На правах рукописи
«МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
НАДЗЕМНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ»
05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование
воздуха, газоснабжение и освещение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
Саратовском государственном техническом университете
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
Московском государственном строительном университете
Научные руководители: доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук, профессор
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук,
Ведущая организация: головной научно-
исследовательский и проектный институт
Защита диссертации состоится «___» ___________ 2008 г. в ауд. № ____
в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете Москва, Ярославское шоссе
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.
Автореферат разослан «____» _____________ 2008 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Интенсивное развитие газовой отрасли промышленности относится к числу приоритетных направлений социальной политики России. С каждым годом все очевиднее возрастающая роль транспортирования природного газа для развития промышленности и энергообеспечения России. Поэтому по мере изменения технических и экономических условий развития газового хозяйства требуется решение все более сложных задач по обеспечению надежности и безопасности единой системы газо - и энергоснабжения, начиная от места добычи топлива до его сжигания в энергогенерирующих установках потребителя. Главным требованием к газораспределительной системе является обеспечение надежности, безопасности и эффективности в экономическом и экологическом плане. В результате не будет создаваться угроза жизни и здоровью людей, а также окружающей природной среде. Это является одной из главных проблем современности.
Решению данной проблемы по предельно возможному снижению аварийности газопроводов посвящена данная работа, в которой проведены исследования всех условий и учтены все факторы, влияющие на создание опасности выбросов и утечек газа.
Главными факторами, влияющими на безопасность эксплуатации систем газоснабжения, являются выбросы и утечки из газопроводов. Несмотря на важность этой проблемы, вопросы оценки опасности утечек газа, остаются, мало изучены как для подземных, так и надземных газопроводов. Выбросы и утечки газа представляют серьезную опасность взрывов и загораний с последующим травмированием и гибелью людей, а также с разрушением зданий.
Для выбора действенных мер предотвращения создания взрывопожароопасной ситуации при выбросах и утечках газа из поврежденных газопроводов необходимо, прежде всего, исследовать процессы возникновения этих ситуаций.
Решение этой поставленной актуальной задачи с проведением исследований влияния всех условий и факторов на создание опасных выбросов и утечек газа позволит определить как сам физический процесс этих явлений, так и получить необходимые данные для практического применения в газовом хозяйстве ГРО.
Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является:
– изучение процессов выбросов и утечек газа из поврежденных газопроводов и создания аварийных ситуаций на основе проведения аналитических и экспериментальных исследований, результаты которых могут использоваться для принятия инженерных решений по снижению аварийности газопроводов.
Для достижения поставленной цели были проведены:
1. Анализ статистических данных и имеющихся материалов по аварийности на газопроводах и сооружений на них.
2. Определение методики исследования.
3. Разработка физических моделей выбросов и утечек газа в зависимости от различных условий и влияющих факторов (модель размеров повреждений, модель гидравлических режимов и баланса объемов газа, поступающего к месту повреждения, и выброса его в атмосферу, модель влияния ветровых воздействий на геометрические объемы и пожароопасных зон загазованности).
4. Исследования по определению объемов выбросов и утечек газа, а также параметров опасных зон загазованности в зависимости от давления и диаметра газопровода, размера повреждения, удаленности места повреждения от начала газопровода, гидравлического режима в сети, ветровых воздействий.
5. Анализ материальных затрат и показателя опасности при использовании различных категорий давления в газопроводе.
6. Анализ влияния полноты использования располагаемых расчетных перепадов давлений на величину объемов выбросов и утечек газа.
Научная новизна работы заключается в том, что разработаны научно обоснованные методы:
· количественной оценки объемов выбросов и утечек газа из поврежденных газопроводов в зависимости от влияющих условий и факторов;
· решения технико-экономической задачи влияния выбора категории давления в газопроводах на опасность их функционирования и на материальные затраты;
· методы технико-экономической оценки полноты использования располагаемых расчетных перепадов давлений.
