Моделирование загрязнения атмосферы при авариях на газопроводах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

рг Б ОД

государственная штш нефти и ГАЗА имени и.м. губкина

—з ■, - • ■ ~

на правах рукописи ШМАР Елена Евгеньевна

удк 622.691.483

Моделирование загрязнения атмосферы при авариях на газопроводах специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена на кафедре нефтегазовой и подземной гидромеханики ШГ им. K.M. Губкина.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор-Максимов B.W. Официальные оппонента: доктор технических наук,

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий (ВНЙИГАЗ)

специализированного совета Д.053.27.12 по присувдени» ученой степени доктора технических наук в Государственной академии нефти и газа им. U.M. Губкина по адресу: II79I7, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ГАНГ им. K.M. Губкина.

Автореферат разослан "__"_ 1994 г.

/ Ученыг секретарь

профессор Сухарев М.Г.

кандидат физико-математических наук,

доцент Шшилин A.B.,

/

специализированного совета кандидат технических наук, в.н.с.

<ß/.

Ю.Л. Райский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Наиболее дешевый вид транспорта нефти, газа и нефтепродуктов - трубопроводов системы. Большая часть магистральных трубопроводов в нашей стране находится в эксплуатации длительное время (более 20 лет - 35% и 15-20 лет - около 30Ж). А это означает, что они требуют повышенного внимания как к обеспечении безопасности их работы, так и к созданию комплекса рациональных мер, направленных на снижение опасности при возможных авариях. В настоящее время многие газопроводы (особенно транспортирующие токсичные газы) и продуктопроводы сниженных газов представляют потенциальную опасность крупномасштабных аварий, которые не только * загрязняют окружающую среду, но в ряде случаев могут сопровождаться взрывами н пожарами. Интенсивность отказов при эксплуатации магистральных трубопроводов в нашей стране за последнее время составляет примерно I отказ в год на 2000 ми 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 - стсекате-лей), размеров санитарных и защитных зон, так и для обучения персонала методам ликвидации аварий. Поэтому совершенствование и разработка методов расчета процесса истечения газовой смеси при разрыва газопровода и последующего распространения ее в атмосфере является актуальной научно - технической задачей.

Цель работы - создание метода расчета загрязнения атмосферы при разрывах газопроводов, выбор адекватных взаимосвязанных моделей для описания процесса истечения газа из трубы при разрыве трубопровода и дальнейшего распространения газовой примеси з атмосфере, обладающих достаточной точностью а позволяющих создать

быстродействующие .алгоритмы и программы для моделирования аварийны, ситуаций.

Основные задачи исследования:

- выбор метода оценки загрязнения ат мосферы при разрыве газопровода;

- построение адекватных моделей для исследования истечения газа при разрыве газопровода и оценки рассеяния газа в атмосфере;

- выбор критериев для оценки последствий воздействия газового облака и оценки риска;

- определение способа представления результатов;

- оснащение выбранных моделей исходной информацией, необходимой для проведения практических расчетов;

- проведение расчетов для конкретных объектов газовой отрасли.

Методика исследований. В основе использованных математических моделей лежат общие положения газовой динамики, теории турбулентной диффузии, а также результаты экспериментальных измерений. При решении конкретных задач использованы численные метода ж вычислительна эксперимент с помощью ЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы.

- разработаны математические модели взаимосвязанных существенно нестационарных процессов истечения газа при разрыве внутрипромыслово-го газопровода и рассеяния газового облака, на их основе предложен новый метод расчета загрязнения атмосферы при разрыве газопровода, основанный на сценарном подходе (моделирование на ЭВМ возможных сценариев гипотетических аварий при различных метеорологических и прочих условиях) и учете несгационарности процесса рассеяния;

- численно исследована динамика истечения газа, определены

характерные времена для внутрипромысловых газопроводов;

- разработаны критерии для оценки зон поражения различной тяжести;

- предложен способ наглядного представления данных, обеспечивапций возможность их практического использования;

- разработан метод расчета риска отравления токсичным газом при аварии на газопроводе.

