Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности

Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ
ЗАЛПОВЫХ ВЫБРОСАХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ ОБЪЕКТОВ ГАЗОВОГО
КОМПЛЕКСА
Акопова Г.С., Ганага С.В., Толстова Н.С.
Россия, Москва
Для обеспечения экологической и промышленной безопасности в газовой отрасли
имеет большое значение прогнозирование и точный расчет регламентных, а также
аварийных залповых выбросов при нестационарных режимах истечения природного газа.
Потенциальными источниками организованных залповых выбросов природного газа в
окружающую среду являются объекты линейной части магистрального газопровода (ЛЧ
МГ),
компрессорных
станций
(КС),
газораспределительных
станций
(ГРС),
газоизмерительных станций (ГИС) на объектах транспорта газа. При проведении плановых
регламентных работ на трубопроводах и технологическом оборудовании объектов
транспорта газа, особенно при аварийных ситуациях в атмосферу попадает большое
количество природного газа, на 90% и более состоящего из метана.
Залповые выбросы характеризуются большими объемами выбрасываемого газа и
сверхзвуковыми скоростями выброса. При поступлении таких выбросов в атмосферу
существует проблема корректной оценки концентраций метана и соответствие их
санитарным нормам как в селитебной, так и промышленной зоне.
Особенно важно знание изменения параметров выбросов во времени, что необходимо
для разработки мероприятий по снижению залповых и ликвидации аварийных выбросов в
атмосферу, при которых мощность выброса меняется от максимальной в начальный период
выброса до нулевой. При этом с такой же скоростью могут меняться и другие параметры
залпового организованного источника выброса (эффективная высота и эффективный диаметр
источника, скорость выброса и др.).
Важную роль в процессе рассеивания играют метеорологические факторы, такие как
термическая устойчивость атмосферы, скорость и направление ветра, атмосферная
диффузия.
До настоящего времени в практике инженерных расчетов применялись в основном
стационарные математические модели. Основным документом для расчета концентраций
вредных веществ в атмосфере в РФ является ОНД-86. Методика предназначена для
определения приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а
также вертикального распределения концентраций для стационарных источников. Методика
не распространяется на расчет концентраций на дальних расстояниях (более 100 км от
источника выброса).
Существенными недостатками методики ОНД-86 являются неучет скорости
истечения газа и атмосферной диффузии при нестационарных режимах, приводящие к тому,
что по результатам расчетов газовое облако имеет концентрацию газа существенно выше
предельно-допустимой. Последнее обстоятельство не подтверждается результатами
инструментального контроля качества атмосферного воздуха.
В настоящее время также имеется временная методика расчета рассеивания газовых
выбросов из наземных источников на объектах газовой промышленности, разработанная
ВНИИГАЗом в 1987 г. Рекомендуемые в методике расчетные формулы применимы для
условий сравнительно ровной и малопересеченной местности, характеризующейся
небольшими оврагами, балками и малой растительностью. Методика носит частный
характер и может использоваться лишь при стационарном выбросе (истечение через малое
отверстие в трубе) для некоторых метеоусловий.
Для прогнозирования масштабов заражения при авариях на химически опасных
объектах и транспорте действует методика заблаговременного прогнозирования масштабов
Том 2, 2010, № 1
53
Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
заражения в случае выбросов в окружающую среду при авариях на химически опасных
объектах и транспорте (РД 52.04.253-90). Эта методика рекомендуется для расчетов
рассеивания при выбросах сжиженных и сжатых газов из емкостей и трубопроводов.
Перечисленные методики не применимы для расчета рассеивания при
нестационарном истечении природного газа.
Существующие на настоящий момент методики, применяемые для расчетов
параметров нестационарных источников, представляют собой сложные системы
дифференциальных уравнений в частных производных, которые требуют задания граничных
условий и большого комплекса параметров внешней среды. Реализуются они в виде
сложных комплексов программ, что требует высококвалифицированных специалистов.