Проведенные исследования будут являться основой для принятия широкого круга инженерных решений, направленных на уменьшение аварийной опасности выбросов и утечек газа из газопроводов, среди которых:
1. по корректировке принятых размеров охранных зон по трассе газопроводов;
2. определению безопасных расстояний расположения технических средств и персонала при ликвидации аварий;
3. по оценке качества проектной документации с введением обязательного контроля за максимальным использованием располагаемых расчетных перепадов давления при гидравлических расчетах газопроводов;
4. по решению проблемы использования давления 2,5 МПа в распределительных газопроводах ГРО;
5. по оценке безопасности и экономичности надземной прокладки стальных газопроводов по сравнению с подземной.
Практическая значимость работы определяется использованием основных результатов проведенных исследований:
· при анализе риска функционирования газопроводов;
· для возможности количественного и качественного оперативного определения зоны опасной загазованности при повреждении газопровода;
· для определения размера охранных зон по трассе газопровода.
На защиту выносится:
- метод количественной оценки объемов выбросов и утечек газа из поврежденных газопроводов в зависимости от влияющих условий и факторов;
- метод решения технико-экономической задачи влияния выбора категории давления в газопроводах на опасность их функционирования и на материальные затраты;
- методы технико-экономической оценки полноты использования располагаемых расчетных перепадов давлений.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета (Саратов, ); первой Всероссийской конференции молодых специалистов «Актуальные научно-технические проблемы совершенствования систем газораспределения и газопотребления» Гипрониигаз (Саратов, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования объектов АПК России» » (Саратов, 2007).
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, шесть глав, общие выводы, список литературы из 105 наименований, общий объем 150 страниц, включая 21 таблицу, 47 рисунков.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ статистических данных по аварийности в системах газоснабжения.
Исходя из анализа общей аварийности в газовом хозяйстве России и в частности по Саратовской области следует, что надземные газопроводы являются одним из основных объектов, создающих реальную опасность выбросов и утечек газа в атмосферу.
Составлена круговая диаграмма распределения аварий по основным объектам газового хозяйства в процентном соотношении от их общего числа. Самое большое количество аварий приходится на газопроводы – 36–48 %, на жилые дома – 55,7–41,6 %, котельные – 1,1–0,7 %, прочие – 1,5 %.
На основании анализа характера и видов повреждений произведен выбор критерия оценки размера повреждения, который выражает все виды повреждений газопроизводства в совокупности как отношения геометрической площади к площади поперечного сечения трубы. Также предложена оценка размера повреждения.
Такой подход позволяет сделать следующие выводы: при максимально возможных и больших повреждениях полностью прекращается газоснабжение потребителям; при средних повреждениях режим газоснабжения ухудшается; при малых – режим газовой сети не меняется.
Во второй главе анализируются базовые расчетные формулы, используемые для гидравлических расчетов при определении выбросов и утечек газа из газопроводов. Был проведен анализ возможности использования различных формул в целях выбора вариантов, дающих наиболее достоверные результаты. Получила подтверждение формула, предложенная , дающая хорошие результаты при малых утечках газа, кода они практически не влияют на сложившийся до их появления гидравлический режим газопровода и при средних по величине повреждениях в конце газопровода. Для определения утечки газа при высоком и среднем давлениях при больших повреждениях, которые значительно изменяют гидравлический режим, формула удобна в применении даже в полевых условиях.
м3/с ; 
м3/ч,
Далее рассматривается влияние гидравлических режимов на величину выбросов и утечек газа при повреждении газопроводов.
Получены пьезометрические графики высокого и низкого давлений в поврежденных и неповрежденных газопроводах. Доказано, что объем выбросов газа в атмосферу (Vх) зависит не только от давления газа внутри газопровода в месте повреждения и площади отверстия, но и от сложившегося в это время гидравлического режима. Местоположение повреждения газопровода определяется коэффициентом С1, представляющим собой отношение длины участка газопровода от его начала до места повреждения lx к расчетной длине газопровода Lp,
C1 = lx/Lр.
