CC BY
94
УДК 622.691.4-049.5
Оценка величины потенциальной ударной
волны при быстром фазовом переходе сжиженного природного газа
А.М. САЙФУТДИНОВ, аспирант,
Г.Е. КОРОБКОВ, д.т.н., профессор,
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
(450062, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1)
E-mail: saifutdinovthng@yandex.ru
В данной статье рассмотрена физическая картина явления быстрого фазового перехода сжиженного природного газа с точки зрения распространения акустической сферической волны в пространстве. Данная волна может оказывать ударное воздействие на объекты, расположенные вблизи источника распространения.
Ключевые слова: сжиженный природный газ, аварийная ситуация, быстрый фазовый переход, ударная волна.
в настоящее время в мире быстрыми темпами развивается сектор энергетики, связанный с производством, транспортированием, хранением и использованием сжиженного природного газа (СПГ). Находятся в эксплуатации и проектируются как береговые, так и оффшорные терминалы СПГ. Увеличение объёмов производства СПГ требует тщательного подхода при обеспечении промышленной безопасности таких объектов. На этапе проектирования необходимо рассматривать разнообразные риски, связанные с проведением операций с СПГ, и учитывать возможные последствия аварийных ситуаций. Одной из ситуаций, которую следует учитывать, является разлив СПГ на водную поверхность. Это может произойти в результате столкновения танкера-метановоза с другим судном, с причалом или являться следствием террористической атаки. В этом случае после попадания СПГ на воду будет формироваться облако холодных паров, которые тяжелее воздуха, и их движение по ветру будет продолжаться до тех пор, пока не рассеется или в них не попадет источник зажигания. В данной ситуации, как правило, рассматриваются такие сценарии развития событий, как горение «огненного» шара, пожар пролива, взрыв облака газовоздушной смеси (ГВС), последствия которого зависят от степени локализации пролива и облака. Следует отметить работы зарубежных исследователей [1-7], в которых указанные сценарии были достаточно подробно изучены.
При проливе криогенной жидкости, такой как СПГ, на водную поверхность, происходит процесс быстрогофазового перехода (БФП), который характеризуется очень быстрым взрывным испарением СПГ, но без огня и без протекания химических реакций. Данное явление было зафиксировано в неко-
торых экспериментах с разливом СПГ на воду, результаты которых представлены в открытой печати в работах [2,5].
Механизм протекания БФП был проанализирован в работах [8-10]. Но условия, необходимые для БФП, до сих пор мало изучены. Более того, интенсивность ударной волны и её распространение в окружающие среде (параметры, от которых зависит поражение людей и объектов) очень сложно достоверно предсказать, так как общая энергия взрыва и избыточное давление в ударной волне зависят от большого количества факторов, таких, как расход СПГ при истечении, место истечения (на воду или под уровень воды), условия окружающей среды, компонентный состав СПГ, температура воды, скорость растекания СПГ по воде и др.
В работе [11] отмечается, что явление БФП может происходить в результате перегрева СПГ и мгновенного расширения. Ввиду этого БФП может выражаться следующими эффектами:
-продуцирование избыточного давления в зоне, где протекает БФП, сопровождающееся рассеиванием мелких капель СПГ в атмосфере;
-увеличение дистанции до нижнего концентрационного предела взрываемости ГВС в облаке паров СПГ.
В данной работе проведен анализ акустического эффекта при БФП с появлением ударной волны, а именно, определение избыточного давления во фронте волны, в зависимости от расстояния до поражаемого объекта.
Запишем уравнения сохранения массы и импульса в волне:
£ + = 0 , (1)
d
^ ( + ур = 0 , (2)
где р— плотность СПГ, кг/м3; и — скорость распространения волны, м/с; t — время распространения волны, с; Р — давление во фронте волны, Па.
Если представить скорость распространения и как потенциальное поле с потенциалом ф, то можно записать
#= grad ф = Уф . (3)
Подставляя (3) в (1) и (2), получим следующие уравнения сохранения:
dp
— + УрУф = 0 , (4)
d
(рУф) + УР = 0 . (5)
Учитывая сжимаемость среды и изменение скорости звука, т.е. скорости распространения волны, то уравнения (4) и (5) примут вид:
dp ^ 1 dp ^ ^ + уР" = + уР" = 0' (6)
ур = - Ж (Ру^ . (7)
Данные выражения приводят к гиперболическим уравнениям для симметричной сферической волны, которые записываются следующим образом:
d2P
■j2
dr
-1 di P 2 = c¿ dt2 rP
d2y d2"
1 d2
= C2 dt2 Гф'
(8) (9)
где г — расстояние от источника волнового возмущения (акустического воздействия).
