Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Оценка состояния промышленной безопасности предприятий нефтегазовой отрасли 18
1.1. Основные опасности, характерные для объектов предприятий нефтегазовой отрасли 18
1.2. Анализ причин возникновения аварий 25
1.3. Статистическая информация по техногенным авариям 28
1.4. Характерные особенности взрывных явлений 32
1.5. Классификация взрывных процессов 40
1.6. Взаимодействие воздушной ударной волны с наземными объектами 43
1.7. Действие ударной волны на промышленные здания и сооружения и технологическое оборудование 47
1.8. Анализ современных методов прогнозирования последствий аварий с взрывами 56
Глава 2. Методология количественной оценки потенциальной взрывоопасное опасных производственных объектов предприятий нефтегазовой отрасли 67
2.1. Метод оценки формирования взрывоопасных облаков 67
2.2. Метод оценки зон опасностей оборудования установки с использованием геоинформационных технологии и вейвлет-анализа 94
Глава 3. Методология оценки и обеспечения взрывоустойчивости объектов нефтегазовой отрасли 135
3.1. Метод оценки взрывоустойчивости технологического оборудования к действию ударной волны 135
3.2. Метод оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок с учетом устойчивости оборудования к действию ударной волны и монтажных расстояний 169
3.3. Метод оценки действия воздушной ударной волны на пространственные железобетонные конструкции 175
Глава 4. Применение метода прогнозирования формирования взрывоопасных облаков на абсорбционно-газофракционирующей установке 213
4.1 Описание объекта исследования 213
4.2 Прогнозирование, движения атмосферных потоков при возможных авариях 218
4.3 Определение рациональной ориентации наружной площадке 227
4.4. Моделирование распространения взрывоопасного облака по территории 230
4.5 Оценка эффективности установки датчиков газоанализаторов 239
4.6 Оценка зон разрушения в результате частичной разгерметизации бутановой колонны 244
Глава 5. Применение метода оценки зон потенциальной опасности оборудования с использованием методов ГИС-технологий и вейвлет-анализа на установках предприятий нефтегазовой отрасли 250
5.1. Оптимизация безопасного расположения оборудования установок 250
5.2. Оценка зон потенциальной опасности опасных производственных объектов предприятий нефтегазовой отрасли с применением методов ГИС-технологий и вейвлет-анализа 260
5.3 Оценка зон потенциальной опасности опасных объектов (на примере автозаправочных станций АЗС), с учетом доставки топлива 269
Глава 6. Применение метода оценки взрывоустойчивости технологического оборудования для оценки работы и устойчивости объектов нефтегазовой отрасли к воздействию ударной волны 277
6.1. Напряженно-техническое состояние (НДС) аппаратов колонного типа при динамическом воздействии взрывной волны с учетом свойств грунта 277
6.2. НДС технологических трубопроводов и их опор при динамическом воздействии взрывной волны 307
6.3 НДС аппаратов колонного типа при динамическом воздействии взрывной волны с трубопроводной обвязкой 316
6.4. Моделирование дорожно-транспортного происшествия автоцистерны 330
Глава 7. Применение метода оценки и обеспечения защищенности обслуживающего персонала к действию воздушной ударной волны на пространственные железобетонные конструкции установок предприятий нефтегазовой отрасли 344
7.1. Оценка развития эффекта «домино» технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий с использованием критериев незащищенности и опасности оборудования 344
7.2. Обеспечение защищенности обслуживающего персонала установок от воздействия ударной волны 348
Приложения 385
Список литературы 405
- Статистическая информация по техногенным авариям
- Метод оценки зон опасностей оборудования установки с использованием геоинформационных технологии и вейвлет-анализа
- Метод оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок с учетом устойчивости оборудования к действию ударной волны и монтажных расстояний
- Прогнозирование, движения атмосферных потоков при возможных авариях
Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблемы безопасности на объектах нефтегазового комплекса имеют особое значение. Они связаны с физико-химическими свойствами углеводородных веществ, приводящими к их возгоранию или взрыву в случае аварий. Авариям предприятиях нефтегазовой отрасли характерны большие объемы выброса взрывопожароопасных веществ, образующиеся облака топливно-воздушных смесей, разливы нефтепродуктов и, как следствие, крупномасштабные разрушения и повреждения высоконагруженных элементов конструкций. Практика показывает, что полностью исключить аварии и уменьшить до нуля опасность, невозможно. Поэтому техногенные аварии необходимо предупреждать или ослаблять их вредное воздействие путем перехода на новую стратегию обеспечения безопасности, основанную на принципах их прогнозирования и предупреждения.
