Введение к работе
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 :
-
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.
-
Обосновать логическуо последовательность рассмотрения физических процессов и разработать метод прогнозирования зон аварийного воздействия, основанный на математическом моделировании аварии как совокупности определенных взаимосвязанных физических процессов.
-
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.
-
Разработать комплекс численных алгоритмов и программ для расчета физических процессов при авариях на ОГП и прогнозирования зон термического или токсического воздействия.
-
Провести детальную верификацию предложенных математических моделей путем сравнения теоретических и экспериментальных данных.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Предложена оригинальная модель распространения в атмосфере нагретых потоков газа и метод расчета теплозой 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 объекта/ 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 снижению 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 обьектов 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.
Апробация 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.