Приложение Е (СТО Газпром 2-2.3-400-2009)

  Главная      Учебники - Газпром     СТО Газпром 2-2.3-400-2009

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  ..

 

 


Приложение Е (СТО Газпром 2-2.3-400-2009)

 

(рекомендуемое)

Методики расчета пространственно-временного распределения выбрасываемых продуктов с учетом их физико-химической трансформации

Е.1 Методика расчета параметров облака газа, сформированного при истечении сверхзвуковой струи газа

Исходные данные:

 - внутренний диаметр газопровода, м;

GЕ- массовый расход истекающего газа, кг/с;

 - температура транспортируемого газа в месте разрыва до аварии, град. К.

Искомые параметры

C(x,r,t) – распределение концентрации метана в пространстве (по оси струи – координате x и в направлении, поперечном оси струи – по координате r) и времени t.

Порядок расчета

Для критических условий (М=1 - число Маха) аварийного истечения газа из конца разорванного участка газопровода (в аварийном выходном сечении участка трубопровода) (индекс «Е») устанавливаются следующие газодинамические параметры потока, которые определяются по формулам

,

(Е.1)

 

,

(Е.2)

 

,

(Е.3)

где - скорость газа в сечении разрыва;

- местная скорость звука;

- удельная газовая постоянная газа;

-показатель адиабаты, Ра – атмосферное давление;

- диаметр трубы;

- температура транспортируемого газа в месте разрыва до аварии.

Проверка условия критического истечения по превышению статистического давления в выходном сечении трубопровода атмосферного давления является обязательной процедурой и гарантирует правильность применения нижеследующих процедур. Если условие не выполняется, то истечение газа происходит в дозвуковом режиме, размеры зоны загазованности небольшие и ими можно пренебречь по сравнению с размерами зон, наблюдавшимися при звуковом истечении.

После выходного сечения на определенном участке (в пределах нескольких диаметров трубы) при превышении статическим давлением на срезе трубы атмосферного давления происходит изоэнтропическое расширение газа с разгоном потока до сверхзвуковых скоростей (М>1) и формированием системы скачков уплотнения (без изменения расходных характеристик в образующемся струйном течении). Для данного участка течения характерна существенная неравномерность потока. При этом за счет действия скачков уплотнения происходит потеря полного давления. В конце данного участка давление в поперечной плоскости течения выравнивается и становится равным атмосферному. Данное сечение в газовой динамике получило название «изобарическое сечение нерасчетной струи» или «ударная плоскость».

В ударной плоскости (индекс «s») значение газодинамического параметра скорости – числа l определяется по формуле

,

(Е.4)

где  – атмосферное давление.

Значения температуры, числа Маха, плотности и диаметра эквивалентного сечения струи в ударной плоскости рассчитываются по формулам

,

(Е.5)

 

,

(Е.6)

 

,

(Е.7)

 

,

(Е.8)

Распределение скорости и объемной концентрации по осевой () координате на расстояниях существенно превышающих длину участка расширения описывается функциями:

- для струй распространяющихся в неограниченном воздушном пространстве

,

(Е.9)

- для настильных струй, распространяющихся вдоль поверхности земли

,

(Е.10)

где - плотность атмосферного воздуха, а функция  определяется следующим образом

,

(Е.11)

Безразмерная координата  определяется из соотношения

(Е.12)

Распределение продольной скорости и концентрации в поперечном к оси струи направлении  можно задать в виде зависимостей, предложенных Шлихтингом

,

(Е.13)

 

,

(Е.14)

где ,

значение  принимается равным 0,2¸0,25 (рекомендуется ).

 

Рисунок Е.1 – Параметры свободного струйного истечения природного газа

из одного конца поврежденного трубопровода

На рисунке Е.1 приведены результаты расчета длины и полуширины струи, соответствующих НКПВ метана, при свободном истечении при сверхкритических параметрах в неподвижную атмосферу из одного конца поврежденного газопровода диаметром 1 420 мм с максимальным рабочим давлением 7,5 МПа при разрыве посередине перегона длиной 120 км. Из полученных результатов видно, что максимальная длина (по оси струи) зоны загазованности при выбросе из МГ большого диаметра не превышают 900 м. С учетом того, что при независимом выбросе струй из двух концов участка разрыва они будут ориентированы вдоль исходной оси МГ с возможным отклонением от нее (по оценкам) не более чем на 15-20°, потенциально опасная (воспламеняемая) зона загазованности не выходит за пределы нормативных разрывов между МГ и населенными пунктами.

