CC BY
34
УДК 614.8
Анализ возможных последствий аварийных разливов СПГ на воду из грузовых емкостей танкеров вблизи объектов береговой инфраструктуры
В.С. Сафонов1*, А.В. Мельников2, С.В. Ганага2
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1
2 ООО «НИИ Транснефть», Российская Федерация, 117186, г. Москва, Севастопольский пр-т, д. 47А * E-mail: [email protected]
Тезисы. С использованием программ вычислительной гидродинамики (CFD-технологий) проведено моделирование сценария нарушения герметичности одной из грузовых емкостей объемом 30 тыс. м3 танкера по перевозке сжиженного природного газа (СПГ) и аварийного разлива СПГ на воду вблизи береговой инфраструктуры с последующим движением облака под действием ветра постоянной силы, перпендикулярного береговой кромке направления. Инфраструктура рассматривалась на примере крупного коттеджного поселка, где на участках размерами 30x30 м расположены жилые дома размерами 10x10x8 м и в значительном количестве фруктовые деревья высотой до 5 м. Учитывался возможный подъем берега над уровнем моря.
Установлено, что за счет «загроможденности» пространства при воспламенении облака возникают определенные циклические барические эффекты амплитудой 2.. .7 кПа, однако какого-либо разгона пламени при этом не происходит. Вследствие относительно высокой скорости горения облака (в виде термика) тепловое воздействие на строительные конструкции носит, по существу, импульсный характер. В то же время не исключается возможность воспламенения битумных и других легковоспламеняющихся материалов.
В целом рассмотренный сценарий по своим последствиям не носит катастрофического характера, однако может привести к локальным вторичным пожарам, что не исключает человеческих жертв.
Ключевые слова:
аварийный разлив СПГ из танкера, образование и дисперсия облака паров СПГ, влияние высоты расположения береговой инфраструктуры на движение облака СПГ,
последствия сгорания облака СПГ в зоне жилой застройки.
После террористической атаки самолетов на башни-близнецы в Нью-Йорке (2001 г.) в ряде стран активизированы исследования по обеспечению устойчивости и безопасности критически важных инфраструктур в случае внешних противоправных воздействий, в частности, начаты работы по оценке уязвимости терминалов и танкеров сжиженного природного газа (СПГ). По требованию общественности и ряда политиков в результате событий 2001 г., а также аварии на заводе по производству СПГ в г. Скикде (США) в 2004 г. на длительное время была приостановлена деятельность по созданию новых терминалов приемки СПГ в штатах Род-Айленд и Калифорния.
При этом в качестве возможных сценариев рассматриваются внешние экстремальные воздействия на танкер СПГ вблизи береговой зоны с плотной промышленной и жилой застройкой, в результате которых возникают пробоина в одной из грузовых емкостей танкера, растекание и испарение СПГ на водной поверхности, движение облака паров СПГ в сторону жилой застройки, его воспламенение и «взрывное» сгорание с последующим горением разлитого СПГ. В качестве характерного примера в зарубежной литературе приводят маршрут движения танкера СПГ по реке вглубь материка в районе Бостона к действующему приемному терминалу (рис. 1, 2).
Наиболее полно применение риск-анализа в оценке последствий различных противоправных воздействий на комплексы СПГ описано К. Саутвеллом [1]. Для ряда приемных терминалов США (Лонг-Бич - пригород Лос-Анжелеса, Бостон, Род-Айленд, Провиденс) им выполнен классический анализ риска, включающий:
• обоснование возможных сценариев противоправных воздействий («модели нарушителя») на базе построения деревьев событий с учетом состояния защищенности соответствующих объектов;
• моделирование последствий противоправных воздействий при их успешности;
• оценку материального, социального и экологического ущерба;
Рис. 2. Спутниковая съемка маршрута движения танкера СПГ к терминалу в районе Бостона
• обоснование необходимости дополнительных систем защиты (барьеров безопасности) с учетом вида функций «цена ущерба -цена предотвращения ущерба».