Обоснованность и достоверность предложенного метода расчета загрязнения атмосферы при разрыве газопровода определяется тем, что он опирается на апробированные общие модели газовой динамики. Использованная конечно-разностная схема обладает основными необходимыми свойствами: консервативностью, устойчивостью, сходимос-стью. Прозерена ее практическая сходимость, точность оценена путем сравнения с другим численным решением. Использованные модели рассеяния представляют собой аппроксимацию экспериментальных измерений и широко апробированы в мировой практике.

Практическая значимость диссертационной работы.

Проведенные расчеты для конкретных газопроводов показали практическую применимость предложенного метода. На основе выполненных исследований разработаны "Методические рекомендации, по расчету параметров выбросов газовой смеси, ее рассеяния в атмосфере при аварийных разрывах газопроводов", утвервденные Министерством природопользования и охраны окружающей среды и рекомендованные РАО "Газпром" научно-исследовательским институтам и проектным организациям, промышленным предприятиям и спасательным служЗам, а также "Методика расчета загрязнения атмосферы аварийными выбросами нестабильного конденсата."

Методики апробированы на Астраханском газовом комплексе и используются в Институте по проектированию объектов агропромышлен-

ного комплекса Алтайского края (АО "Алтайагропромпроект", г. Барнаул) и в Институте по проектированию объектов газовой промышленности (РАО "Газпром", г. Нижний Новгород) при созданшш новых газопроводных систем.

Апробация •работы. Основные положения и результата работы докладывались на

- Первой Всесибирской конференции по математическим проблемам экологии в г. Новосибирске, 23-25 июня 1992;

- научЕых семинара! кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики ГШ им. И.Ы. Губкина в 1992- 1994 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в шести печатных работах и 4 научных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии, насчитывающей наименований. Работа изложена на страницах машинописного текста и содержит рисунков и таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, показана его практическая ценность. Показана взаимосвязь двух частей задачи: исследования истечения газа из трубы и распространения образовавшегося газового облака в атмосфере, их взаимное влияние.

В первой главе диссертации приведен обзор результатов исследований турбулентных течений в трубопроводе и в атмосфере, а также методов моделирования турбулентной диффузии.

В работах Дк.Тейлора, В. Шмидта, Л. Прандтля, Г. Кармана,

Л.Ф. Ричардсона, A.n. Колмогорова, A.M. Обухова и др. подучила развитие так называемая K-теория описания турбулентной диффузии, основанная на уравнениях Рейнольдса и гипотезе Буссинеска для их замыкания. Это направление было доведено до конкретных методик расчета распространения пришсей ' з атмосфере и описано з монографии A.C. Монина и A.M. Яглома, М.Е. Берлянда, Н.Л. Базовой, A.C. Газридова и др.

Другой подход состоит з описании турбулентной диффузии с помощью Гауссовых аппроксимашюнзых моделей, предложенных в работах О.Г. Сеттсна, O.A. Гиффорда, Ф. Пзсиуилла, основанных как на теоретических так и, глзеннм образом, на экспериментальных результатах.

Теория турбулентных дзкнэний в атмосфере и, в частности, турбулентной диффузии примеси в настоящее зремя еще далека от совершенства. Движение газа з .длинных трубопроводах изучено гораздо лучзе. Существенные результаты были получены в работах И.А. Чариогс, М.А.Гусэйнзаде, М.Г. Сухарева, З.Т. Гзлиуллина, V.O. Одииария и др.

Численное исследование движения газа в трубопроводах на основе решения систем гиперболических уравнений было проведено з циклах работ О.Ф. Васильева и А.Ф. Воеводина и их сотрудников (консервативные неявные схемы), В. А. Сулейманова (разностно-характеристические схема), Г.Д. Розеяберга (метод характеристик). В.А. Сулеймаиоз, в частности, приводит результаты решения задачи об опорожшнии магистрального газопровода через свечу, Г.Д. Розенбергом была решена задача о разрыве внутрипрсмыслового трубопровода. Метод характеристик требует для решения этой задачи довольно много машинного времени.

