Диссертация: Разработка моделей формирования источников поражающих факторов при авариях с участием сжиженного природного газа.

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности Производство сжиженного природного газа (СПГ) – интенсивно развивающийся сектор энергетики. Для обеспечения безопасности на объектах необходимо исследование процессов протекания аварий с участием СПГ. Закономерности изменения параметров состояния производственной среды и опасных зон при авариях на объектах, содержащих СПГ, имеют ряд специфических особенностей, которые в значительной степени обусловлены физико-химическими и пожаровзрывоопасными свойствами сжиженного природного газа, параметрами используемых технологий, характеристиками применяемых материалов и оборудования. Развитие аварии с участием СПГ можно условно разделить на два этапа: растекание, сопровождающееся кипением и испарением, а также распространение опасных облаков. Изучением рассматриваемых процессов занимались следующие ученые: И.А. Болодьян, Ю.И. Дешевых, В.И. Макеев, Г.М. Махвиладзе, В.П. Некрасов, Г.Э. Одишария, В.С. Сафонов, А.А. Швыряев, А.П. Федотов, А.П. Чугуев, И.А. Горпинич, А.М. Козлитин, Д.А. Лабунцов, А.С. Монин, М.Е. Берлянд, Г.И. Марчук и др. Однако существующие подходы и методики позволяющие определить характеристики процессов, происходящих при разлитии сжиженного природного газа, отработаны в недостаточной степени, трудоемки и не всегда адекватны практике, поэтому требуют существенной доработки и уточнения. Для проведения полноценного исследования процессов протекания аварий с участием СПГ необходима разработка простых и достаточно точных методов оценки воздействия аварийных выбросов, определяющих величину зон распространения негативных факторов. Анализируя формирующиеся опасные зоны можно разработать меры для защиты людей и оборудования.
Объектом исследования является сжиженный природный газ. Предметом исследования – процесс распространения вещества в окружающем пространстве и формирование опасных зон.
Цель и задачи исследования Целью работы является исследование процессов протекания аварии и разработка методов, предназначенных для оценки величины и длительности воздействия опасных зон при проливе СПГ на различные поверхности и распространении опасного облака в окружающем пространстве. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:  анализ существующих исследований и методик в области растекания, испарения и кипения сжиженного природного газа, а также формирования и распространения опасных облаков в атмосфере;  разработка модели, характеризующей процессы испарения в пленочном и пузырьковом режимах кипения СПГ с учетом его растекания по подстилающей поверхности;  разработка модели, описывающей распространение паров СПГ и формирование их смесей с воздухом в окружающем пространстве;  проверка адекватности разработанных моделей путем сравнения с результатами экспериментов, а также с расчетными данными, полученными другими авторами и опубликованными в открытой печати;  формирование алгоритма и метода решения разработанных моделей.
Научная новизна В диссертационной работе выполнено определение основных показателей динамики одновременно протекающих процессов растекания, испарения и кипения в пленочном и пузырьковом режимах. Предложены и обоснованы соотношения для определения коэффициента учета проницаемости подстилающей поверхности и массовой скорости испарения в пленочном режиме кипения. На основании разработанных подходов и сформированных показателей получена модель парообразования сжиженного природного газа из пролива с учетом основных теплофизических показателей подстилающих поверхностей, предложен метод ее решения. Усовершенствована модель распространения паров в окружающем пространстве с учетом специфики СПГ и влажности воздуха. Сформированы алгоритмы и методы решения разработанных моделей.
Теоретическая и практическая значимость В диссертационной работе определены закономерности протекания аварий, которые могут возникнуть на объектах, содержащих сжиженный природный газ. Разработанные методологические подходы и модели могут быть использованы в исследовательском проектировании, а также при выполнении проектной и рабочей документации для оценки уровней безопасности и формирования комплекса мероприятий по их повышению. Результаты выполненного исследования применимы при разработке разделов проектной документации по объектам производства, хранения и отгрузки сжиженного природного газа, например, в декларации промышленной безопасности, разделах промышленная безопасность, перечень мероприятий по гражданской обороне, мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также при выборе используемых технологий, объемнопланировочных и компоновочных решений. Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволяют:  осуществлять оценку риска на опасных производственных объектах, содержащих сжиженный природный газ;  учитывать совместное влияние опасностей, возникающих в процессе развития аварий на объектах;  обеспечивать снижение риска для здоровья персонала объекта за счет учета полученных данных при разработке технологических процессов, а также в процессе определения компоновочных и архитектурно-планировочных решений на этапе проектирования.
Методология и методы исследования В диссертационной работе использованы: основные научные положения теории вероятности и математической статистики, нелинейного программирования, математического моделирования, метод наименьших квадратов, покоординатного спуска, численные методы решения инженерных задач.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Модель парообразования сжиженного природного газа из пролива с учетом характеристик подстилающей поверхности и параметров окружающей среды при пленочном и пузырьковом режимах кипения. 2. Модель распространения в окружающем пространстве облака паров СПГ на основе уравнений состояния веществ с учетом фазовых переходов, а также влажности воздуха. 3. Методы оценки негативных воздействий, проявляющихся в процессе развития аварий с участием сжиженного природного газа.
Степень достоверности и апробация работы Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается достаточным количеством наблюдений; современными методами исследования, которые соответствуют цели работы и поставленным задачам; корректным применением положений теории вероятностей, математической статистики и численных методов моделирования; статистически достоверными экспериментальными данными. Сформулированные в тексте диссертации научные положения, выводы и практические рекомендации основаны на фактических данных, продемонстрированных в приведенных таблицах и на рисунках. Статистический анализ и интерпретация полученных результатов проведены с использованием современных методов обработки информации и статистического анализа.
Апробация результатов работы Основные результаты научно-квалификационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: 1. III Международная научно-практическая конференция «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке», СанктПетербург, 20-21 октября 2016 г. 2. I научно-практическая конференция молодых специалистов СанктПетербургского филиала ООО "Газпром проектирование", "Актуальные проблемы и инновации в проектной деятельности Общества", Санкт-Петербург 24 ноября 2016 г. 3. Всероссийская конференция "Техносферная безопасность как комплексная научная и образовательная проблема", г. Санкт-Петербург 4 - 6 октября 2018 г. 4. II научно-практическая конференция молодых специалистов СанктПетербургского филиала ООО "Газпром проектирование", "Актуальные вопросы проектирования и обследования в нефтегазовой сфере», Санкт-Петербург 28 ноября 2019 г. 5. III научно-практическая конференция молодых специалистов СанктПетербургского филиала ООО "Газпром проектирование", "Инновации и перспективы в нефтегазовой сфере", Санкт-Петербург 27 апреля 2021 г. 6. IX Молодежная международная научно-практическая конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», г. Москва 19 – 21 мая 2021 г. Кроме того, разработанные модели и программные комплексы были использованы в исследовательском проектировании на базе Санкт-Петербургского филиала ООО «Газпром проектирование», а также в ряде проектов, прошедших государственную экспертизу.
Публикации и личный вклад автора Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Основные положения, выносимые на защиту, полученные результаты, их анализ принадлежат автору. Все расчетные данные, приведенные в диссертации, получены автором.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 113 наименований. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц и 52 рисунка. Научноисследовательская работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего как отечественных, так и иностранных авторов, и приложений.