|
Оглавление
Предисловие
Предлагаемая вашему вниманию монография входит в серию работ, опубликованную общероссийским издательством УРСС (г.Москва) и посвященную технологиям комплексного решения производственных задач повышения безопасности, экологичности и эффективности сложных трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) с применением современных методов численного моделирования. В эту серию публикаций уже вошли три ранее изданные монографии: 1. Селезнев В.Е., Алешин В.В., Клишин Г.С. Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем. – М.: Едиториал УРСС, 2002. – 448 с.; 2. Численный анализ и оптимизация газодинамических режимов транспорта природного газа / Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Алешин В.В., Прялов С.Н., Киселев В.В., Бойченко А.Л., Мотлохов В.В. // Под ред. В.Е.Селезнева. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 224 с.; 3. Численный анализ прочности подземных трубопроводов / Алешин В.В., Селезнев В.Е., Клишин Г.С., Кобяков В.В., Дикарев К.И. // Под ред. В.В.Алешина и В.Е.Селезнева. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 320 с. Теоретические основы и структура описанных в них методов математического моделирования и вычислительных технологий были разработаны специалистами Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ" (ЦВТМ) во второй половине 90-х годов прошлого века. Их практическая реализация была осуществлена в виде вычислительной технологии PipEst, позволяющей специалистам ТЭК проводить комплексный анализ фактического состояния трубопроводных систем, и универсального программно-математического комплекса CorNet (а также его специализированной ограниченной версии AMADEUS), предназначенного для высокоточного детального анализа и оптимизации нестационарных режимов транспорта газовых смесей по трубопроводным сетям энергетических объектов ТЭК. Указанные вычислительная технология и программно-математические комплексы успешно применялись при решении сотен производственных задач в энергетике, в газовой, химической, нефтяной и нефтехимической промышленности как в России, так и за ее пределами. С их применением оперативно расследовались причины и механизмы многих аварийных ситуаций и инцидентов на промышленных объектах ТЭК. Они успешно использовались при экспертизах Деклараций безопасности опасных промышленных объектов, проводимых под эгидой Госгортехнадзора РФ. Выпуск данной монографии подводит определенный итог десятилетию работ специалистов ЦВТМ в области решения производственных задач повышения безопасности и эффективности промышленных трубопроводов ТЭК. В монографии рассматриваются некоторые практические аспекты применения современных численных методов и соответствующего программно-математического обеспечения, доступного специалистам ТЭК, при прогнозировании причин, механизмов и последствий пожаров, часто сопровождающих аварийные разрушения дефектных участков магистральных газопроводов. В ней также содержится материал, дополняющий и развивающий методы и технологии, предложенные в трех ранее опубликованных монографиях. Проблеме математического моделирования пожаров в современной научной литературе уделяется очень большое внимание. Это иллюстрируется даже той, крайне незначительной, частью публикаций, которая цитируется в представляемой монографии. Многие предлагаемые в публикациях методы и программные продукты с небольшими модификациями применимы и для анализа пожаров на магистральных газопроводах. К сожалению, они обладают, по мнению авторов, двумя основными недостатками: они либо существенно упрощены и дают грубые (с точки зрения современных требований к точности решения производственных задач) оценки параметров аварии, либо из-за своей чрезмерной сложности требуют привлечения высококвалифицированных специалистов в области вычислительной механики газов и использования высокопроизводительной многопроцессорной вычислительной техники, которыми, как правило, отрасли ТЭК не располагают. В данной работе делается попытка предложить производственную технологию, позволяющую проводить специалистам ТЭК достаточно детальный численный анализ и прогнозы причин, механизмов и последствий пожаров на магистральных газопроводах без привлечения высокопроизводительных компьютеров и специалистов в области математической физики. Материал монографии является логическим продолжением и развитием научного подхода к повышению безопасности, эффективности и экологичности сложных газопроводных систем ТЭК, основанного на комплексном численном анализе базовых моделей механики сплошных сред, адаптированных к реальным трубопроводам с минимальными упрощениями. Данный подход был предложен В.