Площадь отверстия (см2) повреждения оценивается безразмерным коэффициентом С2, представляющим собой отношение площади отверстия повреждения fотв к площади поперечного сечения трубы fтр,
C2 = fотв/fтр.
А так же разработана физическая модель выбросов и утечек газа комплексно учитывающая влияние давления и объема выброса газа в зависимости от удаленности места повреждения газопровода. Составлены пьезометрические графики для безаварийного режима при отсутствии газопотребления, при расчетном газопотреблении и при аварийных условиях для этих же условий. По которым можно выявить объемы выбросов и утечек газа (рис.1).
Рис. 1 Идеализированная графическая модель гидравлических режимов
газопровода высокого (среднего) давления.
В третьей главе разработана базовая основа решения задач по определению объемов выбросов и утечек газа из поврежденных газопроводов.
За основу решения задач по определению выбросов и утечек газа из наружных газопроводов высокого давления принято три объекта-представителя, а для низкого давления – шесть объектов-представителей. По всем объектам-представителям были приняты максимальные нормы использования располагаемых расчетных перепадов от начала участка до ввода в здание. Все расчетные давления на участках газопроводов указаны на рисунках.
Получен пьезометрический график распределения расчетных перепадов давления по участкам газопровода.
Результатом исследования и расчетов является блок-схема алгоритма решения задачи определения объемов выбросов газа из поврежденных газопроводов для высокого, среднего и низкого давлений (рис.2).
Предварительно условно заданные расчетные параметры | ||||
БЛОК 1 | Qр, м3/ч | d, см | ||
1 | 100 |
| ||
2 | 1000 | 15 | ||
3 | 10000 | 25 |
Предварительно задаваемые проектные давления, МПа | ||||||
БЛОК 2 | Р1 избыт. |
| Р2 избыт. |
| ||
1 | 1,2 | 1,69 | 0,6 | 0,49 | ||
2 | 0,6 | 0,49 | 0,3 |
| ||
3 | 0,3 | 0,16 | 0,1 | 0,04 |
абс.
абс.
Уравнение 1 | ||
(по параметрам в блоке 1, 2) |
вариант | Задаваемые значения С1 по формуле lx=С1Lр | ||
БЛОК 3 | 0,1поврежд. в начале газопровода | ||
2 | 0,3 поврежд. в середине 1ой половины газопровода | ||
3 | 0,5 поврежд. в серед. газопровода | ||
4 | 0,7 поврежд. в середине 2ой половины газопровода | ||
5 | 0,9 поврежд. в конце газопр |
Рх–давление внутри газопровода в месте его повреждения, МПа абс. | ||
Уравнение 2 Рх, МПа абс. (по параметрам блока 3) |
БЛОК 4 повреждения | Задаваемые значения С2 по формуле f =C2f0=0,785С2d2 | ||
малое | 0,0625 | ||
среднее | 0.125 | ||
0.25 | |||
большое | 0.50 | ||
0.750 | |||
максимальное | 1.0 |
Vх–выброс газа из отверстия поврежденного Уравнение 3 | ||
по параметрам блока 4
(площадь поперечного сечения газопровода, см2, f0=0,785·d2) |
, МПа абс.
|
Рис. 2 Блок-схема алгоритма решения задачи определения объемов выбросов газа из поврежденных надземных газопроводов
высокого (среднего) давления
Четвертая глава посвящена исследованиям по определению давлений перед отверстиями повреждений газопроводов и объемов выбросов и утечек газа. Определение объемов выбросов газа проводится для случаев расположения повреждений в начале, середине и в конце газопровода, Определение выбросов объемов газа из различных по величине отверстий повреждений газопроводов выполнено для высокого (среднего) давления, создающего наиболее опасные условия возникновения аварийных ситуаций и для газопроводов низкого давления.
По результатам исследований составлены графики для высокого (среднего) и низкого давления (рис.3, 4, 5).
