CC BY
9
О влиянии температуры окружающей среды на начальную высоту
подъема факельных выбросов
П.А. Бармин, А.В. Дериченко, Л.С. Панжева, В.В. Лупиногин, С.В. Лукъяница,
Ф.Г. Антонов
Институт архитектуры и строительства Волгоградского государственного технического университета
Аннотация: В статье рассматривается вопрос влияния температуры окружающей среды на начальную высоту подъема факельных выбросов.
Ключевые слова: факел, факельные выбросы, загрязнение атмосферного воздуха, PM2,5.
Введение
Факельное сжигание - это распространенная практика утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ) в нефтегазовой промышленности. Сжигание посторонних газов происходит в открытом диффузионном пламени, обычно на выходе из вертикально поднятой факельной трубы или в футерованном огнеупором котловане. Данный метод позволяет снизить выбросы парниковых газов и риски для здоровья и безопасности местного населения [1, 2]. Однако при сжигании факельного газа образуются атмосферные загрязнители, в том числе сажа, представляющая собой форму твердых частиц диаметром -2,5 мкм (PM2,5) [3]. Углеродистый компонент сажи -черный углерод (ЧУ), является важным атмосферным загрязнителем, оказывающим критическое воздействие на местную биосферу и глобальную окружающую среду [4, 5].
Источники факельных выбросов имеют широкую географию. На рис.1 представлено расположение 6232 точек факельной активности, обнаруженных Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) благодаря использованию алгоритма Nightfire. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что глобальный объем сжигаемого газа превышает 140 млрд.м в год [6, 7].
Рис.1. - Расположение факельных систем (отмечены красным) обнаруженные благодаря использованию алгоритма Mghtfire [6, 7].
Сам масштаб глобального сжигания газа в факелах вызывает озабоченность по поводу климатических последствий связанных с ним загрязняющих веществ, особенно ЧУ и С02. Воздействие ЧУ усиливается в более высоких широтах, где осаждение ЧУ снижает альбедо поверхности и усиливает таяние снега и льда. Данные, полученные в результате моделирования, свидетельствуют о том, что 66% концентраций ЧУ к северу от Северного Полярного круга образуются в результате процесса переноса черного углерода, генерируемого факелами из Западной Сибири [6, 7].
Самые значительные факторы, влияющие на перенос загрязнения и направление движения потока загрязняющих веществ - это метеорологические условия, одним из которых является температура окружающей среды [8]. В частности, эти факторы влияют на величину начального подъема факела, то есть эффективное изменение высоты источника выброса под влиянием начальной скорости и/или перегрева выбрасываемой из источника газовоздушной смеси. Данный параметр является важным и учитывается в различных методиках расчета [9]. Начальный подъем факельных выбросов в значительной степени влияет на
М Инженерный вестник Дона, №4 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n4y2021/7563
расчеты загрязнения и оценку негативного воздействия на урбанизированные территорий вблизи источников факельных выбросов.
Цель работы
Цель работы - экспериментальное исследование зависимости начальной высоты подъема факельных выбросов от температуры окружающей среды, проведение сопоставления эмпирических данных и теоретических расчетов.
Район исследования
Исследование проводилось в центральной части Иркутской области на территории Ярактинского нефтегазоконденсатного месторождения (ЯНГКМ). ЯНГКМ расположено в северной части Усть-Кутского района и южной части Катангского района, в верхнем течении реки Нижняя Тунгуска, а именно бассейнах ее левых притоков Яракты и Гульмока. Ближайший крупный населенный пункт - город Усть-Кут - расположен в 150 км на Юго-Восток (рис.2) [10].
........ II III ■■ ■■■ М III Ж^^^П
ш!
®
Железноторск
ть^т
Сидаоб.
Рис.2. - ЯНГКМ, Усть-Кутский район, Иркутская область.
Натурные исследования и обработка их результатов
Наблюдения производились за факельными системами установки подготовки нефти (УПН). При разных температурных условиях с одной и той же позиции были выполнены снимки факельных систем.
Фотосъемка факельных систем (рис.3) проводилась при определенных погодных условиях: юго-восточный ветер, скорость ветра в диапазоне 0,8-1,2 м/с, отсутствие атмосферных осадков. Такие метеорологические элементы, как атмосферное давление, влажность воздуха, при проведении исследования не учитывались.
Рис.3. - Слева - факельный шлейф при температуре +25 С°;
справа - факельный шлейф при температуре -30 С°.