Е.Селезневым и получил дальнейшее развитие в работах В.В.Алешина, Г.С.Клишина, С.Н.Прялова, В.В.Киселева, С.В.Фотина, И.В.Степанова, А.Л.Бойченко, В.В.Кобякова, К.И.Дикарева и О.И.Зеленской. Его теоретические основы и практическое применение подробно изложены в представленной выше серии монографий. Первая Глава монографии посвящена описанию технологии оценки пожарной опасности магистральных газопроводов с использованием методов численного моделирования, применяемой в ЦВТМ в течение последних семи лет. В этой Главе впервые публикуются материалы по высокоточной автоматической настройке компьютерных газодинамических симуляторов на реальные объекты, что имеет большое значение при моделировании аварийных ситуаций на газопроводах, сопровождающихся интенсивными пожарами. В данной Главе, с точки зрения моделирования источников аварийных выбросов природного газа в атмосферу, рассматриваются новые алгоритмы нелинейного прочностного анализа холодногнутых участков труб и участков магистральных трубопроводов, подвергшихся экскавации. Отдельные разделы в первой Главе посвящены подходу к численному анализу параметров аварийного факельного выброса газа в атмосферу, предшествующего пожару, и компьютерной оценке эффективности тушения пожара на магистральном газопроводе с использованием компьютерных газодинамических симуляторов транспорта природного газа. Материал первой Главы иллюстрируется Приложениями 1, 2 и 3. В Приложении 1 приводятся характеристики метана как опасного вещества. Приложение 2 содержит компьютерную программу, предназначенную для автоматизированного анализа напряженно-деформированного состояния холодногнутых труб и написанную на специализированном алгоритмическом языке APDL, используемом в широко известном лицензионном программно-математическом комплексе ANSYS (США). В Приложении 3 представлен пример компьютерной программы автоматизированного построения оболочечных конечно-элементных моделей участков подземного трубопровода, подвергшихся экскавации. Данная программа также написана на специализированном языке APDL. Во второй Главе монографии рассматриваются алгоритмы численного анализа причин и механизмов возможного или фактического воспламенения метановоздушной смеси, образующейся при аварийном разрушении участка магистрального газопровода. В данной Главе кратко анализируются способы зажигания метановоздушной смеси и детально рассматривается процесс ее воспламенения от перегретых электроприборов, которые могут быть установлены вдоль магистрального газопровода. Материалы второй Главы иллюстрируются Приложением 4. Оно содержит текст компьютерной программы, написанной на специализированном алгоритмическом языке APDL и предназначенной для автоматизированного численного анализа тепловых режимов и возможностей перегрева электроприборов, устанавливаемых на магистральных газопроводах. В третьей Главе монографии излагаются теоретические основы технологии численной оценки геометрических параметров турбулентного факела, возникающего при разрушении магистрального газопровода, сопровождающегося интенсивным пожаром. Эта технология предполагает научно обоснованное применение при решении производственных задач известных методов математического моделирования турбулентных факелов, базирующихся на диффузионной теории горения газов. Для обеспечения возможности использования данной технологии специалистами ТЭК моделирование факела проводится в плоской или осесимметричной постановке с введением предположения о протекании одностадийной или двухстадийной необратимой экзотермической реакции между топливом и окислителем, скорость которой подчиняется закону Аррениуса. Решение поставленной задачи осуществляется с применением широко известного лицензионного программно-математического комплекса Star-CD (Великобритания). В третьей Главе проводится сравнительный анализ результатов натурных измерений и численной оценки геометрических параметров пламени и температуры горения бытовой