Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ существующих методов обеспечения пожаровзрывобезопасности на ГРС 17
1.1. Описание моделируемого объекта 17
1.2. Анализ требований действующих нормативно-технических документов 25
1.3. Анализ существующих методов моделирования работы ГРС 28
1.4. Анализ существующих методов моделирования факельных выбросов природного газа на ГРС 30
1.5. Базовые определения 39
1.6. Постановка задачи 40
1.7. Выводы по Главе 1 44
ГЛАВА 2 Моделирование возникновения и функционирования источника факельного выброса на ГРС 46
2.1. Оценка физических параметров нестационарных режимов функционирования источников выбросов на ГРС 46
2.1.1. Математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС 53
2.1.2. Описание газодинамического симулятора ГРС 68
2.2. Оценка геометрических параметров источников выбросов на ГРС 73
2.3. Выводы по Главе 2 81
ГЛАВА З Численное моделирование истечения и распространения горючего газа на грс и прилегающих территориях 83
3.1. Построение математической модели эволюции газовоздушных облаков 83
3.2. Выбор численных методов анализа построенной модели 104
3.3. Анализ влияния скорости ветра на всплытие горючих газовоздушных облаков 107
3.4. Выводы по Главе 3 115
ГЛАВА 4 Численный анализ возможности возникновения и путей предотвращения пожара или взрыва на ГРС 117
4.1. Численный анализ возможности возникновения пожара или взрыва на ГРС 117
4.2. Численный анализ путей предотвращения пожара или взрыва на ГРС 131
4.3. Обобщенная формулировка технологии численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК 150
4.4. Выводы по Главе 4 150
ГЛАВА 5 Анализ адекватности моделирования ГРС 153
5.1. Пример 1 155
5.2. Пример 2 158
5.3. ПримерЗ 159
5.4. Выводы по Главе 5 168
Выводы 170
Список литературы
- Анализ требований действующих нормативно-технических документов
- Математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС
- Выбор численных методов анализа построенной модели
- Численный анализ путей предотвращения пожара или взрыва на ГРС
Введение к работе
Транспортируемый по магистральным газопроводам (МГ)
горючий газ попадает в потребительскую сеть через
газораспределительные станции (ГРС). На данных объектах
осуществляется редуцирование (уменьшение) давления
транспортируемого газа до значений, допустимых для конкретной потребительской сети.
В соответствии с законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1] ГРС являются опасными высокоэнергонасыщенными промышленными объектами. По данным работы [2] в России насчитывается более 3500 газораспределительных станций с суточной подачей газа потребителям более 1200млн.м3. Только в одном региональном газотранспортном предприятии «Волготрансгаз» на 23 компрессорные станции (КС) приходится 297 ГРС. Очень часто ГРС располагаются в черте городов и поселков. Таким образом, с точки зрения жизнедеятельности людей, опасность ГРС усугубляется их большим количеством и близким расположением к населенным пунктам.
В настоящее время большинство трубопроводных систем
российского топливно-энергетического комплекса (ТЭК),
транспортирующих природный газ, находятся в эксплуатации уже свыше 30 лет, фактически приближаясь к грани своего проектного ресурса [3]. Старение и изнашивание трубопроводных конструкций ведет к увеличению количества аварий с тяжелыми социальными, экологическими и экономическими последствиями. Часто разрушения трубопроводов сопровождаются возгоранием транспортируемого газа
и последующим интенсивным пожаром [4] (по статистике промышленных аварий, официально публикуемой Госгортехнадзором России, около 80% разрывов газопроводов сопровождаются пожарами [5-14], а по данным ОАО «Газпром» [167] 92% утечек природного газа приходится на утечки из газораспределительных систем, что составляет около 3% от всего добытого газа).
По сравнению с магистральными газопроводами ситуация на ГРС ухудшается за счет наличия автоматических регуляторов давления (АРД). Редуцирование давления на АРД приводит к падению температуры на десятки градусов. При этом температура газа после АРД может опускаться до отрицательных значений по шкале Цельсия на длительное время (рис.В.1), что приводит к оледенению трубопроводов и связанному с этим пучению грунтов в месте прокладки трубопроводов.
