Моделирование загрязнения атмосферы при авариях на газопроводах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Лимар, Елена Евгеньевна

• Лимар, Елена Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 1994

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лимар, Елена Евгеньевна

Введение.

Список основных обозначений.

1. Физико-технические основы моделирования загрязнения атмосферы при авариях на газопроводах.

1.1. Модели рассеяния примесей в турбулентной атмосфере.

1.2. Анализ существующих практических, методов расчета рассеяния выбросов в атмосфере применительно к специфике газовой отрасли.

1.3. Модели течения газа в трубопроводах.

2. Исследование истечения газа при разрыве трубопровода.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Разностная схема.

2.3. Граничные условия.

2.4. Выбор и оценка влияния параметров схемы и физической модели.

2.5. Результаты расчетов.

2.6 Частичный разрыв газопровода.

3. Моделирование рассеяния аварийных выбросов в атмосфере.

3.1. Формирование турбулентной струи и облака.

3.2. Расчет полей концентраций и токсодоз при распространении газовой примеси в атмосфере.

3.3. Классификация категорий устойчивости атмосферы и методы определения дисперсии.

3.4. Критерии оценки загрязнения атмосферы при аварийных выбросах газа, содержащего сероводород.

3.5. Примеры расчета распространения газового выброса в атмосфере.

3.6. Оценка точности результатов и сравнение методик.

3.7. Методика определения вероятности "сценария" и величины риска при разрыве газопровода.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование загрязнения атмосферы при авариях на газопроводах»

Природный газ является экологически наиболее чистым топливом с максимальным отношением углерода к водороду. Использование его при замещении других ископаемых топлив понижает выделение углекислого газа и других вредных веществ в атмосферу. Сжигание природного газа освобождает приблизительно на 45% меньше С0о, чем сгорание угля и на 30% меньше, чем сгорание газированной нефти.

Потери метана при разработке месторождений и транспортировке природного газа, согласно оценкам американских экспертов составляют 0,13-0,15% от общемировой добычи.

Наиболее дешевый вид транспорта нефти, газа и нефтепродуктов - трубопроводные системы. Большая часть магистральных трубопроводов в нашей стране находится в эксплуатации длительное время (более 20 лет - 36% и 15-20 лет - около 30%). А это означает, что они требуют повышенного внимания как к обеспечению безопасности их работы, так и к созданию комплекса рациональных мер, направленных на снижение опасности при возможных авариях. Однако, в настоящее время многие газопроводы (особенно транспортирующие токсичные газы) и продуктопроводы сжиженных газов представляют потенциальную опасность крупномасштабных аварий, которые не только загрязняют окружающую среду, но в ряде случаев могут сопровождаться взрывами и пожарами,

Аварийность на магистральных газопроводах детально проанализирована в работе [I]. С 1980 по 1990 год в СССР произошло 845 аварий, минимальное число 52 аварии в год (1982), максимальное 105 (1985). Общее число ежегодно выявляемых дефектов в десять и более раз превышает число аварий. Потери газа за это время составили 2603,1 млн. м3. Учтенные потери газа через свищи и другие повреждения газопроводов примерно в 1,5 раза выше, чем при аварийных разрывах газопроводов. Средний объем учтенных суммарных потерь на линейной части магистральных газопроводов составил 0,6 млрд. м-5 в год (эта цифра представляется заниженной в несколько раз). Стоимость потерянного за это время газа составила не менее 450 млн. долларов. Наиболее надежными оказываются магистральные газопроводы диаметром 1420 мм. Для них максимальная частота отказов составила 0,49 отказов на 1000 км в год (1980), минимальная - 0,09 отказов на 1000 км в год (1985). Наихудший показатель имеют газопроводы диаметром 1020 мм. Для них соответствующие показатели равны 1,61 (1980) и 0,43 (1990). В работе [I] проанализированы также причины аварий.

По данным [2] средняя интенсивность отказов при эксплуатации магистральных трубопроводов в нашей стране за последнее время составляет примерно I отказ в год на 2000 км трубопровода.

В связи с тяжелыми последствиями аварий при эксплуатации газопроводов необходимо моделировать такие ситуации как для определения оптимальных технологических параметров газопроводов (давление, число параллельных ниток, частота расстановки кранов -отсекателей), размеров санитарных и защитных зон, так и для обучения персонала методам ликвидации аварий. Поэтому совершенствование и разработка методов расчета процесса истечения газовой смеси при разрыве газопровода и последующего распространения ее в атмосфере является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы является создание метода расчета загрязнения атмосферы при разрывах газопроводов, выбор адекватных взаимосвязанных моделей для описания процесса истечения газа и дальнейшего распространения газовой примеси в атмосфере, обладающих достаточной точностью и позволяющих создать быстродействующие алгоритмы и программы для моделирования аварийных ситуаций.

Оценки времени истечения газа при аварии на внутрипромысловом трубопроводе показали, что при полном разрыве его можно считать мгновенным источником в задаче о распространении газового облака в атмосфере» В свою очередь анализ точности существующих моделей описания атмосферной диффузии и, в особенности, входах параметров к этим моделям, связанных с описанием состояния турбулентной атмосферы, показал, что основное внимание при расчете истечения газа из турбопроворда необходимо уделить консервативности V используемой численной схемы и ее быстродействию. Таким образом, взаимосвязь этих двух частей в рассматриваемой задаче определяет специфику каждой из них.

Проведенные расчеты для конкретных газопроводов показали практическую применимость предложенной методики. На основе проведенных исследований разработаны "Методические рекомендации по расчету параметров выбросов газовой смеси, ее рассеяния в атмосфере при аварийных разрывах газопроводов" [3], утвержденные Главным научно-техническим управлением координации экологических исследований. Министерства природопользования и охраны окружающей среды и рекомендованные РАО "Газпром" НИИ и проектным организациям, промышленным предприятиям и спасательным службам, а также "Методика расчета загрязнения атмосферы аварийными выбросами нестабильного конденсата" [4].

Автор выражает свою признательность отделу НТП и охраны окружающей среды РАО "Газпром" за предоставление информации по Астраханскому газоконденсэтному месторождению. Также благодарна своему научному руководителю доктору технических наук, профессору

Б.М. Максимову за ценные советы и помощь, коллективу кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики и ее заведующему доктору технических наук, профессору К.С. Басниеву.

Список основных обозначений А - коэффициент в уравнении политропы о - скорость звука о - теплоемкость газа при постоянном давлении У о - теплоемкость газа при постоянном объеме «I - диаметр трубопровода В ~ токсодоза Гп - поражающая токсодоза спорог~ П0Р0Г0Вая токсодоза е - удельная внутренняя энергия газа § - ускорение силы тяжести н„ - турбулентный поток тепла Н - высота выброса газовой струи или облака г! - механический эквивалент тепла ¿± - инварианты Римана к - показатель адиабаты

Кн~ коэффициент турбулентной теплопроводности к , к, к„ - коэффициенты турбулентного обмена

Л ,} .и

1г - высота приземного сдоя ъ - длина трубопровода масштаб Монина - Обухова М - масса выброса п - показатель политропы р - давление

Рн- давление в начале трубопровода р - давление в конце трубопровода - концентрация газовой примаси в воздухе

С1 ~ летальная (смертельная) концентрация примеси ам - максимальная концентрация примеси

- поражающая концентрация примеси %орот! ~ пороговая концентрация примеси

3 . массовая скорость газа в трубопроводе

- массовый расход газа

Э - средний массовый расход газа К - газовая постоянная

П(С> - одноточечная лагранжева корреляционная функция Не - число Рейнольдеа Рл - число Ричардсона

Р.г - интенсивность приходящей солнечной радиации днем д я - интенсивность радиационного баланса ночью Т - температура

Т - температура атмосферного воздуха

ТЧффэффективное время воздействия газовой примеси и - скорость ветра гц - динамическая скорость

V -- скорость газового потока в трубопроводе У - объем

V - критический объем о

V/ - скорость струи газа

V? - максимальная скорость струи газа х,у,г - декартовы координаты з,- - параметр шероховатости