В данном случае акустическую ударную волну рассматриваем как сферическую волну, т.е. принимаем, что скорость волны во всех направлениях постоянна, а источник точечный, и волна будет сферической. В такой ситуации нахождение «запаздывающего» потенциала ф является прямым решением волнового уравнения для скалярного потенциала поля и по факту являющегося областью распространения акустической волны с расстоянием г от источника генерации (т.е. места пролива СПГ с развитием БФП).
В работе [12] показано, что изменение потенциала поля сферической волны может быть представлено как изменение давления в возмущенной среде. Приведено выражение, полученное при совместном решении (8) и (9):
АР gq'(t)
Po Poco24nr'
где АР — перепад давления во фронте волны, Па; Р0 — начальное давление среды, Па; у— показатель адиабаты при сжатии среды; q'(t)— производная функции изменения массового расхода среды при возбуждении волны, кг/с2; р0 — плотность среды, в которой движется волна, кг/м3; с0 — скорость звука в среде, м/с.
Решение данного уравнения применительно к задаче определения избыточного давления, воздействующего на объект на определённом удалении от места возникновения волны в результате БФП, весьма затруднительно, так как отсутствуют какие-либо данные по величине q(t) , которая характеризует количество СПГ, контактирующего с водой и участвующего в процессе БФП.
Имеет смысл обратиться к экспериментальным исследованиям, результаты которых опубликованы в открытой печати. Были изучены такие явления как взрыв облака газовоздушной смеси и пожар пролива сжиженных газов, которые относятся, как правило, к 70-80 гг. прошлого века. Наряду с этим в серии тестов «Burro», проведённых американской национальной исследовательской лабораторией «Лоуренс Ливмур» и Центром вооружений военно-морских сил США в 1980 г., было зафиксировано проявление процесса быстрого фазового перехода (рис. 1).
Некоторые результаты испытаний приведены в табл. 1.
Хорошо выраженное явление БФП отмечалось в 4, 5 и 9 тесте. В табл. 2 приведены некоторые собранные данные, относящиеся к взрывному характеру БФП.
Систематизированные данные были использованы для проверки адекватности разработанной авторами модели определения акустического эффекта от мгновенного испарения СПГ (с взрывным характером) при его попадании на водную поверхность.
В модели было использовано уравнение Ван ден Берга, характеризующее избыточное давление при взрыве быстро расширяющихся паров вскипающего сжиженного пропана:
АР g 1 VFo
Po
nr c0 At ■
(11)
(10)
где V — объёмный расход СПГ при проливе, м3/с; F — коэффициент участия жидкости; а — степень расширения паров; Дt — время взрыва, с.
В расчётах принималось, что при контакте СПГ и воды вся криогенная жидкость переходит в пар, т.е. коэффициент участия жидкости F=1. Также учитывалось, что средняя плотность коммерческого СПГ равна 423 кг/м3, при этом плотность паров при температуре кипения равна 1,819 кг/м3, при нормальных условиях окружающей среды — 0,7 кг/м3. Исходя из этого, получено, что коэффициент расширения паров СПГ равен 600.
Рис. 1. Разлив СПГ с проявлением БФП
Таблица 1
Систематизированные данные экспериментов с СПГ с проявлением быстрого фазового перехода
Параметры Месяц
Июнь Июль Июль Июль Август Август Сентябрь Сентябрь
Тест 2 ТестЗ Тест 4 Тест 5 Тест 6 Тест 7 Тест 8 Тест 9
Время начала истечения 16:00 15:00 14:00 16:20 16:00 18:10 19:10 18:40
Продолжительность, с 173 166 175 190 129 174 107 79
Скорость истечения, м3/мин 11,9 12,2 12,1 11,3 12,8 13,6 16,0 18,4
Объём пролива, м3 34,3 34,0 35,3 35,8 27,5 39,4 28,4 24,2
Скорость ветра, м/с 5,4 5,4 9,0 7,4 9,1 8,4 1,8 5,7
Таблица 2
Характеристики зафиксированных БФП
Номер теста Избыточное давление в ударной волне, атм Продолжительность взрыва, мс
Расстояние от эпицентра до точки контроля, м
11,4 24,3 30 35,5 11,4 24,3 30 35,5
Тест 4 0,06 0,05 — 0,02 11,0 12,5 — 14,0
Тест 5 0,17 0,085 — 0,034 7,0 11,0 — 12,0
Тест 9 — — 0,05 — — — 40,0 —
Рис. 2. Зависимость величины давления в акустической ударной волне от расстояния до поражаемого объекта
Рис. 3. Расчётное избыточное давления в ударной волне при больших объёмных расходах СПГ при проливах
Сложность заключается в определении времени протекания взрывного процесса. В настоящее время нет достоверной информации о том, сколько он может длиться. При этом данный параметр зависит от большого количества факторов, таких как температура воды, степень смешения СПГ и воды, коэффициент теплопередачи от водной поверхности к СПГ и т.д. Поэтому в разработанной модели данный параметр принимался произвольно для более качественной корреляции расчётных и экспериментальных данных.