Рис.В.1. Оледенение трубопровода при дросселировании газа на регуляторе
давления
Возникающие при этом термонагрузки в трубопроводах увеличивают возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с их
разрывами.
Несмотря на развитие методов и средств обеспечения промышленной безопасности объектов ТЭК и достигнутые при этом результаты, количество аварий и инцидентов на трубопроводных системах и связанные с ними экологические проблемы техногенного характера сохраняются на высоком уровне. Данное утверждение хорошо иллюстрирует представленный в работах [5-14] список крупных аварий, произошедших на ГРС за последние годы. Так, например, по информации Госгортехнадзора России на предприятии «Севергазпром» ОАО «Газпром» (Управление Печорского округа) 13 июня 1999г. на ГРС-3 г.Рыбинска произошло возгорание подогревателя газа.
В г.Ульяновск 23 февраля 2000г. на ГРС-38 произошла авария, в результате которой прорвался газопровод, идущий от ГРС в один из районов города. Без газа остались 100 тысяч человек и несколько промышленных предприятий.
В том же Ульяновске 4 марта 2000г. на ГРС-43 из-за перепадов температуры произошел сдвиг мокрого грунта, в результате чего сместился газопровод, и возникла аварийная ситуация, которая не только грозила гибелью людей, но и могла надолго оставить без тепла и газа четверть города.
На ГРС-2 ООО «Волгоградтрансгаз» 23 февраля 2002г. произошел пожар. Авария произошла в результате разрушения перехода в блоке редуцирования, с его последующим возгоранием и термическим воздействием на площадку ГРС. В результате пожара ГРС-2 была полностью уничтожена.
На Якутской ГРС в августе 2004г. в результате утечки газа и его последующего возгорания произошла серия взрывов с последующим шестичасовым пожаром. При этом высота пламени превышала 30м. В
результате данной аварии была снижена мощность Якутской электростанции (из-за перевода на жидкое топливо), и как следствие было произведено отключение электричества в некоторых кварталах города. На восстановление поврежденных в результате аварии газопроводов ушел не один месяц. После аварии на Якутской ГРС Госгортехнадзор России в обязательном порядке требует наличия в котельных газоанализаторов.
По данным работы [15], анализ статистических данных аварийности и травматизма в системах газопотребления за последние 10 лет показывает, что причины аварий, произошедшие на ГРС следующие: взрывы котлов в котельных из-за загазованности топочного пространства и газоходов котлов в результате нарушений оператором производственной инструкции по розжигу - 43% всех аварий; механические повреждения наружных газопроводов при производстве земляных работ - 26%; повреждения подземных технологических газопроводов ГРС, вызванные потерей прочности сварных стыков (разрывы) из-за брака, допущенного при строительстве - 7%; коррозионные повреждения подземных газопроводов - 5%; повреждения надземных газопроводов транспортными средствами и в результате природных явлений - 11 %; прочие - 8%.
Одним из основных направлений повышения пожарной и промышленной безопасности ГРС является использование численного моделирования для анализа как номинальных, так и аварийных режимов функционирования ГРС. Анализ номинальных режимов позволяет выбирать наиболее безопасные режимы работы ГРС. Анализ возможных аварийных ситуаций от причин их возникновения до подробного моделирования процесса их развития с учетом возможных каскадных эффектов позволяет выработать меры
по предотвращению появления данных аварий в действительности.
Целью работы являлась разработка и обоснование новой технологии полевого моделирования, предназначенной для прогнозирования пожаровзрывоопасности при эксплуатации ГРС в результате проведения подробного численного анализа физических процессов образования и распространения горючих газовоздушных смесей по территории и помещениям ГРС при организованных и аварийных факельных выбросах с учетом применения в помещениях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации.
