CC BY
15
Науковий вкник НЛТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280225
Article received 21.02.2018 р. Article accepted 29.03.2018 р.
УДК 621.6
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
1 Kl Correspondence author Yu. D. Mykhailiuk [email protected]
Ю. Д. Михайлюк
1вано-Франтвський нащональний технiчнийунiверситет нафти i газу, м. 1вано-Франтвськ, Украта
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЗАКОНОМ1РНОСТЕЙ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ВИКИД1В ПРОДУКТ1В ЗГОРАННЯ В АТМОСФЕРУ П1Д ЧАС РОБОТИ КОМПРЕСОРНИХ СТАНЦ1Й
Розглянуто основнi забруднювальнi речовини та 1хнш склад, що найчастiше викидаються в атмосферу пiд час експлу-атацп компресорних станцiй магiстральних газопроводiв. Найбiльшу небезпеку створюють джерела забруднення атмосфери, пов'язанi насамперед iз процесами спалювання неорганiчного палива. Встановлено, що в камерах згорання газоперекачу-вальних агрегатiв газотурбiнних двигунiв утворюються оксид i дiоксид азоту, оксид вуглецю та iншi речовини, яю забруд-нюють атмосферне повiтря. Проведено аналiз поширення викидiв забруднювальних речовин в атмосферному пов^р^ Запро-поновано схему траекторп розповсюдження викидiв продукта згорання в атмосферь Розроблено математичш залежностi забруднення приземного шару атмосферного пов^ря викидами димових газiв вщ джерел технологiчного обладнання пiд час роботи компресорних станцш. Встановлено закономiрностi розповсюдження викидiв у приземному шарi атмосфери. Запро-поновано розрахунковi залежноси, якi дають змогу оцiнити змшу дальностi розповсюдження шкiдливих речовин залежно вiд швидкостi викидних газiв, висоти димово'' труби, напрямку i швидкост вiтру та iнших параметрiв. Охарактеризовано за-кономiрностi вiдстанi, на яку поширюються продукти згорання, яка пропорцшна швидкостi вiтру i функцiонально пов'язана з масою та швидюстю викидiв продуктiв згорання, висотою викидно'' труби, коефщентами опору середовища.
Кл^чов^ слова: компресорна станщя; навколишне середовище; продукти згорання природного газу; атмосферне пов^ря.
Вступ. Газотранспортна система УкраТни е однieю з найбiльших за розмiрами в GBponi, яка складаеться з га-зопроводiв загальною довжиною майже 37 тис. км, 74 компресорних станцш з 713 газоперекачувальними агрегатами (ГПА), зокрема 438 з газотурбшним приводом i 96 газомотокомпресорiв, енергоноаем для яких е транспортований газ. На привiд газоперекачувальних агрегапв витрачаеться 0,5-1,5 % природного газу вщ обсягу перекачування. Спалювання тако! кiлькостi газу погiршуе рiвень еколопчно! безпеки атмосфери в районах розташування компресорних станцiй (Mikaeli-an, 2011; Horbiichuk & Shchupak, 2011; Khalatov, Kos-tenko & Parafiinyk, 2010; Hovdiak, & Shymko, 2012), а-дже атмосфера - це повиря, яким дихаемо, це захист планети вщ згубно! сонячно! радiацп i один iз регулято-рiв температури навколишнього середовища.
На сьогоднi у свгговш практицi iснуе достатньо велика шльшсть моделей, як1 достатньо адекватно опису-ють процеси розсшвання шк1дливих домiшок в атмосферному повирг Закордоннi розробки дають змогу провести розрахунок розсшвання забруднювальних речовин вщ промислових джерел (Prater & Midgley, 2006; Beychok, 2005; Pal, 1998; Rod, 2001; Environmental Protection Agency, 1995).
Питання щодо атмосферного розсшвання вивчали так1 вичизняш та зарубiжнi вченi: А. Н. Колмогоров, А. М. Обухов, М. Е. Берлянд, Д. Л. Лайхтман, Н. Л. Би-зова, П. I. Андреев, I. Я. Сигал, В. М. Ельтерман, Г. I. Тейлор, В. Шмщт, О. Г. Сеттон, Ф. Пасквшл та ш.
(Steinzor, Subra & Sumi, 2013; Brook & Rajagopalan, 2010; Mykhailiuk, 2011; Wellenius, et al., 2012; Hovdiak & Kosnyriev, 2007; Revazov & Leonovich, 2014; Shesto-palov, 2007; Gorniukova & Galunova, 2014; Hovdiak, 2012; Varlamov, Pozniakov & Yurashev, 2012).
