Расчет аварийных выбросов на промысловых трубопроводах со сжиженным углеводородным газом

При разгерметизации ПТ с газовым конденсатом, продукцией скважин, сжиженными углеводородными газами (далее - СУГ) и иными продуктами, способными образовывать при аварийном падении давления облака ТВС, по трубопроводу от места разрыва распространяются волны разгрузки. На участке до места разрыва (по потоку) среда ускоряется, а на участке после места разрыва - замедляется, вплоть до образования обратного потока перекачиваемой среды.

В первые секунды после разрушения, пока идет падение давления в транспортируемой среде вблизи отверстия разгерметизации, происходит выброс среды (жидкой фазы) с очень высокой интенсивностью. Выброшенный на этой стадии продукт может вскипать за пределами трубопровода.

Если давление в трубопроводе в распространяющихся волнах разгрузки упадет ниже давления насыщенных паров СУГ для данной температуры, то в трубопроводе произойдет вскипание СУГ, и тогда в трубопроводе будет двигаться двухфазный поток. От места, где началось вскипание, по трубопроводу начинает двигаться волна вскипания, в которой и происходит фазовый переход. В результате в трубопроводе с СУГ распространяется двухфронтовая структура из волны разрежения и волны вскипания. Вскипание потока в трубопроводе приведет к тому, что двухфазная среда будет ускоряться значительно меньше, чем если бы это была однородная жидкость, происходит так называемое запирание потока. Кроме того, в двухфазном потоке в протяженных трубах существенную роль будет играть трение, поскольку появление газовой фазы приводит к росту скорости движения среды. Все это приводит к тому, что удельный расход на месте выброса в случае вскипания транспортируемой среды существенно меньше, чем в случае отсутствия вскипания.

Описанные эффекты имеют место как при транспортировании СУГ, так и при транспортировании изначально газокапельной среды.

После полной остановки насосов и прекращения нагнетания СУГ в трубопроводе образуются участки, заполненные парами СУГ при давлении насыщенных паров. При самотечном режиме истечения можно выделить две стадии поступления СУГ в окружающую среду. На первой стадии, когда уровень отверстия разгерметизации расположен ниже уровня жидкой фазы СУГ, происходит выброс жидкой фазы. На второй стадии, когда уровень жидкости не достигает уровня отверстия разгерметизации, начинается выброс только газовой фазы, истекающей из трубопровода, где она находится при давлениях до давления насыщенных паров. При этом если СУГ находился в перегретом состоянии на момент достижения уровня отверстия разгерметизации, то возможно его дальнейшее вскипание в трубопроводе, после чего в карманах трубопровода останется охлажденный СУГ, который будет испаряться из трубопровода (в том числе и за счет теплообмена с грунтом). В локальных максимумах могут образовываться газовые подушки с избыточным давлением, поскольку при падении давления в этих точках ниже давления насыщенного пара транспортируемого продукта начинается переход жидкости в газовую фазу (кипение). За счет этого избыточного давления в локальных максимумах трубопровода возможно частичное передавливание жидкости из одного локального минимума (кармана) в другой, а при достижении в ходе расширения газовой подушки локального минимума открывается возможность перехода газа из одной газовой подушки в другую.

Таким образом, при исследовании аварийного истечения жидких продуктов из ПТ с СУГ можно выделить две основные стадии:

истечение в напорном режиме, когда в трубопровод подается и из трубопровода отбирается продукт;

самотечный режим истечения.

На стадии напорного истечения (до перекрытия потока) давление на месте разгерметизации, а, следовательно, также и масса, выброшенная из трубопровода на этой стадии, определяются размером дефектного отверстия, величиной спада давления по трубопроводу, степенью вскипания СУГ в трубопроводе и характеристиками насосов на трубопроводе.

Истечение СУГ из дефектного отверстия после остановки насосов (самотечный режим) будет определяться профилем трассы и разностью температур перекачиваемого продукта и окружающей среды (она будет определять долю вскипания СУГ в трубопроводе и соответственно давление насыщенных паров в трубопроводе). В самотечном режиме скорость истечения будет зависеть от перепада высоты дефектного отверстия и высоты столба СУГ в трубопроводе на участке до перевальных точек, а также от давления насыщенных паров СУГ. Давление в трубопроводе на месте аварии будет обусловлено сначала разностью этих высот по всей трассе трубопровода (плюс давление насыщенных паров), а после полного перекрытия задвижек - разностью высот только на отсеченном участке трубопровода (плюс давление насыщенных паров).