По результатам проведенных исследований был построен график зависимости величины избыточного давления в ударной волне от расстояния до поражаемого объекта (рис. 2). Также на этот график нанесены значения давления, полученные в указанных выше Тесте 4 (на графике показаны треугольниками) и Тесте 5 (на графике обозначены квадратами).
Было установлено, что наиболее качественное совпадение расчётных и экспериментальных данных наблюдается при величине времени протекания процесса 0,2 мс для условий Теста 5 (верхняя линяя) и 0,7 мс для условий Теста 4 (нижняя линяя). Данный результат показывает, что для продуцирования ударной волны необходимо, чтобы процесс происходил практически мгновенно (в течение менее 1 мс) и при контакте воды и СПГ вся холодная жидкость обращалась в пар.
Следует отметить, что в данной ситуации объёмный расход СПГ при проливе составлял 12 м3/мин, как и в Тестах 4 и 5. Однако при катастрофическом сценарии развития событий (например, при пробое стенки танкера-метановоза) расход жидкости, вытекающей на водную поверхность, может составлять десятки и сотни кубических метров в минуту. Поэтому были проведены расчёты для условий истечения 100, 200 и 300 м3/мин (рис. 3).
В результате получили, что при наиболее интенсивном истечении СПГ в 300 м3/мин на расстоянии 500 м от эпицентра может действовать акустическая волна с избыточным давлением до 8 кПа (на рисунке — горизонтальная линия), что соответствует частичному разрушению жилых строений и повреждениям средней тяжести стальных и алюминиевых панельных конструкций.
В результате проведённых исследований можно сделать вывод, что при оценке опасности водных объектов СПГ, необходимо учитывать возможность пролива криогенной жидкости на водную поверхность с учётом развития процесса быстрого фазового перехода, особенно в том случае, если рассматривается авария без возгорания или с задержкой возгорания при пожаре пролива СПГ.
Данная задача представляется особенно актуальной ввиду того, что на сегодняшний день в России наблюдается повышенный интерес к технологиям производства, транспорта, хранения и использования СПГ, а их развитие должно осуществляться вместе с разработкой отечественных нормативно-технических документов и с учётом требований по обеспечению промышленной безопасности объектов СПГ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Consequence assessment methods for the incidents involving releases from liquefied natural gas carriers // ABS Consulting Inc. for the Federal Energy Regulatory Commission, contract number FERC04C40196. — USA.: FERC, 2004. — P. 58.
2. Ermak D.L. Results of 40m3LNG spills onto water // S.Hartwig (Ed.), Heavy Gas and Risk Assessment. II. / Battelle-Institute. — Frankfurt am Main, Germany,1983. — P. 163-179.
3. Koopman R.P. Analysis of Burro series 40 m3LNG spill experiments // Journal of Hazardous Materials.
— 1981. — A52.— P. 119-140.
4. Luketa-Hanlin A. A review of large-scale LNG spills: Experiments and modeling // Journal of Hazardous Materials. — 2006. — A132. — P. 119140.
5. Melhem GA., Little A LNG Release Assessment // Final Report to the US DOT, Ref. 61230-30. — Feb. 1991.
6. Schubach SA. Some aspects of modeling steam explosions // J. Loss Prev. Process Ind. — 1996. — V. 9. — P. 193-197.
7. Briscoe F., Shaw P. Spread and evaporation of liquid // Prog. Energy Combust.Sci. — 1980. — V. 6.
— P. 127-140.
8. Atallah S. Rapid phase transition // Topical Report of Gas Research Institute, GRI-92/0533 — Aug. 1997.
9. Conrado C., Vesovic V. The influence of chemical composition on vaporization of LNG and LPG on unconfined water surfaces // Chem. Eng. Sci. — 2000.
— V. 5. — P. 4549-4562.