Е.2 Методика расчета размеров лужи при проливе жидкости

Исходные данные:

G(t) - массовая суммарная интенсивность истечения конденсата из обоих концов поврежденного трубопровода, кг/с;

- радиус кривизны сферической котловины, в которую вытекает продукт, м;

- плотность пролитого конденсата, кг/м3;

 тип и свойства грунта.

Искомые параметры:

h- текущий уровень разлитой жидкости, м;

R3 - радиус «зеркала» разлитой жидкости, м.

Порядок расчета.

При аварийной разгерметизации конденсатопроводов происходит истечение под давлением сжиженного газа и «мгновенное» испарение в окружающем пространстве определенной его части. При этом за счет изоэнтальпийного расширения (дросселирования) оставшаяся часть жидкости охлаждается относительно исходной (в рабочих условиях) температуры и растекается по поверхности грунта. Поскольку при атмосферном давлении охлажденный сжиженный газ переходит уже в новое равновесное (насыщенное) состояние, любой подвод тепла из окружающей среды приводит к дальнейшему испарению части его массы с одновременным изменением компонентного состава смеси за счет преимущественного испарения наиболее высококипящих компонентов.

Таким образом, массовая интенсивность испарения сжиженного газа при аварийном истечении определяется тремя факторами:

- резким падением давления;

- теплопритоком из массива грунта;

- турбулентно-диффузионным потоком тепла из атмосферы.

Сценарии истечения и растекания жидкости могут быть весьма разнообразны в зависимости от сезонного состояния поверхности грунта, рельефа местности и других факторов. Не снижая общности модели, с учетом возможности более полного и качественного учета теплового баланса, принимается, что разрушение трубопровода и истечение продукта происходят в природной котловине с геометрическим приближением в виде сферического сегмента рисунок Е.2.

Рисунок Е.2 – Схема истечения конденсата в природную котловину в виде сферического сегмента

Тогда материальный баланс процесса заполнения котловины записывается в виде

,

(Е.15)

где - массовая суммарная интенсивность истечения конденсата из обоих концов поврежденного трубопровода, кг/с;

- интегральная интенсивность испарения массы сжиженного газа за счет внешнего теплопритока (за счет охлаждения грунта по смоченной поверхности и радиационно-конвективного теплопритока к разлитой жидкости из атмосферы), кг/с;

 – коэффициент изоэнтальпийного испарения при истечении жидкости.

Значение коэффициента , отвечающего за учет парообразования вследствие падения давления, определяется из системы уравнений состояния в форме Редлиха-Квонга или по методике, представленной в Д.4 (приложение Д):

- плотность пролитого конденсата, кг/м3;

V- текущий объем разлива для сферического сегмента, который определяется по следующей формуле

,

(Е.16)

где - текущий уровень жидкости и радиус «зеркала» разлитой жидкости.

Текущее значение площади смоченной поверхности массива грунта

,

(Е.17)

где - радиус кривизны сферической котловины – считается известным или задается из геометрических соображений.

Зная текущее значение V(t) легко определить высоту подъема жидкости h путем решения кубического уравнения

.

(Е.18)

Значение при известном значении h рассчитывается по соотношению

.

(Е.19)

В случае  уравнение Е.15 перепишется в виде

,

(Е.20)

где f(t) – аппроксимационная зависимость удельной интенсивности испарения, полученная  из обработки экспериментальных данных для различных ситуаций разлива конденсата различного состава, либо путем численного решения по [17], .

Рекомендуется в качестве аппроксимации использовать зависимость вида

,

(Е.21)

В качестве примера на рисунке Е.3 представлены, в соответствии с Работой [17], кривые удельной интенсивности испарения для различных ситуаций разлива конденсата. Расчеты проведены для наиболее характерных грунтов, характеристики которых представлены в таблице Е.1.

Рисунок Е.3 –  Удельная интенсивность испарения конденсата при кипении на поверхности грунта: летом (1 – суглинок влажностью 20%, 2 – торф влажностью 80%, 3 – песок влажностью 15%); 4 – зимой

 

Таблица Е.1 - Свойства грунтов вдоль трассы трубопровода

Свойства

Теплопроводность,

Ккал/(м.ч.°С)

Теплоемкость,

Ккал/(м.ч.°С)

Удельный вес

Характерная влажность

Тип грунта

талый

мерзлый

талый

мерзлый

кг/м3

%

Песок

1,55

1,9

0,294

0,233

1800

15

Суглинок

1,24

1,5

0,325

0,245

2000

20

Торф

0,85

1,1

0,5

0,45

1200

80

 

Аппроксимация полученных зависимостей с помощью уравнения (Е.2.7) дает следующие значения коэффициентов а и b (см. таблицу Е.2).