В связи с этим особую актуальность приобретает создание научно обоснованных методов мониторинга взрывоопасности, основанных на математическом моделировании аварийных ситуаций, создание устройств, способных защитить объекты технологических установок от влияния ударной волны.
Исследованиям в области моделирования аварийных ситуаций, связанных с воздействием взрыва на объекты, посвящены работы крупных ученых: Абросимова А.А., Белова П.Г., Бесчастнова М.В., Бирбраера А.Н., Гельфанда Б.E., Едигарова А.С., Каца М.И., Козлитина А.М., Котляревского В.А., Кузеева И.Р., Ларионова В.И., Лисанова М.В., Садовского М.А., Сафонова В.С., Одишария Г.Э., Корольченко А.Я., Шаталова А.А., Ханухова Х.М., Таубкина И.С., Хусниярова М.Х. и ряда других.
Значительный вклад в развитие теории ударных и детонационных волн внесли крупные ученые и специалисты: Гриб А.А., Жуге Е., Зельдович Я.Б., Ландау Л.Д., Михельсон А.В., Орленко Л.П., Селиванов В.В., Соловьев В.С., Станюкевич К.П., Харитон Ю.Б., Чепмен Д.Л.
Теория динамики железобетонных конструкций получила развитие в трудах крупных российских ученых: Бакирова Р.О., Белоброва И.К., Белова Н.Н., Жарницкого В.И., Забегаева А.В., Карпенко Н.И., Котляревского В.А., Майорова В.И., Плевкова В.С., Попова Г.И., Попова Н.Н., Расторгуева Б.С., Саргсяна А.В., Яшина А.В. и др.
Однако, на сегодняшний день, остаются слабо освещенными вопросы, относящиеся к моделированию аварийных ситуаций, практическому расчету последствий аварий с учетом динамических факторов, влияющих на прочность и устойчивость конструкций под действием взрыва. Появление и развитие новых программных комплексов, мощной компьютерной техники позволяет существенно продвинуться в более детальном изучении рассматриваемой проблемы с учетом многофакторного нагружения и детализации геометрии объекта.
В связи с этим следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной практики создание комплексной методологии оценки взрывоопасности и взрывоустойчивости объектов нефтегазовой отрасли с применением численных методов, геоинформационных технологий и кратномасштабного вейвлет–анализа.
Актуальность и важность представленных исследований подтверждается участием автора в выполнении научно-технических программ Академии наук Республики Башкортостан (АНРБ) «Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологии» по направлению «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе», «Критические технологии Республики Башкортостан: физико-математические принципы и технические решения», «Фундаментальные проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий» по направлению «Повышение уровня безопасности сложных технических систем для переработки углеводородного сырья».
Цель работы – повышение промышленной безопасности опасных производственных объектов (ОПО) и защищенности обслуживающего персонала объектов технологических установок предприятий нефтегазовой отрасли от воздействия ударной волны путем развития теории и методов комплексной оценки взрывоопасности сложных технических систем на основе геоинформационных технологий, вейвлет-анализа и численных методов.
Для достижения поставленных целей были сформулированы следующие основные задачи:
анализ современных методов прогнозирования последствий аварий со взрывами и повышения безопасности нефтегазового комплекса;
создать методические основы разработки специализированной географической информационной системы (ГИС) для моделирования зон потенциальной опасности при взрывах;
разработать методологию комплексной оценки взрывоопасности на объектах нефтегазового комплекса с применением ГИС-технологий и вейвлет-анализа, численных методов;
разработать методологию взрывоустойчивости объектов нефтегазового комплекса;
произвести подбор защитного устройства от влияния ударной волны.
