 минут после разрыва показало, что в этом случае максимальная протяженность опасной зоны сокращается более чем в два раза (2.8 км), причем время распространения облака на это расстояние ограничено 70 минутами, а через пять часов с момента возникновения аварии зона поражения уменьшается до 0.8 км от места разрыва. Полученные расчетные размеры зон опасности в случае адекватного реагирования на аварийную ситуацию и без него демонстрируют необходимость и эффективность быстрой идентификации аварийной утечки.

Отметим, что вероятность реализации на практике аварий с разрывом трубопровода на полное сечение мала. В соответствии со статистической информацией по авариям на нефтепродуктопроводах подавляющее большинство утечек было вызвано образованием трещин в теле трубы. Очевидно, что в этом случае массовый расход продукта из поврежденного трубопровода будет во много раз меньше. В результате численных расчетов установлено количественное влияние интенсивности утечки на размеры зоны термического воздействия в диапазоне изменения массового расхода от 20 до 600 кг/с. Показано, что с изменением массового расхода утечки: 20 кг/с - 50 кг/с - 100 кг/с - 300 кг/с - 600 кг/с максимальная протяженность опасного облака (при адекватных действиях оператора и интервале размещения запорной арматуры вдоль трубопровода - 5км) соответственно увеличивается следующим образом 0.5км - 0.8км - 1.2км - 2.2км - 2.8км.

Полученные в диссертации данные исследования влияния времени срабатывания запорной арматуры и частоты ее расстановки вдоль трассы трубопровода на размеры зон вероятного поражения могут быть использованы для разработки соответствующих технических требований по линейной арматуре.

В диссертации также представлены результаты численного моделирования аварий на бутанопроводе и показано как сказываются особенности парообразования сжиженного углеводородного газа с относительно высокой температурой кипения на формирование и распространение взрывоопасных облаков бутано-воздушной смеси, и размеры зон опасности.

В третьей главе рассмотрены теоретические вопросы моделирования распространения в атмосфере аварийных выбросов природного газа из трубопроводов и скважин.

Теоретическими исследованиями атмосферной турбулентности и распространения промышленных выбросов занимались А. Е.Алоян, М.Е.Берлянд, Н.Л.Вызова, Э.П.Волков, A.C.Гаврилов, Е.К.Гаргер, Д.Л.Лайхтман, Г.И.Марчук, А.С.Монин, В.В.Пененко, А.И.Яглом, G.A.Briggs, J.Deardorff, S.R.Hanna, O.G.Setton и многие другие ученые. Отметим, что физические закономерности истечения, переноса и рассеяния при аварийных выбросах природного газа на ОГП характеризуются значительной сложностью и существенно отличаются от классических выбросов, например из дымовых труб. Прежде всего это объективно связано с нестационарным характером и высокой скоростью (вплоть до звуковой) истечения газа при разрывах газопроводов или авариях на скважинах, значительным влиянием подстилающей поверхности, произвольной в общем случае пространственной ориентации выброса и т.д. В соответствии со статистикой аварий на объектах газовой промышленности можно утверждать, что неконтролирумые выбросы природного газа могут быть реализованы в широком диапазоне изменения скорости истечения (от нескольких метров в секунду до скорости звука), плотности, температуры при перепадах давления на срезе от докритических до сверхкритических. Наибольшие проблемы связаны с расчетом выбросов при сверхкритических перепадах давления, поскольку структура и закономерности распространения сверхзвуковых недорасширенных газовых струй существенно отличаются от таковых для дозвуковых струйных течений.

Распространенные в нашей стране и за рубежом инженерные методики расчета загрязнения атмосферы ГГО им. А. И.Воейкова (М.Е.Берлянд и др.), ГАНГ им. И.М.Губкина (В.М.Максимов, Г.Д.Розенберг и др.), ВНИИГАЗа (Н.С.Белов и др.), EPA USA (Агентство по охране окружающей среды США) не учитывают в полной мере специфику исследуемых аварийных выбросов, поскольку не воспроизводят возникающее струйное турбулентное течение и процессы тепломассообмена, не применимы для источников произвольной пространственной и временной структуры. Попытки согласования расчетов по методикам такого рода с