На основе анализа существующих подходов к описанию турбулентной дайузип в атмосфере и процессоз течения газов в магистральных и внутрипромысловых трубопроводах предложены матема-

тетеские постановки рассматриваемого масса задач.

Рассмотрен полны! и частичный разрыв внутрипромыслового газопровода со значительным содержанием в газе сероводорода, в также случай полного разрыва магистрального трубопровода.

Специфика исследования состоит в том, что решение задачи об истечении газа при разрыве трубопровода дает начальные и граничные условия для постановки и решения задачи о диффузии газового облака в тмосфере. Из существующих апробированных, и широко применяемых инженерных методов описания диффузии газового облака в наибольшей степени соответствует задаче исследования метод ашроксимационных формул Гауссовского типа.

Возможности предсказания диффузии и переноса токсичного газового облака обуславливают и подход к поставленной задаче. Разрыв происходит в" заранее неизвестном месте, неожиданно, процесс развивается очень быстро, характер повреждения неизвестен. £ таких условиях невозможно дать точный прогноз движения облака и последствий аварии в отношении степени опасности для конкретного населенного пункта или местности. Для такого ответственного прогноза обычно нет достаточных сведений о месте разрыва, характере "повреждения, высоте подъема струи и облака,' точном направлении ветра и состоянии (устойчивости) атмосферы, характере конкретного рельефа местности и т.д. Ввиду скоротечности событий нет времени на сбор данных и анализ ситуации. Таким образом, прогноз последствий конкретной аварии в момент ее возникновения нереален.

Поэтому в работе рекомендован так называемый сценарный подход. Он состоит в том, что на основе разработанных методик и программ моделируются на ЭВМ возможные сценарии гипотетических аварий для различных (характерных для времени года в данной местности) метеоусловий, определенного характера повреждения

трубопровода. Для работников спасательных служб это дополняет или заменяет опыт ликвидации аварий. Сценарный подход полезен и для разработчиков проектов газотранспортных систем, поскольку он позволяет выяснить влияние на безопасность населения таких технологических параметров, как давление в трубопровода, расстояние между кранами-отсекателями, расстояние от трубопровода до ближайшего населенного пункта и др. Особенно способствует этому количественная оценка риска, возникающего в результате аварии на трубопроводе, метод расчета которой предложен в диссертации.

Наконец, анализ таких сценариев может быть полезен и для персонала, эксплуатирующего трубопровод, поскольку даст возможность более полно представить себе последствия аварии.

Во второй' главе диссертации дана постановка задачи об истечении газа из внугрипромыслового трубопровода при его полном разрыве, обоснован и описан метод ее численного рэшения, приведены результаты расчетов истечения для внутрипромыслового трубопровода АПШ.

Выбор сценарного подхода к анализу последствий аварии нэ газопроводе определяет выбор используемых конкретных подходов к моделированию рассматриваемых процессов и взаимосвязанную точность их описания. В этой работе точность расчетов определяется возможностями исследования движения и диффузии газового облака при возможной точности входных данных для этой задачи. Например, при ошибке в оценке направления ветра на 5° при движении облака на расстоянии I км концентрация примеси может измениться в 10-12 раз (при этом концентрация примеси в двух точках, находящихся, на расстоянии I км вдоль оси ветра может различаться в десятки и сотни раз в зависимости от класса устойчивости атмосферы и расстояния до источника,).

Очезиднс, что. в такой ситуации нет необходимости в очень точной расчете выброшенной массы газа. В то ке время сценарный подход определяет необходимость расчета многих десятков вариантов аварии, а производительность используемых на практике компьютеров ограничивает выбор приемлемых методов расчета.

Основное Енимаше было уделено оценке времени истечения, необходимой для того, чтобы выбрать модель для описания распространения газового облака в атмосфере {т.е. считать Еыброс мгновенным, краткосрочным или продолжительным}. Второй необходимой величиной является масса вытекшего газа (для мгновенного шброса) или зависимость расхода газа от времени (для краткосрочного или продолжительного шброса). Точность рзсчета долкнз соответствовать точности остальных входных параметров атмосферных моделей.