Для анализа последствий аварийного разрушения грузовых емкостей танкеров СПГ в США наряду с другими организациями привлечена Национальная лаборатория «Сандия»1 (англ. Sandia National Laboratories), которая провела соответствующее математическое моделирование (программный комплекс Ansis) устойчивости внешнего корпуса и грузовых емкостей танкера СПГ к внешним динамическим воздействиям, включая взрывные воздействия, а также масштабные экспериментальные исследования горения разлива СПГ диаметром до 80 м на воде (серия экспериментов Phoenix 2009-2011 гг.).
Полученные «Сандией» данные легли в основу нормирования и классификации зон термической опасности при различных
Национальная лаборатория Министерства энергетики США, занимающаяся преимущественно вопросами ядерного оружейного комплекса, а также смежными инновационными конверсионными технологиями. Имеет в своем составе два объекта - в Альбукерке (штат Нью-Мексико) и Ливерморе (штат Калифорния).
вариантах нарушения герметичности грузовых емкостей для типового танкера грузовместимостью 130 тыс. м3 с загоранием СПГ в момент появления пробоины на уровне ватерлинии (таблица). Эти материалы вошли в доклад Министерства энергетики США национальному Конгрессу и могут рассматриваться, видимо, как официальная позиция органов государственного надзора США за безопасностью в промышленности [2-4].
В случае незагорания СПГ в момент нарушения герметичности грузовой емкости танкера, например, при встречных столкновениях судов, движущихся с относительно небольшой скоростью в относительно узких каналах, будет происходить растекание и испарение СПГ по водной поверхности с формированием облака паров СПГ и возможностью его протяженного распространения по ветру, воспламенения от источников береговой инфраструктуры с последующим перебросом пламени к «луже» разлива.
Очевидно, что в условиях свободного испарения без горения максимальный радиус разлива СПГ на воде будет больше, чем в случае растекания «лужи» в условиях пожара. В качестве подтверждения этого положения на рис. 3 представлены результаты расчетов Дж. Вудварда [5-7] при моделировании аварийного истечения СПГ на уровне ватерлинии из мембранной емкости объемом 35 тыс. м3. Принятая интенсивность испарения СПГ без горения -1,18 кг-м-2-с-1, с горением - 0,45 кгм^с-1.
Для экспертной оценки последствий подобного сценария аварии проведены соответствующее математическое моделирование и числовой анализ с использованием программ вычислительной гидродинамики - CFD (англ. computational fluid dynamics). При этом учитывалось, что при определенных сочетаниях неблагоприятных факторов и событий, имеющих вероятностную природу, нормативные показатели негативного воздействия
Рис. 1. СПГ-танкеры на пути к терминалу Everett проходят по Бостонской бухте
Последствия горения СПГ на воде при нарушениях герметичности одной грузовой емкости танкера (по данным Национальной лаборатории «Сандия»)
Площадь пробоины, м2 Диаметр разлива, м Расчетная скорость выгорания, мм/с Излучение с единицы поверхности пламени, кВт/м2 Критическое расстояние, м, при интенсивности теплового воздействия, кВт/м2
37,5 5
2 199 3,3-Ю-4 286 299 895
5 415 1,9-Ю-4 286 471 1180
5 253 5,1-Ю-4 286 393 1252
5 315 3,3-Ю-4 286 320 922
12 488 3,3-Ю-4 286 636 1748
з 300
I
I 250 о.
о
! 200 см
150
100
Время, с
Рис. 3. Характеристики растекания СПГ в условиях горения и свободного испарения
на окружающую среду могут выходить за установленные пределы, создавая реальную угрозу как для людей и имущества, так и для биотического компонента экосистемы [8, 9].
В качестве первого этапа изучено влияние высоты берега над уровнем моря на специфику распространения облака паров СПГ. Размеры «лужи» разлития СПГ и интенсивность генерации паров принимались согласно данным специальных исследований лаборатории «Сандия». Влияние аэродинамических свойств корпуса танкера на движение облака в данном случае не учитывалось.