экспериментальными данными приводят к необходимости уточнения методик путем введения поправочных коэффициентов. Естественно, что учесть все многообразие атмосферных течений и сценариев аварийного выброса с помощью поправочных коэффициентов невозможно, поэтому неизбежно возникает вопрос о достоверности проведенных по этим методикам расчетов. Использование интегральных методов в рассматриваемой задаче нашло свое отражение в работах Г.Н.Абрамовича, В.А.Астахова, Е.В.Бруяцкого, A.C.Гиневского, С.А.Губина, J.A.Schetz, S.G.Bloom и многих других исследователей. Однако, несмотря на то, что предложенные этими авторами одномерные модели струи в ряде случаев хорошо воспроизводят распределение параметров течения по оси свободных струй, указанные модели также не способны в совокупности учесть такие важные, а при аварийных выбросах из скважин и газопроводов определяющие факторы, как нестационарность, неизотермичность выброса, отличная от воздуха плотность, существование вблизи земной поверхности выраженной вертикальной неоднородности скорости ветра и характеристик турбулентности, что существенным образом сказывается на расчетных значениях приземной концентрации. Между тем в задачах промышленной безопасности интересующей информацией является именно поле приземных концентраций.

Предлагаемый в диссертации метод прогноза последствий аварий на газопроводах и скважинах основан на использовании результатов математического моделирования процессов тепломассобмена и гидродинамики при истечении, переносе и рассеянии природного газа для расчета зон поражения в результате токсического или термического воздействия.

Начальным этапом расчета зон аварийного воздействия является определение интенсивности и продолжительности истечения газа из поврежденного трубопровода или скважины. Среди существующих методов решения этой задачи наиболее предпочтительными с точки зрения корректности описания аварийных гидродинамических процессов в трубопроводах и скважинах и экспериментальной лодтвержденности являются численная модель В. А.Сулейманова (разрыв газопровода) и метод Е. В.Шеберстова (аварийное фонтанирование скважины). Получении е по этим моделям термодинамические параметры и расходные характеристики истекающего природного газа использованы в диссертации для постановки краевых условий в области источника в задаче распространения и рассеяния аварийных выбросов в атмосфере.

В общем случае математическое описание турбулентного течения, возникающего в результате взаимодействия вытекающей из скважины или трубопровода

струи газа с атмосферным потоком воздуха, требует рассмотрения полной системы уравнений Навье-Стокса. Для решения целого ряда практически важных задач указанная математическая постановка может быть упрощена. С точки зрения максимальных размеров зоны газовой опасности наибольший интерес для анализа представляют аварии, сопровождающиеся выбросом газа, ориентированным вертикально, горизонтально или наклонно в направлении скорости ветра. В этих случаях траектория результирующего потока оказывается в одной плоскости с направлением ветра, и можно предположить, что поперечная составляющая скорости результирующего течения пренебрежимо мала (у«0). Принимая во внимание, что для рассматриваемого класса турбулентных течений конвективный поток примеси в направлении ветра значительно больше соответствующего диффузионного, а распределение параметров течения в поперечном скорости ветра направлении подчиняется как правило нормальному закону, в диссертации рассматривалась следующая система двумерных дифференциальных уравнений:

ар а(ри) а(рш) п

сКрС') Д(риС-) , д(р\уС') д( „ £сЛ

д(Рц*) , дсрцц') . д(рут') д(„у 5иЛ 1 ер , о

<Кру') , а(риш') . а(рулу') е („г, аиЛ I ар

5(рН') , 5(риН*) . ^н-) д( „ енЛ , I ОР.о

ат дИ Ш = + ун г>7 н

где: = вн = - рЩ

(г) - показатель адиабаты),

полученных из исходной системы уравнений (2) с учетом указанных допущений, и представления решения задачи в виде следующей обобщенной функции

Ч»(х, у, г, х) = Ч».(г) + О, г, т) ч«с, у)

здесь ^.(г) - вектор начальных распределений искомых функций, Ч"(х,0,г,г) -вектор отклонений от начального распределения функций, описывающих

зменение параметров течения в вертикальной плоскости функция у(х,у) вляется решением двумерного дифференциального уравнения конвективно-диф-узионного переноса, отражающего изменение параметров течения в поперечном корости ветра направлении (У):

Для замыкания системы уравнений (5) использовалось уравнение состояния свершенного газа.