Постановка задача. Рассматривается истечение газа из трубы при полном разрыве внутрипрошслового газопровода, снабженного кранами-отсекателями, закрывающимися автоматически при падении давления ниже заданного уровня.

Для описания истечения газа используется одномерная модель в гидравлическом приближении, в которой уравнение энергии заменено уравнением политропы и принято, что проекция массовых сил, действунних на газ, равна нулю. Тогда определяющие уравнения имеют вид

Здесь ось ох направлена вдоль трубы, х - коэффициент гидравлического сопротивления; <1 - диаметр трубопровода; V - скорость газа в трубопроводе; р - плотность газа;

р = А р .

(1)

(2) О)

р - давление в трубопроводе.

Система уравнений (1)-(3) относится классу гиперболических систем уравнений с частными производима. Для нее характерна конечная скорость распространения возмущений, которая с большой степенью точности совпадает с адиабатической скоростью звука в газе.

В качестве начальных условий задается распределение давления и массовой скорости вдоль трубопровода:

р(х,0)=р(х). pv(2,o)=p7(z) (4)

Краевые условия: на левом конце трубопровода (рис.1) помещается компрессорная станция, моделируемая граничным условием рн= const. Реально давление будет изменяться в зависимости от характеристи-

q1-1—1—1—'—|—1—1—ки компрессора. Однако, исследова-

12 t х N-* N

рис. I 3 ние показывает, что эти изменения

мало влияют на время выброса и конечную массу газа. После закрытия крана-отсекателя в месте его установки ставится граничное условие Еепротекания.

Таким образом,

p(0,t)= Рн = const, t<Ts v(za,t)= 0, t2rre. где тз - время закрытия крана - отсекателя.

На правом конце (т.е. в месте разрыва) давление задается равным атмосферному, если получаемая при этом скорость истечения не превосходит местной скорости звука о. В противном случае скорость газа в месте разрыва равна скорости звука.

Итак, в месте разрыва трубопровода (г=и краевые условия имеют вид:

p(L,t)=par, если v(L,t) < о (6)

или v(L,t)=o, если истечение звуковое.

В рамках принятого "сценарного" подхода решении задачи

основеш критерием, при выооре численной схемы было быстродействие полученного на его основе алгоритма расчета при достаточной точности результатов. Особое внимание было уделено консервативности используемой числеЕЕой схемы. Задача (1)-(6) решалась с помощью явной консервагЕШог схемы первого порядка точности по ¿t и второго порядка по дх. Разностная аппроксимация уравнений (1)-(2):

"Г- H'i-S

«Г= HO QiJ + -

--53-Q' • |vj |At , i-2.....K-1, , ... ,M.

здесь oj= p^- v^ - массовая скорость.

Для того, чтобы схема окла консервативна, выражения для

первой z последней ячейки должны иметь вед + - + -

«г- o.5-[oi - + -^vo 2pir) -

0.5« од -^нг^;1- + -

Индексы B1 и Б2 показывают, что функция берется на граничных поверхностях В1 слева и Б2 справа (см. рис. I). Величины .рб .va.

I i i

Ра рассчитываются вдоль характеристик. .

Эта схема аппроксимирует систему дифференциальных уравнений с погрешностью порядка 0 (¿хг, At) и устойчива при ¿x/(o+v)ma)<> ¿t.

Оцзеэео влияние на точность получаемого решения предполоке-ний, сделанных при постановке задачи к при численном решении для достижения быстроты действия алгоритма (предположение о постоян-

12

стве давления на КС, выбор параметров уравнения политропы и т.д.). Выяснено, что при изменении давления рн и коэффициента политропы А в (1)-(6) в пределах, возможных по физическим условиям процесса, масса выброшенного газа изменяется нэ более чем на 10%, что вполне удовлетворительно с учетом точности последуодих расчетов распространения газового облака в атмосфере.

Выполнена сарм расчетов истечения. Характерные результаты приведены на рис. 2. Этот расчет проведен для внутрипромысло-вого газопровода Астраханского газового комплекса со следующим параметрами (рис. 3, х - место уставновки крана - отсекате-ля): длина газопровода ь^р= 14440 м, внутренний диаметр трубы

+ (1=0.365 м, расход газа 0= 1,5- ю9м3/год,

я к

,-¿-Ь --► давление в начале трубопровода Рн=а,83 МПа,

Рис. 3 давление в конце трубопровода Рк= 6,87 МПа?

