Приложение 7. Приказ Ростехнадзора от 26.12.2018 N 647 "Об утверждении Руководства по безопасности "Методика оценки риска аварий на опасных производственных объектах магистрального трубопроводного транспорта газа"

1. Расчет интенсивности истечения газа на основе численного моделирования.

Для расчета параметров истечения газа (скорости, расхода и массы выброса) при разгерметизации трубопровода рекомендуется использовать систему уравнений газодинамики, описывающую нестационарное одномерное движение в трубе

где t - время; x - координата вдоль оси трубопровода; u - скорость; p - давление; z - высотная отметка линии трубопровода; g - ускорение свободного падения; D0 и DH - соответственно внутренний и наружный диаметры трубопровода; - коэффициент гидравлического сопротивления, учитывающий действие трения на стенках трубы, связан с внутренним диаметром D0 (м) и шероховатостью стенок трубы соотношением ; - удельная внутренняя энергия; T - температура внутри трубопровода; Ts - температура снаружи трубопровода; KT - коэффициент теплопередачи, который для проектных расчетов задается нормативно с возможностью уточнения по натурным замерам расходов и температур при эксплуатации.

В соотношение (3) для расчета плотности потока тепла, поступающего в газ через стенки трубопровода от окружающей среды, применяется закон Ньютона.

Для замыкания системы (1) - (3) используются калорическое и термическое уравнение состояния в виде:

где Z и R* - соответственно удельная постоянная и сжимаемость газа;

CV(T) - удельная теплоемкость как функция температуры.

В качестве граничных условий используется условие постоянства давления на входе и выходе трубопровода. В качестве начального условия для трубопровода задается режим стационарной перекачки.

При моделировании истечения в конце каждой ветки разорванного трубопровода задается давление равное окружающему, т.е. 1 атм (для дозвукового истечения), либо на срезе в месте разрыва задается скорость равная скорости звука на срезе трубы (для сверхзвукового истечения). Соответственно интенсивность выброса с одной ветки будет определяться на срезе разорванной трубы как произведение плотности, скорости и площади поперечного сечения трубопровода .

Система уравнений (1) - (3) записывается для каждого линейного участка с постоянным диаметром. В местах стыковки отдельных линейных участков выполняются законы сохранения.

Допускается применять приближенные методы расчета интенсивности истечения газа для случаев, изложенных ниже в пунктах 2 - 4 данного приложения.

2. Разгерметизация однониточного газопровода.

2.1. Исходные данные:

- коэффициент гидравлического сопротивления, б/р;

d0 - внутренний диаметр трубы, м;

, - средние давление и температура для первого аварийного участка газопровода;

Q - производительность газопровода в нормальном режиме его эксплуатации, млн. м3/сут;

Pн, Pк - давления в начале и конце газопровода до его разрыва, Па;

- плотность газа при нормальных условиях, г/м3;

L1, L2 - расстояние от места разрыва до КС1 и КС2 соответственно, м;

x1, x2 - расстояние от места разрыва до ближайшего линейного крана, м;

k - показатель адиабаты газа, б/р.

2.2. Искомые параметры:

G1(t) - массовый расход, (кг/с).

M1, M2 - полная масса газа, выброшенная из первого и второго аварийного участка соответственно, кг.

2.3. Последовательность расчета

Моделируется разрыв участка газопровода на перегоне между компрессорными станциями КС1 и КС2 на расстоянии L1 (м) от КС1 (рисунок 1). Направление движения газа - слева направо.

Рисунок 1. Схема фрагмента магистрального газопровода
(не приводится)

Время, прошедшее от момента аварии до момента полного закрытия станционного охранного крана К21 на КС1, составляет величину t21 (с) (включает в себя время идентификации аварии оператором, время принятия им решения об отключении КС и время закрытия охранного крана). Аналогичное время для крана К19 на КС2 величину t19 (с). Ближайшие к месту аварии линейные краны Л1 и Л2 расположены на расстояниях x1 (м) и x2 (м). Линейные краны полностью закрываются через время tл (с) от момента аварии. В данном сценарии для большей общности принимается, что закрытие кранов может происходить не одновременно.