Методы решения поставленных задач
В основу теоретических исследований были положены методы и концепции численных методов и вейвлет-анализа.
Научная новизна результатов работы
1. Научно обоснован алгоритм формирования взрывоопасных облаков, основанный на системе трехмерного параметрического моделирования и методе конечных объемов, учитывающий зоны скопления взрывоопасных веществ, характер движения атмосферных потоков, рельеф местности, взаиморасположение аппаратов. Для этого введены объемные (поверхностные) коэффициенты зоны застоя, характеризующие отношение значения объема зон застоя в рабочей зоне к разнице общего объема рабочей зоны и объема оборудования, зданий и сооружений, находящихся в ней для заданного направления ветра и получены их количественные показатели для промышленного объекта.
2. Впервые разработан метод оценки зон потенциальной взрывоопасности объектов с использованием геоинформационной системы и метода кратномасштабного вейвлет-анализа. С учетом предложенных критериев выбора масштаба вейвлет-анализа, складывающихся из количества незначащих опасных областей, критериев оценки результатов вейвлет-анализа, складывающихся из количества наложений зон опасности, определяется на вейвлет-преобразованном изображении область опасности соответствующего цвета, что позволяет оптимально расположить технологическое оборудование и обеспечить защищенность оборудования.
3. Разработан метод оценки взрывоустойчивости многоэлементных сложных технических систем, таких как аппараты колонного типа, технологические трубопроводы в полной трехмерной постановке с учетом многофакторного нагружения, и динамического поведения от воздействия фронта ударной волны.
Впервые дана количественная оценка основным факторам, влияющим на устойчивость аппаратов колонного типа, определены предельные состояния элементов конструкции и получено изменение критических параметров в зависимости от динамического воздействия взрывной волны с учетом свойств грунта. Построены номограммы зависимости устойчивости колонного аппарата от расстояния до эпицентра взрыва и значения тротилового эквивалента.
4. Методами имитационного моделирования поведения действующих трубопроводов в поле ударной волны показано влияние направления удара на характер деформирования и произведена классификация трубопроводных систем, в основе которой лежит категорирование систем по уровню напряженно-деформированного состояния (НДС) в опасных сечениях.
В результате моделирования выявлено, что распределение напряжений в горизонтальных и вертикальных технологических трубопроводах в результате воздействия взрывной волны носит полиэкстремальный характер, при этом в зависимости от конкретной конфигурации трубопровода можно идентифицировать наиболее вероятные зоны разрушения
5. Разработаны способ защиты объектов, мест сосредоточения обслуживающего персонала с помощью защитных устройств (патент № 2307312) и конструктивные параметры, типы конструкции и расположения защитного устройства. Создана конечно-элементная модель взаимодействия взрывной волны с защитным устройством, при этом критерием оптимизации является минимальное значение избыточного давления во фронте ударной волны перед объектом.
На защиту выносятся:
1. Концепция и методы комплексной оценки взрывоопасности сложных технических систем, разработанные с учетом специфики опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли;
2. Конечно-элементная математическая модель и метод идентификации взрывоопасности объектов нефтегазового комплекса;
3. Метод формирования и рассеивания взрывоопасных облаков с использованием конечно-разностного метода,;
4. Метод оценки зон опасностей оборудования установки, с использованием геоинформационных технологии и вейвлет-анализа;
5. Метод оценки взрывоустойчивости технологического оборудования, пространственные железобетонные конструкции к действию ударной волны (динамических нагрузок) с использованием кончно-элементного анализа;
6. Метод оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок с учетом устойчивости оборудования к действию ударной волны и монтажных расстояний.
Практическая ценность результатов работы:
-
Разработано устройство для защиты конструкций от ударной волны, позволяющее снизить воздействие поражающих факторов на персонал и повысить взрывоустойчивость объектов при возникновении аварии (патент № 2326342.).
-
Методология оценки взрывоустойчивости аппаратов колонного типа, технологических трубопроводов предприятий нефтегазовой отрасли при возникновении аварийных ситуаций используется в работе инжиниринговой компании «ТЕСИС» для разработки новых систем проектирования и инженерного анализа.