10. Havens JA., Hazard J. Assessment of predictability of LNG vapor dispersion from catastrophic spills onto water. Mater. — 1980. — V. 3. — P. 267-278.
11. Hightower M., Gritzo L., Luketa-Hanlin A. Guidance on Risk Analysis and Safety Implications of a Large Liquefied Natural Gas (LNG) Spill Over Water // Sandia National Laboratories. — New Mexico, 2004. — P. 167.
12. Lighthill J., Waves in Fluids // Cambridge University Press. — Cambridge, 1978. — P. 217.
ESTIMATION OF PROPAGATION WAVE IMPACT VALUE DURING RAPID PHASE TRANSITION OF LIQUEFIED NATURAL GAS
Sayfutdinov A.M., Graduate Student Korobkov G.Ye., Dr.Sci. (Tech), Professor
Ufa State Petroleum Technological University (1, ul. Cosmonauts, Ufa, Republic of Bashkortostan, 450062, Russian Federation) E-mail: saifutdinovthng@yandex.ru
ABSTRACT
This paper is to consider the physical effect of liquefied natural gas rapid phase transition as a spherical acoustic wave propagation. This wave may cause impact influence on the objects which are placed near the source of wave generation.
REFERENCES
1. Consequence assessment methods for the incidents involving releases from liquefied natural gas carriers. ABS Consulting Inc. for the Federal Energy Regulatory Commission, contract number FERC04C40196. USA, FERC, 2004, p. 58.
2. Ermak D.L. Results of 40m3LNG spills onto water. Heavy Gas and Risk. Assessment. II. Battelle-Institute. Frankfurt am Main, Germany, 1983, p. 163-179.
3. Koopman R.P. Analysis of Burro series 40m3 LNG spill experiments. Journal of Hazardous Materials. A52. 1981, pp. 119-140.
4. Luketa-Hanlin A. A review of large-scale LNG spills: Experiments and modeling. Journal of Hazardous Materials. 2006. A132, pp. 119-140.
5. Melhem G.A., Little A. LNG Release Assessment. Final Report to the US DOT, Ref. 61230-30. Feb. 1991.
6. Schubach S.A. Some aspects of modeling steam explosions. J. Loss Prev. Process Ind. 1996, Vol.9, 1996, pp. 193-197.
7. Briscoe F., Shaw P. Spread and evaporation of liquid. Prog. Energy Combust.Sci. 1980, Vol.6, pp. 127-140.
8. Atallah S. Rapid phase transition. Topical Report of Gas Research Institute, GRI-92/0533, Aug. 1997.
9. Conrado C., Vesovic V. The influence of chemical composition on vaporization of LNG and LPG on unconfined water surfaces. Chem. Eng. Sci. 2000, vol. 5, pp. 4549-4562.
10. Havens J.A., Hazard J. Assessment of predictability of LNG vapor dispersion from catastrophic spills onto water. Mater. 1980, vol. 3, pp. 267-278.
11. Hightower M., Gritzo L., Luketa-Hanlin A. Guidance on Risk Analysis and Safety Implications of a Large Liquefied Natural Gas (LNG) Spill Over Water. Sandia National Laboratories. New Mexico, 2004, p. 167.
12. Lighthill J., Waves in Fluids. Cambridge University Press. Cambridge, 1978, p.217.
Центр (Отдел) научно-информационного обслуживания (ЦНИО) ВИНИТИ РАН
предлагает услуги по предоставлению информационно-аналитических обзоров Основные тематические направления предлагаемых обзоров:
- Науки о жизни;
- Физико-математические науки;
- Химия и науки о материалах;
- Индустрия наносистем и материалов;
- Науки о Земле;
- Рациональное природопользование;
- Информационно-телекоммуникационные системы;
- Энергетика, энергоэффективность, энергосбережение;
- Транспортные, авиационные и космические системы;
- Производственные технологии.
Основой для составления обзоров служит научно-техническая литература, доступная ВИНИТИ РАН: фонд НТЛ, ретроспектива - с 1987 года. Имеется доступ к базам данным и Интернет-ресурсам: БД ВИНИТИ (разработка ВИНИТИ), БД SCOPUS, БД зарубежных патентов и другим.
Обращаться в ЦНИО ВИНИТИ: - адрес: 125190, Россия, г. Москва, ул.Усиевича, 20.
- телефоны: 8(499) 155 -42 -43, 8(499) 155 -42 -17
- эл. почта cnio@viniti.ru. fdk@viniti.ru.
- факс 8(499) 930 -60 -00 (для ЦНИО) -
