Приложение 7. РУКОВОДСТВО ПО БЕЗОПАСНОСТИ "МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ АНАЛИЗА РИСКА НА ОБЪЕКТАХ ПРОИЗВОДСТВА, ТРАНСПОРТИРОВКИ, ХРАНЕНИЯ, ОТГРУЗКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА"

Численное моделирование (вычислительная гидродинамика) - подраздел механики сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для расчета параметров и последствий аварийного выброса опасных веществ.

Расчет скорости поступления СПГ и других криогенных жидких сред при частичной разгерметизации технологического оборудования, в том числе технологических трубопроводов, производится с учетом рекомендаций раздела IV Руководства по безопасности "Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ", утвержденного приказом Ростехнадзора от 2 ноября 2022 г. N 385 (далее - Руководство по безопасности "Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ").

Расчет скорости поступления природного газа при разрушении оборудования, в том числе технологических трубопроводов, рекомендуется выполнять в соответствии с разделом IV Руководства по безопасности "Методика моделирования распространения аварийных выбросов опасных веществ" или приложением N 6 Руководства по безопасности "Методика оценки риска аварий на технологических трубопроводах, связанных с перемещением взрывопожароопасных газов", утвержденного приказом Ростехнадзора от 28 ноября 2022 г. N 410.

Расчет скорости поступления СПГ и других криогенных жидких сред при частичной разгерметизации линейной части трубопроводных систем производится с учетом рекомендаций приложения N 2 Руководства по безопасности "Методика анализа риска аварий на опасных производственных объектах нефтегазодобычи", утвержденного приказом Ростехнадзора от 10 января 2023 г. N 4.

При разгерметизации оборудования рассматривается поступление жидкости в окружающую среду, его мгновенное вскипание и переход в пролив:

(7-1)

где: qвыб(t) - массовая скорость выброса жидкого опасного вещества, кг/с;

qж(t) - массовая скорость поступления жидкого опасного вещества в пролив, кг/с;

q'(t) - массовая скорость поступления в атмосферу газообразного опасного вещества, образующегося при мгновенном вскипании жидкой фазы в случае истечения жидкого опасного вещества из разрушенного оборудования, кг/с;

Cp(T) - теплоемкость жидкой фазы при температуре T, Дж/кг/К;

Tвыбр - температура вещества в оборудовании, К;

Tкип - температура кипения жидкого опасного вещества, К;

_ теплота испарения (кипения) жидкого опасного вещества, Дж/кг;

q"(t) - массовая скорость поступления в атмосферу капель (аэрозоля) опасного вещества, образующихся при мгновенном вскипании жидкой фазы в случае истечения жидкого опасного вещества из разрушенного оборудования, кг/с.

Масса жидкости, находящаяся в проливе в каждый текущий момент времени t , определяется балансом поступления в пролив жидкости из разрушенного оборудования и переходом в газовую фазу при кипении и испарении пролива:

(7-2)

где: qисп(t) - массовая скорость испарения или кипения жидкого опасного вещества в проливе, кг/с.

Уравнение баланса масс (7-2) является основным для описания нестационарного процесса кипения, испарения жидкости. Это уравнение дополняется соотношением (7-1), учитывающим характер (мгновенный или длительный) и интенсивность поступления жидкости в пролив, а также соотношениями, определяющими растекание, кипение и испарение с учетом всех многообразных факторов теплообмена и массопереноса, в том числе специфику разлития на твердую подстилающую поверхность и воду.

Исходными данными для выполнения расчетов и моделирования являются:

- массовая скорость выброса жидкого опасного вещества (qвыб(t));

- характеристика выбрасываемого вещества;

- тип и характеристики поверхности разлива,

- метеорологические условия. В качестве скорости ветра, температуры воздуха и подстилающей поверхности при моделировании аварийных ситуаций принимается скорость ветра и температура воздуха согласно метеорологическим данным за исследуемый период времени в области возможной аварии. Допускается для сокращения числа рассматриваемых метеоусловий принимать температуру воздуха и подстилающей поверхности равной максимальной среднемесячной температуре окружающего воздуха в наиболее теплый месяц года за 10-летний период метеонаблюдений.