При выводе исходной системы уравнений использовалась алгебраическая юдель коэффициентов турбулентного переноса (К). Определение этих коэффици-жтов в рассматриваемой задаче представляет самостоятельную проблему, для >ешения которой в диссертации были использованы идея о связи турбулентной 1язкости в струйном потоке с кинетической энергией турбулентности Е и ее шсштабом Ь, высказанная А.Колмогоровым-Л.Прандтлем а также

федположение (теоретически обоснованное О.Доброчеевым) о пропорциональности характерной скорости турбулентных пульсаций (у') так называемой скорости 'смешения" (V, ), эмпирическое выражение для которой получил Е. НI гзг в ре-)ультате обобщения экспериментальных данных по струйным течениям

Е* ~ V' ~ Уе = [0.08061 + аЬз{°-5рт1ум)}] + 4.5аЬз{^}]

С учетом этих допущений было предложено следующее уравнение для расчета соэффициентов турбулентного обмена в области струйного смешения

К = хСрЭУеЬ (6)

где: ь - радиус струи, х - эмпирический коэффициент, принятый равным 0.3 1ля круглых струй, аналогично модели Прандтля, СР - поправочный коэффициент цля струй газа, плотность которого отлична от плотности воздуха, и - модуль :корости, Э - коэффициент, учитывающий локальный характер турбулентной вязкости в численной модели в отличие от моделей подобия, где скорость "смешения" уе является интегральной величиной, усредненной по поперечному сечению струи. При построении модели также учитывалось, что коэффициенты турбулентного переноса в уравнениях движения отличаются от аналогичных в уравнении

энергии и диффузии на постоянную величину, а именно на число Прандтля (уравнение энергии) и Шмидта (уравнение диффузии), которые для круглых осесиммет-ричных струй равны 0.7.

Учитывая параметры транспортируемого или добываемого газа, можно утверждать, что наиболее вероятным режимом истечения газа из скважины или газопровода (наземного) является сверхзвуковое истечение при сверхкритическом перепаде давления. Ударно-волновая структура звукового участка струи имеет вид чередующихся ячеек (бочек), размеры которых зависят от геометрических параметров отверстия и режима истечения. Разработка единого алгоритма, позволяющего с приемлемой точностью рассчитать газодинамические параметры во всем поле течения (включая звуковой, переходный и основной участки), представляет собой серьезную проблему, которая выходит за рамки постановки задачи в виде системы уравнений (5,6). Однако для ряда практических приложений и, в частности для прогноза зон опасности при аварийных выбросах токсичного или горючего газа, представляет интерес расчет изменения параметров в основном участке течения. Для решения этой задачи необходимо знать геометрически* размеры звуковой области (длину звукового ядра и диаметр звукового сечения) и корректно поставить краевые условия на границе звукового ядра. В диссертации при формулировании жестких краевых условий на границе звукового участка нерасчетной струи были использованы эмпирические зависимости для указанных геометрических характеристик звуковой области, полученные И.А.Ленцовым и др. в результате обобщения и анализа экспериментальных данных по нерасчетны!" струйным течениям в диапазоне изменения безразмерного перепада давления перед соплом от 2 до 40. Аналогичный подход в описании начального участка струк использовался и при моделировании аварий с дозвуковым истечением газа.

Численная реализация разработанной модели была также выполнена с помощью алгоритма расщепления в сочетании с методом контрольного объема.

Предложенная модель струйного течения предназначена прежде всего для расчета распространения аварийных выбросов горючих газов, опасная концентрация которых в воздухе составляет несколько процентов, а зона воздействия как правило не превышает 1 км. В отличие от горючих газов предельно допустимая концентрация токсичных веществ на порядки величин меньше (несколько десятков ррт), а протяженность зоны поражения может составить десятки километров. Получение численного решения для всей области исследования (струйного участка и диффузионного следа) практически нереально по двум причинам: 1 - вынужденное использование подробной сетки в струйной области

|риводит к появлению огромных пространственных массивов параметров течения характерный размер источника как правило составляет ~1 м, а исследуемой облети ~ 100 км); 2 - необходимость отслеживания концентраций, которые го по-)ядку величины могут быть значительно меньше точности численного решения. |ля преодоления указанных трудностей в диссертации предложен алгоритм пере-юда на определенной стадии численного решения к так называемой гауссовой юдели факела примеси и сопряжение аналитического и численного решений по шачению концентрации на оси струи и ее вертикальному распределению в пере-юдном сечении.

Верификация предложенной математической модели в области струйного те-шния осуществлялась сравнением результатов расчета с данными экспериментальных исследований различных типов струйных течений, а именно: затопленных юплавучих струй, вертикальных струй в сносящем потоке, наклонных струй, на-■ретых струй и струй газа с отличной от воздуха плотностью. Сравнительный жализ показал, что для струйных течений нейтральной примеси модель обеспе-мвает хорошее согласование расчетов с экспериментами. Однако в случае на-■ретых потоков и струй легкого газа (т.е. турбулентных потоков с выраженной 'плавучестью") требуется коррекция модели турбулентного обмена. Введение сорректирующего множителя вида Ср = (|£)0'75 в уравнение (6) позволило не-члохо согласовать численные результаты с экспериментом, особенно для изотермических струй легкого газа (гелия). Обнадеживающим также является то збстоятельство, что модель хорошо воспроизводит экспериментальный факт о несовпадении скоростной и температурной траекторий нагретых потоков. В цепом предложенная модель расчета обеспечивает неплохое согласование с экспе-эиментами по классическим струйным течениям.