Объектом исследования в диссертационной работе являются физические процессы возникновения и протекания организованных или аварийных выбросов горючих газов, транспортируемых по трубопроводной системе ГРС, для анализа пожарной и промышленной безопасности промышленных площадок ГРС и прилегающих территорий.
Предметом исследования являются пожаровзрывоопасность на газораспределительных станциях ТЭК, включая анализ путей ее снижения за счет использования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации.
Задачи исследования:
разработка технологии полевого моделирования эволюции облаков газовоздушных смесей на территории и в помещениях ГРС с учетом функционирования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;
разработка рекомендаций по обеспечению раннего предупреждения о формировании пожаровзрывоопасных газовоздушных смесей на ГРС;
разработка рекомендаций по определению эффективных режимов работы в зданиях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;
получение новых данных о функционировании трубопроводных систем ГРС, причинах возникновения и механизмах протекания аварий на ГРС.
Методологические и теоретические основы исследования
составили научные труды широкого круга отечественных и зарубежных ученых. К таким научным трудам в области механики сплошных сред следует отнести работы Леонтьева А.И., Лойцянского Л.Г., Кочина Н.Е., Работнова Ю.Н., Седова Л.И. и других; в области численных методов механики сплошных сред - это работы Белоцерковского СМ., Давыдова Ю.М., Самарского А.А., Шевелева Ю.Д., Андерсона Д., Патанкара С, Плетчера Р., Таннехилла Дж., Флетчера К. и других; в области моделирования струйных течений -Абрамовича Г.Н., Вулиса Л.А., Дулова В.Г., Ершина Ш.А., Лукьянова Г.А., Ярина Л.П., Хинце И.О., Шеца Дж. и других; в области моделирования трубопроводных систем - это работы Айнбиндера А.Б., Алешина В.В., Прялова С.Н., Селезнева В.Е., Сухарева М.Г., Харионовского В.В. и других; в области моделирования пожара и анализа огнестойкости конструкций - это работы Астапенко В.М., Баратова А.Н., Брушлинского Н.Н., Есина В.М., Кошмарова Ю.А., Молчадского И.С., Пузача СВ., Драйздейла Д. и других.
Основными методами исследования являются: методы численного анализа нестационарных газодинамических процессов в трубопроводных сетях ГРС; методы нелинейного анализа прочности промышленных трубопроводных систем; методы численного анализа истечения и распространения транспортируемого газа в помещениях и
на территории ГРС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана новая технология численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК, предполагающая поэтапное численное моделирование механизма зарождения аварийной ситуации на ГРС с использованием базовых моделей механики сплошных сред (уравнений Навье и уравнений движения деформируемого твердого тела) и распространения в окружающей среде пожаровзрывоопасной газовоздушной смеси в результате совместного решения системы уравнений Рейнольдса и системы одномерных уравнений газовой динамики, предназначенной для анализа функционирования источника выброса;
для численной оценки параметров функционирования источников выброса на ГРС разработана новая математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления
ГРС на базе адаптации полной системы уравнений газовой динамики для одномерных течений;
3) с использованием разработанной технологии получены новые
результаты, расширяющие и углубляющие представления о
функционировании трубопроводных систем, причинах
возникновения и механизмах протекания аварий на ГРС:
расчетные оценки параметров безопасных режимов транспортирования природного газа по трубопроводам ГРС;
расчетные оценки влияния ветра на снижение эффекта всплытия пожаровзрывоопасного облака газовоздушной смеси
при его распространении по ГРС и прилегающим территориям;
численный анализ причин возникновения и развития аварий на ГРС;
численный анализ эффективности использования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации в помещениях ГРС при разрушении технологических трубопроводов на территории ГРС.
Предложенные новые технология, модель автоматического регулятора давления (АРД) и результаты их применения, направленные на прогнозирование пожарной и промышленной безопасности объектов трубопроводных систем ТЭК, выносятся на защиту в виде научных положений диссертации, принадлежащих лично автору.