Данные, полученные с фотоснимков, представим в виде графика (рис.4.):
214
S
GQ 212
О и
О 210 • •
Ю 208 • •
Л •
ей (И 206 •
204 • • • •
си • •
ct 202 Г t
о • ......^ ■ .
с 200 • • • — *
то 1- 198 ■ ■ •
о и • ....... •
.0 1 Qfi 196
со 55 ■ I -25 I I I I 5 i -5 i i i i 5 ' i ' 15 1 | 1 1 25 ■ ' 1 35
Температура окружающей среды, Со
и
Рис.4. - График зависимости высоты подъема выбросов Нс от температуры атмосферного воздуха Т на основе фотоснимков.
При сравнении движения факельного шлейфа при разных температурных условиях, очевидно, что при отрицательных температурах высота подъема выбросов выше, чем в положительных температурных условиях (рис.3). Аппроксимация опытных данных (рис.4) указывает на то, что начальная высота подъема факельных выбросов и температура атмосферного воздуха имеют линейную обратную зависимость.
Теоретическое исследование и обработка их результатов
Начальная высота подъема загрязняющих веществ над источником загрязнения определяется по следующей формуле [11, 12]:
Нс = Нг + АИ (1)
Где Нг - эффективная высота (суммарная) подъема шлейфа газа, м;
ДИ - начальный подъем струи (газа), м.
В преобразованном виде эта формула, основанная на эмпирических данных, имеет вид [11, 12]:
и
2
114х С х Г1/3
АИ =-, (2)
2 XV X сС X (Т - Т ) 4,3
где Г = 2—*-т—^, м4/с3;
4 х Т ' '
§ - ускорение силы тяжести, м/с2;
У8 - скорость газа на выходе из трубы, м/с;
ё - диаметр выходного отверстия трубы, м;
Т8 - Температура газа на выходе из трубы, 0К;
Т - Температура атмосферного воздуха, 0К;
АО
С = 1,58 - 41,4 х--безразмерный коэффициент;
Аг
А- ~ 0-гл,
--градиент потенциальной температуры, К/м;
Аг
М Инженерный вестник Дона, №4 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n4y2021/7563
и - скорость ветра на уровне выходного отверстия, м/с;
2/3
Константа 114 имеет размерность м .
Исходя из известных формул (1,2) найдем зависимость эффективной высоты подъема шлейфа Нс от температуры атмосферного воздуха Та.
л
Прочие параметры примем неизменными и равными: §=9.81 м/с , У8=100 м/с, ё=0.5 м, Т8=673 0К, С=1.5389, Д0/Д7=О.ОО1, и=1 м/с. Полученные данные представим в виде графика (рис.5.).
о и о
Ю .0 ш
(V
Ч О
о
и .0 со
214
212
210
208
206
204
202
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
Температура окружающей среды, Со
20
25
30
Рис.5. - График зависимости высоты подъема выбросов Нс от температуры атмосферного воздуха Та на основе теоретических расчетов.
Наличие степени в формуле 2 указывает на то, что зависимость Нс от Та имеет вид параболы. Но, ввиду того, что разница между минимальным и максимальным значениями разности Та-Т8 не так велика (всего 4,45%), можно сделать вывод, что начальная высота подъема факельных выбросов и температура атмосферного воздуха, в данном диапазоне температур, согласно графику (рис.5), имеют линейную обратную зависимость.
Заключение
В ходе исследования была изучена зависимость начальной высоты подъема факельных выбросов от температуры окружающей среды. Натурные исследования (рис.4) верифицируют теоретическую модель (рис.5) и
подтверждают, что начальная высота подъема факельных выбросов зависит от температуры окружающей среды и имеет обратную зависимость.
Литература
1. Conrad B.M., Johnson M.R. Field Measurements of Black Carbon Yields from Gas Flaring // Environmental Science & Technology, Ottawa, 2017. V.51, №3. pp. 1893-1900.
2. Бармин П.А., Дериченко А.В. Анализ химического состава осевшей пыли вблизи источника факельных выбросов // Инженерный вестник Дона, 2021. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2021/6941.
3. Бармин П.А., Кленин И.С., Азаров В.Н. Загрязнение воздушной среды населенных пунктов мелкодисперсной пылью от факельных выбросов // Социология города. 2021. №2. С. 42—51. URL: elibrary.ru/item.asp?id=46237088.
4. Азаров В.Н., Тертишников И.В., Калюжина Е.А. Об оценке концентрации мелкодисперсной пыли (рм 10 и рм 2,5) в воздушной среде // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура, 2011. №25. URL: vgasu.ru/nauka/zhurnaly/vestnik-volggasu/arkhiv-vypuskov/.