Относительная удаленность места повреждения Относительная удаленность места повреждения
от начала газопровода от начала газопровода
Рис. 3 Зависимости давления Рх, МПа и выброса газа Qр, м3/ч для газопровода
высокого давления с Qр = 100 м3/ч
Относительная удаленность места повреждения Относительная удаленность места повреждения
от начала газопровода от начала газопровода
Рис. 4 Зависимости давления Рх, МПа и выброса газа Qр, м3/ч для газопровода
высокого давления с Qр = 1000 м3/ч
Относительная удаленность места повреждения Относительная удаленность места повреждения
от начала газопровода от начала газопровода
Рис. 5 Зависимости давления Рх, МПа и выброса газа Qр, м3/ч для газопровода
высокого давления с Qр = 10000 м3/ч
12
Анализ графиков показывает, что доля статистического давления в потоке газа уменьшается. Практически весь объем выброса газа вытекает в отверстие без гидравлического сопротивления.
В пятой главе рассмотрены вопросы зависимостей аварийной опасности эксплуатации систем газопроводов от материальных затрат. Сделана оценка зависимости материальных затрат на эксплуатацию газопроводов от их потенциальной аварийной опасности в системе газораспределения, что является одной из самых актуальных проблем для всех газопроводов.
Аварийная опасность эксплуатации газопроводов в целом оценивается объемом возможного выброса газа в зависимости от целого ряда условий: диаметра и длины газопровода, давления в газопроводе, размера сквозного отверстия в поврежденном газопроводе, удаленности от источника питания газопровода и других условий.
По целому ряду объективных и субъективных причин не всегда удается полностью использовать весь располагаемый расчетный перепад давлений (рис.6). Крайнее значение практически редкого использования этой величины – 50 %, еще более редкого – 25%.
Составлена таблица материальных затрат и выбросов газа из газопроводов с учетом использования перепадов давлений для высокого и низкого давлений в газопроводе, из которой видно, что неполное использование располагаемого расчетного перепада давления увеличивает материальные затраты и существенно повышает опасность объемов выбросов газа по газопроводам. Например, для использования расчетного перепада давления всего на 50 % для высокого и среднего давлений затраты возрастают на 15 %, а опасность на 30 %, для низкого давления соответственно на 16 и 35%. То есть во всем диапазоне сравнения возрастания объемов выбросов. По сравнению с материальными затратами, в процентном соотношении примерно в два раза больше. Эта закономерность распределяется на газопроводах высокого, среднего и низкого давлений.
В число рассматриваемых категорий высоких давлений включено давление 2,5 МПа. Проведены исследования по оценке возможностей использования давления 2,5 МПа для межпоселковых газопроводов.
Зависимости материальных затрат по газопроводам П и опасности применения различных давлений в этих газопроводах V от полноты использования расчетных перепадов давлений Z для газопроводов различных давлений представлены на графиках, первый из которых дан для высоких давлений в диапазоне от 2,5 до 0,6 МПа, второй для давлений от 0,6 до 0,003 МПа (рис. 7). На рисунке наглядно совместно просматривается снижение аварийной опасности V и материальных затрат П при повышении давлений в газопроводах. Например, для Z=1: при давлении в газопроводе 1,2 МПа по сравнению с 0,6 МПа аварийная опасность снижается в 1,3 раза, а материальные затраты в 1,2 раза; при давлении 0,6 МПа по сравнению с 0,3 МПа аварийная опасность снижается в 1,5 раза, а материальные затраты в 1,3 раза;.
Снижение аварийной опасности для используемых в настоящее время категорий давления по сравнению с каждой следующей более высокой категорией составляет от 1,3 до 2 раз, материальных затрат – от 1,2 до 1,4 раза. При этом снижение аварийной опасности превышает снижение материальных затрат. Таким образом, в системах газоснабжения повышение безопасности связано со снижением затрат.
