Диссертация (1137104), страница 16
Текст из файла (страница 16)
3.5), основой которого является портативныйдетекторобнаруженияутечекметана(ДУМ),которыйопределяетсодержание/концентрацию метана в воздухе на уровне ПДК.109Рисунок 3.5 - Стенд натурных измеренийРезультаты измерений усреднялись за время τ =10 мин. При скоростиветра изменяющейся в диапазоне U=3 ÷ 10 м/с, были экспериментальнымобразом получены параметры газового облака в 3-х мерном пространствепредставленные на рисунке 3.6.Рисунок 3.6 - Параметры газового облака в 3-х мерном пространстве110Согласно проведенным расчетам, представленным выше, были построеныизолинии газового облака из отверстия определенного диаметра при разныхскоростях ветра.
На рисунке 3.7 представлено распределение концентрацииметана вдоль оси облака выброса (ось x).Рисунок 3.7 - Изолинии распределения концентрации метана вдоль оси облакавыброса, при U=5 м/секНа рисунке 3.8, представлено распределение концентрации метана повысоте облака выброса (ось z).Рисунок 3.8 - Изолинии распределения концентрации метана по высотеоблака выброса, при U=10 м/сек111На рисунке 3.9, представлено распределение концентрации метана всечении облака, совпадающей с осью облака (ось у).
Согласно проведеннымрасчетам и экспериментам - максимальная концентрация облака метана, принаиболее распространенной скорости ветра 10 м/сек, находится в пределах 100м от места утечки газа, а высота облака максимальной концентрации составляетот 0,5 до 1,5 м [111-113].Рисунок 3.9. - Изолинии распределения концентрации метана в сеченииоблака, совпадающей с осью облака на расстоянии от утечки метана 50 ми при U=10 м/секТаким образом, полученные расчетные и экспериментальные данныебыли использованы в качестве предельных параметров размещения БМ вдольЛУ МГ. Необходимо также отметить, что параметры размещения БМ независят от используемого радиоканала ППУ [36-38], которое обеспечиваетуверенный обмен информацией до 1200 м (на открытой местности).
Однако нанаиболее опасных участках МГ – это пересеченная местность, водные112переходы, близость автомобильных дорог или других опасных участков МГ,БМ можно размещать и на более близком расстоянии.При установке БМ вдоль ЛУ МГ также необходимо учитывать влияниеметеорологических данных, а также особенностей рельефа подстилающейповерхности. Эти характеристики влияют на распространение загрязняющихвеществ, в нашем случае – парникового газа/метана, а именно на условияформирования облака утечки газа и его распространение в зоне мониторинга.
Вработе приведен анализ данных характеристик на примере близлежащихтерриториях залегания МГ в районе г. Сургута.В связи с тем, что изменение по вертикали всех метеорологическихвеличин наиболее выражены до высоты порядка 100 м, выше которой этивеличины приближаются к значениям в свободной атмосфере, а также с учетомтого, что устанавливаться БМ будут в среднем на высоте до 1,5 м. Поэтомупредставляет интерес учитывать влияние таких метеорологических параметровкак, роза и скорость ветра, стратификация и турбулентность атмосферы, нарезультаты диагностирования ТС МГ. При статистической обработке значенийветра, метеорологи используют построение розы ветров (рис. 3.10), котораяпроводится по специально разработанному модулю векторного анализаметеорологических данных.Роза ветровРоза ветров (средние скорости)ССЗССВ8СЗ5,1243,382ЗВЗ5,9204,4ЮЗЮЗЮВЮа)СВ654,533,86ЮВ4,17ЮВб)Рисунок 3.10 - Пример построения розы ветров (а), розы скорости ветров (б)113Обозначенная контурная линия - результат обработки метеорологическихданных, чаще всего за месяц, по восьми направлениям ветра (места перегибовломаной линии).
Чем ближе точка перегиба к линии окружности (радиусокружности в процентах, показывает долю ветра в данном направлении законкретныйпериод),тембольшеслучаевэтогонаправленияветрарегистрировалось в данном районе. Для проведения мониторинга МГдостаточно определять минимальное и максимальное значения ветра в данномнаправлении.