Существенным недостатком этих методик является невозможность задания на практике
всего комплекса граничных и начальных условий и существенные временные затраты для
расчета даже одного варианта. Следует отметить, что рассчитываемый вариант соответствует
одному состоянию атмосферы (конкретные значения скорости и направления ветра,
стабильность атмосферы) В практике использования методик по расчету распространения
загрязняющих веществ требуется учитывать статистические параметры поведения
атмосферы (роза ветров, вероятность реализации стабильности атмосферы и т.д.), чего
вышеупомянутые методики обеспечить не в состоянии.
Рекомендуемая методика решит актуальную проблему расчета загрязнения
атмосферного воздуха природным газом от залповых и аварийных выбросов для
предприятий газовой отрасли, которая сводит к минимуму вышеперечисленные недостатки
при сохранении необходимой для практики точности расчетов.
Целью разработки методики является повышение промышленной и экологической
безопасности и совершенствование системы компенсирования вреда окружающей среде при
авариях на магистральных газопроводах.
Новизна работы заключается в том, что впервые на основе статистической
информации об авариях и математических моделях расчета залповых и аварийных выбросов
газа определены методические принципы и критерии воздействия поражающих факторов
аварий на компоненты окружающей природной среды. Методика обеспечивает достоверную
оценку концентрации метана в атмосферном воздухе. Методика позволит рассчитать
ситуацию для фиксированного состояния атмосферы с конкретным набором параметров
ветра и стабильности.
В качестве примера на рисунке 1 приведен предварительный оценочный расчет
параметров облака метана, распространяющегося вдоль направления ветра в спокойной
атмосфере (класс стабильности F, скорость ветра 2,5 м/с) при залповом выбросе из
магистрального газопровода.
54
Безопасность критичных инфраструктур и территорий
Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
Рисунок 1 – Предварительный расчет концентраций
Для верификации рекомендуемой методики с известными в мировой практике нами
были проведены экспериментальные исследования рассеивания природного газа при
залповых выбросах. Задачей исследования был сбор данных о создаваемых в атмосферном
воздухе концентрациях. В дальнейшем планируется разработка модели рассеивания на
основе этих данных.
Методика экспериментальных исследований
При организации и подготовке экспериментальных работ учитывались:
- особенности района расположения объектов исследования (наличие фоновых
источников выбросов углеводородов (УВ), предприятий, автодорог);
- метеорологические условия района;
- рельеф местности;
параметры источника выделения (объем продуваемого оборудования, диаметр
свечи, длина продуваемого участка).
Методика проведения работ включала измерения концентраций метана в процессе
стравливания и продувки.
Измерения проводились с целью исследования процесса рассеивания выбросов при
стравливании.
Эксперименты проводились при любой погоде, включая НМУ.
Контроль загрязнения атмосферы выполнялся на расстоянии 50 - 2500 м от источника
выброса и на высоте 1,5 – 2,5 м над подстилающей поверхностью.
Замеры проводились с помощью переносных приборов высокой чувствительности (1
ppm) и экологических лабораторий на базе автомобилей.
До начала эксперимента размещались и проверялись приборы контроля метана в
атмосфере. Размещение имеющего количества приборов основано на условии, что наиболее
информативны пункты контроля по оси направления ветра. Для определения расстояния от
источника выброса, на котором следует расположить приборы контроля, в первом
эксперименте использовались предварительные расчеты концентраций метана по одной из
действующих математических моделей.
Для определения координат приборов контроля метана использовались приборы GPS,
координаты которых записывались в формате широта-долгота точки контроля метана.
Измерения производились с максимально возможной частотой и одновременной
регистрацией моментов времени от начала истечения газа.
Том 2, 2010, № 1
55
Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
При необходимости производилась коррекция положения рабочей точки отбора проб
воздуха (точки контроля) в соответствии с изменением направления ветра распространением шлейфа выбросов при уточнении метеопараметров с записью новых
координат точки контроля.
Метеорологические инструментальные измерения и визуальные наблюдения
проводились синхронно с измерениями концентраций метана с последующей
синхронизацией данных о концентрациях и метеорологических характеристиках.
В течении отбора пробы воздуха в точке контроля фиксировались следующие
метеопараметры - атмосферное давление, температура, относительная влажность,
направление и скорость ветра.