Практическая значимость работы. Выносимые на защиту технология и модель реализованы в вычислительной технологии «PipEst», а также в ряде производственных ГДС (построенных на базе программно-математического комплекса «CorNet»), предназначенных для повышения пожарной и промышленной безопасности трубопроводных систем конкретных газотранспортных предприятий [16-19]. Эти ГДС активно используются для решения практических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводных сетей газотранспортных предприятий, как в России, так и за рубежом. Так, например, на базе «CorNet» при активном участии автора диссертации была разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS» для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологии в Международной газотранспортной компании «SPP» [16-19] (см. Приложение).
С помощью «CorNet» установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий (см., например, [19,20]). Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Росатома, Госгортехнадзора России, Международной газотранспортной компании «SPP» (Словакия), Сандийских национальных лабораторий (США) и др.
Разработанная технология численного прогнозирования пожаровзрывоопасности на газораспределительных станциях ТЭК может быть использована при разработке рекомендаций и проведении мероприятий по обеспечению пожарной и промышленной безопасности энергетических объектов ТЭК.
Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается:
использованием современных научно-обоснованных методов вычислительной газодинамики и методов нелинейного анализа прочности;
результатами натурных и численных экспериментов;
многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах топливно-энергетического комплекса, как в России, так и за рубежом.
Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, заместителю главного конструктора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - начальнику отделения, доктору технических наук старшему научному сотруднику Селезневу Вадиму Евгеньевичу за постоянное внимание к его работам, поддержку, консультации, научное руководство и практическую помощь при определении
направлений научных исследований, положенных в основу диссертации.
Автор диссертации выражает признательность кандидатам технических наук Алешину Владимиру Васильевичу, Прялову Сергею Николаевичу, Бойченко Александру Леонидовичу, Киселеву Владимиру Владимировичу и Фотину Сергею Валентиновичу за научные консультации по теме диссертации и поддержку его научных исследований и разработок.
Автор благодарит за научные дискуссии по теме диссертации своих иностранных коллег из Математического института Словацкой Академии Наук, Братиславского государственного университета им.Комениуса и Международной газотранспортной компании «SPP» (Словакия).
Автор выражает признательность и благодарность ученым и ведущим специалистам Академии ГПС МЧС РФ и ФГУ ВНИИПО МЧС РФ за плодотворные дискуссии по теме диссертации.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своим коллегам Дикареву Константину Игоревичу, Кобякову Вячеславу Владимировичу, Комиссарову Алексею Сергеевичу, Зеленской Оксане Ивановне, Галкину Максиму Владимировичу и Скитевой Ирине Алексеевне за сотрудничество и поддержку.
Анализ требований действующих нормативно-технических документов
В соответствии с законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [1] ГРС относятся к категории опасных производственных объектов, а в соответствии с [35] помещения и наружные установки ГРС относятся по пожарной опасности к категории А и Ан соответственно (взрывопожароопасные). Список требований, предъявляемых к технологическому оборудованию и системам ГРС нормами технологического проектирования [22], правилами пожарной безопасности [25], ведомственными правилами пожарной безопасности [26], напрямую или косвенно влияющих на ее пожаровзрывобезопасность и безаварийную эксплуатацию, имеет следующий вид: здания ГРС должны отвечать требованиям нормативных документов, предъявляемых к производственным зданиям промышленных предприятий и нормативным актам по технике безопасности, охране труда, промышленной санитарии, пожаровзрывобезопасности и др.[22,29,36];
уровень шума на ГРС не должен превышать значений, приведенных в [37]. При превышении допустимых значений необходимо предусматривать меры по шумопоглощению [38]; скорость газа в трубопроводах ГРС не должна превышать 25м/с [22]; параметры газа на входе и выходах ГРС должны быть обеспечены согласно [22]; при проектировании должны быть предусмотрены технические решения, предотвращающие перемещение трубопроводов ГРС и их деформацию под воздействием сил «пучения» при отрицательных температурах газа на выходе ГРС (здесь необходимо отметить, что по существующим СНиП газ подается в сети с отрицательной температурой, из-за чего вокруг труб образуется ледяная «шуба», и по этой причине происходит выпучивание обмерзших участков трубопровода, проходящих под землей, на поверхность, что может привести к выходу труб из строя (рис.2.10)); технологическое оборудование ГРС должно быть рассчитано на максимальное рабочее давление подводящего газопровода; концентрации газа в атмосферном воздухе на территории и вокруг ГРС, а также зоны концентрации при выбросе газа через свечи не должны превышать предельно допустимые [39]. размещение котельной допускается в отдельном помещении единого здания ГРС. При этом перегородка, разделяющая помещения котельной и узла редуцирования, должна быть герметичной, несгораемой, без проемов, с герметизацией трубных проходов. » в результате пучения грунта
Перечисленные требования относятся в основном к стадиям разработки проектов новых ГРС или реконструкции существующих ГРС, процессу строительства и сдачи в эксплуатацию. На стадии эксплуатации действующие нормативные документы (см. например [40]) регламентируют в основном организационные мероприятия.