Разрыв происходит посередине трубопровода (ь=ьТр/ 2). Трубопровод сяабгэн автоматически?«! кранами-отсекателями. которые (в соответствии с проектной документацией) начинают закрываться при падении давления в месте их установки до 6,38 ИПа и закрываются в течение 20 секунд. Цри расчете принято, что через 20 сек после падения давления в месте его установки до соответствующего уровня кран-отсекатель закрывается мгновенно. На рис. 2 приведены зависимости от времени расхода и накопленной массы газа для левого конца трубопровода. Оба кривые имеют характерный изгиб в момент закрытия крана-отсакатвля. Гак как отсеченный участок трубы невелик, его опорожнение происходит быстро. Аналогично рассчитывается истечение из правого отрезка трубопровода.

В третьей главе диссертации рассмотрена задача о распространении газовой примеси в атмосфере при авариях на газопроводах. Показано, что часто используемые стационарные модели неприменимы

для случая полного разрыва внутршромыслового газопровода. Обоснован выбор аппроксимвционной модели типа Гаусса при описании распространения в атмосфере газового облака, образовавшегося при разрыве трубопровода. Описывается и обосновывается выбор способа учета метеорологических условий.

Поле концентраций газовой примеси в воздухе рассчитывается по модели "нестационарного облака" в случав разрыва внутрицро-мыелового трубопровода (мгновенный выброс)

а М г (х-и-Ь)2 Ч(х.у,а.1;)= -—-ехр--- -

( г%)3 2 а а а 1 2 а 2

4 ' * у Я И

■] -Н - -РтЯ} •

г а - - - га

У

(7)

гдэ ц - концентрация газовой компоненты (напркмор, сероводорода ) , мг/м?

л,у,г - координата точки , в которой рассчитывается концентрация ( в метрах ), причем направление скорости ветра совпадает с направлением оси х, ось а направлена перпендикулярно поверхности земли;

и - скорость ветра м/с;

t - время , с ( О - время начала выброса ); ь - высота выброса , м (высота центра облака); к - полная масса выброшенного газа, мг; а - массовая доля рассчитываемой компоненты по

отношению к полной массе выброшенного газа. ох,оу,ог- дисперсии распредзлешя примеси в облаке выброса, м. КоэфЭ&циенты ох,ау,огзависят от погодных условий.

В случав истечения газа через небольшое отверстие в стенке трубопровода или разрыва магистрального газопровода время

истечения будет достаточно большим. В отличив от мгновенных такие выбросы называют кратковременными. В этих случаях необходимо учитывать зависимость от времени интенсивности выброса Q(t) (ыг/с). Газ, выброшенный из трубопровода , распространяется при этом в виде струи, как при стационарном истечении. В отличие от стационарного источника, концентрация в точке измерения в этом случае зависит от времени. Если выброс начался в момент времени t= 0 и закончился в момент t = tK, то в точке х (у=о, z=o) концентрация q(x,t)=o при скорости ветра и я t<-jj- (головная часть струи еще не дошла до точки х), а в моменты времени t>tK+-|- также q(x,t)=o (выброс закончился, и вся струя прошла через точку х). В промежуточные моменты времени концентрация примеси вычисляется по формуле:

Ввд формул (7)-(8)' определяется решением основного гидродинамического уравнения турбулентной даЩ&узии с постоянными коэффициентами. Однако в полученных формулах коэффициенты ухе зависят от расстояния до источника выброса, а также метеорологических условий и определяются из экспериментальных данных. Таким образом, выражения (7}-(8) являются апроксимацдонныш формулами.