 

Таблица Е.2 - Вириальные коэффициенты для уравнения (Е.2.7)

Расчетная ситуация

а

b

Суглинок, влажность w=20%, лето

1.806

-0.563

Сухой песок, w=15%. Лето

2.005

-0..541

Влажный торф, w=80%, лето

1.923

-0.621

Суглинок, w=20%, зима

1.063

-0.638

С использованием уравнения аппроксимации (Е.21) уравнение (Е.20) интегрируется численно методом Рунге-Кутта. В результате получаем зависимость V(t).

Зная V(t) по уравнениям (Е.18) и (Е.19) определяем  и, соответственно, текущую площадь зеркала.

Пример расчета.

В качестве примера на рисунке Е.4 представлена динамика изменения размеров лужи при проливе конденсата при различных интенсивностях истечения из аварийного трубопровода (от 50 до 1000 кг/с) для радиуса кривизны котловины 750м.

1 - 50 кг/с;  2 - 100 кг/с;  3 -  500 кг/с;  4 – 1000 кг/с

Рисунок Е.4 – Динамика изменения размеров лужи при проливе конденсата при различных интенсивностях истечения из аварийного трубопровода при радиусе кривизны котловины 750м

 

Е.3. Методика расчета испарения пролива

Исходные данные:

- зависимость радиуса пролива конденсата от времени, м;

состав продукта (смеси);

Твозд –температура воздуха,0С;

uв – скорость ветра, м/с;

Тгр – температура грунта, 0С;

тип и свойства грунта.

Искомые параметры

F(t) - интегральная интенсивность испарения продукта, кг/с;

Порядок расчета.

Методика расчета испарения пролива основана на использовании предварительно рассчитанных для различных ситуаций аппроксимирующих зависимостей удельной интенсивности испарения и рассчитанных по Методике Приложения Е.2 размеров лужи при проливе конденсата.

Интегральная интенсивность испарения F(t), кг/с, вычисляется по формуле

,

(Е.22)

где - зависимость радиуса пролива конденсата от времени, м , определяется по Методике Е.2;

- удельная интенсивность испарения конденсата от времени, кг/с определяется по зависимости Е.23.

 

Удельная скорость испарения конденсата из лужи определяется из уравнения

,

(Е.23)

где коэффициенты а и b определяются из таблицы Е.3;

 - коэффициент, учитывающий наличие ветра, б/р.;

 - коэффициент учета шероховатости поверхности грунта, б/р.

 

Таблица Е.3 - Вириальные коэффициенты для уравнения Е.23

Состав смеси

Тип грунта

 

Бетон

Песок, влажность 15%

Песок, влажность 80%

Суглинок влажность 20%

ШФЛУ, лето, Тгр=10ºС, Твозд=10ºС

a=0,241

b= - 0,437

a=0,4424

b= - 0,411

a=0,6272

b= - 0,4272

a=0,5334

b= - 0,4336

ШФЛУ, зима, Тгр=-5ºС, Твозд=-10ºС

a=0,191

b= - 0,43

a=0,4536

b= - 0,4172

a=0,5152

b= - 0,4224

a=0,4158

b= - 0,4224

Пропан(40)-Бутан(60) лето, Тгр=10ºС, Твозд=10ºС

a=0,0663

b= - 0,271

a=0,15763

b= - 0,276

a=0,1747

b= - 0,265

a=0,1403

b= - 0,26

Пропан(40)-Бутан(60) зима, Тгр=-5ºС, Твозд=-10ºС

a=1,046

b= - 0,33

a=0,21

b= - 0,284

a=0,266

b= - 0,31

a=0,2171

b= - 0,31

Пропан(50)-Бутан(50) лето, Тгр=10ºС, Твозд=10ºС

a=0,0575

b= - 0,28

a=0,1456

b= - 0,28

a=0,1532

b= - 0,27

a=0,1341

b= - 0,279

Пропан(50)-Бутан(50) зима, Тгр=-5ºС, Твозд=-10ºС

a=0,1

b= - 0,347

a=0,2453

b= - 0,341

a=0,2638

b= - 0,335

a=0,21

b= - 0,33

Пропан(60)-Бутан(40) лето, Тгр=10ºС, Твозд=10ºС

a=0,0575

b= - 0,28

a=0,1456

b= - 0,28

a=0,1532

b= - 0,27

a=0,1341

b= - 0,279

Пропан(60)-Бутан(40) зима, Тгр=-5ºС, Твозд=-10ºС

a=0,1

b= - 0,347

a=0,2453

b= - 0,341

a=0,2638

b= - 0,335

a=0,21

b= - 0,33

 

Коэффициент поправки на ветер определяется по уравнению

,

(Е.24)

где  – скорость ветра, м/с.