Как показывает статистика аварий, ведущаяся специалистами Госгортехнадзора России (см. Введение), значительная часть аварий на ГРС связана с отклонениями фактического состояния оборудования ГРС и режимов его эксплуатации от проектных значений. Вместе с тем, методы и технологии оценки реального состояния оборудования ГРС либо не регламентируются совсем (т.е. отсутствуют), либо проводятся по упрощенным формулам и зависимостям.
В [21] говорится о том, что в отношении каждого объекта систем газоснабжения необходимо постоянно осуществлять прогнозирование вероятности возникновения аварий, катастроф, а также о том, что организация - собственник опасного объекта системы газоснабжения должна обеспечить его готовность к локализации потенциальных аварий, катастроф, ликвидации последствий в случае их возникновения.
Все вышесказанное доказывает необходимость дальнейшего совершенствования методов и средств обеспечения пожарной и промышленной безопасности объектов ТЭК, в том числе в части численного моделирования процессов, происходящих на отдельных технологических объектах предприятий ТЭК, в частности на ГРС, для повышения их эффективности и снижения затрат на эксплуатацию за счет снижения аварийности.
Математическая модель нестационарных неизотермических режимов течения горючих газов через автоматические регуляторы давления ГРС
Как известно из предыдущих Глав, АРД на ГРС уменьшают давление транспортируемого по МГ газа до значений, допустимых для эксплуатации конкретной потребительской сети. При этом АРД поддерживают в определенных пределах выходное давление газа вне зависимости от его расхода, определяемого газопотреблением.
Анализ газодинамических режимов функционирования трубопроводных сетей ГРС, содержащих АРД, позволяет определить температурные нагрузки при изменении режимов потребления горючих газов, при выходе из строя подогревателей или возникновении других нештатных ситуаций. Этот анализ должен проводиться на базе полной системы уравнений газовой динамики, адаптированной для моделирования нестационарных неизотермических процессов течения газовых смесей в трубопроводах.
К сожалению, в современных работах ведущих специалистов и ученых ТЭК для моделирования работы регуляторов давления рассматриваются лишь упрощенные формулы, основанные, как правило, на эмпирических зависимостях. Например, в [23] для оценки пропускной способности АРД рассматривается полуэмпирическое уравнение Дарси-Вейсбаха. В этом случае эффективный коэффициент гидравлического сопротивления является сложной функцией параметров течения и конструкции АРД. Поэтому воспользоваться данной формулой в общем случае представляется затруднительным даже в случае стационарного течения. Нестационарные течения в указанной работе вообще не рассматриваются. Некорректность описания уравнения энергии в работе [23] будет рассмотрена ниже.