-
Модель оценки напряженно-деформированного состояния аппаратов колонного типа с трубопроводной обвязкой при возникновении аварийных ситуаций используется в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» для разработки проектной документации на расширение, реконструкцию, техническое перевооружение сосудов и аппаратов, работающих под давлением, а также для инженерного анализа их напряженно-деформированного состояния.
-
Методология комплексной оценки взрывоопасности на объектах нефтегазового комплекса с применением ГИС-технологий, вейвлет-анализа и численных методов использовались в ООО «Техпроект» при разработке деклараций промышленной безопасности, планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций, паспортов безопасности для количественной оценки взрывоопасности объектов предприятий нефтегазовой отрасли.
-
Предложенный «Метод расчета динамического поведения объекта с применением программного комплекса ABAQUS» используется при проведении занятий в УГНТУ по дисциплине «Принципы и методы конструирования и проектирования оборудования» для магистрантов направления 150400 «Технологические машины и оборудование» по программе 551830 «Теоретические основы проектирования оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств» с целью формирования базы знаний по разработке проектно-конструкторской документации (ПКД) на различные виды промышленного строительства установок предприятий нефтегазовой отрасли.
Достоверность проведенных исследований обеспечивается: используемой в ней нормативной базы; соответствием результатов расчета изначально наложенным ограничениям; обоснованными современными расчетными методами. Вычислительные эксперименты прекращались при достижении заранее заданной точности.
Достоверность результатов основана на применении хорошо зарекомендовавших себя методов исследования, а также высокой степени соответствия результатов математического моделирования и практических экспериментов. Программный комплекс ABAQUS удовлетворяет международным стандартам качества ISO-9001 и NQA (Nuclear Quality Assurance). Программный комплекс FlowVision сертифицирован на соответствие Госстандарту России N POCC RU.ME20.H01223 как система для моделирования жидкости и газа.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских, региональных, вузовских научно-технических конференциях и тематических семинарах, в том числе Республиканской научно-технической конференции «Роль технической диагностики в обеспечении промышленной и экологической безопасности на объектах нефтегазохимического комплекса» (г. Уфа, 1995 г.); II Всероссийской научно-технической конференции «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность» (г. Уфа, 1996 г.); научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 47-ой –1996 г., 49-ой – 1998 г.; 50-ой – 1999 г., 55-ой – 2004г., 56-ой – 2005 г.); V-ой Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-V-99)» (г. Уфа, 1999 г.); III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Уфа, 2002 г.); Второй всероссийской научной ИНТЕРНЕТ-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем» (г. Уфа, 2003 г.); IX международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г. Уфа, 2005 г.); II Межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и соцгуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса» (г. Уфа, 2005 г.); Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2005 г.); Третьей всероссийской научной ИНТЕРНЕТ-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем» (г. Уфа, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия-2005» (г. Уфа, 2005 г.); VI Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (г. Москва, 2005 г .); Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2006 г.); II Научно-практической конференции Научного промышленного союза «Риском» «Техническое регулирование. Управление рисками, промышленная безопасность, контроль и мониторинг» (г. Москва, 2006 г.); научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза» (г. Уфа, 2007 г.); Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Российской Федерации «Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах» (г. Уфа, 2007 г.); 4-ой Международной научно-практической конференции «Инженерные системы-2010» (г. Москва, 2010 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 54 научных трудах, в том числе в 1 монографии и 21 статьях ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 2 патента и 1 авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 232 наименования, четырех приложений. Работа изложена на 432 страницах, содержит 88 таблиц, 142 рисунка.
Статистическая информация по техногенным авариям
Снятие в последние годы ограничений по освещению аварий и катастроф позволило средствам массовой информации привлечь внимание общественности к проблемам промышленной безопасности и обратить особое внимание на вопросы обеспечения безопасности человека в контексте промышленного производства. Данные аварии широко освещались в прессе, в связи с чем появилась возможность для сбора статистической информации и последующего анализа.
