Купцов А.И., Гимранов Ф.М. «Опасность распространения газовоздушного облака в окружающее пространство при сбросе через свечу рассеивания на газоперерабатывающем производстве» — «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: настоящее и будущее». Материалы III Международной научно-практической конференции в рамках форума «Безопасность и связь». Часть II. Казань. 27-28 февраля 2014 г. -с. 730-738.

УДК 622.691.2/.4.004.4
ОПАСНОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОГО ОБЛАКА В ОКРУЖАЮЩЕЕ ПРОСТРАНСТВО ПРИ СБРОСЕ ЧЕРЕЗ СВЕЧУ РАССЕИВАНИЯ НА ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕМ ПРОИЗВОДСТВЕ

А.И. Купцов, аспирант кафедры промышленной безопасности
Ф.М. Гимранов, д.т.н., зав. кафедрой промышленной безопасности
Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет, г. Казань, Россия.

THE DANGER DISTRIBUTION OF  AIR-GAS CLOUD IN THE SURROUNDING SPACE AT RESET BY CANDLE DISPERSION ON GAS PROCESSING PLANT

A.I. Kuptsov, graduate student of department industrial safety

F.M. Gimranov, d.t.s., head department industrial safety

Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia.

Аннотация

Рассмотрена задача обеспечения безопасности при сбросах газа на газоперерабатывающем производстве в результате регламентных технологических операций. Проведены расчеты на основе численного моделирования с учетом приподнятой инверсии. Даны рекомендации для обеспечения безопасности на производственных площадках при сбросах через свечу рассеивания опасного газа.

Abstract

Consider the problem ensure the safety in the discharges of gas at the gas processing production as a result of regulatory manufacturing operations. Calculations based on the numerical simulation with the elevated inversion. Recommendations are given for safety at the production sites at discharges through the candle dispersion of hazardous gas.

Ключевые слова: прогнозирование, сброс газа, свеча рассеивания.

Keywords: prediction, gas discharge, dispersal candle.

В процессе эксплуатации газоперерабатывающего оборудования всегда возникает необходимость опорожнения технологических систем, трубопроводов для проведения регламентных и ремонтных работ. Как правило, сбрасываемые газы поступает в атмосферу под значительным давлением из аппаратов и трубопроводов через свечи рассеивания со скоростями, близкими к звуковым. Свечи рассеивания, согласно действующей нормативной технической документации, применяются при сбросах только легких газов  (метана, природного газа, водородсодержащего газа с отношением плотности газа к плотности воздуха не более 0,8 и др.), что обеспечивает безопасное рассеивание опасного газа в окружающей среде. Однако, анализ характера рассеивания с учетом состояния атмосферы и, имеющихся на практике аварийных ситуаций, показали, что при определенных условиях может иметь место распространение газовоздушного шлейфа непосредственно в приземном слое.

В этом случае особые меры предосторожности должны быть приняты в организации сброса, когда вблизи находятся горящие факелы, оборудование с огневым обогревом или другие постоянные источники воспламенения.

Как показывает практика, заложенные в нормативных документах типовые проектные решения и регламентные процедуры в определенных условиях могут не обеспечивать требуемую безопасность, о чем свидетельствуют возникновение аварийных ситуаций на компрессорной станции газотранспортного предприятия ОАО «Газпром» (2006 г.), на газопроводе-подключении газоконденсатного месторождения Крайнего Севера (2008 г.) и на других объектах.

Следовательно, при организации газовых выбросов возникает проблема правильной оценки пространственно-временного распределения сбрасываемого газа с учетом его физико-химических свойств и конструкционных характеристик свечи (диаметр, высота, скорость истечения, продолжительность сброса и т.д.).

Анализ показал, что наибольшее влияние на масштаб негативных последствий оказывает состояние атмосферы в приземном слое. Опасными условиями считаются малые значения скорости ветра у земли и образование над источником сброса приподнятой инверсии, то есть наличие, так называемого, «потолка» в начальный момент сброса, в результате чего газ распространяется непосредственно в приземном слое по территории промышленного объекта (рис. 1). Таким образом, случаи особо больших приземных концентраций можно объяснить сочетанием наличия инверсии над свечой и сильного ослабления ветра в приземном слое.

Существующие в настоящее время зарубежные и российские методики по расчету рассеивания загрязняющих веществ в окружающей среде (например: ОНД-86, методика ВНИИГАЗ, также методики, основанные на моделях Гаусса и др.) имеют большое количество ограничений, либо ориентированы на расчет рассеивания нескольких загрязняющих веществ.

Наиболее точными считаются математические модели и программные комплексы для исследования многомерных газодинамических процессов, основанные на технологии CFD (computational fluid dynamics). Среди таких программных комплексов лишь очень немногие детально верифицированы и используют современные методические подходы к моделированию физических явлений. К их числу относится программный комплекс Fluent, который широко применяется в последнее время для решения задач обеспечения промышленной безопасности на технологических опасных производственных объектах, как в России, так и за рубежом. Это послужило причиной для его выбора в качестве основного вычислительного инструмента в данной работе. При математическом моделировании процессов распространения газовых выбросов необходимо учитывать турбулизацию газовоздушного облака (за счет взаимодействия с элементами рельефа). Основным подходом к численному моделированию турбулентных рассеиваний  является решение систем уравнений, осредненных по Рейнольдсу (Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS подход). Исходя из выше изложенного, в данной работе использовалась одна из самых распространенных моделей методики RANS-подхода: k-ε standard модель.

Для анализа возникающей опасности при сбросах  был рассмотрен выброс природного газа (на 95% состоящего из метана) через свечу рассеивания. Геометрические характеристики  свечи рассеивания приведены в таблице 1.

Рассматривалось наиболее  опасное метеорологическое условие – сочетание приподнятой инверсии с малой скоростью ветра в приземном слое. Профили скорости, температуры и турбулентные характеристики на входе, а также такие параметры, как шероховатость поверхности, тепловой поток, масштаб длины Монина-Обухова и другие параметры были заданы в следующем виде:

– скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; k – турбулентная кинетическая энергия; c_µ — коэффициент, равный 0,09.

Для учета инверсии в уравнениях переноса турбулентной кинетической энергии и скорости диссипации турбулентной кинетической энергии использовались источниковые члены S_К и S_Е, непосредственно зависящие от компонента вектора гравитации.

Некоторые результаты расчетов приведены в таблице 1. Моделирование показало, что при определенных геометрических размерах свечи и при относительно средних расходах на земле, шлейф взрывоопасного газа касался «инверсионного потолка», а затем достигал земли. Таким образом, в целях безопасности необходимо знать метеорологический прогноз и не сбрасывать газ в окружающую среду при приподнятых инверсиях, либо подбирать геометрические характеристики свечи и параметры сброса таким образом, что даже при минимальной высоте инверсии (≈ 50 м) расстояние на котором достигается нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП) опасного газа превышало размеры производственной площадки. Согласно проведенным исследованиям можно сделать вывод – выбросы природного газа через свечи рассеивания в условиях приподнятой инверсии и при малых скоростях ветра не безопасны.

Литература:

Pontiggia M., Derudi M., Rota. Hazardous gas dispersion: A CFD model accounting for atmospheric stability classes // Journal of Hazardous Materials 171 (1-3): 9 (2009).

А.С. Монин «Теория турбулентности». Л.: Гидрометеиздат, 1987.

Завгороднев А.В., Мельников А.В., Сафонов В.С. Проблема обеспечения сброса газа в атмосферу на объектах транспортирования и хранения природного газа // Безопасность труда в промышленности, 11, 66-71 (2011).