С учетом вышесказанного, для достижения высокой точности моделирования транспортирования газов через АРД на ГРС будем использовать полную систему интегральных уравнений газовой динамики. Для численного анализа работы АРД запишем данную систему уравнений в виде, удобном для моделирования неустановившегося движения однокомпонентного теплопроводного газа по длинной круглой трубе с абсолютно жесткими теплопроводными шероховатыми стенками [20]. При этом рассмотрим произвольный объем сплошной среды V, ограниченный замкнутой поверхностью S. Для этого объема в случае течения однокомпонентного газа выполняются законы сохранения массы, количества движения и энергии, которые записываются в следующем виде [94]: где: p - плотность; p- давление; ё- удельная (на единицу массы) внутренняя энергия газа; Q- удельная (на единицу объема) мощность источников тепла; в - скорость газа в точке; ип =D-n - проекция D на единичную внешнюю нормаль и к элементу поверхности dS; t„ =тй - напряжение, обусловленное действием сил вязкого трения на площадке с внешней нормалью н (т - тензор вязких напряжений); F-удельная массовая сила; ё- удельная (на единицу массы) внутренняя энергия газа; W = --9f- вектор объемной плотности потока тепла (где к- коэффициент теплопроводности, Т - температура газа). «Крышка» над величинами определяет параметры «в точке». Учет факторов, связанных с турбулентностью течения, предлагается произвести за счет подбора коэффициента гидравлического сопротивления и эффективного коэффициента теплопроводности [20].
Выбор численных методов анализа построенной модели
Для решения поставленной задачи применяется МКЭ [140], метод контрольных объемов (МКО) [141] или метод крупных частиц (МКЧ) [142]. Дадим их краткую характеристику.
Как известно, метод конечных разностей (МКР) основан на построении дискретной пространственно-временной сетки и замене континуальных производных в исходных дифференциальных уравнениях на эквивалентные им конечно-разностные выражения. Члены полученных алгебраических уравнений перегруппировываются для построения алгоритма их решения, реализуемого при помощи вычислительной техники с минимальными затратами ресурсов [143-146].
Одним из основных недостатков классического МКР является тот факт, что физические законы сохранения применяются лишь при выводе уравнений в частных производных и никак не используются при построении разностной схемы. В середине прошлого века этот недостаток был исправлен А.А. Самарским [146]. Он предложил интегро-интерполяционный метод конечных разностей. В иностранной литературе данный метод называют методом конечных (контрольных) объемов (МКО) [141,147].
Интегро-интерполяционный метод сводится к дискретизации исходных уравнений, представленных в интегральной форме (в противоположность классическому МКР, который обычно применяется к исходным уравнениям в дифференциальной форме). Суть метода заключается в том, что в данном случае разностная схема строится на основе физических законов сохранения, следствием которых являются рассматриваемые дифференциальные уравнения. При этом законы сохранения формулируются для некоторого конечного объема, окружающего узел разностной пространственной сетки с учетом дискретности сетки. Данная процедура во многом похожа на алгоритм, с помощью которого уравнения в частных производных выводятся из физических законов сохранения (не проводится лишь переход к пределу при стягивании рассматриваемого объема в точку).
Метод конечных элементов (МКЭ) концептуально отличается от МКР тем, что при его применении исходят из предположения о возможности аналитического представления решения исходной математической модели [140,148-150]. Стартовой точкой для любого метода взвешенных невязок, к которым относится МКЭ [43,88-90], является задание некоторого приближенного решения исходной задачи, например, в форме: T(X,t)=T0(X,t)+ ву(/)-Фу(Х), (3.32) 7=1 где функция T0(%,t) выбирается так, чтобы удовлетворялись, причем по возможности точно, граничные и начальные условия задачи.
Аппроксимирующие функции Фу(Х) предполагаются известными. В математической литературе по МКЭ функции Фу(Х) часто называют пробными или интерполяционными, а в инженерной литературе -функциями формы (при замене символа Ф7(Х) на iV/(X)) [149].