Опубликованных в настоящее время результатов экспериментальных или на-гурных наблюдений аварийных выбросов токсичного газа из скважин или трубопроводов явно недостаточно для полноценной проверки достоверности предложенной модели в области диффузионного рассеяния. Это связано не только с количеством указанных экспериментов или наблюдений, но и с качеством и полнотой исходной информации по условиям проведения эксперимента , точностью замеров и т.д. Среди имеющихся данных наиболее предпочтительны для верификации модели натурные наблюдения аварийного выброса природного газа с содержанием сероводорода из скважины в 20 км от г.Лодапоул, провинция Альберта, Канада в октябре - декабре 1982г. Замеры концентраций Н28 и 80г

осуществлялись с помощью семи стационарных и пяти передвижных измерительных комплексов в радиусе 50 км от скважины. Анализ этих данных показал удовлетворительное совпадение расчетных и измеренных значений приземной концентрации сероводорода с учетом того, что натурные наблюдения проводились не с целью верификации какой-либо модели, а для контроля общественной безопасно сти. В диссертации проведено также сравнение результатов расчета указанного реального выброса сероводородного газа из скважины по нормативным методикам EPA USA, ГГО им.А.И.Воейкова, ГАНГ им. И.М.Губкина, ВНИИГАЗа и показано, чт получаемые в них значения концентраций H2S значительно отличаются друг от друга и от данных натурных наблюдений.

Результаты расчета поля концентрации по предложенной струйно-диффузион ной модели использовались для заключительной стадии оценки последствий аварийных выбросов на объектах природного газа - прогноза зон и уровня термического или токсического воздействия, алгоритм которого аналогичен алгоритму расчета зон опасности при авариях на объектах СУГ.

Четвертая глава посвящена практическому моделированию аварий на объектах добычи, промыслового и магистрального транспорта природного газа и прогнозу зон опасности. Анализировались различные виды опасностей, связанных с нарушением технологических режимов эксплуатации промышленного объекта, включая токсическую опасность при аварийных выбросах сероводородного газа из скважин и промысловых трубопроводов, пожарную опасность при разрыве магистрального газопровода и экологическую опасность эксплуатации многоцеховых компрессорных станций, расположенных в зоне многолетнемерзлых грунтов.

Прогноз токсической опасности при аварийных выбросах сероводорода из скважин выполнен на примере Астраханского газоконденсатного промысла с высо ким содержанием H2S (до 25%).

Основной целью исследований являлась определение размеров зон токсического воздействия з зависимости от дебита скважины, ее диаметра, времени фонтанирования и метеорологических условий. Для моделировании распространения сероводорода в атмосфере были использованы результаты анализа практически реализуемых аварийных дебитов из скважин Астраханского месторождения различного диаметра, выполненных Е. В.Шеберстовым.

Численные расчеты показали, что независимо от дебита скважины и скорости ветра размер зоны токсической опасности увеличивается с повышением