На сьогодш накопичено матерiали про негативний вплив компресорних станцш (КС) на навколишне середовище. КС викидають шкiдливi речовини, яш вплива-ють на рослинний i тваринний свiт, а також на призем-ний шар атмосфери. Найбшьшу небезпеку створюють джерела забруднення атмосфери, пов'язаш насамперед i3 процесами спалювання неорганiчного палива. У камерах згорання газоперекачувальних агрегапв газотур-бiнних двигунiв утворюються так1 шкiдливi речовини, як: оксид i дiоксид азоту, оксид вуглецю та ш, як1 заб-руднюють атмосферне повггря. Разом iз тим процес спалювання газу е ще не достатньо регульованим, в атмосферу потрапляють токсичш продукти згорання газу, концентращя яких може перевищувати гранично допус-тимГ рГвнг Для газоперекачувальних агрегапв, що пере-бувають в експлуатацп на КС, проблему зниження ток-сичносп згорання газу ще не достатньо виршено.
Отже, подальше вдосконалення технологiй спалювання природного газу в камерах згорання, конструкцш газових пристроТв, методiв прогнозування складу шквд-ливих викидГв, як1 забруднюють атмосферу, та спосо6Гв знешкодження шквдливих речовин е актуальним i важ-ливим технiчним завданням, що потребуе подальшого розвитку.
1нформащя про автора:
Михайлюк Юлiя Дмт^вна, канд. техн. наук, доцент кафедри екологм. Email: [email protected]
Цитування за ДСТУ: Михайлюк Ю. Д. Дослiдження закономiрностей розповсюдження викидв продуктiв згорання в атмосферу
тд час роботи компресорних станцiй. Науковий вкник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 2. С. 133-136. Citation APA: Mykhailiuk, Yu. D. (2018). Laws of Distribution of Compressor Stations Emissions of the Combustion Products in the Atmosphere. Scientific Bulletin of UNFU, 28(2), 133-136. https://doi.org/10.15421/40280225
Матерiал i методи дослiдження. Для вивчення яви-ща розповсюдження викидiв забруднювальних речовин, встановлення закономiрностей !х поширення у приземному шарi, можна скористатися моделюванням руху га-зоповгтряного потоку з урахуванням закономiрностей, що пов'язують мгж собою характеристики газового ви-киду в атмосферу.
Розаювання газових викидiв вiдбуваeться завдяки турбулентнш дифузн. В атмосферi окремi частинки, що викидаються, або групи частинок рухаються завдяки молекулярнш i турбулентнш дифузн. Одним iз найбiльш iстотних метролопчних чиннишв, що вплива-ють на розповсюдження забруднювальних речовин, е вгтер.
Огляд вiтчизняних лiтературних джерел показав, що проблеми моделювання розсiювання забруднювальних речовин в атмосферному повiтрi залишаються достатньо актуальными для нашо! краши. Врахову-ючи, що точшсть результат розрахунку концентра-цш токсичних домiшок у випадку поспйного чи ава-рiйного викиду iстотно впливае на правильшсть вибо-ру, можливють застосування та ефектившсть викорис-тання необхiдних природоохоронних заходiв, спрямо-ваних на зниження техногенного навантаження на навколишне середовище та покращення еколопчно! ситуацн в краш1, необхiдно в подальшш роботi роз-роблювати новi та вдосконалювати наявн методи моделювання процеав розповсюдження забруднень в атмосферному повгтрг
Атмосферна дифузiя е складним i багатофакторним процесом. Розповсюдження домiшок в атмосферному повiтрi характеризуються двома видами дифузп: моле-кулярною, пов'язаною з випадковим i хаотичним ру-хом молекул, та турбулентною, зумовленою вихровим полем атмосфери. Шд час роботи газоперекачувально-го агрегата на компресорнш станцл продукти згоран-ня, що мiстять шкiдливi речовини, так як: оксиди азоту, дюксиди азоту, оксиди вуглецю та iншi сполуки, можна мiнiмiзувати, проте частина !х потрапляе в атмосферу.