В МКЭ Галеркина [141] приближенное решение (3.32) сначала записывается в форме комбинации узловых значений неизвестной функции, т.е. т(Х,і)=І,ТуЬ).Фу(&). (3.33)
Выражение (3.33) может интерпретироваться как интерполяция по отношению к локальному решению в узловой точке Tj(t) (естественно, на конкретном временном шаге расчета). Пробные функции Ф7(Х) выбираются почти исключительно из числа полиномов низкого порядка, причем выбор ограничивается ближайшими элементами. Тем самым достигается сравнительно малое число отличных от нуля членов, которые при надлежащей расстановке могут располагаться вблизи главной диагонали матрицы уравнений, т.е. матрица уравнений будет являться ленточной. Это очень важно на стадии решения разностных уравнений, так как при подобной ситуации решение будет более экономичным.
При применении МКЭ дискретизация задачи реализуется на двух этапах. На первом из указанных этапов кусочно-линейная интерполяция вводится по дискретным, или конечным, элементам с целью связать локальные решения с узловыми значениями. На втором этапе используется построение с взвешенными невязками, ставящее целью получить алгебраические уравнения для связки между узловыми значениями решения.
Численный анализ путей предотвращения пожара или взрыва на ГРС
Как отмечалось в предыдущем Разделе, наличие информации о типовой картине возникновения пожарной опасности на ГРС позволяет разработать научно-обоснованные схемы размещения специальных газоанализаторов и газосигнализаторов. Наибольшее распространение среди газоанализаторов и газосигнализаторов получили термохимические приборы, принцип действия которых основан на каталитическом окислении горючих примесей в воздухе в специальной камере, являющейся одним из плеч равновесного моста Уинстогна [50]. За счет выделяющегося при окислении горючих примесей тепла плечо (электроспираль) нагревается, увеличивается его электросопротивление, приводя к разбалансу моста. По величине разбаланса определяется содержание в воздухе горючих примесей.
Как отмечается в работе [50], контроль за накоплением пожаровзрывоопасных газов в помещениях и на территории исследуемого объекта является одной из активных мер взрывозащиты и защиты от пожара.
Другой мерой снижения опасности возникновения взрыва и пожара на ГРС является аварийное вентилирование помещений [50]. Аварийное вентилирование помещений является одним из наиболее распространенных традиционных способов предупреждения образования взрывоопасных сред. Данный способ легко поддается численному анализу его эффективности.
Третьей мерой снижения опасности возникновения взрыва и пожара на ГРС является упреждающая флегматизация пожаровзрывоопасной среды в помещениях ГРС [50]. Метод флегматизации основан на разбавлении пожаровзрывоопасной смеси до состояния, когда она становится неспособной распространять пламя [50]. Для анализа эффективности данного метода и для научно-обоснованного подбора параметров флегматизации целесообразно использовать полевое моделирование.
В качестве примера будем выполнять анализ эффективности работы аварийной вентиляции и флегматизации в здании диспетчерского пункта на ГРС «Plavecky Peter» (см. выше, Раздел 4.1).
Для анализа эффективности данных мер взрывопожарозащиты необходимо сначала исследовать характер распространения метановоздушной смеси внутри помещения.
Рассматриваемое строение, общий внешний вид которого показан на рис.4.1, согласно проектной докментации состоит из коридора и четырех комнат (подсобное помещение, санузел, комната отдыха, диспетчерская). В комнате отдыха и в диспетчерской имеются оконные проемы. На рис.4.16 приведена геометрия расчетной области, используемая для выполнения анализа.
Рассмотрим постановку задачи. На основе результатов анализа распространения метановоздушной смеси при истечении из аварийного трубопровода в районе здания диспетчерского пункта ГРС, будем исследовать затекание смеси внутрь здания через оконные проемы помещения комнаты отдыха. Проемы, через которые происходит затекание, отмечены черными жирными стрелками на схеме (рис.4.16).
При выполнении анализа в оконных проемах в качестве краевых условий задавались избыточное давление, температура, концентрация втекающей метановоздушной смеси. Избыточное давление принималось равным ЗкПа. Такое значение давления во фронте волны сжатия, согласно [68], является достаточным для разрушения остекления оконных проемов, что создает условия для проникновения смеси внутрь здания.