устойчивости атмосферы. Максимальные зоны получены при скоростях 2-5 м/с. Интересно отметить, что при малых скоростях ветра, порядка 1 м/с, на уровне земли как правило отсутствуют опасные концентрации сероводорода. Это связано ; тем, что высота динамического подъема факела существенно увеличивается при ;нижении скорости ветра, вследствие чего приземные концентрации сероводоро-1а могут уменьшиться до безопасного уровня. Существенное влияние на высоту Юдъема струи оказывает не только скорость ветра, но и размер скважины. Так например, динамический подъем факела для случая выброса из скважины 300 мм 5ыл в 1.5 - 2 раза выше по сравнению с истечением из скважины диаметром 114 (м, что свидетельствует о необходимости учета размера источника. В некото-)ых нормативных методиках этот параметр не учитывается а наиболее опасной ¡читается скорость ветра 1 м/с. Анализ численных расчетов аварийных выбро-:ов сероводорода из скважин свидетельствует о существенном влиянии стадии :труиного рассеяния на формирование зон токсической опасности. Первоначальна подъем факела, сопровождающийся интенсивным тепломассообменом с окружа-)щим воздухом, приводит к активному разбавлению струи, в результате чего юнцентрация Нг8 в конце струйной области (где скорость потока сравнивается :о скоростью ветра) существенно снижается. Например, в случае выброса серо-юдорода из скважины 300 мм дебитом 11.6 млн.м3/сутки при скорости ветра - 2 |/с и инверсионном состоянии атмосферы ('Т"), концентрация сероводорода на си струи в конце струйного участка составляла - 330 рргл (начальная концент->ация в источнике - 250000 ррт) , при высоте подъема факела ЛЬ = 62 м. С уве-1ичением скорости ветра высота начального подъема струи уменьшается, а кон-[ентрация сероводорода в конце струйной области увеличивается. Неучет ука-;анных закономерностей рассеяния высокоскоростных струйных выбросов приво-;ит к значительным погрешностям в расчетах. В диссертации представлен равнительный анализ результатов расчета зон токсической опасности по пред-оженной модели и по инженерным методикам, и показано, что получаемые оценки е только значительно отличаются, но даже носят противоречивый характер. Вы-есказанное подтверждает целесообразность использования более совершенных оделей для анализа безопасности ОГП, способных учитызать физические зако-омерности распространения высокоскоростных струй токсичного или горючего аза в атмосфере на основе численного моделирования результирующего турбу-ентного течения.

В диссертации рассмотрены также аварийные выбросы токсичного газа из ромысловых трубопроводов различной протяженности и диаметра.

На основе проведенных численных экспериментов получены расчетные значения зон токсической опасности при аварийных выбросах из скважин различного диаметра и дебита, а также промысловых трубопроводов для всех классов устойчивости атмосферы по классификации Пэскуила-Гиффорда в диапазоне изменения скорости ветра от 1 до 10 м/с.

Прогноз пожарной опасности трубопроводного транспорта природного газа выполнен на примере аварийного разрыва магистрального газопровода диаметром 1420 мм. 8 соответствии со статистической информацией по авариям на подземных газопроводах одним из наиболее распространенных сценариев аварийного выброса является образование в области разрыва подземного трубопровода котлована и дозвуковое истечение результирующего потока газа из этого котлована. При моделировании данной аварии предполагалось, что в результате

взаимодействия встречных потоков газа из поврежденного газопровода возникаем

ет результирующее вертикальное течение со скоростью \У<1 = р из котлована с характерным размером ёа =30 м (размер соответствует реальной воронке при аварии на газопроводе в Германии). Расчетные временные зависимости массового расхода для прямого и обратного потоков природного газа из двух концо грубы в области разрыва получены по модели В.А.Сулейманова. В целом анализ численных расчетов процессов распространения и рассеивания природного газа для указанного сценария аварийного выброса свидетельствует о том, что магис тральный газопровод, является относительно безопасным, по сравнению с про-дуктопроводом СУГ, промышленным объектом. Зона поражения в результате сгорания облака метано-воздушной смеси была приблизительно на порядок меньше. Полученный результат в значительной мере объясняется более интенсивным характером турбулентного обмена при распространении струйного потока природного газа из поврежденного газопровода.

Оценка влияния промышленных выбоосов на экосистему представляет научный и практический интерес также в связи с решением экологических проблем при добыче, транспорте и переработке природного газа. В перечисленных процессах как по технологическим причинам, так и в аварийных условиях возможен выброс высокотемпературных газов, который пропорционально своей тепловой мощности и массе способен изменить окружающую природную среду. Особенно это важно пр сосредоточении значительных объемов тепловых выбросов на ограниченной территории, как например в случае технологических выбросов высокотемпературны: (500° С) продуктов сгорания топлива газоперекачивающих агрегатов

многоцеховой компрессорной станции магистрального газопровода, расположенного в зоне многолетнемерзлых грунтов. В целях прогноза экологической опасности изменения теплового режима окружающего воздушного бассейна и нарушения естественного режима протаивания грунта, в диссертации рассмотрена сопряженная задача о тепловом взаимодействии нагретого газозоздушного потока с подстилающей поверхностью многолетнемерзлого грунта, решение которой получено совместно С О.К.Андроновой на основе моделирования термогазодинамических процессов в атмосфере при распространении высокотемпературных потоков газа и тепломассообменных процессов в массиве многолетнемерзлого грунта.