Предприятия нефтегазовой отрасли являются сложными структурными комплексами, состоящими из отдельных технологических звеньев, связанных единым технологическим процессом. Особенностью производственных процессов таких предприятий становятся условия, характеризующиеся повышенной взрывоопасностью и пожароопасностью.
Аварийность и производственный травматизм на нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах являются одними из самых высоких по сравнению с показателями по другим отраслям промышленности. В 2008 году число аварий на нефтеперерабатывающих предприятиях уменьшилось в 2 раза, и доля их составила, как и в 2007 г., 44,4 % от общего числа происшествий. Аварийность на объектах нефтепродуктообеспечения уменьшилась в 1,5 раза, доля аварий на указанных объектах в 2008 г. составила также 44,4%. На объектах нефтехимической промышленности произошла 1 авария (11,1%) (рисунок 1.5)[29].
Оценка аварий, произошедших на нефтехимических предприятиях, показывает, что на производствах наиболее распространенным видом аварии является разгерметизация технологического оборудования, в результате чего возможно образование парогазового облака с его дальнейшим воспламенением (взрывом), или розлив продуктов нефтепереработки с их последующим возгоранием, а также возможно токсическое заражение промышленной территории [30]. На рисунке 1.6 представлен график интенсивности аварий на объектах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности по видам аварийных ситуаций (за последние 5 лет). [29]
За 2008 г. в России зарегистрировано 2 групповых несчастных случая, в 2007 г. - 3. В то же время возросла тяжесть последствий в групповых несчастных случаях, на 22% увеличилось общее число пострадавших (11 человек в 2008 г., 8- в 2007 г.), в 3 раза - число смертельно травмированных (9 человек).
Число несчастных случаев со смертельным исходом возросло по сравнению с 2007 г. в 1,65 раза (за 8 мес. 2008 г. - 13 случаев, в 2007 г. - 8, 2006 г. - 11). В таблицах 1.1, 1.2 представлено распределение смертельного травматизма по отраслям промышленности.
Среди травмирующих факторов при несчастных случаях со смертельным исходом преобладают ожоговые травмы, доля которых с каждым годом все возрастает.
Из представленных выше данных можно сделать вывод о том, что число аварий из года в год не уменьшается. Каждый год на предприятиях происходят аварии, причиняющие огромный ущерб и унося человеческие жизни. Авариям характерны большие площади разливов нефтепродуктов и, как следствие, — пожары, взрывы, разрушение аппаратов и целых установок.
В настоящее время сохраняются устойчивые негативные тенденции в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах. Подтверждением этому является высокий травматизм при авариях на предприятиях с опасным производственным объектом (нефтедобывающей, химической промышленности и д.р.). В результате таких аварий и несчастных случаев промышленность и экономика в целом несут значительные финансовые потери, которые исчисляются миллиардами рублей.
Одними из самых тяжелых аварий на опасных производственных объектах являются аварии, связанные со взрывами. В данном разделе дается анализ взрывных явлений нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий.
За многие годы эксплуатации производственных объектов на предприятиях нефтехимического и нефтеперерабатывающего комплекса накоплен обширный фактический материал, позволяющий прогнозировать опасности и определять основные направления обеспечения взрывобезопасности этих производств.
На промышленных предприятиях нашей страны за последние 30 лет произошло значительное количество промышленных взрывов с тяжелыми последствиями, причем отмечается неуклонный рост их числа [21, 31, 32, 16].
При этом локальные взрывы и пожары, ежегодное число которых исчисляется сотнями, при неблагоприятном стечении обстоятельств могут вызывать развитие аварий до катастрофических масштабов.
Статистика 150 аварий в России и странах СНГ в период 1970 - 1989 гг. показывает, что в 42,5% случаев взрывов облаков газопаровоздушной смеси участвовали горючие углеводородные газы (74 аварии); 15,5%
Метод оценки зон опасностей оборудования установки с использованием геоинформационных технологии и вейвлет-анализа
Современные географические информационные технологии (ГИС-технологии) позволяют автоматизировать наиболее трудоемкие этапы решения задач прогнозирования последствий нештатных ситуаций на опасных производственных объектах [23, 24, 25]. Использование ГИС-технологий сокращает время для сбора, поиска, анализа и интерпретации географической и тематической информации, необходимой для оценки и уменьшения негативных последствий аварий [25, 26, 27]. Высокие темпы построения тематических карт дают возможность ис-сле дователю оценить большое количество вариантов решения [28]. Наиболее трудоемкие работы, связанные с определением границ зон различной значимости, вычерчиванием их на бумаге осуществляются автоматически.