Степень загрязненности атмосферы оценивается по рассчитываемым полям концентраций и токсических доз. Токсодозой

(8)

\

IS

называется интегральная характеристика

оо о

а М г у2 -,

В(х,у,а,) = --ехр - -- *

2л а а и. I- 2 с-I

у I у

(9)

Особенно вакен выбор критериев оценки степени загрязнения окружающей среды (концентрация, токсическая доза, время воздействия). Универсальных критериев для оценки не существует. В работе введен параметр эффективного времени ТЭф£= Б / <1, являщийся характеристикой продолжительности воздействия загрязняющего вещества. Обоснована необходимость использования всех трех величин ф, q, г^) для оценки степени загрязненности атмосферы г опасности ситуации для здоровья людей.

Ваша танке форма представления результатов расчета, которая должна быть достаточно простой ненаглядной. Удобно представлять результаты в виде изолиний токсодоз и максимальных концентраций. Максимальной назовем концентрацию, которая достигается в данной точке в момент прохождения центра облака, то есть при в

формуле (8).

На рис. 4-5 приведены изолинии токсодоз и максимальных концентраций для случая полного и частичного разрыва Енутрипрошелового газопровода АИШ. Погодные условия (скорость * ветра и=2,5 к/с, класс устойчивости атмосферы Р (умеренно устойчиво) по классификации Паскуилла - Гиффорда) характерны для ночного времени теплого периода года в Астраханской области. В случае полного разрыза трубопровода (рис.4) расчет проводился по модели "облака", масса выброшенного сероводорода (см.(7)) а-м=ю,3 т. В случае частичного разрыва газопровода (рис 5) расчет

Рис. Изолинии токсодоз и максимальных концентраций. Класс устойчивости атмосферы Г, скорость ветра Ц. =2,5 м/с. у

--- линии токсодоз;

- линии максимальных¡концентраций;

Б БОО мг/ы3, 3 = 162200 мг.с/м3, Тэ= 203 с;

2 - 140 мг/м3, 3> = 54430 мг-с/н3, Тэ= 389 с;

3 - 6000 мг с/и3;

4 - Э'= 2700 мг с/ы3,

проводился по квазистацконарной модели со срздпим расходом сероводорода <3т=39 кг/с. При такого расходе падение давления е месте установки крана - отсекателя становится недостаточным для его автоматического срабатывания , к время истечения будет гораздо больше, чем при полном разрыве, поэтому частичный разрыв газопровода мсжет оказаться Солее опасным с точки зрения загрязнения атмосферы. Поскольку в случае частичного разрыва время истечения становится неопределенным, на рис.5 показаны только линии максимальных концентраций. Концентрация сероводорода ч=Ю00 мг/м3 является летальной при любом времени воздействия; концентрации от 285 мг/м3 до 140 мг/м3 могут вызвать серьезное отравление, возмохяз потеря сознания при времени воздействия 15 мин. При концентрации от 5 мг/м3 до 0,03 мг/м3 чувствуется запах сероводорода.

Предложена методика оценки риска отравления газом для населения, проживающего вблизи газопровода в течение определенного времени.

Г..жом будем называть 'вероятность заболевания определенной степени тяжести в результате токсического воздействия газового облака при постоянном нахождении в данном месте ничем не защищенного человека в случае разрыва газопровода в любом его месте. Таким образом, понятие "риска" выступает синонимом понятия "вероятность возникновения некоторого события, которое может произойти или не произойти". Вероятность определяется з статистическом смысле.

Статистическая модель для определения вероятности ■ раз-шва газопровода. Разрыв газопровода является массовым событием и может Сыть описан в рамках теории вероятностей. Случайное событие здесь - хотя Сы один разрыв газопровода нг участке единичной длинн за единицу времени. Другое случайное событие - отсутствие разрыва. Случайный эксперимент состоит в наблюден«: работы этого отрезка

У» М 200

150

100

50

' 2 \

/

/

/ \

у, ы

5000

2000

1000

Рис

.5

—^— \

с/ ■

Ю 20 30 40 х, км

Изолинии шюнмаль'ньос концентраций при частичном разрыве трубопровода. Класс устойчивости атмосферы Я" , скорость ветра ¿У = 2,5 м/с.

1 - = 1000 мг/ы3;

2 - а. ,' 265 мг/ы3;

3 - £ := 140 мг/ы3;

4 - ^ , = 6 мг/м3; 5'- Л. .= 0,03 мг/м3.