До своего отключения КС1 нагнетает на перегон дополнительную массу газа , а КС2 забирает из аварийного участка массу .

Аварийным участком считается участок от места разрыва газопровода до компрессорной станции (под первым аварийным участком понимается участок от места разрыва до КС1, соответственно под вторым аварийным участком - участок от места разрыва до КС2). Аварийной секцией считается участок от места разрыва до ближайшего линейного крана (если линейный кран отсутствует или не может быть закрыт, - под аварийной секцией понимается весь аварийный участок и расчет истечения ведется только по формулам первого этапа).

Расчет истечения газа для каждой из аварийных секций производится в два этапа. На первом этапе рассчитывается аварийный расход газа от момента аварии до момента закрытия линейного крана. На втором - аварийный расход газа из отсеченной секции (после закрытия линейного крана) до его полного истечения.

2.4. Этап I. Расчет массового расхода газа из аварийного газопровода от момента аварии до отсечения аварийной секции tл (на примере расчета для первого аварийного участка)

Давление P0 в момент аварии в точке разрыва газопровода рассчитывается по формуле

Расход газа G1(t) (кг/с) при t больше 0,1 (с) для первого аварийного участка протяженностью L1 задается формулой

MГ - масса газа, находящаяся в аварийном участке газопровода до аварии, кг, рассчитывается по формуле

где , - средние давление и температура для первого аварийного участка газопровода, Па;

- коэффициент сжимаемости газа до разрыва при параметрах и ;

Мкс - масса газа, которая нагнетается в аварийный участок газопровода КС1 до момента отсечения аварийного участка, кг (если время закрытия крана меньше времени отключения КС, то есть tЛ < t21, то время t21 в нижеприведенной формуле (9) заменяется на tЛ);

R - газовая постоянная, Дж/(кг·0К).

Знак "плюс" в формуле (8) применяется при расчете MГ в первом аварийном участке газопровода, знак "минус" используется при расчете MГ во втором аварийном участке. Предполагается, что отключение кранов на участке от места аварии до КС2 происходит до полного опорожнения второго аварийного участка (т.е. предполагается, что MГ > 0).

Mкс вычисляется по следующей формуле

MКС1 = GКС · t21, (9)

где GКС - производительность газопровода (кг/с) в нормальном режиме его эксплуатации.

MН (кг) - масса газа, истекающего в адиабатическом режиме. Величина MН (кг) рассчитывается по формуле

где - постоянная времени, с, определяется по соотношению,

a0 - скорость звука в газе до разрыва, м/с, задается выражением

G0 - начальный критический массовый расход газа, кг/с, рассчитывается по формуле

Zк - коэффициент сжимаемости газа в критическом сечении (принимается равным 1).

Масса газа, выброшенная из аварийной секции на первом этапе истечения, определяется по формуле

Расход газа на момент времени tЛ закрытия линейного крана G1(tЛ), кг/с, задается формулой

Аналогичным образом производится расчет параметров аварийного истечения газа из второго аварийного участка газопровода.

2.5. Этап II. Расчет массового расхода газа из аварийного газопровода после локализации аварии на примере первой аварийной секции протяженностью x1.

Расход газа G2(t) (кг/с) для аварийной секции после закрытия крана на линейной части (t > tЛ) задается формулой

- постоянная времени, с, определяется по формуле

ax - скорость звука в газе в отсеченной секции на момент времени t12, м/с, задается формулой

- средняя температура в отсеченной секции от линейного крана до места разрыва на момент времени tЛ (К).

Масса газа из первой аварийной секции M12 на втором этапе истечения, определяется по формуле

Полная масса газа, выброшенная из первого аварийного участка, рассчитывается как сумма масс M11 и M12 по формуле

M1 = M11 + M12. (21)

Для второй отсеченной секции длиной x2 расчет производится аналогичным образом.

3. Разгерметизация нитки многониточного газопровода при открытых кранах на перемычках.