Последовательная схема развития аварий, связанных с разгерметизацией продуктопровода и поступлением СУГ в окружающую среду, может быть представлена следующим образом.

Разгерметизация трубопровода или арматуры, уставленной на нем начало выброса СУГ из трубопровода распространение по трубопроводу волн разгрузки, регистрация утечки системой обнаружения утечки вскипание СУГ в трубопроводе (если СУГ находился в перегретом состоянии) образование двухфазного потока в трубопроводе (если он изначально отсутствовал) отключение насосов, закрытие линейных задвижек истечение СУГ в самотечном режиме из отсеченного участка трубопровода возможное образование участков в трубопроводе, заполненных газовой фазой СУГ при давлении насыщенного пара (газовые подушки) и жидкой фазы (карманов) прекращение потока СУГ при падении давления, эмиссия паров из отверстия разгерметизации.

Гидродинамика истечения нестабильных жидкостей из трубопровода рассчитывается по модели двухфазного истечения в предположении скоростного равновесия фаз, когда все жидкостные и газовые фракции движутся с одной скоростью.

Движение среды по каждому участку описывается следующими одномерными нестационарными уравнениями для осредненного по сечению течения:

закон сохранения массы:

, (2-27)

где: x - пространственная координата вдоль оси трубопровода, м; - время, с; - общая плотность смеси, кг/м³; w - скорость движения среды, м/с; A - площадь сечения трубопровода, м²; M₀(x,t) - расход выброса, кг/с/м;

закон сохранения отдельных компонент/фаз:

, (2-28)

где - скорость исчезновения/появления m-й компоненты/фазы в результате испарения/конденсации;

закон сохранения импульса:

, (2-29)

где: p - давление в системе, Па; I₀(x,t) - потери импульса в системе при выбросе среды, кг/с²; g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²); z - высотная отметка трубопровода, м; - число Пифагора (3,14159...); - коэффициент трения;

закон сохранения энергии:

; (2-30)

где: - удельная внутренняя энергия (на единицу массы), Дж/кг; E₀(x,t) - потери энергии в системе при выбросе среды, Дж/(м·с); Q - удельная (на единицу массы) скорость энерговыделения/энергополощения за счет фазовых переходов, протекающих в системе, либо за счет подогрева смеси в отдельных точках трассы, Дж/(м³·с); - теплообмен с окружающей средой через стенки трубы, Дж/(м·с).

Соответствующие слагаемые, описывающие теплообмен с окружающей средой, трение о стенки и потери на местных сопротивлениях рассчитываются согласно имеющимся справочным данным.

В случае отсутствия ветвлений систему уравнений (2-27) - (2-30) решают только для одного участка. В случае наличия нескольких линейных участков, соединенных в единую систему (ответвления, лупинги и т.д.), систему уравнений (2-27) - (2-30) решают для всех линейных участков, составляющих разветвленную трубопроводную систему и влияющих на массу выброса на месте аварии. При этом в уравнения (2-27) - (2-30) в правую часть добавляются слагаемые, описывающие дополнительное поступление/забор массы, массы отдельных компонент/фаз, импульса и энергии из отдельно взятого линейного участка в смежные участки; эти слагаемые аналогичны величинам M₀(x,t), I₀(x,t), E₀(x,t).

Представленная система уравнений учитывает широкий перечень факторов и процессов:

изменение сечения по длине трубопровода;

изменение параметров среды (плотность, концентрация, скорость и энергия) в каждой точке пространства (первые слагаемые левых частей в уравнениях (2-27) - (2-30);

перенос в поле скорости (конвективный перенос) массы в целом, массы отдельных компонент смеси, импульса и энергии (вторые слагаемые левых частей в уравнениях (2-27) - (2-30);

потери массы (в том числе отдельных компонент), импульса и энергии в системе при выбросе среды на местах разрушения (первые слагаемые правых частей в уравнениях (2-27) - (2-30);

действие сил давления (второе слагаемое правой части (2-29);

действие силы тяжести (четвертое слагаемое правой части (2-29);

потери на трение на стенках трубы и на фитинге трубопровода (третье слагаемое правой части (2-29) и второе слагаемое правой части (2-30);

энерговыделение/энергопоглощение за счет реакций/фазовых переходов, протекающих в транспортируемой среде, в том числе за счет принудительного внешнего нагрева транспортируемого продукта (третье слагаемое правой части (2-30);

теплообмен продукта, транспортируемого по трубопроводу, с окружающей средой через стенки трубопровода (четвертое слагаемое правой части (2-30).

