Введение к работе
/j б ? Ъ З
Актуальность работы. Возрастающее потребление основных энергоносителей (природного газа, нефти и т.д.), наряду с положительными факторами улучшения жизни людей, сопровождается ростом опасности при их транспортировании и использовании. Это выражается, прежде всего, в росте количества аварий на объектах транспорта и хранения энергоносителей. Основной причиной высокой аварийности является интенсивное старение действующих трубопроводных систем и резервуаров хранения, ухудшение технических характеристик трубопроводов и оборудования. По данным Госгортехнадзора РФ только в период с 1991 по 1994 годы на объектах газопроводного транспорта произошло 138 крупных аварий, сопровождавшихся выбросом природного газа в атмосфе-' ру. Свыше половины из этих аварий привели к возникновению интенсивных пожаров.
Существующие в настоящее время методики оценки пожарной опасности энергообъектов газопроводного транспорта и хранения, к сожалению, базируются на упрощенных (как правило, стохастических) математических моделях и полуэмпирических зависимостях. Эти упрощенные модели не позволяют комплексно анализировать и прогнозировать причины возникновения пожаров, исследовать динамику их протекания и тушения, оценивать последствия пожаров для человека и окружающей среды.
Все вышесказанное свидетельствует об актуальности разработки методов нестационарного анализа зон теплового поражения при пожарах на трубопроводах и резервуарах хранения энергообъектов в условиях открытой местности, которые позволили бы с высокой степенью достоверности прогнозировать, анализировать и оценивать последствия пожаров на трубопроводах (и резервуарах хранения) для населения и окружающей среды. Необходимость поиска эффективного и научно обоснованного решения данных производственных задач определила следующую основную цель данной диссертационной работы.
Целью работы являлась разработка методов анализа нестационарных зон теплового поражения от пожаров, возникающих в условиях открытой местности в резервуарах хранения нефтепродуктов и на газопроводах промышленных энергетических объектов.
Объектом исследования в диссертационной работе является комплексное математическое моделирование пожаров в условиях открытой местности для анализа пожарной и промышленной безопасности энергетических систем.
Предметом исследования являются методы математического моделирования возникновения и тепловых воздействий пожаров в резервуарах хранения нефтепродуктов и на газопроводах промышленных энергетических систем.
Задачи исследования:
1) разработка методов и технологий численного анализа нестационарных зон
теплового поражения при пожарах в резервуарах хранения и пожарах на га
зопроводах энергетических систем в условиях открытой местности;
2) разработка методов численного анализа прочности трубопроводов с силь-.
1>0С. ІІАЦИОНАЛЬЯАЯ
фонными компенсаторами, разрушение которых может привести к аварийному выбросу и возгоранию транспортируемых газов или жидкостей; 3) разработка методов численного анализа пожарной опасности автономных электроприборов с принудительным электроподогревом, устанавливаемых на магистральных газопроводах энергообъектов в условиях открытой местности.
Основными методами исследования являются численные методы механики сплошных сред и методы математической аппроксимации. При этом в качестве основного инструмента исследования в диссертации использовался метод конечных элементов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработан новый метод оперативной оценки зон теплового поражения от пожара разлития нефтепродуктов, находящихся в резервуарах хранения энергообъектов, построенный с использованием аппроксимации зон теплового поражения аналитическими зависимостями в виде модифицированной улитки Паскаля.
-
Для анализа причин и механизмов прогнозируемого или реального разрушения дефектных участков магистральных трубопроводов, приводящего к аварийному выбросу и возгоранию транспортируемых газов или жидкостей в окружающую среду, впервые разработан, научно обоснован и верифицирован метод нелинейного прочностного анализа трубопроводных систем, содержащих сильфонные компенсаторы.
-
Разработана, научно обоснована и верифицирована на решении тестовых и производственных задач новая технология анализа методом конечных элементов пожарной опасности автономных электроприборов с принудительным электроподогревом, устанавливаемых на магистральных газопроводах энергообъектов в условиях открытой местности.
-
Впервые разработана и верифицирована на решении производственных задач технология анализа методом конечных элементов зон теплового поражения от нестационарного диффузионного факела, возникающего на открытой местности при пожарах на газопроводах энергообъектов.
5. С помощью разработанных методов и технологий были получены но
вые результаты, расширяющие и углубляющие представления о состоянии
систем промышленных трубопроводов в условиях эксплуатации и аварий
ных ситуациях, о пожарозащищенности электроприборов, используемых в
газовой промышленности. К таким результатам относятся: численные оценки
несущей способности дефектных и других критических участков трубопрово
дов, содержащих сильфоны, с учетом их многофакторного нагружения и дан
ных технической диагностики при анализе промышленной и пожарной безо
пасности газораспределительных станций; расчетные оценки зон теплового по
ражения при пожарах на многониточных трубопроводах высокого давления в
условиях открытой местности; построение расчетных сценариев аварий при их
расследовании на промышленных энергообъектах и экспертизе Декларации
безопасности опасных промышленных объектов газовой промышленности.