Установлено, что при постоянных силе и направлении (условно перпендикулярном береговой кромке) ветра происходит сначала постепенное накопление паров у берегового барьера, а затем их «переваливание» и последующее движение вдоль береговой плоскости. Высота берега при прочих равных условиях
оказывает выраженное влияние на время накопления паров у берегового барьера. Сам факт и эффект перелива через береговой барьер зависят от сочетания целого ряда факторов, в том числе от интенсивности и продолжительности генерации пара, удаления источника от берега, метеоусловий, высоты и угла наклона барьера и др. (рис. 4).
Для иллюстрации последствий аварийного разлива СПГ из танкера при его движении вблизи берегового населенного пункта рассматривалось аварийное истечение СПГ из грузовой емкости объемом 30 тыс. м3 с пробоиной диаметром 1,2 м на уровне воды. Направление ветра - на берег (высота берега - 2,0 м над уровнем моря); скорость ветра увет = 2...10 м/с; классы устойчивости атмосферы по Ф. Паскуиллу - В, Б, Г; температура воздуха Твозд = 5.25 °С; расстояние от танкера СПГ до берега - 1000 м. Состав СПГ: объемная доля метана - 95 %, этана - 2 %, пропана - 3 %.
Общий вид (3Б-модель) населенной береговой зоны изображен на рис. 5. Приняты единые размеры домов - 10*10 м, высота до конька крыши - 8 м, наименьшее расстояние между домами (в свету) составляет 30 м. Для моделирования наиболее благоприятных условий для перемешивания облака тяжелых паров СПГ с воздухом и разгона фронта пламени при последующем возгорании образующейся газовоздушной смеси в геометрическую модель введено значительное количество плодовых деревьев высотой до 5 м с кроной объемной пористостью 0,5.
Результаты моделирования дрейфа облака при утечке СПГ из танкера представлены на рис. 6. Через 8,5 мин после начала утечки облако СПГ достигает берега, еще через 8 мин в береговой зоне оно достигает своих максимальных размеров. Показан срез
Горение,
при диаметре пробоины, м:
Свободное испарение, при диаметре пробоины, м:
20 —1
15-
10-
5-
0
20 J
15-
10-
5-
0-
20 J
15-
10-
5-
0-
20-1
15-
10-
5-
0-
20-|
15-
10-
5-
0-
20 -|
15-
10-
г-" 5-
0-
Г 20 -|
□□ 15-
10-
5-
0-
20 -|
15-
10-
5-
0-1
©
©
©
1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I
0 i—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I
680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870
Рис. 4. Динамика движения облака паров при аварийном разливе СПГ для моментов времени Tj...T4 и различных метеоусловий: а - класс устойчивости атмосферы - В, увет = 10 м/с, Твозд = 25 °С; б - класс устойчивости атмосферы - D, увет = 10 м/с, Твозд = 25 °С; в - класс устойчивости атмосферы - F, увет = 2 м/с, Твозд = 5 °С. Высота берега 7,5 м, угол атаки 45°.
НКПВ - нижний, а ВКПВ - верхний концентрационные пределы воспламенения облака
I
НКПВ I 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 0,14
0,15 ВКПВ
а
б
в
облака СПГ с концентрациями от 5 % об. (НКПВ) и до 15 % об. (ВКПВ) на высоте 3 м (прибрежная зона поднята на 2 м над уровнем моря), на котором видна часть облака с высокими концентрациями (выше 15 % об.) вблизи береговой зоны, препятствующая движению фронта пламени к источнику генерации паров («блокиратор» пламени, англ. flame holder).
На рис. 7 проиллюстрировано распределение температур в облаке паров СПГ в момент максимального развития. Видно, что в результате интенсивного перемешивания паров СПГ с теплым воздухом за счет атмосферной турбулизации и дополнительной турбулизации по вине препятствий в виде деревьев и домов, а также за счет теплообмена с поверхностью грунта облако СПГ нагревается и, следовательно, приобретает положительную плавучесть.
Для оценки уровня избыточных давлений, возникающих при сгорании смеси паров СПГ с воздухом, использовано распределение концентрации паров СПГ, рассчитанное при вышеописанном моделировании истечения СПГ из танкера. В качестве точки возгорания облака выбрано место в жилой зоне со стехи-ометрическим составом смеси, что является консервативным предположением.