Коэффициент поправки на шероховатость поверхности  для реальных грунтов изменяется в пределах 1,5 – 4,5 и определяется методом экспертной оценки. Наиболее широко используемое (рекомендуемое) значение -2,63.

Таблица Е.4 - Состав ШФЛУ, используемый для расчета параметров в таблице Е.3

Состав ШФЛУ

Мольная доля

Этан

0,0251

Н-бутан

0,2341

Гексан

0,0322

Состав ШФЛУ

Мольная доля

Пропан

0,4953

Изопентан

0,0368

Изобутан

0,087

Н-пентан

0,0895

 

Е.4 Геометрические размеры пламени при горении газа

Характер горения газа при авариях на газопроводах и масштабы теплового воздействия пожара на окружающую среду зависят от конкретного сочетания целого ряда факторов, среди которых можно указать такие как:

-        максимальное рабочее давление газа, диаметр газопровода, место разрыва на перегоне между КС;

-        общие размеры разрушения (линейный пробег трещины), характерные размеры (длина, ширина и глубина) грунтового новообразования; характеристики массива грунта; взаимное положение осей концов разрушенного участка трубопровода.

Факторы первой группы определяют интенсивность и динамику выброса газа вверх и вниз по потоку от места разрыва, факторы второй – интегральное газодинамическое поле взаимодействующих высокоскоростных струй газа.

В качестве базовых вариантов формы пламени пожара при разрывах газопроводов рекомендуется принимать следующие:

-       горение невзаимодействующих  настильных (слабо наклонных к горизонту) двух (или одной) струй газа, истекающих в сверхкритических режимах в противоположных направлениях из разведенных (относительно исходного положения) концов разрушенного трубопровода (сценарий – «струевое пламя»);

-      горение газового шлейфа, образующегося при встречном газодинамическом взаимодействии двух потоков газа, истекающих со звуковой скоростью из концов поврежденного участка трубопровода и с ориентацией интегрального, относительно низкоскоростного, потока, близкой к вертикальной (сценарий – «пожар в котловане»).

Е.4.1 Расчет геометрических размеров пламени для сценариев группы С1 «Пожар в котловане»

Для сценариев указанной группы пламя пожара моделируется в виде цилиндрического твердого теплового излучателя, вертикального или наклонного (рисунок Е.5)

Рисунок Е.5 – Схематическое представление пламени пожара на газопроводе при сценариях группы С1 «Пожар в котловане»

Исходные данные:

G, кг/c – суммарный массовый расход газа при его аварийном истечении из двух концов разрушенного газопровода на заданный момент времени t (отсчет времени – от момента разрушения газопровода) или его осредненное значение за заданный промежуток времени Δt.

            - низшая теплота сгорания газа, Дж/кг;

Искомые параметры:

 - длина (высота) цилиндра пламени, м ;

- эффективный диаметр очага пожара, м ;

Порядок расчета

Искомые параметры определяются путем решения следующей системы уравнений относительно переменных 

,

(E.25)

где Qф – общее тепловыделение пожара, кВт;

- низшая теплота сгорания метана, кДж/кг.

Е.4.2 Расчет геометрических размеров пламени для сценариев группы С2 «струевые пламена»

Следует учитывать, что из-за физических особенности горения настильных струй при сверхкритических параметрах истечения природного газа из трубопровода, т.е. когда источник выброса ориентирован горизонтально и расположен на уровне поверхности земли, в силу торможения струи и изменения поверхности эжекционного захвата воздуха, длина видимой части пламени (), увеличивается на 20-25 % по сравнению с длиной свободного пламени.

Концевая часть настильного факела (~0,2) имеет выраженное отклонение вверх, сгорает в виде отдельных языков пламени (см. рисунок Е.6) и вносит относительно незначительный вклад в общее излучение тепла от факела в окружающее пространство. Также незначительное влияние на характеристики теплового излучения оказывает начальный («слабосветящийся») участок факела длиной (0,2-0,25).

Как было отмечено выше, при встречном газодинамическом взаимодействии истекающих в критическом режиме потоков газа в условиях влияния ограничивающих поверхностей грунтового новообразования может возникать пламя с весьма сложной объемной конфигурацией.

