УДК 502.7:502.55

25-26 апреля II международная научно-практическая конференция молодых ученых по проблемам техносферной безопасности, посв. 90-летию проф. Макарова Г.В.

 PDF-версия публикации

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМОГО ВЫБРОСА ОПАСНОГО ГАЗА СО СВЕЧИ РАССЕИВАНИЯ

к.т.н. А.И. Купцов, д.т.н., проф. Ф.М. Гимранов, artpb@yandex.ru
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, г. Казань

Аннотация: Большее значение для обеспечения экологической безопасности на предприятиях газовой, нефтяной и нефтехимической отраслей имеет прогнозирование последствий залповых выбросов опасных газов. Предложенная методика определения предельно допустимого выброса опасного газа со свечи рассеивания позволяет установить массовый расход выбросов, при котором не возникают приземные концентрации, превышающие предельно допустимые концентрации для работников предприятий, населения и окружающей среды.

Технологическая операция вынужденного освобождения аппаратов, емкостного оборудования и трубопроводов на химических, нефтехимических и газоперерабатывающих производствах осуществляется, в том числе, путем выброса газов через свечи рассеивания непосредственно в атмосферу.

В настоящее время в качестве нормативных документов для проектирования свечей и оценки зон распространения возможного выброса служат: руководство по безопасности факельных систем [1] и ОНД-86 [2]. По этим методикам определяются конструктивные и эксплуатационные параметры свечи рассеивания: высота, диаметр, максимальная концентрация газа на приземной поверхности, а также приемлемый массовый расход выброса (кг/с).

Однако, анализ аварий на ООО «Томскнефтехим», газопроводе-подключении газоконденсатного месторождения Крайнего Севера и некоторых других объектах, а также обработка экспериментальных данных по выбросам природного газа показывают, что у поверхности земли могут присутствовать скопления газа во взрывоопасных концентрациях, значительно превышающих предельно допустимые значения [3]. Следовательно, результаты расчетов, выполненных по методикам [1-2], не дают адекватного представления о реальных процессах пространственно-временного рассеивания выбрасываемого со свечи газа. Оценка этих и некоторых других методик расчета рассеивания газов в атмосфере [3] показала, что лежащие в их основе упрощенные допущения и зависимости требуют многочисленных уточнений. Основным недостатком этих методик является использование различных подгоночных коэффициентов вместо прямого учета классов устойчивости атмосферы.

Математическая модель. Для корректного прогнозирования последствий выбросов опасного газа предлагается воспользоваться математической моделью процесса распространения газовоздушных облаков [4], базирующейся на совместном решении системы фундаментальных уравнений (1-7).

Данная модель прошла верификацию на экспериментальных данных ООО «Газпром Трансгаз Ставрополь» [5]. Однако, полученные рассчитанные значения приземных концентраций, по предложенной модели, позволяют либо оценить возможность выброса опасного газа со свечи рассеивания, либо определить ее высоту и диаметр при проектировании. При эксплуатации же действующих свеч рассеивания для обеспечения экологической безопасности необходимо определить значение приемлемого массового расхода опасного газа (предельно допустимого выброса, далее ПДВ).

Методика определения предельно допустимого выброса опасного газа. В общем случае еще до начала эксплуатации свечи рассеивания, в атмосфере может присутствовать предполагаемый выбрасываемый газ, создающий так называемую фоновую концентрацию с_ф. После ввода свечи в действие концентрация выбрасываемого газа в атмосфере увеличивается по сравнению с ее фоновым значением, и она представляется суммой С = с + с_ф, где с – концентрация газа, выброшенного со свечи. Основным условием, устраняющим вредное воздействие опасного газа на рабочий персонал и окружающую среду, служит соотношение:

Уравнение для определения максимальной концентрации с_м можно представить в виде:

где S – массовый расход свечи (кг/с), а минимальную величину V_м, имеющую размерность объемного расхода, называют параметром разбавления и трактуют как объемный расход воздуха, который в данных условиях разбавляет примесь до соответствующей концентрации. Нами предлагается находить минимальную величину V_м из расчета по приведенной выше математической модели.

Соотношения (7), (8) позволяют записать:

Тогда из неравенства (9) для каждой конкретной свечи, загрязняющей окружающую среду, можно установить максимальную производительность, то есть ПДВ [6]. Его значение при фоновой концентрации, не зависящий от скорости и направление ветра, рассчитывается по формуле:

Анализ прогнозируемого расчета сброса со свечи. Исследовался стационарный выброс этилена со свечи рассеивания (высота — 5 м, диаметр — 0,1 м), массовый расход — 28,89 кг/с, в условиях температурной инверсии и малых скоростях ветра на высоте 10 м (u = 1 м/с). Результаты, проведенного нами численного моделирования выброса газа показали, что максимальная концентрация на высоте рабочей зоны в 2 м составила 961 мг/м³ (в 9,6 раз больше ПДК) на расстоянии 637,3 м от свечи. Принимается допущение, что концентрация этилена с_ф в атмосферном воздухе до выброса мала, что ее можно в дальнейшем не учитывать. Тогда параметр разбавления V_м из соотношения (8) = 30062,44 м³/с, а ПДВ согласно уравнению (10) имеет значение = 3006 г/с. Следовательно, в любом произвольном взятом интервале времени массовый расход свечи не должен превышать значения найденного ПДВ.

Заключение. Предложена методика определения предельно допустимого выброса опасного газа со свечи рассеивания, позволяющая определить приемлемый максимальный массовый расход опасного газа со свечи рассеивания, обеспечивающий экологическую безопасность в местах постоянного пребывания людей и для окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА:

1. «Руководство по безопасности факельных систем». Серия 03. Выпуск 68.: [утверждено приказом Ростехнадзора N 779 от 26.12.2012]. – М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. – 48 с.
2. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Госкомгидромет. Общесоюзный нормативный документ. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 94 с.
3. Купцов А.И. [и др.]. Проблемы расчета рассеивания легких газов в атмосфере при их выбросах со свечи с учетом рельефа и застройки местности и атмосферной устойчивости / А.И. Купцов [и др.]. // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – № 6. – С. 284-286.
4. Купцов А.И. [и др.]. Численное моделирование пограничного слоя атмосферы с учетом ее стратификации. / А.И. Купцов [и др.]. // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-7. – С. 1452-1460.
5. Купцов А.И., Акберов Р.Р., Гимранов Ф.М. Влияние метеоусловий на динамику рассеивания опасного газа, сбрасываемого через технологические свечи. / А.И. Купцов, Р.Р. Акберов, Ф.М. Гимранов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов­. – 2015. – № 4 (102). – С. 171-177.
6. Переездчиков И.В., Анализ опасностей промышленных систем человек – машина – среда и основы защиты: учебное пособие / И.В. Переездчиков. – М.: КНОРУС, 2016. – 782 с.