Системный анализ опасных состояний магистральных трубопроводов как объектов математического моделирования

В результате разгерметизации магистральных нефтепроводов образуются разливы нефти, наносящие серьезный ущерб окружающей природной среде (ОПС). Одной из главных причин разгерметизации является физический износ оборудования. На газопроводах при перекачке газа под высоким давлением разгерметизация приводит к разрывам газопровода и образованию взрывоопасных аварийных облаков газовоздушной смеси. Взрывы аварийных газовых облаков и последующие за ними пожары представляют серьезную опасность как для ОПС, так и для населения. Аварии на газопроводах часто приводят к лесным пожарам, наносящим большой вред ОПС.

О серьезности проблемы вредного воздействия на ОПС аварий на магистральных трубопроводах (МТП) свидетельствует тот факт, что с целью предупреждения и контроля аварийных ситуаций на нефтепроводах Правительством РФ от 21.08.2000 принято постановление №613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов». Реализация мероприятий по выполнению постановления №613 возложена на Федеральный центр науки и высоких технологий по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России. Центр отвечает за организацию всего комплекса научно-исследовательских и организационноуправленческих работ в области прогнозирования и ликвидации последствий аварийных ситуаций на газо- и нефтепроводах.

Важную роль в решении поставленных задач играет оперативный мониторинг газо- и нефтепроводов, эффективными инструментами которого являются данные аэрокосмического дистанционного зондирования и математическое моделирование.

Постоянный спутниковый контроль за состоянием газо- и нефтепроводов позволяет в кратчайшие сроки обнаружить разливы нефти или пожары в районе разрывов трубопровода.

В настоящее время разработано большое количество математических моделей, предназначенных для автоматического расчета концентраций газовых выбросов в атмосфере. При моделировании необходимо учитывать множество факторов, оказывающих влияние на формирование результирующих полей газовой примеси в атмосфере.

Рассмотрим основные классы математических моделей и методов, используемых для решения задач мониторинга аварийных ситуаций на газо- и нефтепроводах:

  • 1. Математические модели физических процессов разрушения газо- и нефтепроводов;
  • 2. Математические модели процессов образования газовых облаков и нефтяных разливов;
  • 3. Математические модели распространения аварийных газовых облаков и лесных пожаров, а также нефтяных загрязнений в верхних горизонтах почвы;
  • 4. Математические методы оценки рисков на МТП.

Математические модели физических процессов разрушения газо- и нефтепроводов должны быть согласованы с координатами систем автоматизированного проектирования (САПР) трубопроводов. Математические модели распространения аварийных газовых облаков и лесных пожаров должны быть согласованы с координатами ГИС. Это позволит интегрировать математические модели физико-химических процессов с имеющимися геоинформацион- ными базами данных и эффективными средствами визуального интерфейса ГИС. В настоящее время наиболее эффективным для решения задач мониторинга и математического моделирования аварий на магистральных трубопроводных системах (МТС) является комплекс программ ArcGIS фирмы ESRI. Методика применения математических моделей для анализа аварий на МТС состоит из следующих этапов. После обнаружения аварийной ситуации на МТС необходимо провести настройку параметров математических моделей с выполнением следующих операций:

  • • ввести в модель координаты аварии и объемы выбросов;
  • • настроить параметры модели по текущим метеорологическим данным;
  • • идентифицировать остальные параметры модели;
  • • выполнить расчеты с учетом конкретного физического и термодинамического состояния ОПС и оперативных особенностей подстилающей поверхности МТП (густота, отсутствие или наличие лиственного покрова, восходящие и нисходящие воздушные потоки, атмосферные циркуляции, снежный покров, покрытые льдом водоемы и прочие факторы);
  • • представить результаты моделирования с максимальным использованием средств визуализации;
  • • решить задачи по разработке оптимальных технологических и организационно-управленческих мероприятий по ликвидации последствий аварийных ситуаций;
  • • решить задачи оптимального организационного управления подразделениями, выполняющими мероприятия по ликвидации последствий аварийных ситуаций.