Результати дослщження. На рис. зображено схему технолопчного обладнання, що забезпечуе викиди про-дуктiв згорання в атмосферу. З газотурбiнного двигуна викиди потрапляють до збiрного колектора, з'еднаного з вертикальною викидною трубою висотою h та дiамет-ром d. Для дослщження руху частинок газу виберемо нерухому систему координат z0y, пов'язану з джерелом викидiв. Вюь г напрямимо по осi вертикально! труби, вюь у - за напрямком вiтру.
Пiд час руху димових газiв у колекторi та димовш трубi вiдбуваеться !х змшування, яке залежить вiд да-аметра i довжини колектора та викидно! труби, режиму руху, властивостей газiв, дифузн та iн.
Вважатимемо, що викиди гази, як надходять до колектора, змшуючись у викиднш трубi, утворюють од-норiдну сушш, яка викидаеться iз труби висотою h зi швидшстю У0, що визначаеться за формулою
v - Q v - 7'
(1)
Рух димових ra3iB в атмосферному rnBripi скла-даеться з переносного руху середовища та Bi№0CH0ra руху викидних частинок - продукпв згорання. Пiд час руху газовикидно! сумiшi вiдбуваються мшровзаемодн елементарних частинок у чаа та пpостоpi. У першому наближенн вважаемо, що центр видшеного об'ему ру-хаеться по криволшйнш траекторп, яка не змiнюеться вiд дифузiйних пpоцесiв. На видшений об'ем викидного газу дiють сила G ваги i сила Fe тиску вiтpу, як визна-чаються такими формулами:
G=m-g, (2)
Fe - k • y , (3)
де: m - маса газу; g - пришвидшення земного тяжiння; к - коефiцiент пропорщйностц y' -ve - швидюсть вiтpу.
Рис. Тpаектоpiя розповсюдження викидiв продукта згорання в атмосфеpi
Пiд час руху вверх сила Foz опору pуховi напрямле-на по осi z у протилежний бiк, а пiд час руху в горизонтальному напрямку - сила Foy паралельна до осi y в бш, протилежний до руху.
Foy - Koy • y , (4)
Foz - Koz • z , (5)
де: Koy i Koz — коефщенти опору pуховi в напрямках осей y i z; y , z - проекщ! швидкостей центра видшеного об'ему на оа y i z.
Напрямки зазначених сил показано на рис. Скорис-тавшись принципом Даламбера, складемо диференщ-альн piвняння руху видiленого об'ему - розповсюдження речовин iз викидно! труби в проекщях на оа y i z у такому виглядг
my"- (K + Koy) • y'- О,
(6)
де: Q — витрати викидного газу, м3/с; 7— площа поперечного пеpеpiзу труби.
mz' + Koz • z + mg - О . (7)
Для розв'язування системи piвнянь (6) i (7) запише-мо початковi умови, якщо
t = О; y (О) = Vb; y(0)= О; z (О) = Vo; z(0)= h. (8)
Розв'язавши систему piвнянь (6) i (7), отримаемо за-кономipностi руху центра видшеного об'ему в площиш y0z у такому виглядi:
y -
VBm K - K„
Exp I
Г K - Koyt ,_ 1
(9)
z - KoT|hK2z + (m2g + mVo)^ - Exp ^ -K^tjj _ mgKoztJ . (1О)
Залежностi (9) i (1О) описують рух центра видшеного об'ему в площиш осей y0z. Якщо з цих залежнос-тей вилучити параметр t, то отримаемо piвняння траекторп руху центра видiленого об'ему у такому виглядг
K2
hK + m(gm + V0)
1 - Exp
-Koz • Ai
K - Koy
m2gKoZ K - Koy
A
Ab - ln
mVB + y(K - Koy)
mVB
(11)
Якщо задатися числовим значенням величин, що входять до залежностi (11), то можна побудувати тpаектоpiю руху викидних частинок.
Тривалють T руху викидiв iз димово! труби до при-землення можна визначити з piвняння (1О) при z = О. Розв'язавши це piвняння, отримаемо значення
T - 7 (h,V0, m, g, Koz). (12)
Пiдставивши знайдене значення Т в piвняння (9) знайдемо дальнiсть розповсюдження викидiв, тобто:
ymax - lmax -
Г7 K - Koy
Vem . --T
K - Ko
-(e
-1).
(13)
Залежнiсть (13) дае змогу оцiнити вплив швидкосп V0 викиду пpодуктiв згорання, швидкосп Ve вiтpу, опору середовища K, Koy, Koz, висоти h i дiаметpа викидно! труби на дальшсть lmax розповсюдження пpодуктiв згорання. Запропонований пвдхвд допомагае також визначити максимальну висоту тдйому пpодуктiв згорання. Для цього необхшно пpиpiвняти z =О, знайти час тдйому частинок на максимальну висоту i, тдставив-ши його в (1О), знайти hmax.