Рис. 6 Зависимость относительного увеличения материальных затрат и выбросов газа по газопроводам от неполноты использования допускаемых расчетных перепадов давления газа
П2/П1 – относительное превышение приведенных затрат при уменьшении полноты использования максимально допустимого расчетного перепада давлений; Vx1/Vx2 – относительное превышение выбросов газа из газопроводов при уменьшении полноты использования максимально допустимого расчетного перепада давлений; Z – коэффициент неполноты использования максимально допустимого расчетного перепада давлений.
 |
Рис. 7 Зависимости выбросов газа из поврежденных газопроводов V и приведенных затрат П
(в условных единицах) от категории газопроводов. В пределах 2,5 – 0,003 МПа
15
Шестая глава. Выбросы и утечки газа представляют опасность прежде всего за счет величины объема газа или, вернее, создаваемой газовоздушной смеси. Наиболее явно это происходит при повреждениях надземных газопроводов, где выбросы газа происходят непосредственно в атмосферу окружающего воздуха и в отличие от подземных газопроводов здесь отсутствует фильтрация газа через грунт и растекание его под грунтовым покрытием.
Весь объем выброса газовоздушной смеси (ГВС) можно разделить на три зоны (рис. 8): наружная, промежуточная и внутренняя. В наружной зоне концентрация газа в воздухе находится в пределах от 0 до 5% (нижний концентрационный предел воспламеняемости ГВС); в промежуточной зоне концентрация газа в воздухе составляет 5–15% (верхний концентрационный предел воспламеняемости ГВС); во внутренней зоне находится невоспламеняемая ГВС с концентрацией газа в воздухе от 15 до 100% (эта зона составляет большую часть объема ГВС).
Рис. 8 Идеализированная геометрическая модель распределения
газовоздушной смеси в объеме выброса газа
А – зона ощущения запаха (содержание газа в ГВС 1-1,5% ); Б – зона горючей ГВС (содержание газа в смеси 5-15% ); В – зона негорючей ГВС (содержание газа в смеси 15-100% ); Г – зона чистого (100% )газа, ядро объема выброса газа; 1, 2, 3, 4 – Содержание газа в ГВС 1%, 5%, 15%, 100%.
Оценку, границ опасной зоны воздействия выброса газа в атмосферу воздуха можно сделать по геометрическим параметрам факела возгорания ГВС.
Были использованы материалы проведенных экспериментальных исследований в полевых условиях на трех объектах (рис.9)
При исследованиях обнаружено, что при высоких давлениях даже при небольших по размеру повреждениях подземных газопроводов выбросы газа сопровождаются выбросом грунта с образованием воронки над местом повреждения газопровода. В этих случаях выбросы газа из подземных газопроводов можно идентифицировать с выбросами газа из надземных газопроводов.
Рис. 9. Экспериментальные исследования опасных зон загазованности.
Объем выброса газа можно определить по площади поверхности воспламенения факела с учетом скорости распространения пламени. Главным показателем, определяющим возникновения опасной зоны загазованности, является радиус указанной зоны, который определяется длиной факела воспламенения по горизонтали.
Эти данные являются основанием для определения безопасных расстояний от надземных газопроводов. Границей зоны загазованности можно считать поверхность полушария радиусом, равным длине факела воспламенения по горизонтали.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Разработана и введена система учета аварийности с научным подходом к анализу информации по происходящим авариям и несчастным случаям и оценкой уровня обеспечения безопасности. Исходя из анализа общей аварийности в газовом хозяйстве, следует, что надземные газопроводы являются одним из основных объектов, создающих реальную опасность выбросов и утечек газа в атмосферу.
2. Разработана модель видов повреждений и предложен критерий величины повреждения газопровода, который выражает в совокупности все виды повреждений газопровода как отношение геометрической площади повреждения к площади поперечного сечения трубы. Также предложена оценка размера повреждения.
Такой подход позволяет сделать следующие выводы: при максимально возможных и больших повреждениях полностью прекращается газоснабжение потребителям. При средних повреждениях режим газоснабжения ухудшается, при малых – режим газовой сети не меняется.