Особую важность при моделировании имеет использование компьютерной модели рельефа (КМР). КМР представляет собой растровую карту высот подстилающей поверхности достаточно гладкую для представления рельефа произвольной сложности с помощью поверхностных или пространственных конечных элементов. Это дает возможность использовать развитые компьютерные гидродинамические модели, разработанные известными фирмами, например фирмой ANSYS, для моделирования распространения аварийных облаков и лесных пожаров.

Далее указаны основные исходные данные, необходимые для математического и компьютерного моделирования аварийных ситуаций на газопроводах с учетом реальных условий ОПС:

  • • покомпонентный состав газового выброса (аммиак, метан и пр.);
  • • объем газа, содержащегося в газопроводе между автоматическими отсекателями;
  • • плотности, теплоемкости и парциальные давления компонентов, их классы опасности, коэффициенты агрессивности и ПДК;
  • • расход газа через место повреждения;
  • • скорость рассеяния каждого компонента за счет вымывания атмосферной влагой и осадками, а также скорость их трансформации за счет химических реакций;
  • • профили скорости и направления ветра;
  • • градиенты температуры и расположение температурных инверсий;
  • • классы устойчивости атмосферы;
  • • интенсивность осадков и параметры, характеризующие турбулентные пульсации в нижних слоях атмосферы;
  • • параметры шероховатости и коэффициенты, характеризующие осаждение компонентов выброса на подстилающую поверхность, КМР и другие параметры рельефа.

Приведенный список данных свидетельствует о значительных трудностях проблемы математического моделирования атмосферного переноса промышленных газовых выбросов. В зависимости от поставленной цели анализа воздействий на ОПС и оценки риска от аварий на МТС могут быть использованы как сложные гидродинамические физико-химические модели, так и упрощенные или прикладные математические модели явлений и процессов распространения выбросов в ОПС (см. главу 5).

Величина экономического ущерба, нанесенного природной среде в результате аварий на нефтепроводах может упрощенно оцениваться по специальной "Методике определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах" Минтопэнерго РФ. Методика позволяет провести оценки площадей загрязнения земель и водных объектов в результате разливов нефти, оценить ущербы, нанесенные ОПС, а также рассчитать штрафы за загрязнение ОПС при авариях на магистральных трубопроводах. Расчетные формулы использованные в методике являются обобщениями результатов математического моделирования и эмпирических данных. Так, например, расход нефти через место повреждения нефтепровода определяется по формуле:

где Q{ - расход нефти через место повреждения с момента возникновения аварии до остановки перекачки, мЗ/ч, Q' - расход нефти в поврежденном нефтепроводе, мЗ/ч, Q0 - расход нефти в исправном нефтепроводе при работающих насосных станциях, мЗ/ч; т0 - показатель режима движения нефти по нефтепроводу в исправном состоянии; х - протяженность участка нефтепровода от насосной станции до места повреждения, м; /0 - гидравлический уклон при перекачке нефти по исправному нефтепроводу; z,,z2 - геодезическая отметка начала и конца поврежденной секции нефтепровода, м; Р',Р" - давление в начале и конце секции нефтепровода в поврежденном состоянии, Па; р - плотность нефти, т/мЗ.

Объем нефти, вытекшей из нефтепровода с момента т возникновения аварии до момента т0 остановки перекачки, определяется соотношением:

Протяженность поврежденного участка нефтепровода, заключенного между 2-мя нефтеперекачивающими станциями (НПС), протяженность участка нефтепровода от НПС до места повреждения х*, геодезические отметки начала z, и конца z2 участка определяются по профилю трассы нефтепровода.

Формулы (1.4.1) и (1.4.2) используются для расчета начальных условий математической модели, описывающей разлив нефти и ее фильтрацию в верхних горизонтах почвы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >