ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

Сжиженный природный газ (СПГ) – очень удобная и относительно безопасная форма для перевозки и хранения газа. Отрасль СПГ за 60 лет своего существования зарекомендовала себя как мало аварийная, однако аварии и инциденты имели место быть. Первые патенты, связанные с криогенными жидкостями, были получены ещё в середине XIX века. Первый патент по технологии производства СПГ был получен в 1914 г. В 1939 г. была построена первая станция по сглаживанию неравномерности потребления газа. Сегодня в мире около 120 таких станций с установками по сжижению и хранению криопродукта, некоторые из которых функционируют с середины 60-х годов 20 века. Кроме того, на сегодняшний день в мире работает 27 заводов по производству СПГ на экспорт и 68 приёмных регазификационных терминалов. Для транспортировки СПГ по морю используется более 350 танкеров.

За время существования отрасли СПГ на её объектах произошло гораздо меньше аварий и погибло меньше людей по сравнению с нефтяной индустрией. За исключением катастрофы в г. Кливленде в 1944 г., все случаи получения травм и гибели людей были связаны с персоналом предприятий и подрядных организаций, а не гражданских лиц, несмотря на значительные разрушения объектов. Не было смертельных исходов, связанных с СПГ на танкерах. В случаях аварийных выбросов паров и возгораний ущерб был нанесён только имуществу и персоналу предприятий.

Общий уровень безопасности морских перевозок с 1964 по 2015 г. считается очень высоким. За этот период флот СПГ танкеров совершил более 30000 рейсов по доставке СПГ и преодолел более 200 млн. км при полной загрузке.

Известно, что за время существования танкерного флота СПГ было 8 утечек СПГ с нарушением целостности оболочек танков, но без возгораний. Без утечки СПГ было зафиксировано 7 инцидентов и два случая посадки танкеров на мель.

Сегодняшний мировой опыт показывает, что СПГ может храниться в морских хранилищах, расположенных непосредственно на водной поверхности. При этом в зарубежных работах [1,2,3,4] показана необходимость учёта возможности разгерметизации морской ёмкости и выхода СПГ на морскую поверхность для определения влияния мощных тепловых потоков, возникающих при горении пролива, на прилегающие объекты. Ввиду того, что в России такие теоретические и экспериментальные работы отсутствуют, представляется целесообразным изучить зарубежный опыт.

В 1980 г. Опшур разработал модель распространения и испарения СПГ с открытой спокойной замкнутой по периметру водной поверхности. При расчёте неограниченной поверхности модель предполагает режим кипения плёночным и без образования ледяной корки. Результаты расчётов были сравнены с экспериментами Бойля и Нибона (1973 г.), и обнаружилось их хорошее согласование для разлива 38 кг СПГ. Но при сравнении с экспериментами Американского Горного Бюро,  проведёнными в 1970 г.  при проливе 163 кг СПГ  модель определила меньший радиус, чем он был на самом деле.

В работе Уэйта и др., проведённой в 1983 г., учитывались теплоперенос между СПГ и водой, преимущественное выкипание 90 % метана, а потом 10% этана, растекание за счёт силы тяжести. Предполагалось, что при плёночном кипении тепловой поток равен 25 кВт/м2, и в таком случае разница в результатах расчёта радиуса разлива по модели и результатах экспериментов Американского Горного Бюро и Бойля и Нибона была порядка 20 %. Такая величина теплового потока позволила получить наиболее точный результат, по сравнению с часто используемым значением в 100 кВт/м2.

Брандис и Эрмак в 1983 г. разработали численную модель, основанную на решении уравнений для мелководья. Она способна моделировать процессы мгновенного разлива и пролива с конечным расходом, при этом учитывает тепло- и массоперенос, сдвиговое усилие при течение слоя СПГ по воде, а также поверхностное натяжение слоя СПГ. Разделение «бассейна» на отдельные «лужи» учитывается как эффект от действий сдвигового усилия и поверхностного напряжения. Было получено, что для достижения установившего радиуса разлива при истечении с конечным расходом требуется времени тем больше, чем выше значение поверхностного напряжения. Результаты сравнивали с экспериментами Бойля и Нибона при разливе 0,0817 м3 СПГ и получили хорошее согласование.

Кавано и др. в 1994 г. разработали компьютерную программу LSM90, которая рассчитывает разливы многокомпонентных смесей на грунте и на водной поверхности. В ней также предполагается растекание под действием силы тяжести, влияние волн не учитывается. Результаты расчётов сравнивались с данными экспериментов Esso (1972-1973 г., США) и Burro (1982 г., США). Отличие в результатах по испарению было до 48%, а по радиусу разлива – порядка 12%. К сожалению, объём моделируемого пролива не был опубликован.

Большинство работ, направленных на изучение скорости испарения СПГ с водной поверхности и процесса растекания, были проведены в полевых условиях в 1970-80-е годы. Некоторые данные об этих процессах были получены в экспериментах, имеющих своей направленностью изучение поведения облака ГВС и его возгорание. В таблице представлены эксперименты, в которых непосредственно изучались процессы испарения и растекания.

В экспериментах использовались маркеры на воде и видеосъёмка над местом пролива, фиксирующих скорость растекания и радиус «бассейна». Исходя из расхода истечения СПГ на воду и площади «бассейна», рассчитывалась средняя скорость испарения. При этом такой метод измерений является субъективным, ввиду того, что при наличии ветра форма «бассейна» не будет симметричной, что осложняет определение площади разлива, а соответственно и площади испарения.