Рис. 5. Общий вид геометрической модели населенной береговой зоны
На рис. 8 представлены зависимости максимальных значений давления и скорости среды в расчетном домене от времени (с начала истечения СПГ из танкера). Зависимость носит циклический характер, что связано, как будет показано ниже, с определенным ускорением фронта пламени в кроне деревьев, склопления которых расположены периодично. При этом максимальные избыточные давления не превышают 7 кПа (0,07 атм).
Установлено, что уровни избыточных давлений при сгорании облака носят колебательный характер, что связано со спецификой турбулентных процессов в относительно слабо загроможденном пространстве. На большей части площади населенного пункта
E„1500-i
1500
а
1000-:;: i
1000 б
Концентрация газа, % об.
2000 x, м
2000 x, м
500 600 700 800 900
Рис. 6. Распределение концентраций паров СПГ на подходе (а) и в зоне жилого поселка (б, в) на момент времени 1000 с при его разливе на воду. Срез на высоте 3 м над уровнем моря
(1 м над уровнем земли)
1000
500 -
500
1500
1 1500 -
500-
500
1500
в
<>Н-1-1-1-1
0 500 1000 1500 2000
Рис. 7. Распределение температур Т в облаке паров СПГ на высоте 3 м над уровнем моря в момент его максимального развития (на момент времени 1000 с)
Время, с
Рис. 8. Зависимости максимальных давлений и скоростей среды в расчетном домене от времени (воспламенение через 1000 с)
500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700
х, м
Рис. 9. Поле максимальных избыточных давлений на высоте 2,5 м от поверхности земли
за весь период горения облака
давление не превышает 2,0...2,5 кПа (рис. 9). Избыточное давление подобного уровня приведет лишь к разрушению остекления домов. В отдельных точках территории давление повышается до 5 кПа, что может привести к повреждению оконных переплетов.
***
Проведенные расчеты показали, что здания, попадающие в зону формирования облака испарившегося СПГ, не получат каких-либо заметных барических повреждений. Относительно высокая скорость движения
Список литературы
1. Southwell C. An analysis of the risk of a terrorist attack on LNG receiving facilities in the United States: Report Under FEMA Grant
№ 00014-05-0630 / C. Southwell. - Los Angeles: Center for risk and economic analysis of terrorism events University of Southern California, 2005.
2. Hightower M. Guidance on risk analysis and safety implications of a large liquefied natural gas (LNG) spill over water: Sandia Report SAND 2004-6258 / M. Hightower, L. Gritzo, A. Luketa-Hanlin et al. - December 2004.
3. Luketa A. Breach and safety analysis of spills over water from large liquefied natural gas carriers: Sandia Report SAND2008-3153 / A. Luketa,
M. Hightower, S. Attaway. - May 2008.
4. Research Report to Congress. - Washington: US Department of Energy Liquefied Natural Gas Safety, May 2012.
5. Woodward J.L. A model of indoor releases with recirculation ventilation / J.L. Woodward // Process Saf. Prog. - 2000. - № 19(3). - С. 160-165.
ив то же время узкая зона фронта сгорания будут вызывать лишь импульсное тепловое воздействие на жилые строения, которое не может привести к потере ими конструктивной устойчивости. Также можно ожидать воспламенения битумных материалов кровли, сухой травы и т.п. Кроме того, в принципе не исключено попадание паров СПГ в открытые окна с последующим пожаром внутри здания. Однако в целом последствия подобного сценария развития аварии не имеют масштабов разрушений, характерных для крупных техногенных катастроф.
6. Woodward J.L. Coupling dynamic blow down and pool evaporation model for LNG / J.L. Woodward // J. Hazard. Mater. - 2007. -№ 40. - С. 478-487.
7. Woodward J.L. Modelling underwater penetration of LNG carrier / J.L. Woodward // Process Saf. Prog. - 2008. - № 27 (4). - С. 336-344.
