Приближенная оценка количества вещества переходящего в первичное и вторичное облака при разливе сжиженных газов и жидкостей

Для приближенной оценки количества вещества (Q₁) переходящего в первичное облако можно использовать формулу:

(15)

Q - общее количество вещества в емкости, кг;

С_v – удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг·град);

t_a – температура жидкого вещества до разрушения емкости, ^оС;

t_к – температура кипения вещества, ^оС;

λ – удельная теплота испарения, кДж/кг

При разрушении емкостей с высококипящими жидкостями, то есть с жидкостями 3 категории (гидразин, тетраэтилсвинец и др.) первичное облако практически не образуется. Основным процессом, определяющим поступление вещества во вторичное облако, является процесс его испарения с площади поверхности зеркала пролива.

Количество вещества поступающего о вторичное облако можно определить по формуле:

(16)

E – удельная скорость испарения, кг/(м²·с);

S_пр – площадь поверхности зеркала пролива вещества, м²;

τ - время испарения, час.

Площадь поверхности зеркала пролива определяется по формуле:

(17)

d_пр – приведенный диаметр площади пролива.

При наличии поддона (обваловки)

(18)

При отсутствии поддона (обваловки)

(19)

Где 1,22 и 5,04 размерные коэффициенты, м^-0,5.

Опасности объектов содержащих сжатые газы

На объектах содержащих сжатые газы возможны следующие аварийные ситуации:

1) Выбросы газа: из скважины; из трубопровода при его разрыве на полное сечение; из сосуда высокого давления через отверстие;

2) Взрыв емкости содержащей газ под давлением.

Выбросы газа

При выбросах газа можно выделить три этапа:

- истечение газа;

- рассеивание газа в атмосфере;

- горение высокоскоростной струи (в случае возгорания);

- взрыв газовоздушной смеси в открытой атмосфере.

Рассмотрим каждый из этих этапов.

Истечение газа из скважины. При описании истечения газа из скважины выделяют три элемента:

- источник (скопление газа в природном пласте);

- канал (участок ствола, по которому поступает газ от источника);

- выходной участок (характеризуется выходным сечением оборудования или кратера).

Время истечения газа в зависимости от условий месторождения и мер по ликвидации аварии может составить от нескольких часов до нескольких лет. Поэтому основным параметром является объем газа вытекаемый в единицу времени Q_н (дебит).

Для оценки среднего дебита пользуются методами гидрогазодинамического расчета скважин. Приток газа к забою описывают уравнением фильтрации.[9] Канал, по которому движется неуправляемый поток, описывается уравнениями сохранения массы и импульса. При описании процесса истечения газа на выходном участке считается, что скорость потока на выходе равна скорости звука. При таких условиях количество газа истекаемого в единицу времени определится по формуле:

(20)

Где: С_У – поправочный коэффициент, учитывающий специфику формирования конфигурации выходного сечения канала при аварии;

W_ЗВ – скорость звука;

F_У – площадь поперечного сечения канала на устье скважины;

ρ_У – плотность газа на устье скважины;

ρ_Н – плотность газа в нормальных условиях;

Q_Н – дебит газа из скважины в нормальных условиях.

Анализ аварий показывает, что дебит может находиться в пределах от 300 тысяч до 10 млн. м³/сутки, а давление на срезе от 100 до 1000 кПа.

Истечение газа при разрыве трубопровода на полное сечение. Описание истечения газа при разрыве трубопровода проводят системой дифференциальных уравнений массы, импульса и энергии.

В простейшем варианте считают, что произошло автоматическое перекрытие аварийного участка и газ истекает из разрыва только на одном конце участка. Общая масса газа, выброшенная при разрыве, может быть определена по формуле:

(21)

L_эф = 1,3×L, где L – длина отсечного участка трубопровода, м.

А – площадь поперечного сечения трубопровода;

d₀ – внутренний диаметр трубы;

R – газовая постоянная;

Z_н – коэффициент сжимаемости газа до разрыва при параметрах P_н, T_н (P_н, T_н – температура и давление газа в трубопроводе до разрыва).

Истечение газа через «отверстие» из сосуда высокого давления. Рассмотрим критическое истечение идеального газа из толстостенного сосуда высокого давления либо при аварийном обрыве патрубка либо из отверстия образованного за счет коррозии.

Изменение параметров состояния газа в емкости описывается системой уравнений термодинамики тела с переменной массой:

	(22)
	(23)

Где:

- показатель адиабаты;

V – объем сосуда;

- тепловой поток от стенки сосуду к газу;

i – энтальпия газа; ; (24)

T_Г – температура газа;

G – массовый расход; (25)

Р – давление;

μ - коэффициент расхода;

f ₀– площадь сечения отверстия;

.

(26)

Пример динамики опорожнения технологического сосуда под давлением. Метан, объем сосуда 600 м³, начальное давление 80 кгс/см², начальная температура 258 К. Диаметр выходного отверстия 0,15 м, коэффициент расхода 0,8.

Для таких условий начальный массовый расход будет 200 кг/сек; время выброса 500 сек.

Рассеивание в атмосфере аварийных выбросов газов из скважин,
трубопроводов и аппаратов

На начальном этапе выбрасываемая примесь рассеивается по законам струйного смешения, а область загрязнения представляет собой изогнутый расходящийся в направлении ветра конус, касающийся земли на некотором расстоянии от источника выброса. На определенном расстоянии от источника осевая скорость струи становится соизмерима со скоростью сносящего воздушного потока и начинает доминировать диффузионный механизм рассеивания.

Таким образом, при выбросе газа образуются два участка рассеивания: струйный участок и диффузионный след. Поэтому для определения поля концентраций используют комплексные струйно-диффузионные модели. Дальность распространения опасных концентраций может достигать 20 км.