Главной заботой специалиста, пользующегося услугами ГИС, становятся ор ганизация и поддержание в актуальном состоянии базы данных об изучаемом явлении. На основе анализа проблем, связанных с повышением безопасности объектов нефтегазовой отрасли, сформулированы общие требования к используемой ГИС [28]. Эти требования учитывают пространственно-временные факторы, разнородность методического и информационного обеспечения технологию создания и возможность развития системы. Общие требования к ГИС целесообразно разделить на группы и обосновать, исходя из перечня основных аварий; масштабов воздействия и тяжести последствий; характера поражающего воздействия; содержания задач обеспечения безопасности объектов и поддержки принятия решений; технологических, функциональных и экономических требований. Основные виды аварий. С помощью ГИС в первую очередь должна проводиться оценка тех событий, которые могут привести к гибели людей или большому ущербу. Исходя из этого условия, к таким событиям следует отнести аварии на объектах: пожаровзрывоопасных; химически опасных [29]. Масштабы воздействия и тяжесть последствий.
В соответствии с Положением о классификации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, утвержденным постановлением Правительства РФ от 13.09.1996 г. № 1094, по степени тяжести ЧС разделяются на локальные; местные, территориальные; региональные; федеральные; трансграничные. Для обеспечения промышленной безопасности на предприятиях нефтепереработки достаточно рассматривать локальные аварии. В соответствии с этим в ГИС должна быть включена картографическая информация с детализацией до объектов-оборудований различных установок предприятий нефтегазовой отрасли. Функциональные требования. Программные средства ГИС должны соответствовать требованиям: оперативности, информационности, многофункциональности; наглядности отображения ситуации; масштабированности картографической основы; обеспечения пространственной и временной привязок событий и информации; возможности ввода, редактирования и импорта информации; обеспечения выбора и просмотра информации произвольно или по адресным признакам; возможности включения или выключения слоев; обеспечения картографического представления информации, полученной с использованием расчетных моделей, документирования результатов.
Технологические требования. К технологическим требованиям можно отнести: модульность построения структуры ГИС; возможность развития системы; использование при разработке системы «классических» в теории ГИС понятий; использование совместимых форматов и пакетов программ для создания и управления базами данных; возможность использования мониторинговой информации в автоматизированном режиме; сопрягаемость расчетных моделей с картографической и семантической базами данных; возможность использования математических и статистических моделей; ориентация на имеющиеся технические средства (по объему памяти, быстродействию, внешние устройства); ограниченные сроки решения задач. ГИС должна иметь клиент-серверную архитектуру. Обобщенную технологическую структуру ГИС можно представить в виде следующего набора компонент (рисунок 2.15): клиент; сервер данных. Система основана на архитектуре «клиент/сервер». Поэтому она может работать как на отдельно взятой рабочей станции, так и в локальной вычислительной сети с произвольным количеством пользователей - редакторов карты. При этом обеспечивается корректная совместная работа нескольких операторов с одной картой, слоем или даже с одним ее фрагментом. Кроме этого, система позволяет отображать данные в среде Internet. -Клиент Общая концепция ГИС «ИнГЕО» заключается в следующем: обеспечение территориальной концепции в рамках определенного проекта (множество территорий, отображаемых системой со своими местными системами координат); работа с произвольным количеством растровых и векторных слоев, объединенных в проблемные группы (карты) и состоящих из нескольких оформительских стилей оформления объектов класса; возможность делать прозрачные и полупрозрачные растровые слои; поддержка современной технологии ««логическая» сшивка растров» в единое растровое поле; обеспечение топологической коррекции как самих изображений объектов, так и непрерывное поддержание межобъектных топологических отношений непосредственно во время создания и(или) редактирования объектов; реализованы элементы концептуальных топологических отношений, что позволяет создавать топологические сети или автоматически не позволять пользователям устанавливать запрещенные топологические связи между объектами; в каждом слое одновременно могут находиться объекты, образованные из разных геометрических примитивов; автоматическое разбиение объектов по секторам пространства, слоям и масштабам, что позволяет повысить скорость вывода на экран большого количества данных; отсутствие архитектурных ограничений на размер базы данных ГИС; развитая система ограничения доступа пользователей к картам и слоям объектов, а также задание отдельным пользователям частичных ограничений на редактирование, копирование, перенос и удаление объектов в слое; автоматическое восстановление целостности баз данных системы при сбоях оборудования, программного обеспечения.