Система уравнений (2-27) - (2-30) должна быть дополнена следующими соотношениями:

уравнениями состояния жидкой и газокапельной сред; для случая течения только жидкости в качестве уравнения состояния используется соотношение (2-5); для случая наличия двух фаз для газовой фазы используется уравнение, описывающее зависимость давления газа от плотности и температуры (например, уравнение состояния идеального газа), а жидкая фаза может считаться несжимаемой;

откорректированным соотношением для , учитывающим двухфазность потока (например, зависимость Локкарта-Мартинелли);

соотношением для расчета скоростей фазовых переходов (долей газовых/жидких фракций); в простейшем случае допускается использовать предположение о термодинамическом давлении фаз; в этом случае в качестве уравнения состояния используются результаты термодинамического расчета задачи об отыскании параметров в системе при известных плотности (берется из решения уравнения (2-27)), энергии (берется из решения уравнения (2-30)) и составе (берется из решения уравнения (2-28)). Именно в ходе термодинамического расчета отыскивается давление, температура и доля вскипания в соответствующем сечении трубопровода.

Система уравнений (2-27) - (2-30) также дополняется соответствующими начальными и граничными условиями. В качестве граничных условий используются параметры оборудования, стоящего в начале и в конце трубопровода: устье скважины, насосы, емкости, жесткие заглушки и т.д.

Система уравнений (2-27) - (2-30) решается численно на ЭВМ с использованием разностных методов необходимой точности.

Решение системы (2-27) - (2-30) позволяет отыскать для каждого места утечки величину M₀(t), а также пространственно-временное распределение всех параметров, обусловливающих M₀(t): скорость продукта в трубопроводе, давление, температуру, вскипевшую долю и состав СУГ и т.д. Именно расход продукта M₀(t) и его параметры на месте выброса позволяют проводить в дальнейшем необходимые расчеты по последствиям выброса.

При истечении из трубопровода интенсивность истечения меняется от максимального значения в первый момент времени до меньших значений в последующие моменты (при этом не исключены отдельные "всплески" повышения интенсивности выброса за счет циркуляции волн в трубопроводе). Падение интенсивности истечения в среднем обусловлено падением давления на месте выброса. Падение интенсивности выброса необходимо учитывать при рассмотрении последствий и, в частности, при моделировании рассеяния выброса.

Для расчета рассеяния выброса по интегральным моделям может применяться подход, основанный на расчете "эффективной" интенсивности выброса, то есть такой интенсивности выброса, которая будет учитывать ряд факторов, связанных с упрощениями интегральной модели, и прежде всего учитывать размыв (интенсивное смешение с воздухом) переднего фронта облака (диффузия в направлении ветра, смешение с воздухом за счет вихревой пары на переднем фронте, дополнительное рассеивание за счет горизонтального сдвига разновысотных слоев выброса с последующей диффузией из них в вертикальных направлениях). Для выбросов из крупных трещин трубопроводов большого диаметра при низких скоростях ветра такая "эффективная" интенсивность выброса устанавливается на 60-й секунде для устойчивых состояний атмосферы и на 120 - 300-й секундах для неустойчивых (при неустойчивой стратификации диффузия сильнее размывает передний фронт облака). Именно с этих моментов времени концентрация в той или иной точке перестает размываться процессами, протекающими на переднем фронте. При более высоких скоростях "эффективная" интенсивность выброса устанавливается на более ранних стадиях истечения.

Расчет аварийных выбросов на промысловых газопроводах

Для инженерных расчетов аварийных выбросов на промысловых газопроводах применяются соотношения, изложенные в приложении N 7 к Руководству по безопасности "Методика оценки риска аварий на опасных производственных объектах магистрального трубопроводного транспорта газа".