трубопровода в течение, например, года. Результат эксперимента -определение, произошел ли хотя бы один разрыв или не произошло ни одного. Фактически этой схеме соответствует имеющаяся статистика разрывов, которая представляется в виде числа разрывов на тысячу километров трубопровода в год. Определенная таким образом частота устойчива и удовлетворяет условиям, при которых ее можно принять в качестве вероятности данного события. Предполагается, что вероятность разрыва трубопровода не зависит от состояния погоды.

Статистическая модель для определения вероятности поражения человека. Событием в данной модели будет определенной степени тяжести отравление человека, находящегося без защиты в данном месте в течение, например, года. Случайный эксперимент состоит в определении относительного количества этих событий. Считается, что при разрыве газ не воспламеняется. Возможность отравления зависит от частоты возникновения различных погодных условий (направления и скорости ветра и устойчивости атмосЛэры). Эти частоты приводятся в

климатическом справочнике для различит регионов к удовлетворяют

>

всем необходимым условиям, поэтому их южно принять в качестве соответствухсж вероятностей.

Поскольку^ вероятность разрыва входит в виде произведения в полученную в диссертации формулу, то приводятся расчитанные зависимости в предположении, что она равна единице, то- есть, что разрыв произошел. Предложенная модель может быть использована в схеме сценарных расчетов. Могут быть учтены вероятности воспламенения, отказа кранов-отсекателей к проч.

При расчетах предполагается, что происходит полный разрыв трубопровода и истечение газа через полное сечение, выброс считается приземным.

Поскольку величина риска зависит от эксплуатационных параметров газопровода (расстояния и времени срабатывания задвижек,

давления газа, надежности элементов газопровода), то с помощью полученных формул к достаточно простых алгоритмов можно рассчитать влияние различных параметров газопровода на Евличину риска и добиваться его уменьшения экономически наиболее целесообразным путем, имея возможность количественной оценки деятельности, направленной на повышение безопасности.

Вероятность поражения г зависит от вероятности аварии р д1 на отрезке трубопровода длиной в течение определенного периода времени (Р - вероятность аварии на участке единичной длины) и вероятности определенных метеоусловий, влияющих на концентрация газа е населенном пункте. Поскольку факт разрыва не зависит от погодах условий, то вероятность поражения равна их произведению. Метеорологические условия характеризуйся направлением и скоростью ветра, а также степенью устойчивости атмосферы. Поражение мсхсет возникнуть яри любых состояниях атмосфер, и так как различные состояния несовместны, то полная вероятность поражения равна суше вероятностей поражения при различных состояниях атмосферы. Исходя из этого, риск поражения газовым облаком от элемента^ трубопровода д1 равен

Г=Р-Д1-£ I Е I. - о. . (10)

Здесь р - вероятность азарии на единичном участке в течение года, вероятность получения ущерба для здоровья той или иной степени тяжести, ц - вероятность состояния атмосфера, к -индекс направления ветра, 1 -скорости ветра из- степени инсоляции; оеи определяют класс устойчивости атмосферы.

Для оценки степени загрязненности воздуха используются величины концентраций, токсодоз и эффективное время, равное их отношэеш) • №эф^=1)/(г). Будем считать, что вероятность отравления определенной степени тяжести 1, если концентрация

примеси в воздухе превышает соответствующее критическое значение, *

и эффективное время, характеризующее продолжительность воздействия, превышает соответствующий предел, в противнем случае 5. «0.

»А

Рассмотрим трубопровод длиной I, разбитый на элементарные участки длиной Д1. Пусть событие а заключается в том, что произошло поражение человека газом. Разрыв на любом из участксЕ возможен с одинаковой вероятностью. Одновременно на двух и более участках разрывы произойти не могут. Вероятность И поражения человека в населенном пункте, расположенном вблизи трубопровода, при разрыве на лвбом из участков равна и = £ Р(1)Р(А11), где Р(1)- вероятность разрыва на 1-ом участке (одинаковая для всех 1, в данном случае она равна Р(1) = Ре'Д1), а Р(А11) - вероятность поражения при условии, что авария произошла на 1-ом участке, тгк что Р(А|1) = £22 о. ^"Т . Величина Рр может быть получена при анализе статистических данных об авариях на трубопроводах. В результате получим:

Очевидно, что при малых А1 величина р. не зависит от Д1.