На основе визуальных наблюдений, проводимых без использования приборов,
определялись:
- метеорологическая дальность видимости (м);
- характеристика подстилающей поверхности, степень увлажнения (сильно
увлажненная, умеренно увлажненная, сухая);
- характеристика растительности, влияющей на определение параметра
шероховатости подстилающей поверхности и др.
- степень покрытости неба облачностью нижнего, верхнего и среднего ярусов,
особые явления погоды (грозы, туман, дымка, мгла), в т.ч. дождь по трем градациям
(сильный, умеренный, слабый), а также морось.
Результатом эксперимента явились массивы замеров концентраций метана для серии
замеров. Обработка данных на компьютере проводилась по завершении замеров параметров
эксперимента.
Результаты исследований.
Был проведен ряд экспериментов (таблица 1) по замерам концентраций метана в
атмосферном воздухе при стравливании и продувке через свечи от различного
технологического
оборудования
(газопровод-шлейф,
магистральный
газопровод,
пылеуловитель).
Таблица 1. Объекты проведения экспериментов
Свеча
Выходной газопроводСвеча
магистрального газопровода шлейф КС
пылеуловителя
Высота
3,6
м,
высота
2,7
мм;Т-образная
свеча
диаметр 300мм
диаметр 150 мм.
диаметром 57 мм и
высотой 2 м.
5
постов
3 поста наблюдений на
3 точки измерения
наблюдений: 350, 563, 1042, расстоянии 300,520 и 1000 м.
концентраций метана: 44 м
1173, 1758, 2412 м.
на юг, 83 и 124 м в
обратном направлении.
Начальное давление
Начальное давление на
Объем
на участке – 4,0 МПа, длина участке 4,4МПа,
длина стравливаемого газа – 36
стравливаемого участка – стравливаемого участка – 334 м3, начальное давление в
25
км,
диаметр метра, диаметр трубопровода пылеуловителе – 4,5 МПа.
трубопровода – 1020 мм.
720 мм.
Результаты измерений концентраций метана в атмосфере
Результаты измерений метеопараметров и фоновые концентрации метана в атмосфере
перед началом стравливания приведены в таблицах 2,3. Данные по измерениям
концентраций метана по точкам контроля в период истечения газа приведены на рисунках 256
Безопасность критичных инфраструктур и территорий
Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
4.
Таблица 2 . Данные замеров метеопараметров
Свеча
Выходной
магистрального
газопровод-шлейф
газопровода
КС
Около
520 м
свечи
о
Температура
С 17,53/17,75
21,7/21,8 15,7/16,7
(фон/замер)
5
Влажность,%
61
32,3/32,2 74,9/73,4
(фон/замер)
Давление (мм.рт.ст.) 747,06
–
754,56/ 748,41/
747,06/
(фон/замер)
754,56
748,3
747,06
Направление
от 168 до 227/148-232 от 133 до 210
ветра,градус
(фон/замер)
Скорость ветра, м/с от 2,1 до 5,1/ от 1,3 1-8
(фон/замер)
до 4,3
Свеча
пылеуловителя
23,65/21,9
31,6/33,9
996,48
996,5
WSW
(747,42)/
0-4,1
Таблица 3. Фоновые концентрации
Свеча
магистрального Выходной газопровод-шлейф Свеча пылеуловителя
газопровода
КС
2,34 - 3,79
2-95
2,4
Стравливание через свечу магистрального газопровода
В период проведения замеров была ясная сухая погода, порывистый ветер.
В течение 43 минут перед стравливанием проводились фоновые замеры концентрации
метана и метеопараметров.
На рисунке 2 приведены все результаты замеров концентраций метана по точкам
постов наблюдений.
Том 2, 2010, № 1
57
Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
Рисунок 2 – Концентрации метана в атмосфере при стравливании газа из свечи МГ на
различных расстояниях.
Закрашенный розовым фрагмент обозначает уровень ПДК метана.
Были проведены замеры концентрации метана по окончании стравливания (через 2
часа 22 минуты) на расстоянии 32 и 79 метров от свечи, в течении 3 минут с записью
результатов через каждые 5 сек. На расстоянии 32 метра максимум концентраций составил
2132 ppm, на 79 метрах – 132 ppm.
Стравливание выходного газопровода - шлейфа
Фоновые замеры метеопараметров и концентрации метана проводились в течение 42
минут перед стравливанием.