Программа имеет мощную систему визуализации электронных карт, которая позволяет: включать/отключать отображение «соседей» объекта, относящихся к тому же классу; осуществлять скроллинг растрово-векторного изображения карты внутри окна независимо от масштаба и по всей территории; отслеживать координат мыши, селектируемой точки, длины линий, значений углов, длины периметра и площади полигона. Эти значения всегда показываются в информационном окне при выборе любого объекта, который может иметь эти характеристики; определять слой, к которому принадлежит выбранный объект простым его выбором; просмотр выбранной территории (включение/выключение слоев [в т.ч. растровых], увеличение/уменьшение, панорамирование); адресное кодирование - получение доступа на карте к объекту с указанным адресом, улице - по названию, перекрёстка - по названиям двух улиц.
Метод оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок с учетом устойчивости оборудования к действию ударной волны и монтажных расстояний
Для уменьшения коэффициента К] при проектировании или реконструкции установок нефтеперерабатывающих заводов необходимо определить ориентацию объекта к источнику наибольшей опасности взрыва для зданий и сооружений, а также оборудования имеющее различные коэффициенты аэродинамического сопротивления по различным направлениям (таблица 3.7). Для этого введем понятие «центр энергопотенциалов». Координаты «центра энергопотенциалов» хцэ, уцэ определяются по (3.12).
Поведение пространственных железобетонных конструкций при действии ударной волны является сложной физико-математической задачей, которая может быть решена с использованием средств численного моделирования ].
Для исследования пространственных железобетонных конструкций на действие ударной волны предлагается метод прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок, учитывающий реальную застройку и месторасположение источника взрыва.
Прогнозирование действия ударной волны на объекты выполняется в три последовательных этапа. Этапы предлагаемого метода представлены на рисунке 3.24.
Рисунок 3.24 — Этапы метода прогнозирования действия ударной волны на объекты технологических установок На первом этапе осуществляется сбор и анализ необходимой информации по объекту для проведения численного моделирования.
На втором этапе производится моделирование распространения продуктов взрыва и ударных волн на производственной площадке технологической установки. Второй этап реализуется с использованием методов вычислительной газодинамики.
На третьем этапе выполняется анализ напряженно-деформированного состояния конструкций объекта с применением метода конечных элементов, при этом на элементы объекта прикладывается поле давления, переменное во времени, полученное на втором этапе.
Предлагаемый метод предназначен: - для исследования процессов реализации аварийных ситуаций на производственных объектах, сопровождающихся взрывами с образованием ударных волн; - для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций объектов при действии воздушных ударных волн с целью оценки уровня разрушений и принятия мероприятий по обеспечению взрывоустойчивости объектов.
Предлагаемый метод может быть рекомендован для решения задач, связанных с распространением продуктов взрыва и с оценкой воздействия ударных волн, где требуется реалистичное прогнозирование, на действующих объектах и на стадии проектирования.
При численном исследовании принимается, что: - инициирование детонации с дальнейшим распространением продуктов взрыва в атмосфере; - при достижении детонационной волны в облаке границы раздела «смесь-воздух» в воздухе начинает распространяться ударная волна.
Последствия длительного действия от аварий, такие как распространение ударной волны на большие расстояния, не учитываются. В том числе такие факторы, как рельеф местности в зоне аварии, состояние окружающей атмосферы на момент возникновения и протекания аварии, дрейф облака, при моделировании не принимаются во внимание.