3.1. Исходные данные:

- коэффициент гидравлического сопротивления, б/р;

d0 - внутренний диаметр трубы, м;

(Па), (0К) - средние давление и температура для первого аварийного участка газопровода;

Q - производительность газопровода в нормальном режиме его эксплуатации, млн. м3/сут;

Pн, Pк - давления в начале и конце газопровода до его разрыва, Па;

- плотность газа при нормальных условиях, г/м3;

L1, L2 - расстояние от места разрыва до КС1 и КС2 соответственно, м;

x1, x2 - расстояние от места разрыва до ближайшего линейного крана, м;

k - показатель адиабаты газа, б/р.

3.2. Искомые параметры:

G1(t) - массовый расход, кг/с,

M1, M2 - полная масса газа, выброшенная из первого и второго аварийного участка соответственно, кг.

3.3. Последовательность расчета

Разгерметизация многониточного газопровода рассчитывается в предположении, что число ниток две и более (N >= 2).

Моделируется разрыв участка многониточного газопровода на перегоне между компрессорными станциями КС1 и КС2 на расстоянии L1 (м) от КС1 (рисунок 2). Направление движения газа слева направо.

Рисунок 2. Обобщенная схема многониточного газопровода
(не приводится)

Сценарий аварии соответствует таковому для однониточного газопровода. Аварийным участком считается участок А - С (рисунок 3) от места разрыва многониточного газопровода до компрессорной станции (под первым аварийным участком понимается участок от места разрыва до КС1, соответственно под вторым аварийным участком - участок от места разрыва до КС2). Аварийной секцией считается участок Б - С (рисунок 3) от места разрыва до ближайшего линейного крана на крановом узле (если линейный кран отсутствует или не может быть закрыт, под аварийной секцией понимается весь аварийный участок и расчет истечения ведется только по формулам первого этапа).

Рисунок 3. Эквивалентная схема многониточного газопровода
для расчета аварийного истечения

Характер истечения при аварии многониточного газопровода определяется соотношением между суммарной пропускной способностью всех ниток и расходом при установившемся течении газа в аварийной секции от места разрыва до ближайших перемычек между нитками (на рисунке 3(а) - участок между точками Б - С). Если секция достаточно длинная, то падение давления в ней за счет трения велико и, соответственно, квазистационарный расход мал.

Считаем, что истечение из многониточного газопровода эквивалентно истечению из трубы с переменным (в месте соединения ниток перемычками) сечением. Истечение рассчитывается по эквивалентной модели, которая многониточную систему от КС до последних перед разрывом перемычек аппроксимирует "толстой" трубой А - Б (рисунок 3(б)) с эквивалентным сечением, равным сумме поперечных сечений всех ниток, и патрубком Б - С от кранового узла с перемычками до места разрыва.

В начале истечения реализуется переходный процесс формирования квазистационарного распределения скорости по длине аварийной секции (патрубка), а затем при его достижении расход газа далее изменяется достаточно медленно в соответствии с процессами формирования течения газа в "толстой" трубе (участок А - Б на рисунке 3(б)) до времени перекрытия запорных кранов Лi.

Расчет истечения газа для каждой из аварийных участков выше и ниже по потоку газа от места разрыва производится в два этапа. На первом этапе рассчитывается аварийный расход газа от момента аварии до момента закрытия линейных кранов Л1 и Л2. На втором - аварийный расход газа из отсеченной секции (после закрытия линейного крана на аварийной секции) до его полного истечения.

3.4.1. Расчет параметров истечения для переходного процесса

Протяженность первого аварийного участка рассчитывается по формуле

L1 = LK1 + x1, (22)

Давление P0 в момент аварии в точке разрыва газопровода определяется по формуле

Расход газа G1(t) (кг/с) при t больше 0,1 (с) для первого аварийного участка протяженностью L1 задается формулой

MГ - масса газа, находящаяся в аварийном участке газопровода до аварии, кг, определяется из формулы

Знак "плюс" применяется при расчете MГ в первом аварийном участке газопровода, знак "минус" используется при расчете MГ во втором аварийном участке. Предполагается, что отключение кранов на участке от места аварии до КС2 происходит до полного опорожнения второго аварийного участка (т.е. предполагается, что MГ > 0).