На рис. 6 приведены вероятности поражения трех степеней тяжести в зависимости от расстояния до места аварии для случая разрыва внутрипромыслового газопровода АГКМ, по которому перекачивается газ, содеркащий до 25£ высокотоксичного сероводорода. При расчете полагалось, что трубопровод проложен с запада на восток, а расстояние х отсчитывалось от его середины в № т 2 северном направлении (рис 7). Концентра-

< ция газа в воздухе рассчитывалась по

Е

—х—х-

Рис. 7 модели "облака" (7). Масса выброшенного

газа вне зависимости от положения мзета разрыва принята равной 32 т, что соответствует разрыву посередине трубопровода и времени закрытия крана - отсекателя. Кривые I, 2 и 3 на рис. 6

от расстояния

Ю 20 30 х, 1

Рис.5 Вероятность поражения в зависимости от расстояния

относятся, соответственно, к тяжелым, опасным и легким поражениям.

На рис. 8 представлен результат аналогичного расчета для случая разрыва участка длиной 180 км магистрального газопровода, в котором газ' не содернит сероводорода. Расчет концентраций газа в воздухе проводился по стационарной модели со средним расходом Q=56oo кг/с. Кривые соответствуют тяжелым (I) и опасным (2) поражениям. Кривая (3) - вероятность превышения ЩК. Значения ' предельных концентраций и токсодоз при оценке риска Орались по метану.

Основные результаты и вывода

1. Предложен метод заблаговременной оценки загрязнения атмосферы при разрыве газопровода.

2. . Разработаны гидродинамические модели для описания нестационарного истечения газа из трубы и распространения газового облака в атмосфере. Исследованы особенности этих моделей, обусловленные их взаимосвязь]!).

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

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

5. Показано, что характерные времена выброса составляют 20-80 с при полном разрыве внутрицромыслового 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 квазистационарнук или

стационарную мода ль.

6. Установлен критерий оценки степени загрязненности атмосферы на основе расчета концентрации, токсодозы 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 характеристиками турбулентной атмосферы (направлением ветра, классом устойчивости атмосферы), чем параметрами, используемыми при расчете массы заброшенного газа (начальное давление, коэффициенты политропы).

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

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

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

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Максимов В.М., Лимар Е.Е. Новый подход к оценке экологических последствий аварий на газопроводах. Газовая промышленность, 1992, * 10, с. 22-24.

2. Лимар Е.Е. Математические модели для оценки загрязнения атмосферы при аварийных разрывах газопрово дов. //Тезисы доклада на I Все сибирской конференции по математическим проблемам экологии. Новосибирск, 1992, с. ,113.

3. Лимар Е.Е. Моделирование экологических последствий аварий на газопроводах. Деп. в ИРЦ "Газпром" 25.11.93 N 1361-2393, М., 1993.

- 26 с.

4. Лимар Е.Е. Методология расчета риска при авариях на газотранспортных системах. //Основные направления в решении проблем гкологического риска в топливо-энергетическом комплексе. -/Сб. трудов ВНИИГАЗ, М., ВНИИГАЗ, 1993.

Методические рекомендации по расчету параметров выброса

I

газовой смеси и ее рассеивания в атмосфере при аварийных разрывах газопроводов./ В.М. Максимов, Г.Д. Розенбэрг, В.М. Исаев, Е.Е. Лимар и др.// ГШ? вы. И.М. Губкина, ВНИИГАЗ - Ы.,1992.- 64с. б. ЫэтодЕка расчета загрязнения атмосферы аварийными выбросахи нестабильного конденсата./ В.М. Максимов, Г.Д. Розенберг, В.И.

Исаев, Е.Е. Лимар и др. //ТАКТ им. И.М. Губкина, ВНИИГАЗ, М., 1993.

- 72 с.

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.

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

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.

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.