Численные методы позволяют детально рассмотреть весь процесс при различных видах взрывного превращения с высокой степенью точности на этапе проектирования, что позволяет предотвратить или снизить до минимума последствия воздействия на окружающую среду и человека. Применение технологий вычислительной газодинамики позволяет получить распределение параметров во всей расчетной области, а также в каждой отдельно взятой ячейке в любой момент времени и проследить за эволюцией анализируемого процесса.
При решении задач по прогнозированию возможных аварийных ситуаций или расследованию реальных аварий применяется несколько подходов к описанию движения деформируемой сплошной среды (среда рассматривается как сплошная, т. е. считается, что любой малый ее объем содержит еще весьма большое количество молекул). К ним относятся лагранжевый, эйлеро-вый, лагранжево-эйлеровый подходы и др. Рассмотрим основные особенности этих методов, опираясь главным образом на работы /20, 21, 22, 23, 24, 25/.
Для математического описания состояния движущейся среды используются законы сохранения импульса, массы и энергии, а также уравнения состояния данной среды. Указанные уравнения определяют шесть искомых величин, характеризующих движение и состояние среды: три компоненты скорости, плотность, давление и энтропию или температуру среды.
При выборе системы отсчета используется два основных подхода: подход Эйлера и подход Лагранжа. В первом случае перемещение элементов среды рассматривается относительно неподвижного наблюдателя, во втором отслеживается изменение координат каждой фиксированной точки среды, т.е. система перемещается вместе с частицами. В первом случае рассматривается, что в разные моменты времени в данной геометрической точке пространства проходят разные частицы сплошной среды. Во втором случае от-слеживается история перемещения индивидуальных точек сплошной среды. Общие законы механики сплошной среды в каждом из этих подходов имеют свою форму записи.
Прогнозирование, движения атмосферных потоков при возможных авариях
Для проведения ряда численных экспериментов [7, 8], позволяющих определить движения атмосферных потоков и выявить участки застойных зон на территории АГФУ, при наиболее повторяемой силе ветра была построена объемная модель технологической установки [9] (рисунок 4.7) и путем вырезания из твердотельного параллелограмма объема установки была создана расчетную область (рисунок 4.8). Для передачи геометрии наружной площадки АГФУ из геометрического постпроцессора в газодинамический пакет использовался формат STL.
Далее для расчетной области зададим математическую модель [10] (стандартную k-є. модель турбулентности) для течения вязкого газа при малых и больших числах Рейнольдса это означает, что мы будем решать задачу для турбулентного течения, в котором будут решаться уравнения Навье-Стокса, уравнения для турбулентных функций переноса и уравнение конвективно-диффузионного переноса.
Из физических параметров задаем свойства двух веществ: воздуха и пропанобутановой смеси (участвующей в авариях).
Задание и математическое описание граничных условий приведено в главе 2 п.2.1.
Для моделирования движения атмосферных потоков была задана равномерная расчетная сетка, состоящая из 183552 числа ячеек из них 140384 расчетных ячеек. Шаг расчета при моделировании движения потоков ветра принимается равный 0,1 с.
В результате проведения численных экспериментов были получены линии движения атмосферных потоков для основных направлений ветра при скорости ветра 2,5 м/с (2 балла), которые представлены на рисунке 4.9.
На рисунке 4.10 приведены результаты расчета поля скоростей атмосферных потоков в рабочей зоне АГФУ (на отметке h=2 м от приземного слоя) при скорости ветра 2,5 м/с (2 балла).
Полученные результаты распределения вспышек и поля скоростей атмосферных потоков говорят о сложном движении, что достаточно трудно предсказать интуитивно на основе значений скоростей, полученных с использованием датчиков измерения скорости ветра.
Проведенные численные эксперименты по изучению движения атмосферных потоков на АГФУ позволили выявить, что объем застойных зон на территории установке чрезвычайно чувствителен к рассматриваемому направлению атмосферных потоков, и его значение для данной установки изменяется с 27 % до 41,9 % при скорости ветра 2,5 м/с.
