Способ определения параметров теплового воздействия при факельном горении сверхзвуковой струи газа

Изобретение относится к области промышленной безопасности опасных производственных объектов и может быть использовано для определения дальности распространения тепловой радиации при факельном горении сверхзвуковой струи газа при авариях на трубопроводах с обращением сжатого газа.

Из уровня техники известен способ определения параметров воздушной ударной волны (ВУВ) при разгерметизации сосудов со сжатым газом (патент РФ на изобретение №2541696 С1, кл. G01M 7/08, 20.02.2015). В известном способе предварительно определяют атмосферное давление, а также исходное давление в сосуде со сжатым газом и его объем, определяют значение тротилового эквивалента взрыва, пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва. Полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей. Затем составляют заключение о степенях поражения людей, а по параметрам сосуда и окружающей среды, а именно по значениям исходного давления в сосуде, атмосферного давления и объема сосуда, определяют радиус круговой зоны разрушения промышленного здания. Известный способ позволяет установить пространственную картину распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации сосудов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечить защиту материальных ценностей и здоровье человека от воздействия ударной волны. Однако, известный способ не позволяет при разгерметизации оборудования со сжатым газом, например, при разгерметизации наземного сосуда или подземного трубопровода, спрогнозировать возможные разрушения и поражения человека тепловым воздействием при факельном горении сверхзвуковой струи газа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ определения параметров воздушной ударной волны при разгерметизации трубопроводов со сжатым газом (патент РФ №2551262, кл. G01M 7/08 (2006.01), опубл. 20.05.2015). В известном способе предварительно определяют атмосферное давление, характеристики трубопровода со сжатым газом и расстояние от места разрыва до ближайшего места завершения трубопровода. Затем определяют коэффициент эффективности ВУВ, определяют значение тротилового эквивалента взрыва, пространственное распределение барических параметров адиабатического взрыва. Полученные значения избыточного давления и импульса во фронте ВУВ наносят на диаграмму «давление-импульс» поражения людей. Затем составляют заключение о степенях поражения людей. По параметрам трубопровода и окружающей среды определяют радиус круговой зоны разрушения (м) промышленного здания. Известный способ позволяет устанавливать пространственные картины распределения параметров ВУВ, образующейся при аварийной разгерметизации трубопроводов, содержащих природный газ, метан, под высоким начальным давлением, и обеспечить возможности защиты материальных ценностей и здоровья человека от воздействия ударной волны. Известный способ не позволяет спрогнозировать возможные разрушения и поражения человека тепловым воздействием при факельном горении сверхзвуковой струи газа.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в создании способа определения параметров теплового воздействия при факельном горении сверхзвуковой струи газа, позволяющего определить геометрические размеры струи газа, форму факела, значения теплового потока в точках окружающей территории для определения зоны возможных поражений реципиентов тепловым воздействием при авариях с образованием струевых пламен.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, - расширение функциональных возможностей, заключающихся в установлении картины пространственного распределения параметров теплового воздействия, образующихся при разгерметизации трубопроводов, содержащих природный газ, под высоким начальным давлением.

Аварийная разгерметизация трубопроводов с обращением газа под высоким начальным давлением сопровождается истечением сильно сжатого газа со сверхзвуковыми скоростями в виде недорасширенной струи, при этом в случае воспламенения факельное горение реализуется как высокоскоростное струевое пламя с дальнейшим поражением реципиентов (людей, объектов инфраструктуры, компонентов природной среды) воздействием тепловой радиации. Предложенный способ позволяет определять параметры теплового воздействия при факельном горении сверхзвуковой струи газа в случае разгерметизации трубопроводов с обращением сжатого газа.

Основными определяемыми параметрами теплового воздействия являются: геометрические размеры струи газа, форма факела, значения теплового потока в точке окружающей территории. Данные параметры определяют зоны возможных поражений реципиентов тепловым воздействием при авариях с образованием струевых пламен.

Согласно предлагаемому способу сначала определяют тип флюида в трубопроводе (метан, этан, пропан и др.); начальные параметры газа в трубопроводе до разгерметизации: d₀ - эффективный диаметр источника газа (при гильотинном разрыве газопровода - внутренний диаметр трубы) (м); Р₀ - начальное давление газа в аварийном элементе (МПа); Р_∞ - атмосферное давление (МПа); k≈1,4 - показатель адиабаты газа.

В зависимости от типа флюида в трубопроводе устанавливают значения, определяющие размеры и форму пламени сверхзвуковой струи комплекса W:

Δс₀ - приведенная концентрация на источнике;

где L¹ и L² - нормированные на начальное значение потоки импульса и приведенной концентрации вещества Δс в струе газа;

с^г и с^о - массовые концентрации горючего газа и окислителя, в данном случае, кислорода;

ρ и u - плотность и скорость потока соответственно;

Ω - массовый стехиометрический коэффициент реакции окисления газа.

Нижние индексы «ф», «∞» и «0» в (1) означают, что значения берутся соответственно на фронте пламени, в окружающем пространстве и на источнике, в качестве которого в нашем случае выступает ударная плоскость.

Далее, используя комплекс W, устанавливают следующие характеристики:

уравнение фронта пламени:

длину факела в калибрах:

максимальную полуширину факела в калибрах:

где и - нормированные на диаметр струи в ударной плоскости d_s (выраженные в калибрах) радиальная (поперек оси) и отсчитываемая от ударной плоскости продольная (вдоль оси) координаты фронта осесимметричного пламени, Sc - турбулентный аналог числа Шмидта Sc=0,7, σ - безразмерный коэффициент турбулентности σ=6,4⋅10^-3, е - основание натурального логарифма.