Висновки. Цд залежностi можна використати для яшсно! оцшки впливу характеристик середовища, вДт-рового навантаження i технологiчних паpаметpiв викиду, дiаметpа та висоти викидно! труби i кшькосп викидних шзДв на перенесення викидних речовин у простора Запpопонованi pозpахунковi залежностi дають змогу оцшити змДну дальностi розповсюдження шк1дливих речовин залежно вш швидкосп викидних газiв, висоти димово! труби, напрямку i швидкосп виру та шших па-pаметpiв.
Вiдстань, на яку поширюються продукта згорання, пропорцшна до швидкоси виру i функцiонально пов'язана з масою та швидшстю викидДв продукпв згорання, висотою викидно! труби, коефщентами опору середовища.
Перелш використаних джерел
Beychok, M. R. (2ОО5). Fundamentals of Stack Gas Dispercion. California: Newport Beach.
Brook, R. D., & Rajagopalan, S. (2О1О). Particulate matter air pollution and cardiovascular disease: An update to the scientific statement from the American Heart Association. Circulation, 121(21), 23312378. http://doi.org/10.1161/CIR.0b013e318
Environmental Protection Agency. (1995). User's Guide for the Industrial Source Complex (ISC3) Dispersion Models, 1(2), 123-129. Retrieved from: http://epa.gov/scram001/userg/regmod
Gorniukova, A. A., & Galunova, D. V. (2014). Ekologicheskie prob-lemy gazovoi promyshlennosti. Izvestiia Tulskogo GU. Seriia: Tekhnicheskie nauki, 11(2), 292-296. [in Russian].
Horbiichuk, M. I., & Shchupak, I. V. (2011). Matematychni modeli prohnozuvannia vykydiv kompresornymy stantsiiamy shkidlyvykh rechovyn v atmosferu. Avtomatyka [Automatics], (pp. 84-85). Retrieved from: ena.ip.edu.ua. [in Ukrainian].
Hovdiak, R. M. (2012). Shliakhy pidvyshchennia enerhoekolohichnoi bezpeky ta efektyvnosti roboty mahistralnykh hazoprovodiv Ukra-iny. Rozvidka ta rozrobka naftovykh i hazovykh rodovyshch, 1(42). Retrieved from: http://nbuv.gov.ua/UJRN/rrngr. [in Ukrainian].
Hovdiak, R. M., & Kosnyriev, Yu. M. (2007). Kilkisnyi analiz avari-inoho ryzyku hazotransportnykh obiektiv pidvyshchenoi nebezpeky. Lviv: Kalvariia. 160 p. [in Ukrainian].
Hovdiak, R. M., & Shymko, R. Ya. (2012). Znyzhennia shkidlyvoho vplyvu roboty kompresornykh stantsii. Truboprovidnyi transport, 3(75), 20-23. [in Ukrainian].
Khalatov, A. A., Kostenko, D. A., & Parafiinyk, D. P. (2010). Re-konstruktsiia kompresornykh stantsii hazotransportnoi systemy Uk-rainy z vykorystanniam hazoturbinnykh ta elektropryvidnykh hazo-perekachuvalnykh ahrehativ. Naftova i hazova promyslovist, 1, 3032. [in Ukrainian].
Mikaelian, E. A. (2011). Otcenka nadezhnosti gazoturbinnogo oboru-dovaniia kompressornykh stantcii gazoprovodov. Promyshlennyi servis, 2, 28-35. [in Russian].
Mykhailiuk, Yu. D. (2011). Pobudova matematychnoi modeli prosto-rovo-chasovoho polia rozsiiuvannia v atmosferi dymovykh haziv fakelnykh ustanovok. Naftohazova enerhetyka: materialy Mizhna-rodnoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii, (pp. 37-43), 10-14 zhovtnia 2011 r., m. Ivano-Frankivsk. Ivano-Frankivsk: IFNTUNH. [in Ukrainian].
Pal, A. S. (1998). Air Pollution Meteorology and Dispersion. Oxford University Press.
Prater, E. T., & Midgley, C. (2006). A new air dispersion modelling system is helping create more accurate industrial source models. Environmental Protection, 17(3), 416-431.