7 - градиент температуры

•у - сухоадиабатический градиент температуры е - потенциальная температура зе - постоянная Кармана л. - коэффициент гидравлического сопротивления ¡1 - коэффициент расхода V - критерий устойчивости Куранта р - плотность х' ~ дисперсии газового облака или струи т3 - время закрытия крана - отсекателя т0 - приземное значение напряжения трения и) - площадь сечения трубопровода Б - параметр Будыко

ЦЦК - предельно допустимая концентрация

ЦБК - предельно допустимая концентрация рабочей зоны

I. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Лимар, Елена Евгеньевна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ I ВЫВОДЫ

1. Предложен метод заблаговременной. оценки загрязнения атмосферы при разрыв© газопровода.

2. Разработаны гидродиншшческие модели для описания нестационарного истечения газа из трубы и распространения газового облака в атмосфере- Исследованы особенности этих моделей» обусловленные их взаимосвязью.

3. Обосновано применение нестационарных аппроксимационных моделей при расчете распространения газовой примеси в атмосфере после аварии на газопроводе.

4. Разработаны алгоритмы ж на основе их создан комплекс программ для последовательных расчетов характеристик аварийного, выброса газа» полей концентраций, токсических доз загрязняющих веществ.

5. Показано» что характерны© времена выброса составляют 20-80 с при полном разрыве внутрипршшслового трубопровода. В этом случае необходимо использовать модель "облака" для расчета распространения газовой примеси в атмосфере. При частичном разрыве внутрипромыслового трубопровода и полном разрыве магистрального трубопровода следует использовать квазистационарную или стационарную модель.

6. Установлен критерий оценки степени загрязненности атмосферы на основе расчета концентрации, токсодош и эффективного времени, и предложена простая и наглядная форма представления результатов расчета.

7« Проведено исследование влияния изменения входных парамет-тров на основные результаты расчетов. Показано, что концентрация газовой примеси в воздухе гораздо сильнее определяется характернотиками турбулентной атмосферы (направлением ветра, классом устойчивости атмосферы), чем параметрами» используемыми при расчете массы выброшенного газа (начальное давление» коэффициенты политропы).

8. Предложена методика оценки риска отравления газом для населения, проживающего вблизи газопровода.

9. Разработана система программ для моделирования на ПЭВМ экологических последставий аварий на газопроводах. Проведены расчеты для конкретного внутрипромыелового и магистрального трубопроводов.

10. На основе выполненных исследований созданы методики расчета загрязнения атмосферы аварийными выбросами газа. Методики апробированы для условий Астраханского газового комплекса, продукция которого содержит высокотоксичный сероводород.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лимар, Елена Евгеньевна, 1994 год

1. Седых А.Д. Потери газа на объектах магистрального транспорта. М.: ИРЦ Газпром, 1993. - 47 с.

2. Мазур М.И. Экология строительства объектов нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1991. 279 с.

3. Методика расчета загрязнения атмосферы аварийными выбросами нестабильного конденсата. /В.М. Максимов, Г.Д. Розенберг, В.И. Исаев, Е.Е. Лимар и др. //ГАНГ им. И.М. Губкина, ВНИИГаз,М.: ВНИИГаз, 1992.- 72 с.

4. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. М.: Физматгиз, 1963.- ч.1 583 е., 4.2 - 727 с.

5. Метеорология и атомная энергия./Пер. с англ. под ред. Бызовой Н.Л. и Махонько К.П., Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 648 с.

6. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М.: Наука, 1965. чЛ - 639 е., 4.2 - 720 с.

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

8. Вызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. -277 с.

9. Матвеев Л.П. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 751 с.

10. Гаврилов A.C., Пономарева С.М. Структура турбулентности в приземном пограничном слое. Обзорная информация ВНИИГМИ МИД.»сер, 12. Л.: 13.1984,1. 56 с.212 с.10.»14. Хргиан А.Х.247 С, т. 2 319 с.1. Л.:1988. 22 с.17.