Моделирование процесса образования и перемещения облака при истечении СПГ из аварийных отверстий и трубопроводов

1. Моделирование процесса образования и перемещения облака при истечении СПГ из аварийных отверстий и трубопроводов.

Чайка Иван
W4205
Санкт-Петербург, 2019

2. Цели и задачи

Основными целями работы являются:
разработка методики расчета параметров
пятна пролива, облака природного газа,
определение пожаровзрывоопасной зоны.
2

3. Цели и задачи

Задачами работы являются:
• Исследовать аналоги разрабатываемой
методики;
• Описать физическую картину явления;
• Произвести математическое описание
процессов;
• Разработать алгоритм и реализовать
компьютерную программу;
• Провести расчеты, проанализировать
результаты.
3

4. Исследование возможных утечек

Расчеты с применением общепринятых
программных продуктов CFD-моделирования
(вычислительная динамика жидкости и газа)
таких как DEGADIS, BLEVE, VCE, RPT: GASTAR и
др. приводят к разнице в определении
расстояния от точки разлива до границы зоны
опасной концентрации до 2 раз.
Ряд исследователей (Italian Association of
Chemical Engineering (AIDIC) утверждают, что
средства вычислительной динамики жидкостей
и газа пока не могут полностью заменить
расчетные инженерные методы
4

5. Возможные опасные ситуации:

Утечки СПГ при повышенном
давлении (из трубопроводов
отгрузки);
Утечки СПГ при атмосферном
давлении (из резервуаров хранения
или из трубопроводов загрузки
резервуаров);
Утечки СПГ в воду;
Резкое повышение давления в
резервуаре хранения из-за
самопроизвольного перемешивания
СПГ (Rollover).
5

6. Методика расчета утечек должна учитывать:

Скорость истечения и объем
протечки СПГ;
Свойства, в том числе
температуру, поверхности
пролива;
Скорость ветра;
Ограничение площади пролива.
6

7.

Длительный пролив (истечение)
Перекрытие
СПГ
>
C2
>
Tос
W
m
C3
х
H
C1
mпл
Tк
D
Основание
T0
7

8.

Мгновенный пролив (разрыв)
Перекрытие
C1
>
W
C2
>
C3
Tос
m
х
H
СПГ
mпл
Tк
D
Основание
T0
8

9.

C, %
90
80
Динамика изменения концентрации
на границе облака в зависимости
от объема вылившегося СПГ
Расстояние от точки
пролива до зоны с
опасной концентрацией
С, %
70
10 м3 (x = 184 м)
80
V = 50 м3
60
50
60
50 м3 (x = 315 м)
40
30
40
20 ОПАСНАЯ
00
200
ЗОНА
400
100 м3 (x = 397 м)
600
800
20
1000 x, м
0
25
50
75
τ, сек
Влияние скорости ветра на расстояние
до пожароопасной зоны
x, м
Мгновенный пролив
пленочное
C =15 %, V = 50 м3
400
пузырьковое
300
Длительный пролив
пленочное
200
пузырьковое
100
0
1
2
w, м/с
9

10.

Пример решения
Пусть трубопровод СПГ имеет повреждение диаметром 250 мм. СПГ вытекает в
пространство, ограниченное верхней палубой опорного основания и
промежуточной палубой такой же формы. Боковая поверхность этой призмы
может быть открыта и все пространство между верхней палубой опорного
основания и промежуточной палубой высотой 8 м может продуваться, а может
быть зашита панелями (проницаемыми или непроницаемыми). Длительность
истечения 15 минут. За это время из трубопровода выльется до 50 м3 СПГ.
Показатель
Значение
Условия
Нормальные
Пролитый объем СПГ, м3
50
Диаметр трубы, м
0.250
Расстояние "пол-потолок", м
8
Скорость ветра, м/с
0
Нач. температура поверхности, К
273
Время пленочного кипения, с
14
Расчетное время истечения, с
900
Минимальная опасная
концентрация, %
15
10

11.

Мгновенный пролив (разрыв)
25000
G0, кг
20000
15000
10000
5000
0
2
4
6
8
10
12
14
60
120
180
240
t, c
25
20
15
R, м
При данных условиях из всей пролитой
массы СПГ – 19285 кг за первые 14 секунд
испаряется 4658 кг. Полностью СПГ
испаряется за время, несколько большее 6
минут. Со 2-й секунды по 14-ю секунду
радиус облака увеличивается от 6,2 м до
10,1 м. При этом концентрация метана на
границе облака (ядра) за время полного
испарения и росте радиуса облака до 20,65
м остается практически максимальной
(около 98,9%).
10
5
0
2
4
6
8
10
12
14
60
120
180
240
t, c
11

12.

Мгновенный пролив (разрыв)
100
99,8
99,6
С,%
99,4
99,2
99
98,8
98,6
98,4
2
Пролитая масса СПГ, кг
Испарилось при пл. кипении, кг
4
19285
6
8
10
12
14
60
120
180
240
t, с
3297.8
Диаметр площади мгн.
разлива, м
68.87
Площадь мгновенного
пролива, кв.м
3722.9
Общая масса, испарившаяся за
расч. время, кг
37345.6
Объем облака за расч. время,
м3
10714.0
Радиус облака по горизонтали,
м
20.65
Концентрация смеси на
границе облака, %
98.9
Затем при отсутствии ветра будет
происходить диффузионное расширение
облака с постепенным снижением
концентрации. Безопасное расстояние не
рассчитывается, т.к. по методике эта
величина определяется для случая с
наличием ветра.
12

13.

Длительный пролив (истечение)
25000
G0, кг
20000
15000
10000
5000
900
840
780
720
660
600
540
480
420
360
300
240
180
60
120
14
12
8
10
6
4
2
0
t, c
35
30
25
20
15
10
5
900
840
780
720
660
600
540
480
420
360
300
240
180
120
60
14
12
10
8
6
4
0
2
R, м
В данном случае истечение происходит
равномерно в течение 15 мин.
Одновременно происходит испарение,
поэтому пятно пролива 3090 м2 меньше,
чем в предыдущем примере (3723 м2).
Окончательный радиус облака за это
время достигает 31,7 м, а концентрация
на его границе около 93,5 %.
t, c
13

14.

Длительный пролив (истечение)
100
С,%
80
60
40
20
0
2
4
6
8
10
12
14
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
900
t, с
Пролитая масса СПГ, кг
21112
Средняя скорость истечения пролива, м/с
1.132
Диаметр пятна длительного. пролива, м
62.74
Площадь длительного пролива, кв.м
3089.6
Масса испар.ж. при плен. кипении, кг
328.4
Общая масса, исп. за расчетное время, кг
21112.0
Объем облака СПГ за расчетное, куб.м
11728.9
Радиус облака по горизонтали, м
31.37
Концентрация смеси на границе облака, % об
93.5
14