bigpo.ru
добавить свой файл
1
Введение


ВВЕДЕНИЕ


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


8


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:


1) разработка технологии полевого моделирования эволюции облаков газовоздушных смесей на территории и в помещениях ГРС с учетом функционирования систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;


2) разработка рекомендаций по обеспечению раннего предупреждения о формировании пожаровзрывоопасных газовоздушных смесей на ГРС;


10


3) разработка рекомендаций по определению эффективных режимов работы в зданиях ГРС систем аварийной вентиляции и упреждающей флегматизации;


4) 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 О.М., 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


11


на территории ГРС.


Научная новизна работы состоит в следующем:


1) 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;


2) 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


12


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).


13


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


14


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.


15


СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ


АВО - аппарат воздушного охлаждения;


АГРС - автоматическая ГРС;


АРД - автоматический регулятор давления;


БД - база данных;


ВКПР - верхний КПР;


ГДС - газодинамический симулятор режимов транспорта природного газа через трубопроводные сети газотранспортных предприятий (или фрагменты трубопроводных сетей газотранспортных предприятий);


ГИС - географическая информационная система;


ГПА - газоперекачивающий агрегат на КС (КЦ);


ГРС - газораспределительная станция;


ГУ - граничные условия;


ЗВ - загрязняющее вещество;


ИЗА - источник загрязнения атмосферы;


КПР - концентрационный предел воспламенения;


КС - компрессорная газоперекачивающая станция;


КЦ - компрессорный газоперекачивающий цех;


КЭ - конечный элемент;


ЛПУ МГ - линейное производственное управление магистральных газопроводов;


ЛЧМГ-линейная часть магистральных газопроводов;


МВСК - минимальное взрывоопасное содержание кислорода;


МГ - магистральный газопровод;


МДТТ - механика деформируемого твердого тела;


МКО - метод контрольных объемов;


МКЧ - метод крупных частиц;


16


МКЭ - метод конечных элементов;


НДС - напряженно-деформированное состояние;


НКПР - нижний КПР;


ПМК - программно-математический комплекс;


ПУ - пылеуловитель;


СНиП - строительные нормы и правила;


ТГ - технологические газопроводы на КС (КЦ);


ТЭК - топливно-энергетический комплекс;


УРС - уравнение состояния;


ЦВТМ - Центр вычислительных технологий механики ООО «НПО


ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ»; ЦН - центробежный нагнетатель ГПА; SCADA-система - (Supervisory Control And Data Acquisition) - система.


Символьные обозначения, применяемые в формулах, оговариваются особо в каждой Главе диссертации.


17


ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ НА ГРС


1.1. Описание моделируемого объекта


В Федеральном законе о газоснабжении [21] введены следующие термины:


• газоснабжение - одна из форм энергоснабжения, представляющая собой деятельность по обеспечению потребителей газом, в том числе деятельность по формированию фонда разведанных месторождений газа, добыче, транспортировке, хранению и поставкам газа;


• система газоснабжения - имущественный производственный комплекс, состоящий из технологически, организационно и экономически взаимосвязанных и централизованно управляемых производственных и иных объектов, предназначенных для добычи, транспортировки, хранения, поставок газа;


• газораспределительная система - имущественный производственный комплекс, состоящий из организационно и экономически взаимосвязанных объектов, предназначенных для транспортировки и подачи газа непосредственно его потребителям.


На стыке двух перечисленных систем располагаются ГРС, обеспечивающие необходимые параметры природного газа при передаче его из системы газоснабжения в газораспределительные сети.


Здесь следует отметить, что аналогичные ГРС могут применяться и при транспортировании других горючих газов, но в

Список литературы