метановоздушной горелки. Основной текст данной Главы дополняется и иллюстрируется примерами инженерной оценки размеров горящего факела и его теплового воздействия на человека при пожаре разлития на трубопроводах ТЭК (Приложение 5). В четвертой Главе рассматриваются теоретические основы вычислительной технологии оценки зон теплового поражения при пожаре на газопроводах. В этой Главе приводится подробное описание основных этапов решения задачи пространственного распространения излучения от горящей метановоздушной смеси. Отдельный раздел данной Главы посвящен численному анализу последствий теплового воздействия горящих метановоздушных смесей. Четвертая Глава дополняется и иллюстрируется материалами, содержащимися в Приложениях 6, 7 и 8. В Приложении 6 представлен текст компьютерной программы, написанной на специализированном алгоритмическом языке APDL и предназначенной для автоматизированной генерации матрицы излучения для пламени метановоздушной смеси при пожарах на магистральных газопроводах. В Приложениях 7 и 8 описываются практические примеры математического прогнозирования теплового поражения персонала и прилегающих промышленных объектов при пожарах на газопроводах энергообъектов ТЭК. Концепция и детальный план-проспект рукописи данной монографии были сформулированы В.Е.Селезневым. Личный вклад титульных авторов определен, в основном, тем, что при написании этой монографии каждый участвовал в создании следующих разделов: В.Е.Селезнев – Глава 1 (кроме Разделов 1.2.2–1.2.4), Глава 2 (кроме Разделов 2.2.1–2.2.6), Глава 3 и Глава 4 (кроме Разделов 4.2 и 4.3); В.В.Алешин – Разделы 1.2.2–1.2.4, 2.2.3; Г.С.Клишин – Предисловие, Разделы 1.3.3, 4.3; С.В.Фотин – Разделы 2.2.1–2.2.2, 2.2.4–2.2.6, 4.2. Кроме титульных авторов этой монографии, ее соавторами, внесшими вклад в решение конкретных задач по комплексному анализу пожарной опасности магистральных газопроводов, являются: Основной текст монографии дополняется и иллюстрируется материалами, приведенными в восьми Приложениях. Приложение 1 подготовлено В.Е.Селезневым, Приложения 2 и 3 – К.И.Дикаревым и В.В.Кобяковым, Приложение 4 – С.В.Фотиным, Приложение 5 – Г.С.Клишиным, Приложение 6 и 7 – С.В.Фотиным; Приложение 8 – В.В.Алешиным и С.В.Фотиным. Научная редакция монографии осуществлена В.Е.Селезневым. В заключение авторы хотели бы искренне поблагодарить сотрудников Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ" Ирину Алексеевну Скитеву, Олесю Вячеславовну Коршунову и Оксану Владимировну Устюшину за помощь в подготовке рукописи к публикации. Также авторы искренне благодарят коллектив издательства УРСС за профессиональную работу по подготовке рукописи к печати в кратчайшие сроки, внимательное и доброжелательное отношение к авторам при работе. Об авторах
СЕЛЕЗНЕВ ВАДИМ ЕВГЕНЬЕВИЧ Руководитель Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Доктор технических наук. Автор более 130 печатных работ, посвященных повышению безопасности, экологичности и эффек-тивности сложных технических систем методами вычислительной механики и математической оптимизации. АЛЕШИН ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ Заместитель руководителя Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Кандидат технических наук. Автор более 70 печатных работ, посвященных разработке и практическому применению методов численного моделирования и вычислительных технологий для повышения безопасности сложных промышленных объектов и технических систем с использованием методов вычислительной механики. КЛИШИН ГЕННАДИЙ СЕМЕНОВИЧ Директор ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Автор многочисленных печатных работ, посвященных созданию и практическому применению информационных программно-аппаратных систем и вычислительных технологий для комплексной оценки состояния промышленных объектов топливно-энергетического комплекса. ФОТИН СЕРГЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ Руководитель научно-исследовательской лаборатории Центра вычислительных технологий механики ООО "НПО ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ". Автор серии печатных работ в области разработки и применения численных методов для расследования причин и анализа механизмов аварийных ситуаций на промышленных объектах ТЭК. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||