Mкс - масса газа, которая нагнетается в аварийный участок газопровода КС1 до момента отсечения аварийного участка, кг (если время закрытия крана меньше времени отключения КС, то есть tЛ < t21, то время t21 в нижеприведенной формуле заменяется на tЛ) рассчитывается по формуле

где GКС - производительность газопровода (кг/с) в нормальном режиме его эксплуатации, вычисляемая как , где - плотность газа при нормальных условиях (для метана 0,7168 кг/м3);

- среднее давление для первого аварийного участка газопровода, Па;

- средняя температура газа в первом аварийном участке газопровода в момент аварии, К;

- коэффициент сжимаемости газа до разрыва при параметрах и .

Величина MН (кг) рассчитывается по формуле

где - постоянная времени, с, задается выражением

где a0 - скорость звука в газе до разрыва, м/с, определяется по формуле

где G0 - начальный критический массовый расход газа, кг/с, рассчитывается по формуле

где Zк - коэффициент сжимаемости газа в критическом сечении (принимается 1).

Переходный процесс заканчивается при достижении квазистационарного режима истечения. Данный режим истечения устанавливается при достижении расхода через сечение разрыва величины GСТАЦ, кг/с, определяется по формуле

где vП - скорость газового потока в районе перемычек между нитками (точки А1 и А2), необходимая для существования стационарного режима истечения, задается выражением

vn = M · a0, (33)

где M - число Маха в рассматриваемой точке газового потока; a0 - скорость звука в газе до разрыва, м/с.

Значение времени, при котором расход сравнивается с GСТАЦ определяется как tСТАЦ.

Число Маха определяется из решения следующего уравнения

3.4.2. Истечение газа после достижения квазистационарного режима истечения

После достижения квазистационарного расхода характер истечения формируется за счет установления течения в "толстой" трубе. При этом считается, что длина вышеупомянутой эквивалентной "толстой" трубы равна LK1, а эквивалентный диаметр вычисляется из соотношения

Тогда расход газа G1(t) (кг/с) для аварийной секции после завершения переходного процесса при t >= tСТАЦ задается формулой

где tСТАЦ - время достижения квазистационарного режима истечения, с; - постоянная времени, с;

3.5. Этап II. Расчет массового расхода газа из аварийного газопровода после локализации аварии и закрытия линейных кранов на примере первой аварийной секции протяженностью x1

Расход газа G2(t) (кг/с) для аварийной секции после закрытия крана на линейной части (t > tЛ) задается формулой

где - постоянная времени, с, вычисляется по формуле

Аналогичным образом производится расчет параметров аварийного истечения газа из второго аварийного участка газопровода.

Изложенный алгоритм расчета допускается применять при экспресс-оценках. Для расчета же детальных и более точных интенсивностей истечения (например, при обосновании безопасности), рекомендуется использовать подход, базирующийся на решении уравнений (1) - (3), для совокупности линейных участков, составляющих многониточный трубопровод.

4. Разгерметизация технологической линии на площадочных сооружениях (на примере КС).

4.1. Исходные данные:

- коэффициент гидравлического сопротивления, б/р;

Lмг, Dмг - длина и внутренний диаметр трубы МГ, м;

T0 - средняя температура газа в МГ на входе площадочного сооружения, К;

P0, - давление в МГ на входе площадочного сооружения до аварии, Па;

- плотность газа при нормальных условиях, (г/м3);

LМГ - длина магистрального газопровода, подводящего газ к площадочному объекту (КС, ГРС или АГНКС, м;

L1 - длина участка подводящей однородной трубы (с одинаковым диаметром) от узла подключения МГ (кранового узла) до труб обвязки оборудования площадочного объекта, м;

d0 - внутренний диаметр патрубка, м;

k - показатель адиабаты газа, б/р.

4.2. Искомые параметры:

G1(t) - массовый расход, (кг/с).

4.3. Последовательность расчета

Участок газопровода от МГ до места разрыва на площадочных сооружениях КС, ГРС и АГНКС может состоять из нескольких участков с различным диаметром труб исходя из технологической схемы объекта. При этом характер истечения при аварии на площадочных сооружениях определяется наименьшей пропускной способностью участка труб с максимальным гидравлическим сопротивлением. При условии большого гидравлического сопротивления участка, падение давления в нем за счет трения велико и истечение газа быстро переходит в установившийся квазистационарный режим, при этом квазистационарный расход мал. Рассмотрим аварию на примере КС (рисунок 4). На формирование аварийного выброса сильно влияет с какой ("низкой" или "высокой") стороны от КС произошла авария. При аварии с "высокой" стороны может реализоваться два варианта:

а) авария между ГПА и отсечным клапаном,

б) авария между отсечным клапаном и крановым узлом Кр8.