Защищаемые положения

1. На основании проведенных теоретических исследований нестационарных термогазодинамических и массообменньх процессов впервые предложен метод прогнозирования зон воздействия при авариях на ОГП, позволяющий с помощью численного моделирования воспроизводить близкие к реальности аварийные ситуации, исследовать закономерности их развития и разрабатызать рациональные решения по снижению последствий аварий.

2. Разработана оригинальная математическая модель нестационарного теплообмена СУГ с атмосферой и грунтом. Показано количественное влияние турбулентного потока тепла из атмосферы и теплопритока из грунта на интегральную интенсивность испарения СУГ различного компонентного состава в зависимости от характеристик атмосферной турбулентности.

3. Впервые в общей постановке, на основе численного интегрирования системы трехмерных нестационарных уравнений Наьье Стокса, дополненных обоснованной моделью процессов турбулентного переноса, решена задача о турбулентном течении и рассеянии тяжелого холодного газа в приземном слое атмосферы. Предложена оригинальная конечно-разностная схема решения прикладных задач вычислительной аэродинамики данного класса. Получено хорошее согласование теоретических данных с результатами большого количества натурных экспериментов по распространению облаков тяжелого газа.

4. Впервые показано, как изменяется пространственно-зременное распределение массы реагирующей топливо-воздушной смеси, конфигурация и размеры зоны вероятного поражения в зависимости от типа и параметров выброса СУГ, конструктивных особенностей объекта и атмосферных условий рассеяния.

5. Получены практические оценки зон термического воздействия при сгорании облаков тяжелого газа для различных сценариев аварий нь типовых объэ:-.га»-

газовой промышленности в широком диапазоне изменения расходных характеристик выброса и атмосферных условий рассеяния.

6. На примере численного моделирования аварии на продуктопроводе ШФЛУ впервые показано, как своевременные действия обслуживающего персонала по идентификации аварийной ситуации сказываются на уменьшении опасной зоны и масштаба потенциального ущерба. Установлено количественное влияние времени перекрытия поврежденной секции продуктопровода и частоты расстановки запорной арматуры вдоль трассы на размеры зон поражения.

7. Разработана новая трехмерная модель нестационарных процессов тепломассообмена и газодинамики при распространении струйных потоков токсичного или горючего газа в атмосфере, учитывающая особенности аварийных выбросов на объектах добычи и транспорта природного газа. Предложен оригинальный метод расчета коэффициентов турбулентного обмена. Для прогноза последствий аварийных выбросов токсичного газа обоснована необходимость перехода от численной модели струи к модели диффузионного рассеяния. Предложены критерии этого перехода и способ сопряжения численного и аналитического решений. Получено хорошее согласование расчетов по разработанной струйно-диффузион-ной модели рассеяния с экспериментальными исследованиями различных видов классических струйных течений. Косвенным подтверждением достоверности модели в области диффузионного следа являлось удовлетворительное согласование расчетов с данными натурных наблюдений аварийного выброса сероводородного газа из скважины.

8. Исследовано количественное влияние дебита фонтанирующей скважины, ее диаметра, скорости зетра и класса устойчивости атмосферы на размеры зоны токсической опасности при аварийном выбросе сероводородного газа. Показано, что доминирующей в процессе рассеяния является струйная область, в пределах которой происходит интенсивный турбулентный массообмен и активное разбавление струи воздухом. Неучет этого фактора в инженерных методиках может привести к многократному увеличению зоны токсической опасности.

9. Получены практические оценки зон токсической опасности при аварийных выбросах сероводородного газа из скважин и промысловых трубопроводов различного диаметра в широком диапазоне изменения расходных характеристик и метеорологических условий.

10. Моделиоование аварийного выброса природного газа при разрыве магистрального газопровода показало, что размеры зон термического поражения при сгорании облака метано-воздушной смеси существенно меньше по сравнению с

аналогичными в случае аварийного выброса СУГ из продуктопровода, что в значительной степени объясняется более интенсивным характером турбулентного збмена при истечении струйного потока природного газа из поврежденного ■азопровода.

11. Предложена оригинальная модель распространения в атмосфере высокотемпературных потоков газа (продуктов сгорания топлива) и исследованы некоторые вопросы экологической безопасности эксплуатации многоцеховых юмпроссорных станций, расположенных в районах многолетнемерзлого грунта.

12. Разработанный математический аппарат и полученные практические ре-|ультаты могут быть использованы при анализе безопасности аналогичных объек-"ов газовой промышленности для количественных оценок зон аварийного юздействия, принятия рациональных решений по снижению ущерба, создания обо-нованных планов действий при чрезвычайных ситуациях.