Определяют:

диаметр струи в ударной плоскости:

длину факела в метрах:

максимальную полуширину факела в метрах:

расстояние до ударной плоскости, (в пренебрежении длиной сверхзвукового переходного участка, располагается по оси струи на удалении L_зв от места разгерметизации):

полную длину факела (с учетом длины начального негорючего участка L_зв):

Предварительно проведенное математическое моделирование показало, что наилучшим образом форма факела аппроксимируется цилиндром.

Далее определяется поток лучистой энергии q(x,у) в любой точке А(х,у) на поверхности земли:

где E_ƒ средняя по поверхности интенсивность теплового излучения пламени (консервативно [СТО Газпром 2-2.3-351-2009. Методические указания по проведению анализа риска для опасных производственных объектов газотранспортных предприятий ОАО «Газпром». - М., ООО «Газпром экспо», 2009, стр. 312])

и τ - коэффициент пропускания атмосферы,

τ=1-0,12⋅lg(r),

r - кратчайшее расстояние от точки А(х,у) до пламени в метрах.

Суммарный от всей поверхности факела (боковая поверхность и поверхность верхнего и нижнего торцов) коэффициент облученности в точке А(х,у) с декартовыми координатами (х,у) (система координат расположена в плоскости земли, ось абсцисс направлена по наклону пламени для наклонных факелов или произвольно для вертикальных, а центр координат находится в очаге аварии) составит:

Определяется результирующий угловой коэффициент облученности в точке А(х,у) от боковой поверхности:

Угловые коэффициенты облученности F_qi(x,у) единичных площадок, расположенных в плоскостях 1-3 (фиг. 1), от боковой цилиндрической поверхности пламени определяются по соотношениям:

где ϕ - угол наклона оси факела к горизонту, L - принимает значения L_зв или L_п, а индекс единичной площадки соответствует номеру плоскости, ее содержащей. Кроме того при вычислениях угловых коэффициентов облученности на поверхности земли первоначальные расчеты для каждой точки А(х,у) проводятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях 1-3 (фиг. 1), проходящих через точку А(х,у) таким образом, что ось факела является параллельной плоскости 1 и целиком лежит в плоскости 2. При этом положение плоскости 3 определяют условием ее перпендикулярности плоскостям 1, 2.

Определяется угловой коэффициент облученности в точке А(х,у) для торцевого излучения (от верхнего и нижнего (при отсутствии касания цилиндром поверхности земли) оснований условного цилиндра):

В качестве примера осуществления изобретения предлагается рассмотреть тестовый расчет.

Пример. Расчет геометрических размеров струи газа и изолиний значений теплового потока в точках при факельном горении сверхзвуковой струи газа. Сценарий аварии - «Гильотинный разрыв подземного газопровода с метаном с образованием сверхзвуковой струи газа, последующим истечением газа из газопровода, сопровождающимся возгоранием».

Исходные данные для расчета:

Р₀=7,5 МПа - начальное давление в газопроводе,

d₀=1 м - внутренний диаметр трубы,

Р_∞=0,013 МПа - атмосферное давление;

k≈1,4 - показатель адиабаты метана (б/р),

Sc=0,7 - турбулентный аналог числа Шмидта,

σ=6,4⋅10^-3 - коэффициент турбулентности (б/р),

- угол наклона оси факела к горизонту,

е=2,71828 основание натурального логарифма.

Для метана рассчитывают значение комплекса W=39,22.

Далее, используя комплекс W, определяют длину факела в калибрах

максимальная полуширина факела в калибрах

при

Определяем диаметр струи в ударной плоскости:

длину факела в метрах:

максимальную полуширину факела в метрах:

расстояние до ударной плоскости в метрах:

полную длину факела (с учетом длины начального негорючего участка L_зв):

L_п=L_ф+L_зв=383,6437+51,3218=434,9654.

Далее проводится расчет распространения потока лучистой энергии при факельном горении сверхзвуковой струи природного газа. Так в соответствии с формулами (10)-(13) определяют значения теплового потока q(x,y) в каждой точке А(х,у) поверхности земли (что эквивалентно расчетной области в плоскости земли). В качестве расчетной области рассматривается прямоугольник размером 1000×1000 м, в котором определяется сетка с шагом 1 м, в плоскости земли вводится прямоугольная система координат (х,у). При этом ось х направлена по оси наклона пламени, а центр координат находится в точке разрыва газопровода (в очаге аварии).

Далее рассчитанные значения теплового потока q(x,y) в каждой точке А(х,у) для визуализации распространения потока лучистой энергии при факельном горении сверхзвуковой струи природного газа удобно представить в виде изолиний с постоянным значением теплового потока q(x,y)=const.

Характерное распределение теплового потока в безразмерных координатах при аварии с возгоранием природного газа для случая приподнятого и наклоненного под углом высокоскоростного факела представлено на фиг. 2. Изолинии тепловых потоков строились до нижнего предела .

Полученные изолинии теплового потока используют для определения дальности распространения тепловой радиации при факельном горении сверхзвуковой струи газа, и как следствие зон негативного воздействия тепловой радиации на объекты окружения и человека. Так при наложении полученных изолиний теплового потока на реальную карту местности в районе прохождения трасс исследуемого газопровода, можно определить степень опасности воздействия тепловой радиации на объекты близлежащей инфраструктуры и человека.