В случае если растекание аварийного выброса происходит по поверхностям, имеющим значительный перепад высот и (или) переменные теплофизические характеристики (в том числе за счет температурной зависимости, неоднородности материала, присутствия влаги) и, в частности, теплопроводность, рекомендуется решать задачу о растекании, испарении и кипении с использованием подходов вычислительной гидродинамики (CFD). Следует отметить, что при этом следует рассматривать и сопряженную задачу о теплопроводности в средах, с которыми контактирует пролив. Моделирование растекания по рельефу рекомендуется выполнять с использованием уравнений Сен-Венана (уравнений "мелкой воды") в двухмерной (осреднение скорости течения по высоте) постановке с описанием трехмерного профиля свободной поверхности. Рельеф местности задается с помощью двухмерной эйлеровой сетки, в каждой ячейке которой определяется высота рельефа. Залповые выбросы жидких сред моделируются путем задания уровня жидкости в расчетной области в виде начальных условий. Длительные выбросы моделируются путем включения источникового члена (граничного условия) в уравнения Сен-Венана. Параметры источникового члена определяются в ячейках расчетной области, в которых происходит выброс, путем задания зависимости объемного расхода жидкости, переходящей в пролив, от времени. Для каждой ячейки расчетной области задаются параметры поглощения жидкости подстилающей поверхностью, а также характеристики ее теплопроводящих свойств. Рекомендуется учитывать, что изменение уровня жидкости в ячейках расчетной области на твердой поверхности происходит под действием следующих факторов: гравитационно-вязкостное растекание жидкости, действие инерционных сил, кипение, испарение, проникание в подстилающую поверхность. Для разливов жидких сред по водным объектам учитываются следующие факторы: гравитационно-вязкостное растекание, действие инерционных сил, кипение, испарение, эмульгирование, растворение в воде, распространение на глубину, дрейф разлива за счет водных течений и ветра. Каждый из составляющих факторов представляется в виде источникового члена в уравнении "мелкой воды" и соответствующих потоков через границы ячеек расчетной области.

При моделировании разливов СПГ рекомендуется учитывать различные режимы кипения (пленочный и пузырьковый), а также испарение жидкости.

Учет теплообмена между проливом жидкости и твердыми поверхностями, с которыми она контактирует, проводится путем решения в каждой ячейке расчетной области одномерного уравнения теплопроводности на основе закона теплопроводности Фурье, либо известных решений этого уравнения для СПГ и типов подстилающей поверхности с учетом их толщины. При этом сопряжение решений в проливе и подстилающей поверхности достигается по равенству либо температур (пузырьковый режим кипения), либо теплового потока (пленочный режим кипения).

Начальная температура пролива Tпр полагается равной температуре проливающейся жидкости, для вскипающих жидкостей и жидкостей изотермического хранения - температуре кипения Tпр = Tкип.

Для моделирования испарения и кипения разливов рассматриваются основные тепловые потоки к проливу или от пролива:

- наличие исходного запаса тепла в проливе за счет поступления в пролив жидкой фазы (в том числе новых порций);

- теплообмен с подстилающей землей или водой;

- теплообмен с воздухом;

- теплоприток за счет солнечного излучения;

- теплопотери на испарение.

Мощность суммарного теплового потока Wобщ(t) к проливу, от пролива определяется уравнением:

Wобщ(t) = Wпов(t) + Wконв(t) + Wизл(t) +
+ Wпр(t) - Wисп(t) (7-3)

где: Wпов(t) - мощность теплового потока от подстилающей поверхности, Вт;

Wконв(t) - мощность теплового потока от воздуха, Вт;

Wизл(t) - мощность теплового потока от солнечного излучения, Вт;

Wпр(t) - мощность теплового потока, поступающего в пролив жидкости в единицу времени, Вт;

Wисп(t) - потери внутренней энергии в единицу времени на испарение жидкости за счет испарения в поле ветра, Вт.

Изменение температуры пролива описывается следующим уравнением:

(7-4)

где: Cp(T) - теплоемкость жидкости при температуре T, Дж/кг/К.