Рисунок Е.6 - Встречное струевое горение. Излучающая поверхность пламени представляется в виде конусов

Для сценариев указанной группы пламя моделируется как твердый тепловой излучатель в виде усеченного конуса, наклонного или горизонтального (рисунок Е.7)

Рисунок Е.7 – Схематическое представление струевого пламени при сценариях аварий группы С2 «струевые пламена» (показана одна струя).

 

Исходные данные:

- интенсивность истечения газа из аварийного участка газопровода выше по потоку газа от места разрыва, кг/с (определяется по методикам Приложения Г);

- интенсивность истечения газа из аварийного участка газопровода ниже по потоку газа от места разрыва, кг/с (определяется по методикам Приложения Г);

- низшая теплота сгорания газа, Дж/кг;

 - плотность газа в нормальных условиях, кг/м3;

– скорость ветра, м/с;

w - атмосферная влажность, %;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

k - показатель адиабаты газа, б/р;

R - удельная газовая постоянная, Дж/(моль·К);

α - угол наклона к горизонту оси конусообразного пламени, град;

 - температура транспортируемого газа в месте разрыва до аварии, К;

d0- диаметр трубы, м;

Ра – атмосферное давление, Па;

T0 - температура транспортируемого газа в месте разрыва до аварии, К;

Искомые параметры:

- общая длина струевого пламени (факела), м;

h – отрыв факела от выходного сечения отверстия истечения, м;

RL- длина видимой части конусообразного пламени (высота усеченного конуса), м;

W1 – ширина малого основания усеченного конуса пламени, м;

W2 – ширина большого основания усеченного конуса пламени, м.

Порядок расчета

Расчет ведется независимо для каждой из 2-х струй.

Для критических условий (М=1 - число Маха) аварийного истечения газа из конца разрушенного участка газопровода (в аварийном выходном сечении участка трубопровода) (индекс «Е») устанавливаются следующие газодинамические параметры потока (скорость, плотность и давление)

,

(Е.26)

где - местная скорость звука,

fE=(π d02 )/4 - площадь поперечного сечения трубы,

 – массовый расход газа, кг/с соответственно для первой (i=1) и второй(i=2) струи;

Проверка условия критического истечения (E.26) по превышению статическим давлением в выходном сечении трубопровода атмосферного давления является обязательной процедурой и гарантирует правильность применения нижеследующих процедур. Если условие (Е.26) не выполняется, то истечение газа происходит в дозвуковом режиме, размеры зоны загазованности небольшие и ими можно пренебречь по сравнению с размерами зон, наблюдающимися при звуковом истечении.

После выходного сечения на определенном участке (в пределах нескольких диаметров трубы) при превышении статическим давлением на срезе трубы атмосферного давления происходит изоэнтропическое расширение газа с разгоном потока до сверхзвуковых скоростей (М>1) и формированием системы скачков уплотнения (без изменения расходных характеристик в образующемся струйном течении). Для данного участка течения характерна существенная неравномерность потока. При этом за счет действия скачков уплотнения происходит потеря полного давления. В конце данного участка давление в поперечной плоскости течения выравнивается и становится равным атмосферному. Данное сечение в газовой динамике получило названия «изобарическое сечение нерасчетной струи» или «ударная плоскость».

В ударной плоскости (индекс «s») значение газодинамического параметра скорости – числа ls определяется как

,

(Е.27)

Значения температуры, числа Маха, плотности и диаметра эквивалентного сечения струи в ударной плоскости приведены ниже.

,

(Е.28)

,

(Е.29)

,

(Е.30)

.

(Е.31)

Общая длина струи определяется по первой формуле системы (E.25) (с учетом заданной интенсивности истечения G1 (или G2)

,

(Е.32)

Отрыв факела пламени от среза разорванной трубы (отверстия) , м, определяется по формуле

,

(Е.33)

Длина видимой части пламени (высота усеченного конуса) , м, определяется по формуле

,

(Е.34)

Ширина малого основания усеченного конуса , м, определяется по формуле

,

(Е.35)

где  – плотность воздуха при  и 293 К, кг/м3;

 – плотность газа в стандартных условиях, кг/м3.

Ширина большого основания усеченного конуса , м, определяется по формуле

,

(Е.36)

Порядок расчета для настильной струи.

Общая длина настильной струи (т.е. горизонтальной струи с источником выброса на уровне земли) рассчитывается по формуле

,

(E.37)

Остальные геометрические размеры настильной струи рассчитываются аналогично вышеприведенному алгоритму по формулам Е.33-Е.36.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  10  11  12  13  14  15  16  ..