3. Разработана физическая модель выбросов и утечек газа комплексно учитывающая влияние давления и объема выброса газа в зависимости от удаленности места повреждения газопровода. Составлены пьезометрические графики для безаварийного режима при отсутствии газопотребления, при расчетном газопотреблении и при аварийных условиях для этих же условий. По которым можно выявить объемы выбросов и утечек газа.
4. Разработана блок-схема алгоритма решения задачи определения объемов выбросов газа из поврежденных газопроводов для высокого, среднего и низкого давлений.
5. Получена зависимость удельного показателя отношения объемов выброса газа из отверстий повреждения к давлениям перед этими отверстиями.
6. Произведена оценка влияния места расположения и размеров повреждений газопровода на величину давления и объемов выбросов газа.
7. Экономическими расчетами доказано, что повышение давления в газопроводах не только существенно снижает материальные затраты, но и еще в большей степени уменьшает потенциальную аварийную опасность. Например, повышение давления от 0,6 до 1,2 МПа снижает материальные затраты на 20 %, повышает безопасность на 36 %.
8. Доказана необходимость использования всей возможной величины расчетного перепада давлений во всех категориях давления в газопроводах.
9. Доказана целесообразность использования для подземных газопроводов прокладываемых по незастроенной территории и в полевых условиях давления 2,5 МПа. По отношению к давлению 1,2 МПа безопасность повышается до двух раз, экономичность – до 1,4 раза.
10. Экспериментально установлено, что главным показателем, определяющим возникновение опасной зоны загазованности, является радиус указанной зоны, который определяется длиной факела по горизонтали. Границей зоны загазованности можно считать поверхность полушария радиусом, равным длине факела воспламенения по горизонтали.
Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора:
1. , / Оценка аварийности надземных распределительных газопроводов в Саратовской области // Научно технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергосбережения: Сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2004. – с. 17-21. Лично автора 3 с.
2. / Влияние режимов газопотребления на объем выбросов газа из мест повреждений надземных газопроводов // Актуальные научно-технические проблемы совершенствования систем газораспределения газопотребления: Сб. материалов конф. – Саратов: Гипрониигаз, 2005. – с. 153-157.
3. , / Влияние режимов газопотребления на объем выбросов газа из мест повреждений надземных газопроводов // Вестник СГАУ. – 2005. № 6. с.35-37. Лично автора 1 с.
4. , / Алгоритм решения задачи определения объемов выбросов (утечек) газа при повреждениях газопроводов // Научно технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергосбережения: Сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2006. – с. 51-58. Лично автора 4 с.
5. , / Зависимость аварийной опасности эксплуатации систем – газопроводов от материальных затрат // Газ России. Отраслевой научно-технический и производственный журнал. СПб.,2007. №1. с. 52-56. Лично автора 3 с.
6. , / Определение объемов выбросов газа из поврежденных надземных газопроводов // Безопасность труда в промышленности. Массовый научно-производственный журнал.-М., 2007 № 2. с.42-46. Лично автора 3 с.
7. / Определение безопасных расстояний в целях защиты окружающей среды при авариях на газопроводах // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. Научно-технический журнал. - М., 2007 № 7.–с.23-27.
8. , /Оценка опасности повреждения газопровода – один из главных показателей эффективности систем газоснабжения сельской местности и социальной защиты населения // Актуальные проблемы проектирования и строительства объектов АПК России: Сб. материалов конф. – Саратов: НИПИгипропромсельстрой, 2007. – с. 164-171. Лично автора 4 с.
9. / Особенности определения утечек (выбросов) газа при повреждении газопроводов низкого давления // Актуальные проблемы проектирования и строительства объектов АПК России: Сб. материалов конф. – Саратов: НИПИгипропромсельстрой, 2007. – с. 310-313.
10. , / Определения объемов выбросов (утечек) газа и алгоритм решения задачи при повреждении газопроводов низкого давления // Вестник МГСУ. – 2008. № 3. с. 107-110.