5. Wang X., Judith C.C., Kohl S.D., Percy K.E., Legge A.H., Watson J. G. Characterization of PM2.5 and PM10 fugitive dust source profiles in the Athabasca Oil Sands Region // Journal of the Air & Waste Management Association, Philadelphia, 2015. V.65, №12. Pp. 1421-1423. URL: doi.org/10.1080/10962247.2015.1100693.
6. Huang K., Fu J.S. A global gas flaring black carbon emission rate dataset from 1994 to 2012. Scientific data, 2016. V.3. Pp. 1-11. URL: doi.org/10.1038/sdata.2016.104.
7. Ismail O.S., Umukoro G.E. Global Impact of Gas Flaring. Energy and Power Engineering, Ibadan, 2012. V.4, №4. Pp. 290-300. URL: doi.org/10.1038/sdata.2016.104.
8. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений // Наука, Новосибирск, 1979. С. 280.
9. Минприроды России. Методы расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе // Москва, 2017. С. 110.
10. Москвин А.Г. Лено-Тунгусская нефтегазоносная провинция // Большая российская энциклопедия. Том 17, Москва, 2010. C. 1-2.
11. Манохин В.Я., Иванова И.А., Головина Е.И. Методы определения эффективной высоты трубы при учете рассеивания выбросов в рабочей зоне производств // Безопасность природных и техногенных систем, 2021. №2. С. 8-13. URL: doi.org/10.23947/2541-9129-2021-2-8-13.
12. Манохин В.Я., Мущенко Б.Л., Карасева И.А. Определение высоты подъема струи газа в условиях действия сносящего потока воздуха // Высокие технологии в экологии: сборник трудов 9-ой Международной научно-практической конференции, Воронеж, 2006. С. 206-213.
References
1. Conrad B.M., Johnson M.R. Environmental Science & Technology, Ottawa, 2017. V.51, №3. pp. 1893-1900.
2. Barmin P.A., Derichenko A.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2021. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2021/6941.
3. Barmin P.A., Klenin I.S., Azarov V.N. Sociologiya goroda. 2021. №2. Pp. 42—51. URL: elibrary.ru/item.asp?id=46237088.
4. Azarov V.N., Tertishnikov I.V., Kalyuzhina E.A. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya:
M Инженерный вестник Дона, №4 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n4y2021/7563
Stroitel'stvo i arhitektura, 2011. №25. URL: vgasu.ru/nauka/zhurnaly/vestnik-volggasu/arkhiv-vypuskov/.
5. Wang X., Judith C.C., Kohl S.D., Percy K.E., Legge A.H., Watson J. G. Journal of the Air & Waste Management Association, Philadelphia, 2015. V.65, №12. Pp. 1421-1433. URL: doi.org/10.1080/10962247.2015.1100693.
6. Huang K., Fu J.S. Scientific data, 2016. V.3. Pp. 1-11. URL: doi.org/10.1038/sdata.2016.104.
7. Ismail O.S., Umukoro G.E. Energy and Power Engineering, Ibadan, 2012. V.4, №4. Pp. 290-300. URL: doi.org/10.1038/sdata.2016.104.
8. Nikolaevskij V.S. Biologicheskie osnovy gazoustojchivosti rastenij [Biological bases of gas resistance of plants]. Nauka, Novosibirsk, 1979. Pp. 280.
9. Minprirody Rossii. Metody raschetov rasseivaniya vybrosov vrednyh (zagryaznyayushchih) veshchestv v atmosfernom vozduhe. [Methods for calculating the dispersion of emissions of harmful (polluting) substances in atmospheric air]. Moskva, 2017. Pp. 110.
10. Moskvin A.G. Leno-Tungusskaya neftegazonosnaya provinciya [Leno-Tunguska oil and gas province]. Bol'shaya rossijskaya enciklopediya. Tom 17, Moskva, 2010. Pp. 1-2.
11. Manohin V.YA., Ivanova I.A., Golovina E.I. Bezopasnost' prirodnyh i tekhnogennyh sistem, 2021. №2. С. 8-13. URL: doi.org/10.23947/2541-9129-2021-2-8-13.
12. Manohin V. YA., Mushchenko B.L., Karaseva I.A. Vysokie tekhnologii v ekologii: sbornik trudov 9-oj Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Voronezh, 2006. Pp. 206-213.