Стравливание газа из выходного газопровода – шлейфа в атмосферу проводилось в
течение 10 минут.
Данные по измерению концентрации метана по точкам постов наблюдений в период
стравливания газа в атмосферу через свечу выходного газопровода-шлейфа приведены на
рисунке 3.
58
Безопасность критичных инфраструктур и территорий
Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
Замеры выходного газопровода
концентрация метана, ppm
450
400
350
300
250
300 м
520 м
200
150
100
1000 м
ПДК
11
:5
2
11 :0 0
:5
2
11 :3 0
:5
3
11 :0 0
:5
3
11 :3 0
:5
4
11 :0 0
:5
4
11 :3 0
:5
5
11 :0 0
:5
5
11 :3 0
:5
6
11 :0 0
:5
6
11 :3 0
:5
7
11 :0 0
:5
7
11 :3 0
:5
8
11 :0 0
:5
8
11 :3 0
:5
9
11 :0 0
:5
9
12 :3 0
:0
0
12 :0 0
:0
0
12 :3 0
:0
1
12 :0 0
:0
1
12 :3 0
:0
2:
00
50
0
Рисунок 3 – Концентрация метана в атмосфере при стравливании газа из выходного
газопровода – шлейфа на различных расстояниях от свечи
После окончания стравливания (23 и 27 минута с начала опыта) были проведены
замеры концентрации метана на расстоянии 20 и 50 метров от свечи, данные записывались
каждые 5 секунд. На 20 метрах максимум концентраций составил 27, а на 50 – около 100
ppm.
Продувка через свечу пылеуловителя №5 ЭКЦ-1
Измерения фоновых концентраций метана около свечи проводились в течение 10
минут до начала эксперимента.
На рисунке 4 представлены результаты изменения давления и замеров концентрации
метана по точкам постов наблюдений.
Концентрация метана, ppm
14000
12000
10000
точка 1
8000
точка 2
6000
точка 3
ПДК
4000
2000
16:42:30
16:41:30
16:40:30
16:39:30
16:38:30
16:37:30
16:36:30
16:35:30
16:34:30
16:33:30
16:32:40
16:31:55
16:31:12
16:30:40
16:30:00
16:29:00
0
Рисунок 4 – Изменение концентрации метана в атмосфере при продувке
пылеуловителя
Том 2, 2010, № 1
59
Вопросы обеспечения пожарной и промышленной безопасности
Заключение
Проведен комплекс исследований в полевых условиях по рассеиванию
метана в атмосфере при нестационарном режиме истечения газа из источников
организованных залповых выбросов. Измерение приземной концентрации метана в
атмосфере проводилось с использованием быстродействующей высокочувствительной
аппаратуры и приборов.
Проведенные экспериментальные исследования являются первой попыткой
в практике ОАО «Газпром» оценить инструментально уровень приземной концентрации
метана в процессе продувок и стравливания природного газа из оборудования высокого
давления.
Получены экспериментальные результаты свечей: с вертикальным и
горизонтальным выходом газа. Для свечей с вертикальным выходом природного газа
экспериментально подтвержден принципиально важный вывод о достижении шлейфом
выброса природного газа поверхности земли, несмотря на звуковые скорости выхода газа
из свечи и плавучесть метана в воздухе за счет существенно меньшей плотности.
Результаты экспериментов показали, что даже для мощных выбросов через
вертикальные свечи большого диаметра концентрация метана в приземном слое
атмосферы хотя и может превышать предельно-допустимые концентрации, но
непродолжительная по времени за счет нестационарных режимов и высокой критической
скорости рассеивания. В среднем, значения, превышающие ПДК составляют 19-20% от
всего массива данных.
Проведено сравнение экспериментальных данных с расчетами по методике ОНД86. На основании полученных результатов видно, что методика ОНД-86 неприменима для
расчетов залповых выбросов и не дает корректной картины загрязнения окружающей
среды.
Полученные экспериментальные данные выявили необходимость разработки
математической модели для нестационарных выбросах метана в атмосферу при продувках
и стравливании природного газа через продувочные свечи от организованных залповых
источников выбросов.
60
Безопасность критичных инфраструктур и территорий