Из рисунка 3.10 следует, если мониторинг будет проводиться наМГ предприятия ООО «Газпром трансгаз Сургут», газопроводы которого идутс севера на юг, поскольку ветер ЮВ направления минимальный, а значит,облако утечки будет в стороне от трубы, и концентрация его максимальна.Контроль утечек метана из МГ проводился вблизи газопровода(минимальное расстояние 10 м), когда скорость ветра оказывала существенноевлияние на точность определения концентрации метана или объема утечкигаза. При низких источниках выбросов отмечается высокий уровеньзагрязнений метана, при этом наблюдался слабый ветер (0-1 м/с), за счетскопления газа в приземном слое атмосферы.
Из [11,16] составленной поданным работ [92,101] видно, что при скорости ветра 0-1 м/с, концентрацияметана на 30-70% выше, чем при высоких скоростях. Из этого следует, чтомониторинг МГ с целью выявления слабых утечек эффективно проводить вбезветренную погоду, однако из-за накопления газа точность определенияобъема утечки будет очень низкой.В ветреную погоду, изменение скорости ветра на холмистой местности поданным [101] может изменяться почти в три раза, в зависимости от угласклона, на фиксированной высоте, в низкой ее части, скорость ветра можетбыть выше или ниже на 50% от набегающего потока соответственно.Мониторинг МГ на пересеченной местности также будет эффективен в егонизкой части из-за меньшей скорости ветра и явления накопления там газа.114Роза ветров является важным фактором планирования мониторинга ипоследующейобработкиеерезультатов,однако,из-забольшойпротяженности, изменения направления МГ и постилающей поверхности этойинформации недостаточно.
Кроме розы ветров необходимо учитывать искоростьветра, какбылопоказановыше–минимальнаяскоростьпредпочтительна, но в сложных условиях Северной части России безветреннаяпогода редка. Розой скорости ветров (рисунок 3.10) также является контурнаялиния-результатобработкиметеорологическихданныхповосьминаправлениям ветра (места перегибов ломаной линии) – векторам ветра,модулями которых будут средние значения величин скорости данногонаправления, также за месяц.На рисунке 3.11 приведены розы ветров за различные месяци 2010г. врайоне г. Сургута, а на рисунке 3.12 роза скорости ветров за эти же периоды.Совместныйанализданныхпоказал,чтонаданномучасткедиагностирования МГ преобладают ветра западного (З), северо-западного (СЗ)и восточного (В) направлений, при этом скорости этих ветров минимальны.Это значит, что устанавливать БМ необходимо также в соответствии сданными направлениями ветра, так как облако утечки метана будетраспространяться в сторону от трубы по данным направлениям, а так какскорость движения облака минимально – присутствует накопление газа,значит, утечка может быть легко обнаружено датчиком газа и определена ееконцентрация.Проведенные исследования показали, что присутствует ежегоднаяповторяемость направлений и скоростей ветров для каждого сезона, поэтомуданную информацию можно рекомендовать для включения в методикуобследования магистральных газопроводов, а при наборе статистики икорректировать ее.115а) январь 2010 г.б) февраль 2010 г.в) март 2010 г.г) апрель 2010 г.д) май 2010 г.е) июнь 2010 г.Рисунок 3.11 – Анализ розы ветров в районе г.
СургутаВ перспективе представляет интерес построение розы ветров и розыскорости ветров по декадам, а лучше ведение статистики по каждому дню, длячего разработано программное обеспечение, автоматизирующее это труд, ипозволяющее при проектировании СТС построенной на БМ учитывать этиметрологические данные для всех участков прохождения МГ.
Усредненныеметеоданные за 10 лет наблюдений по г. Сургуту, позволили сделать вывод отом, что на данном участке преобладает Западное направление ветра.Рассеивание примесей, в частности метана происходит за счетстратификации атмосферы, а также инверсии и приподнятой инверсиитемператур в приземном слое, поэтому и происходит накопление газов.