Основные результаты диссертации опубликованы в 41 работе, в том числе: . Едигаров A.C. Численный расчет турбулентного течения холодного тяжелого аза в атмосфере - Журнал вычислительной математики и математической физики, 991, т.31, N9, с. 1369-1380.

. Едигаров A.C. Численный анализ различных моделей турбулентного переноса в адаче диффузии тяжелого газа - Инженерно-физический журнал, 1991, т.61, N3, .501-503. Деп. в ВИНИТИ 24.04.91, N1726-B91.

. Едигаров A.C. Численное моделирование аварий на хранилище сжиженного вфтяного газа высокого давления - Математическое моделирование, 1995, т. 7, 4, с. 3-18.

. Едигаров А. С. Моделирование распространения токсичных или горючих везете в атмосфере при промышленных выбросах на объектах добычи и транспорта 13а - Известия АН России: Энергетика, 1996, N3, с. 143-155. , Едигаров A.C. Исследование рассеяния тяжелого газа при залповом выбросе-эссийский химический журнал, 1995, т.39, N2, с.101-105.

Едигаров A.C., Сулейманов В.А. Математическое моделирование аварийного ¡течения и рассеяния природного газа при разрыве газопровода - Математичес-¡е моделирование, 1995, т. 7, N4, с. 37-52.

Едигаров A.C. Метод расчета зоны поражения при аварийных выбросах токсич-)го газа - Российский химический журнал, 1995, т.39, N2, с.94-100.

Едигаров A.C. Моделирование распространения взрывоопасного облака тяже->го газа в атмосфере - Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, 191, N3, с. 17-27.

9.Едигаров A.C. Математическое моделирование аварий на подземном изотермическом хранилище СПГ - Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, 1992, N3, С.47-70.

10. Сафонов B.C., Едигаров A.C. Анализ особенностей и расчет интенсивности испарения сжиженного природного газа при его аварийных разливах по поверхно сти грунта. В кн.: Вопросы транспорта газа., М.: ВНИИГА1, 1985, с.135-149.

11. Едигаров A.C. Анализ моделей рассеяния паров СПГ в атмосфере. - В кн.: Транспорт природного газа. - М.: ВНИИГАЗ, 1986, с. 151-161.

12.Едигаров A.C. Модель рассеяния холодного тяжелого газа в атмосфере,- В кн.: Трубопроводный транспорт газа - М.: ВНИИГАЗ, 1987, с. 189-199.

13.Едигаров A.C., Простокишин В.М. Численное моделирование распространен« паров СПГ в атмосфере. - В кн.: Вопросы технологии транспорта газа - М.: BHI ИГАЗ, 1988, с.143-151.

14. Едигаров A.C. Оценка максимального расстояния распространения пожароопасного облака паров СПГ. - В кн.: Вопросы технологии транспорта газа-М.: ВНИИГАЗ, 1988, С. 152-160.

15. Едигаров A.C. Моделирование процесса диффузии паров сжиженного газа пр его разливе и кипении в сборном бассейне. - В кн.: Магистральный транспорт природного газа - М.: ВНИИГАЗ, 1989, с. 102-110.

16. Едигаров A.C. Оценка эффективности использования теплоизоляции для уменьшения зоны загазованности при аварийных разливах СПГ, - В кн.: Магистральный транспорт природного газа - М.: ВНИИГАЗ, 1989, с. 110-115.

17. Едигаров A.C. Алгоритм расчета турбулентной диффузии паров сжиженного углеводородного газа в атмосфере, - В кн.: Магистральный транспорт природнс го газа-М.: ВНИИГАЗ, 1S90, С. 70-96.

18. Едигаров A.C. Особенности формирования и распространения облака тяжел! газа при аварийном разливе СПГ в секционированном защитном ограждении.- В кн.: Экология при разработке высокосернистых месторождений природного газ. М. :ВНИИГАЗ, 1992, С. 43-54.

19. Едигаров А.С , Доброчее8 0.В., Простокишин В.М. Математическая модель теплового выброса в атмосферу. - В кн.: Экология при разработке высокосерн! тых месторождений природного газа- М.:ВНИИГАЗ, 1992, с. 54-66.

20. Доброчеев В.А., Едигаров A.C. Моделирование распространения тяжелого газа в атмосфере в условиях искусственных и естественных препятствий. - В кн.: Основные направления в решении проблемы экологического риска ТЭК-

М.: ВНИИГАЗ, 1994, с. 80-95.

!1. Едигаров А.С. Исследование влияния характера аварийного истечения СУГ из скости на закономерности распространения взрывоопасного облака тяжелого аза,- В кн.: Основные направления в решении проблемы экологического риска ЭК- М.:8НИИГАЗ, 1994, с. 96-112.