8. Махутов Н.А. Анализ безопасности и рисков критически и стратегически важных нефтепроводов / Н.А. Махутов, Ю.В. Лисин,
B.И. Федота и др. // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти
и нефтепродуктов. - 2011. - № 2. - С. 6-13.
9. Махутов Н.А. Обеспечение защищенности магистральных нефтепродуктопроводов по критериям рисков / Н.А. Махутов, Ю.В. Лисин, М.М. Гаденин и др. // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2012. - № 3. -
C. 10-16.
Possible aftereffects of liquid natural gas spillage from cargo reservoirs of tankers onto waters nearby coastal facilities
V.S. Safonov1", A.V. Melnikov2, S.V. Ganaga2
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation
2 NII Transneft LLC, Bld. 47A, Sevastopolskiy prospekt, Moscow, 117186, Russian Federation * E-mail: [email protected]
Abstract. A scenario supposing unsealing of a tanker reservoir with capacity of 30 ths cum for liquid natural gas (LNG) transportation, and accidental LNG spillage onto waters near the coastal facilities with further transition of a cloud as affected by a wind blowing with constant strength and transversal to coastline was simulated using computational fluid dynamics technologies. Coastal infrastructure was studied on example of a big residential community with land holdings of 30x30 m where dwelling houses of 10x10x8 m and a lot of fruit trees up to 5 m tall were situated. Possible coastline elevation from the sea level was considered.
It was ascertained that after the cloud had inflamed, thanks to overloading of a stretch some cyclic baric effects with 2.. .7 kPa amplitude appeared, but there were no any dispersal of flames. Due to relatively intensive burning of the cloud (in the thermal form), the thermal exposure to building structures was impulsive. At the same time a possibility that bitumen materials may inflame was not excluded.
In general, the examined scenario should not be considered disastrous, but it may bring local secondary fires situations, which is not exclusive of human losses.
Keywords: accidental spillage of LNG from a tanker, generation and dispersion of LNG vapor clouds, impact of coastal facilities elevation on motion of an LNG cloud, aftereffects of LNG cloud burnup in a dwellings zone.
References
1. SOUTHWELL, C. An analysis of the risk of a terrorist attack on LNG receiving facilities in the United States: Report Under FEMA Grant № 00014-05-0630. Los Angeles: Center for risk and economic analysis of terrorism events University of Southern California, 2005.
2. HIGHTOWER, M., L. GRITZO, A. LUKETA-HANLIN et al. Guidance on risk analysis and safety implications of a large liquefied natural gas (LNG) spill over water: Sandia Report SAND 2004-6258. December 2004.
3. LUKETA, A., M. HIGHTOWER, S. ATTAWAY. Breach and safety analysis of spills over water from large liquefied natural gas carriers: Sandia Report SAND2008-3153. May 2008.
4. US DEPARTMENT OF ENERGY LIQUEFIED NATURAL GAS SAFETY. Research Report to Congress. Washington, May 2012.
5. WOODWARD, J.L. A model of indoor releases with recirculation ventilation. Process Saf. Prog. 2000, vol. 19(3), pp. 160-165. ISSN 1547-5913.
6. WOODWARD, J.L. Coupling dynamic blow down and pool evaporation model for LNG. J. Hazard. Mater. 2007, vol. 40, pp. 478-487. ISSN 0304-3894.
7. WOODWARD, J.L. Modelling underwater penetration of LNG carrier. Process Saf. Prog. 2008, vol. 27 (4), pp. 336-344. ISSN 1547-5913.
8. MAKHUTOV, N.A., Yu.V. LISIN, V.I. FEDOTA et al. Safety and risk analysis for critically and strategically important oil pipelines [Analiz bezopasnosti i riskov kriticheski i strategicheski vazhnykh nefteprovodov]. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov. 2011, no. 2, pp. 6-13. ISSN 2221-2701. (Russ.).
9. MAKHUTOV, N.A., Yu.V. LISIN, M.M. GADENIN et al. Security support of trunk oil pipelines according to risk criteria [Obespecheniye zashchishchennosti magistralnykh nefteproduktov po kriteriyam riskov]. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov. 2012, no. 3, pp. 10-16. ISSN 2221-2701. (Russ.).