Вкачестве примера проведен анализ годовой инверсии по Ханты-Мансийскомуокругу, приведенный в таблице 3.1.116б) февраль 2010 г.а) январь 2010 г.в) март 2010 г.д)г) апрель 2010 г.е)май 2010 г.июнь 2010 г.Рисунок 3.12 – Анализ розы скорости ветров в районе г. СургутаТаблица 3.1 - Инверсия (%) в окрестностях г. Ханты-МансийскЧасМесяцIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII1500664919956645124459Низкое значение инверсии означает, что практически отсутствуетвертикальное движение воздушных масс, а значит, рассеивание утечек метанатак же будет малым, это исследование также было подкреплено даннымиповторяемости приподнятых инверсий температуры на уровне нижних границатмосферы в пределах до 10 м. Поскольку представляет интерес высота, впределах которой осуществляется диагностирование МГ, а именно до 5 м,поэтому наиболее информативным является тренд (рис.
3.13), где линиейрозового цвета показан график изменения обеих инверсий в течение года вразличные месяцы по г. Ханты-Мансийск.117Инверсии, %1009080706050403020100ЯФМАМИИАСОНДМесяцыРисунок 3.13 - Изменения инверсий: черная линия – приподнятая инверсия;розовая линия – сумма инверсииВажным для учета рассеивания метана в атмосфере является такжевлияние коэффициента турбулентного обмена К1, который включает в себя кактермические, так и динамические факторы и особенно проявляется впограничномслоемеждусвободнойатмосферойиподстилающейповерхностью.В работах [85,104] приведены значения К1 на высоте 1 м, для различныхтерриторий, отмечается, что данная величина изменяется в пределах 0,04-0,12м2/с, наименьшее значения приходится на территорию Сибири. Характерныйсредний суточный ход К1 приведен на рисунке 3.14, из которого видно, чтоданная зависимость подчиняется нормальному закону распределения, поэтомуможет быть использована для разных территорий.118К10,20,103691215182124ЧРисунок 3.14 - Среднее значение суточного хода К1 в летнее времяИз зависимости, приведенной на рисунке 3.14 следует, что наиболееэффективным временем мониторинга утечек метана является время с 9 часовдо 18 часов (для любых регионов страны), кроме того этот временной режимполностью соответствует особенностям эксплуатации БМ, осуществляющихконтроль утечек газа на МГ.Обнаружение утечек метана при проведении мониторинга МГ во многомзависит также от фонового содержания этого газа в приземном слое атмосферывдоль трассы магистрали, содержание метана в месте утечки будет,естественно, превышать фон.
Как известно из [41,70,85,104] фоноваяконцентрация метана в атмосфере по Западной Сибири находится в диапазоне1,5-2,2 ppm*м, примем минимальную величину равную 1,5 ppm*м, так как этотфон в приземном слое атмосферы высотой до 2 м изменяется незначительно.Для подтверждения газового состояния приземного слоя атмосферывоспользуемсяпроведенныминатурнымиисследованиямифоновогосодержания метана вблизи МГ. Так в 2005г. в трех районах Севера Тюменскойобласти (г. Игрим, г. Ноябрск и д. Демьянское), вблизи ретрансляционных мачтОАО «Газпром», мачты, как правило, стоят рядом с МГ, были установленыконтейнерные станции (КнС) (изготовитель NIES, г. Цукубо, Япония), приэтом на мачтах (на двух уровнях по высоте) были размещены датчики для119измерения фоновой концентрации парниковых газов (метана в частности) (рис.3.15).
Принцип измерения фоновой концентрации метана в атмосфере основанна предварительной подготовке исследуемого воздуха (очистка, уменьшениевлажности и подогрев) и трех циклов измерения одной измерительнойячейкой: измерения с предварительной оценкой концентрации; юстировкааппаратуры - измерения эталонной концентрации метана, приблизительнаявеличина которой задается в первом цикле; измерение фонового значенияметана, с учетом предварительной калибровки, при этом точность измерениядостигает единиц процентов.а)б)Рисунок 3.15 - Ретрансляционная мачта (а) с датчиками, КнС (б)Результаты исследования фоновой концентрации метана во всех трехрайонах с помощью КнС (рис. 3.16) показали, что вблизи МГ присутствуетповышенное содержание фона метана (свыше 2,4 ррм), которое можетобъясняться наличием утечек газа.120Рисунок 3.16 – Измерение концентрации метана по годам и на двух уровняхТаким образом, информация о розе ветров, в процессе мониторинга МГ,позволит учитывать увеличение фоновой концентрации метана за счеттехнологических утечек и переноса фона с других участков газопровода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