При проливе на неограниченную поверхность жидкости допускается считать Tпр(t) равной Tкип на протяжении всего процесса испарения.

При начальной температуре СПГ в проливе Tкип = -162 °C пролив жидкости всегда будет начинать кипеть сразу после соприкосновения с подстилающей поверхностью. Поступающие к проливу тепловые потоки Wпов(t), Wконв(t), Wизл(t), Wпр(t) вызывают переход жидкости в паровую фазу. Наиболее интенсивным в начале является поток Wпов(t), этот поток вызывает собственно кипение - образование пузырьков пара внутри объема жидкости. Этот поток приводит к забору тепла от подстилающей поверхности и ее охлаждению, соответственно температура поверхности снижается, стремясь к температуре пролива. Соответственно со временем Wпов(t) стремится к нулю, что приводит к прекращению кипения и переходу к испарению (без образования пузырьков внутри жидкой фазы). Теплообмен и массообмен в дальнейшем обусловлен теплообменом с воздухом, нагревом от солнца, поступлением жидкости в пролив и движением воздуха. Таким образом, можно выделить два этапа перехода паров жидкости из пролива в атмосферу: кипение и испарение. Описать этот фазовый переход с небольшим консерватизмом можно соотношением для массовой скорости испарения:

(7-5)

Каждый из потоков Wпов(t), Wконв(t), Wизл(t), Wпр(t), Wисп(t) рассчитывается по нижеприведенным формулам.

Расчет мощности теплового потока Wисп(t) для испарения за счет движения воздуха при проливе на суше проводится по формуле:

(7-6)

где: u10 - скорость ветра на высоте 10 м, м/с;

Sc - число Шмидта Sc = vвозд/D;

vвозд - кинематическая вязкость воздуха, м/м/сек;

Dвг - коэффициент диффузии воздуха и природного газа, м2/сек;

Mc - молярная масса метана, кг/моль.

Расчет мощности теплового потока Wисп(t) для испарения за счет движения воздуха при проливе на воду (с учетом волн на поверхности воды и связанной с этим неровностью поверхностью разлива) проводится по формуле:

(7-7)

где: (7-8)

(7-9)

(7-10)

k - константа Кармана, равная 0,41;

Sct - турбулентное число Шмидта, равное 0,85;

(7-11)

(7-12)

(7-13)

Расчет тепловой энергии, поступающей в пролив (с температурой Tпр) с жидкой фазой истекающей жидкости (с температурой T) в единицу времени Wпр(t), проводится по формуле:

Wпр(t) = qж(t) · Cp(T) · (T - Tпр) (7-14)

Расчет мощности теплового потока от подстилающей поверхности Wпов(t) при проливе на твердую поверхность проводится по формуле:

, при Tп - Tпр(t) < 30

, при Tп - Tпр(t) >= 30 (7-15)

где: r - радиус пролива в момент времени t, м;

(7-16)

- безразмерный коэффициент шероховатости;

hs - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2/К;

- коэффициент теплопроводности подстилающей поверхности пролива, Вт/м/К;

Tп - температура подстилающей поверхности пролива, К;

- коэффициент тепловой диффузии поверхности, м2/сек.

Параметры подстилающей поверхности

Таблица N 7-1

Расчет мощности теплового потока от подстилающей поверхности Wпов(t) при проливе на водную поверхность проводится следующим образом.

Кипение и испарение криогенных жидкостей на воде может привести к образованию слоя льда на поверхности воды. Как правило, разливы таких жидкостей на большой площади воды не образуют слоя льда, так как происходит устойчивая конвекция тепла от воды в пролив. Однако разливы жидкостей с температурой кипения ниже температуры воды в небольшие объемы воды могут привести к образованию слоя льда.

Расчет мощности теплового потока от воды к проливу без образования льда:

(7-17)

где: hs - коэффициент теплопередачи в Вт/К/м2.