2. Едигаров А.С., Сулейманов В. А. Метод расчета зоны газовой опасности при азрыве газопровода, - В кн.: Основные направления в решении проблемы эколо-ического риска ТЭК- М.ВНИИГАЗ, 1994, с. 113-130.

3. Едигаров А.С., Сулейманов В. А. Методы моделирования аварий на объектах азовой промышленности - Международный симпозиум "Предупреждение риска (на-чно-техническая революция)", Москва, 1992, с. 77-78, (тезисы).

4. Едигаров А. С. Расчет последствий аварийных выбросов опасных веществ из ехнологических систем - 2 Международная конференция по промышленной безо-асности: Управление риском, социально-экономические и экологические аспек-ы. Москва, 1994, с.34-35, (тезисы).

5. Едигаров А. С. Математическое моделирование в задачах анализа и управле-«1я риском - 2 Международный семинар "Риск и страхование". Сб."Социальные, зхногенные и природные факторы риска в производственной деятельности" -ркутск: СЭИ СО РАН, 1994, с. 50-84.

3. Yedigarov A.S. Simulation of hazardous dense gas cloud propagation in ne atmospheric boundary layer. - International Conference "Environmental isk Management:The European Case", Kiev, USSR, November 22-24, 1990. 1. Yedigarov A.S. Simulation of LNG Storage Faci I ity Accidents - The Thi rd W-Europe Conference "Risk Analysis: Underlying Rationales", Paris, эсетЬег 16-18, 1991, p.485-496.

3. Yedigarov A. S. Numerical Study of LPG Storage Tank and Pi pel I ne

:cIdents - SRA Annual Meeting, San Diego, California, December 6-9, 1992,

abstract).

3. Yedigarov A.S. Risk assessment Of LPG storage faci I ities - The Forth iA-Europe Conference on European Technology & Experience in Safety la lysis and Risk Management, Roma, October 18-23, 1993. ). Yedigarov A.S., Suleymanov V.A. Mathematical Methods of Natural Gas ipel ine Safety Analysis - The Forth SRA-Europe Conference on European schnology & Experience in Safety Analysis and Risk Management, Roma, ¡tober 18-23, 1993.

31. Yedigarov A.S. Physical and Mathematical Modelling of Non-Stationary Gas-Dynamic and Heat-Mass-Exchange Processes in Accidental Leaks, Dispersion and Combustion of Natural Gas and Refined Petroleum Products at Petrochemical Facilities - Risk Assessment Seminar VN11 GAS - AMOCO, Moscow May 11-12, 1994, p. 1-33.

32. Yedigarov A.S., Odisharia G.E., Safonov V.S., Shvyryaev A.A. Predictio of Consequences from Explosions or Toxic Chemicals Accidental Releases -SRA Annual Conference: Risk Analysis and Management in a Global Economy, Stuttgart, May 21-25, 1995.

33. Yedigarov A.S., Odisharia G.E., Safonov V.S., Shvyryaev A.A. Mathematical Models for Consequences Prediction of Liquefied or Compressec Gas Accidental Releases - ASME Congress, San-Francisco, California, 12-17 November, 1995, PVP-Voi.320/SERA-Vol.5, p.333-364.

34. Odisharia G.E., Safonov V.S., Yedigarov A.S., Shvyryaev A.A. Risk Methodology in Safety Analysis of Typical Gas Industry Faci I ities -International Gas Research Conference, Cannes, November 6-9,1995, p. 45-5!

35. Yedigarov A.S. Hazards Analysis of LPG Pipei ine Transportation - SRA -EUROPE Conference "Risk in a Modern Society: Lessons from Europe". -Guildford, Surrey, UK, 1996. - p. 227, (abstract).

36. Yedigarov A.S., Odisharia G.E., Safonov V.S., Shvyryaev A.A. Practical Study of Toxic Gas Emergency Blowout and Dispersion - SRA - EUROPE Conference "Risk in a Modern Society: Lessons from Europe". - Guildford, Surrey, UK, 1996. - p. 231. (abstract).

37. Yedigarov A.S., Odisharia G.E., Safonov V.S., Shvyryaev A.A. Mathematical Model I ing & Practical Safety Analysis of Gas Industry

FaciI¡ties - 17 th International LNG/LPG Conference "GASTECH 96". - Viena, 1996, V.1, Session 2, p. 1-34.

Соискатель

A.C. EflurapOB