Таблица 1

 Эксперименты по исследованию растекания СПГ на водной поверхности

К тому же, фиксирование радиуса разлива с помощью видеосъёмки тоже не даёт точного результата, т.к. видимость ограничивается облаком паров СПГ над проливом. Поэтому сравнение результатов экспериментов и моделирования можно проводить лишь условно.

Основываясь на вышеуказанных экспериментах, проведённых в 1970-80 годах, позднее были разработаны модели, описывающие процесс распространения СПГ по воде. Следует выделить работы Оттермана (1989 г.) и коллектив Бриско и Шо (1993 г.), в которых проводились расчёты для крупномасштбных разливов СПГ объёмом 1000-10000 м3 (истечение таких объёмов может быть следствием повреждения танкера-метановоза). В большинстве моделей предполагается, что форма «бассейна» круглая, растекание обусловлено силой тяжести, и не учитывается действие волн и течений, а также не берётся в расчёт «выветривание» СПГ и  разделение «бассейна» на отдельные лужи.

В отечественной практике оценка поведения СПГ на водной поверхности при разгерметизации емкостей показана в работах [8, 9].

Следует отметить, что с учетом международного опыта для оценки степени безопасности объектов СПГ следует использовать качественные и полуколичественные показатели риска (имеющие, соответственно, либо качественные градации типа «очень высокий», «значительный», «средний», «низкий», «ничтожно малый», либо измеряемых в баллах в выбранной балльной шкале).

При этом для их определения рекомендуется применять такие широко известные качественные и полуколичественные методы анализа риска [5,6], как:

-   метод предварительного анализа опасностей;

-   анализ видов отказов и последствий;

-   метод перебора аварийных ситуаций;

-   метод анализа с построением дерева отказов;

-   метод анализа с построением дерева событий;

-   метод причинно-следственного анализа.

При этом основными расчетными составляющими риска являются:

-   ожидаемая частота аварий различных типов;

-    размеры и локализация зон негативного воздействия поражающих факторов аварии при реализации каждого конкретного сценария аварии;

-   пространственные распределения условной вероятности поражения реципиентов на территории объектов СПГ и прилегающей территории при каждом конкретном сценарии аварии с учетом локализации зон негативного воздействия поражающих факторов аварии, условных вероятностей их реализации;

-   количество пострадавших от аварии людей (в том числе погибших и раненых) при реализации каждого конкретного сценария аварии;

-   количество уничтоженных и поврежденных компонентов имущества и природной среды при реализации каждого конкретного сценария аварии;

-   ущерб от аварии (при реализации каждого конкретного сценария аварии).

В настоящее время проведение детального анализа рисков возможно с использованием статистических [5,6], численных методов, с применением нейронных сетей [7], фрактального метода.

Ввиду того, что с 2009 г. осуществляется экспорт СПГ из России, и в дальнейшем планируется развитие данной отрасли у нас в стране, то проведение экспериментальных и теоретических работ, связанных с изучением особенностей СПГ, а также разработка нормативно-технической базы является задачей актуальной и представляющей интерес для топливно-энергетического комплекса.

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 under contract number FERC04C40196. - USA.: FERC, 2004. - P. 58.

2.     Consequences of LNG marine incidents / R.M. Pitblado, J. Baik, G.j. Hughes [etc.] // Center for Chemical Process Safety (CCPS) Conference. - Orlando, June 29 – July 1. - 2004.

3.     Johnson, D. W. Modeling the release, spreading and burning of LNG, LPG and gasoline on water / D. W. Johnson, J. B. Cornwell // Journal of Hazardous Materials. - 2007. – V. 140. – P. 535-540.

4.     Methods for the calculation of physical effects due to releases of hazardous materials (liquids and gases) / C.J.H. van den Bosch, R.A.P.M. Weterings // The Netherlands.: TNO, 2005. - P.870.

5.     Акмадиева Т.Р., Учебно-методический комплекс дисциплины "Математика". Математическая статистика. Теоретические основы. Методические указания для студентов. Материалы для самостоятельной работы студентов. Раздел 14. Т.Р. Акмадиева [и др.]. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2008. - 95 с

6.     Акмадиева  Т.Р.,  Учебно-методический  комплекс  дисциплины "Математика".  Элементы  дискретной математики. Теоретические основы. Методические указания для студентов. Материалы для самостоятельной работы студентов. Раздел 12. Т.Р. Акмадиева [и др.]. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2014. - 57 с

7.     Колчин А.В., Янчушка А.П. Математический аппарат нейронных сетей в приложениях. В сборнике: Мировое сообщество: проблемы и пути решения Уфимский государственный нефтяной технический университет. Уфа, 2011. С. 31-32.

8.     Рахимов В.О. Определение радиуса аварийного разлива сжиженного природного газа на водной поверхности / В.О. Рахимов, Г.Е. Коробков // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2011. - №3 – С.21-24.

9.     Рахимов В.О. Определение теплогидравлических параметров процессов при транспорте и хранении сжиженного природного газа / В.О. Рахимов, Г.Е. Коробков // Нефтегазовое дело. – 2012. - том 10, №1. – С.54-58.