Практическая значимость работы. Выносимые на защиту методы и
технологии могут использоваться для повышения пожарной и промышленной безопасности тепловых электростанций, трубопроводных сетей газовой, нефтехимической и нефтяной промышленности. Они были реализованы в виде вычислительной технологии «PipEst», широко применяемой для повышения промышленной и пожарной безопасности функционирования трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса. Технология «PipEst» используются для решения практических задач обеспечения безопасности энергообъектов, как в России, так и за рубежом. Она успешно применялась при решении задач ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», Минатома РФ, ООО «НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 000 «НПО Измерительные технологии», Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия), ОАО «ГАЗПРОМ», Госгортехнадзора РФ, Сандийских национальных лабораторий (США), Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия) и др.
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается актами ФГУП «Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики», 000 «Научно-производственное объединение ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ», 0 00 «НПП Измерительные технологии» и справками о промышленном внедрении в международной газотранспортной компании «SPP-DSTG».
Достоверность изложенных в диссертационной работе положений обеспечивается: использованием современных численных методов механики; адекватностью применяемых математических моделей для реальных объектов и процессов; использованием апробированных и эффективных методов численного анализа разработанных моделей; совпадением результатов натурных и численных экспериментов с допустимой для инженерных методов расчета точностью; многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах топливно-энергетического комплекса, как в России, таки за рубежом.
На защиту выносятся:
-
метод оперативной оценки зон теплового поражения от пожара разлития нефтепродуктов, находящихся в резервуарах хранения;
-
метод нелинейного прочностного анализа трубопроводных систем, содержащих сильфонные компенсаторы;
-
технология анализа методом конечных элементов пожарной опасности автономных электроприборов с принудительным электроподогревом, устанавливаемых на магистральных газопроводах в условиях открытой местности;
-
технология анализа методом конечных элементов зон теплового поражения от нестационарного диффузионного факела, возникающего на открытой местности при пожарах на газопроводах энергообъектов;
-
новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о состоянии систем промышленных трубопроводов в условиях эксплуатации и аварийных ситуациях, о пожарозащищенности электроприборов, используемых в газовой промышленности: численные оценки несущей способности дефектных и других критических участков трубопроводов, содержащих сильфоны,
с учетом их многофакторного нагружения и данных технической диагностики при анализе промышленной и пожарной безопасности газораспределительных станций; расчетные оценки зон теплового поражения при пожарах на многониточных трубопроводах высокого давления в условиях открытой местности; построение расчетных сценариев аварий при их расследовании на промышленных энергообъектах и экспертизе Декларации безопасности опасных промышленных объектов газовой промышленности. Личный вклад автора заключается:
в разработке, обосновании и верификации на тестовых и производственных задачах метода оценки зон теплового воздействия на человека излучением от диффузионного факела пожара разлития нефтепродуктов, находящихся в резервуарах хранения;
в разработке, обосновании и верификации на тестовых задачах метода нелинейного прочностного анализа трубопроводных систем, содержащих сильфон-ные компенсаторы;
в разработке технологии анализа методом конечных элементов пожарной-опасности автономных электроприборов с принудительным электроподогревом, устанавливаемых на магистральных газопроводах в условиях открытой местности;
в разработке, обосновании и верификации на тестовых и производственных задачах технологии анализа методом конечных элементов зон теплового поражения от нестационарного диффузионного факела, возникающего на открытой местности при пожарах на газопроводах энергообъектов;
в проведении численного анализа несущей способности участков трубопроводов, содержащих сильфоны, получении расчетных оценок зон теплового поражения при пожарах на газопроводах и сравнении влияния плоских и осесим-метричных моделей пламени на точность оценок последствий теплового поражения;
в построении расчетных сценариев аварий при их расследовании на промышленных энергообъектах и экспертизе Декларации безопасности опасных промышленных объектов газовой промышленности.
Апробация работы. Основное содержание диссертации и результаты применения предложенных в ней методов и технологий представлены и обсуждены на: Научно-практической конференции, посвященной 30-летию ООО «ШПГОГАЗЦЕНТР» (ноябрь 1998 года, Нижний Новгород); Научно-практической конференции «Итоги и перспективы десятилетнего сотрудничества Минатома РФ и ОАО «ГАЗПРОМ» (декабрь 1999 года, Нижний Новгород); Третьей Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (сентябрь 1999 года, Москва); Третьей Международной конференции «Энергодиагностика и Condition Monitoring» (сентябрь 2000года, Нижний Новгород); 18 Международном конгрессе по КЭ-технологиям «18 CAD-FEM Users' Meeting 2000» (сентябрь 2000 года, Германия); Седьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (февраль 2001
года, Москва); Второй конференции пользователей программно-, математического обеспечения фирмы «CAD-FEM GmbH» (апрель 2002 года, Москва); Третьей конференции пользователей программно-математического обеспечения фирмы «CAD-FEM GmbH» (апрель 2003 года, Москва); 21 Международном конгрессе по КЭ-технологиям «21 CAD-FEM Users' Meeting 2003» (ноябрь 2003 года, Германия); Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (02-03 марта 2004 года, г.Москва).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 18 работ, в том числе одна монография в соавторстве.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка источников из 118 наименований и 4 приложений. Содержит 219 страниц, 10 таблиц, 88 рисунков.