Расчет мощности теплового потока от воды к проливу без образования льда:

При расчете мощности теплового потока от воды к проливу при образовании льда (обычно в водоемах со стоячей водой, глубиной до нескольких метров) предполагается, что толщина слоя льда со временем увеличивается по мере того, как криогенная жидкость охлаждает воду на увеличивающихся глубинах. Мощность, с которой тепло поступает в пролив, равна:

(7-18)

где: (7-19)

kл - коэффициент теплопроводности льда при температуре Tкип, Вт/м/К;

- коэффициент тепловой диффузии льда при температуре Tкип, м2/с;

- коэффициент объемного расширения льда (1,0907);

Коэффициент k вычисляется из уравнения:

(7-20)

где: Tп - температура поверхности воды, К;

kводы - коэффициент теплопроводности воды, Вт/м/К;

- коэффициент тепловой диффузии воды, м2/с;

Fводы - удельная теплота плавления льда, 3,336 · 105 Дж/кг;

- плотность льда, кг/м3;

t - время от начала пролива, сек;

Tкип - температура кипения смеси, К.

Расчет мощности теплового потока от воздуха при проливе на землю и воду проводится по формуле:

(7-21)

где: - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м/К;

Tвозд - температура воздуха, К;

Nu(t) - число Нуссельта.

(7-22)

где: Pr - число Прандтля;

(7-23)

(7-24)

где: Cp возд - удельная изобарная теплоемкость воздуха, Дж/кг/К;

- динамическая вязкость воздуха, кг/м/сек.

В дневное время пролив может нагреваться от солнечного излучения. В общий тепловой баланс пролива вносят и излучения от воздуха и пролива.

Расчет мощности теплового потока при переносе энергии излучением Wизл(t) проводится по формуле:

Wизл(t) = Wсолн(t) + Wт.и.(t) (7-25)

(7-26)

(7-27)

где: wсолн - поток тепла от солнца, Вт/м2;

- излучательная способность пролива (0,95);

- постоянная Стефана-Больцмана, Вт/м2/К4.

Процесс растекания происходит:

либо до достижения расчетной толщины пролива h(t) значения hmin в допущении о том, что пролив имеет форму круга:

(7-28)

где: r(t) - радиус пролива, м;

- плотность смеси ОВ, кг/м3;

t - время от начала выброса, сек;

либо (при длительном поступлении жидкости в пролив) до достижения проливом размеров, при которых скорость испарения из пролива qисп(t) становится равной скорости поступления жидкости в пролив qж(t).

При проливе опасного вещества на твердую поверхность радиус пролива r рассчитывается по соотношению:

(7-29)

где: g - ускорение свободного падения, м/с2;

h(t) - толщина пролива в момент времени t, м;

hmin - минимальная толщина пролива, м.

При свободном разливе на бетонное или асфальтное покрытие минимальную толщину слоя разлитой жидкости допускается принимать 0,01 м. Для приближенной оценки площади загрязнения жидкости водной поверхности можно принимать толщину слоя 0,001 м. При отсутствии данных допускается учитывать толщины слоя разлитой жидкости по соответствующим данным для нефтепродуктов (раздел 3 приложения N 9 Руководства по безопасности "Методические рекомендации по проведению количественного анализа риска аварий на опасных производственных объектах магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов").

При проливе жидкости на воду радиус пролива r определяется с учетом меняющихся условий распространения пролива. Рассматриваются три стадии растекания. На начальной стадии растекание определяется силами инерции и гравитации, на второй - силой гравитации и вязкостью пролитой жидкости, на третьей - вязкостью и силами поверхностного натяжения.

Расчет радиуса разлива при мгновенном выбросе жидкости выполняется по соотношениям:

для первой стадии разлива 0 < t < t1:

(7-30)

(7-31)

для второй стадии разлива t1 <= t < t2:

(7-32)

(7-33)

для третьей стадии разлива t >= t2:

(7-34)

Для длительного выброса опасного вещества третья стадия происходит одновременно со второй. Расчет радиуса разлива при длительном выбросе жидкости выполняется по соотношениям:

для первой и второй стадии разлива 0 < t < t3:

(7-35)

(7-36)

для третьей стадии разлива t >= t3:

(7-37)

где: K10 = 1,53; K20 = 1,21; K11 = 1,24; K21 = 1,09;

- плотность воды 1000 кг/м3;

Qпр - масса жидкой фазы, формирующей пролив при залповом выбросе ОВ, кг;

t - время, сек.;

- динамическая вязкость воды, кг/м/сек.;

- поверхностное натяжение воды, Н/м.