Авария типа а) очень быстро обнаруживается, локализуется без крупных последствий и больших выбросов газа. С точки зрения оценки риска рассматривать эту ситуацию нецелесообразно. Авария типа (б) может быть оценена в соответствии с пунктом 1 текущего приложения.

Рисунок 4. Эквивалентная схема основного потока газа
на типовой КС (не приводится)

При аварии с "низкой стороны" истечение может быть рассчитано по эквивалентной модели "толстая труба - патрубок", в которой МГ является "толстой" трубой А - Б (рисунки 5, 6) с присоединенным к ней патрубком Б - С от МГ до места разрыва. В качестве патрубка принимается однородный участок с наибольшим гидравлическим сопротивлением.

Рисунок 5. Схема возможной аварии
на площадочных сооружениях (не приводится)

Рисунок 6. Эквивалентная схема аварии на площадочных
сооружениях КС, ГРС и АГНКС (не приводится)

В начале истечения реализуется переходный процесс формирования квазистационарного распределения скорости по длине (патрубка), а затем при его достижении расход газа далее изменяется достаточно медленно в соответствии с процессами формирования течения газа в "толстой" трубе МГ (участок А - Б на рисунке 6) до времени перекрытия запорного крана Кр7 (рисунок 4).

Расчет истечения газа производится в два этапа. На первом этапе рассчитывается аварийный расход газа от момента аварии до момента закрытия линейного крана Кр7. На втором - аварийный расход газа из отсеченной секции до его полного истечения.

4.4.1. Расчет параметров истечения для переходного процесса установления квазистационарного профиля давления в патрубке

Расход газа G1(t) (кг/с) при формировании квазистационарного течения газа в патрубке протяженностью L1 задается формулой

MГ - масса газа, находящаяся в аварийном участке газопровода до аварии, кг, определяется по формуле

- коэффициент сжимаемости газа до разрыва при параметрах P0 и T0.

Величина MН (кг) рассчитывается по формуле

- постоянная времени, с, рассчитывается по формуле

a0 - скорость звука в газе до разрыва, м/с, задается формулой

G0 - начальный критический массовый расход газа, кг/с, вычисляется по формуле

Zк - коэффициент сжимаемости газа в критическом сечении (принимается 1).

Переходный процесс заканчивается при достижении квазистационарного режима истечения. Данный режим истечения устанавливается при достижении расхода через сечение разрыва величины GСТАЦ, кг/с, рассчитывается по формуле

где vП - скорость газового потока в начале участка с максимальным гидравлическим сопротивлением (точка Б на рисунке 7-б), необходимая для существования стационарного режима истечения, задается выражением

vn = M · a0, (48)

где M - число Маха в рассматриваемой точке газового потока;

a0 - скорость звука в газе до разрыва, м/с.

Число Маха определяется из решения следующего уравнения

где x1 - длина от начала патрубка до места разрыва, м.

4.4.2. Истечение газа после достижения квазистационарного режима истечения.

После достижения квазистационарного расхода характер истечения формируется за счет установления течения в "толстой" трубе МГ. Тогда расход газа G1(t) (кг/с) для аварийной секции после завершения переходного процесса при t >= tСТАЦ задается формулой

где tСТАЦ - время достижения квазистационарного режима истечения, с;

- постоянная времени, с, определяется по формуле

4.5. Этап II. Расчет массового расхода газа после локализации аварии и закрытия линейных кранов

Расход газа G2(t) (кг/с) для аварийной секции после закрытия запорного крана (t > tзакрытия) задается формулой

- постоянная времени, с, определяется по формуле

Изложенный алгоритм расчета применяется при экспресс-оценках. Для расчета же детальных и более точных интенсивностей истечения (например, при обосновании безопасности), рекомендуется использовать подход, базирующийся на решении уравнений (1) - (3), для совокупности линейных участков, составляющих многониточный трубопровод.