Так же, как и для продолжительного выброса на суше, размер пролива на воду ограничивается размерами, при которых скорость испарения из пролива qисп(t) становится равной скорости поступления жидкости в пролив qж(t).

Согласно изложенному определяются временные зависимости основных характеристик пролива, необходимые для расчета последующих негативных воздействий:

- - масса жидкости в проливе в заданный момент времени (уравнение (7-2));

- Wобщ(t) - мощность суммарного к проливу, от пролива в заданный момент времени (уравнение (7-3));

- Tпр(t) - температура пролива в заданный момент времени (уравнение (7-4));

- qисп(t) - скорость испарения пролива в заданный момент времени (уравнение (7-5));

- r(t) - радиус пролива на текущий момент времени (уравнение (7-29), или (7-30), (7-32), (7-34), или (7-35), (7-37)).

При авариях на ОПО с СПГ с точки зрения степени перемешанности топлива и окислителя (воздуха) возможно энерговыделение в двух режимах:

- диффузионное горение;

- горение и детонация заранее перемешанной смеси.

В диффузионном режиме топливо и окислитель разделены и контактируют только на поверхности энерговыделения. В таком режиме осуществляется горение:

- факелов;

- проливов;

- переобогащенных (с концентрацией выше ВКПР) облаков в атмосфере;

- огненных шаров в режиме BLEVE;

- горение газа на поверхности воды при выходе из подводного трубопровода.

В случае заранее перемешанной смеси в каждой точке пространства одновременно находится и окислитель (воздух), и топливо (газ, капельная взвесь). Такой режим реализуется в облаках, дрейфующих в атмосфере и постепенно смешивающихся с воздухом, а также внутри оборудования, куда при аварийном истечении может проникать воздух. В таких областях могут реализовываться разноскоростные режимы горения и детонации.

Для расчета параметров горящих факелов, огненных шаров и горящих проливов рекомендуется использовать подходы, изложенные в Методике определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах и Руководстве по безопасности "Методика оценки риска аварий на опасных производственных объектах магистрального трубопроводного транспорта газа", утвержденном приказом Ростехнадзора от 22 декабря 2022 г. N 454.

При расчете горящих проливов легкоиспаряющихся веществ (метан, этан, СУГ) следует учитывать зависимость от времени размеров пролива. С учетом этого изменения рассчитывается как геометрия очага горения, так и поражающее действие от пожара. При этом рекомендуется шаг учета изменения радиуса разлития принимать не менее 20%.

Поскольку при авариях на ОПО с СПГ в силу низкой температуры и больших объемов опасных веществ возможен быстрый переход жидкой фазы в паровую с образованием протяженных топливно-воздушных облаков, могут возникать облака с большими зонами переобогащенных смесей (с концентрацией выше ВКПР). Эти объемы при наличии источника зажигания могут выгорать в диффузионном режиме с образованием огненного шара. При этом интенсивность теплового излучения и интенсивность волн давления невелика, поэтому для оценки зон поражения в этом случае рекомендуется использовать границу зоны с концентрацией 0,5·НКПР, зоны существования открытого пламени. Для этих расчетов рекомендуется использовать подход, изложенный в Руководстве по безопасности "Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей", утвержденном приказом Ростехнадзора от 28 ноября 2022 г. N 412.

Для расчета параметров горящего метана при выходе его на водную поверхность из разрушенного подводного газопровода или танка (резервуара) ПРГУ рекомендуется использовать подход, изложенный в Методике определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах и Руководстве по безопасности "Методика оценки риска аварий на опасных производственных объектах магистрального трубопроводного транспорта газа", утвержденном приказом Ростехнадзора от 22 декабря 2022 г. N 454.

При расчете таких горящих очагов их радиус полагается равным радиусу пузырьковой струи при ее выходе на водную поверхность. Расход топлива в очаге горения полагается равным расходу на месте разрушения газопроводу.

Наличие протяженных и длительно существующих облаков ТВС создает условия для инфильтрации взрывоопасных паров внутрь имеющихся на пути дрейфа облаков строений, зданий, сооружений. Наличие таких замкнутых объемов может при наличии источника зажигания в них создавать опасность внутренних взрывов.

При расчете последствий таких взрывов рекомендуется рассматривать эквивалентную ситуацию детонационного взрыва массы ТВС, содержащуюся внутри замкнутого объема. Для такого расчета рекомендуется использовать подход, изложенный в Руководстве по безопасности "Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей", утвержденном приказом Ростехнадзора от 28 ноября 2022 г. N 412.

Этот же подход используется для расчета последствий взрывного горения облаков ТВС на открытом пространстве. При этом следует отдельно рассматривать ситуации, когда энерговыделение инициируется внутренним взрывом в помещении. В этом случае класс чувствительности вещества, участвующего в горении, взрыве повышается на единицу.

Для получения детальной информации о действии волн давления рекомендуется подход, изложенный в Руководстве по безопасности "Методика оценки последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах", утвержденном приказом Ростехнадзора от 28 ноября 2022 г. N 415.

7.5. Распространение выбросов в атмосфере.

Для расчета распространения выброса в атмосфере рекомендуется использовать либо детальное численное моделирование, либо интегральный подход.

Для струйного выброса в атмосферу, в том числе при сбросе паров СПГ из межтрубного или межстеночного пространства при использовании интегрального подхода, рекомендуется также учитывать струйный участок течения.

Учитывая тот факт, что криогенные проливы отличаются существенной динамикой, переменным размером пролива на протяжении процесса испарения, рекомендуется учитывать переменный размер пролива. Рассматривается диапазон времени от начала истечения до полного испарения пролива. Рекомендуется рассматривать дискретный набор состояний пролива с радиусами, отличающимися на 20%. В этом случае рассматривается череда облаков, распространяющихся от проливов различных последовательно реализующихся размеров пролива (т.е. рассматривается диапазон времени от начала истечения до полного испарения пролива). Эта череда облаков при оценке последствий взрыва рассматривается как единое облако.

При наличии положительной плавучести паров метана следует учитывать подъем выброса.

Для расчета распространения газа внутри водной среды с последующим выходом газа на поверхность при разгерметизации подводного трубопровода используется вычислительный метод гидродинамики сглаженных частиц (англ. Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH).

Оценку размеров вероятных зон действия выхода метана с поверхности моря рекомендуется определять по формуле:

, (7-38)

где: z - глубина залегания газопровода, м;

Vg - объемный расход газа на поверхности, м3/с.

При этом следует понимать, что размер зоны выхода метана в определенной степени зависит от расхода выброса на месте разрушения трубопровода, который меняется достаточно существенно в течение нескольких десятков секунд.

Оценку размеров вероятных зон действия при горении метана при выходе с поверхности моря рекомендуется определять с использованием расчетной модели, представленной в Методике определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах.

Для оценки и описания процесса генерации и распространения волн в воде от цилиндрического источника рекомендуется использовать следующую одномерную модель:

Уравнение сохранения количества движения:

(7-39)

Уравнение сохранения массы:

(7-40)

Уравнение сохранения энергии:

(7-41)

где: U - скорость частиц, м/с;

R - эйлерова пространственная координата, м;

- коэффициент, равный 1, 2 и 3 в плоском, осесимметричном и сферически симметричном случаях соответственно;

P - давление, Па;

M - масса на единицу длины или на единицу телесного угла;

V - удельный объем, м3/кг;

I - внутренняя энергия, Дж.

Кроме того, справедливы соотношения:

и (7-42)

где: dM - элемент массы на единицу телесного угла (в случаях или ) или на единицу площади (в случае );

;

Vо - удельный объем в начальный момент времени.

Расчет моделирования рассеяния и сгорания облаков метана при выходе с поверхности моря может быть смоделирован с помощью Руководства по безопасности "Методика оценки последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах", утвержденном приказом Ростехнадзора от 28 ноября 2022 г. N 415, где учитывается и положительная плавучесть метана, и сложная трехмерная картина его рассеяния, и механизмы горения метано-воздушной смеси.