Revazov, A. M., & Leonovich, I. A. (2014). Analiz avariinosti na kompressornykh stantciiakh magistralnykh gazoprovodov. Trudy RGUnefti i gaza imeniI. M. Gubkina, 2(275), 26-33. [in Russian].
Rod, B. (2001). Atmospheric Dispersion Modelling. Earthscan Publications.
Shestopalov, A. V. (2007). Povyshenie tochnosti kontrolia kontcentratcii vybrosov v atmosfere goroda statcionarnymi is-tochnikami. Abstract of Doctoral Dissertation for Technical Sciences (05.11.13 - Instruments and methods for monitoring the environment, substances, materials and products). Omsk. 20 p. [in Russian].
Steinzor, N., Subra, W., & Sumi, L. (2013). Investigating Links between Shale Gas Development and Health Impacts through a Community Survey Project in Pennsylvania. New Solutions, 23(1), 5583. http://doi.org/10.2190/NS.23.1.e
Varlamov, H. B., Pozniakov, P. O., & Yurashev, D. M. (2012). Kompleksni doslidzhennia enerhoekolohichnykh pokaznykiv ekspluatatsii HTU u skladi HPA typu HTK-10. Enerhosberezhenye, 1(95), 15-24. [in Ukrainian].
Wellenius, G. A., Burger, M. R., Coull, B. A., Schwartz, J., Sus, H. H., Koutrakis, P., Schlaug, G., Gold, D. R., & Mittleman, M. A. (2012). Ambient Air Pollution and the Risk of Acute Ischemic Stroke. Archives of Internal Medicine, 172(3), 229-234. https://doi.org/10.1001/archinternmed.2011.732
m
m
Ю. Д. Михайлюк
Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, г. Ивано-Франковск, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫБРОСОВ ПРОДУКТОВ СЖИГАНИЯ В АТМОСФЕРУ ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ
Рассмотрены основные загрязняющие вещества и их состав, которые чаще всего выбрасываются в атмосферу во время эксплуатации компрессорных станций магистральных газопроводов. Наибольшую опасность создают источники загрязнения атмосферы, связанные, в первую очередь, с процессами сжигания неорганического топлива. Установлено, что в камерах сгорания газоперекачивающих агрегатов газотурбинных двигателей образуются оксид и диоксид азота, оксид углерода и другие вещества, что загрязняют атмосферный воздух. Проведен анализ распространения выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Предложена схема траектории распространения выбросов продуктов сгорания в атмосфере. Разработаны математические зависимости загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха выбросами дымовых газов от источников технологического оборудования во время работы компрессорных станций. Установлены закономерности распространения выбросов в приземном слое атмосферы. Предложены расчетные зависимости, которые позволят оценить изменение дальности распространения вредных веществ в зависимости от скорости выкидных газов, высоты дымовой трубы, направления и скорости ветра и других параметров. Охарактеризованы закономерности расстояния, на которое распространяются продукты сгорания, которое пропорционально скорости ветра и функционально связано с массой и скоростью выбросов продуктов сгорания, высотой выкидной трубы, коэффициентами сопротивления среды.
Ключевые слова: компрессорная станция; окружающая среда; продукты сжигания природного газа; атмосферный воздух.
Yu. D. Mykhailiuk
Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, Ukrainе
LAWS OF DISTRIBUTION OF COMPRESSOR STATIONS EMISSIONS OF THE COMBUSTION PRODUCTS IN THE ATMOSPHERE
The authors have examined the development of scientific-technical methods and approaches to decreasing the detrimental effect of compressor stations emission into the atmospheric air. The current investigations of ecological safety level in the compressor stations location areas have been analysed. We have considered basic contaminants and their composition that are mostly thrown out in the atmosphere during exploitation of the compressor stations of main gas pipelines. The most danger is created by the sources of contamination atmospheres, constrained, first of all, with the processes of incineration of inorganic fuel. Oxide and dioxide of nitrogen, oxide of carbon and other, are defined to appear in combustion of gas compressor units of turbo-engines chambers, which contaminate atmospheric air. The analysis of distribution of extracts of contaminants in atmospheric air is conducted. The chart of trajectory of distribution of combustion products in the atmosphere is offered. Mathematical dependences of contamination of the ground layer of atmospheric air by flue gases emissions from the sources of technological equipment during the operation of the compressor stations are worked out. Conformities to the law of distribution of flue gases emissions in the ground layer of atmosphere are set. Calculation dependences, which will allow estimating the change of distance of distribution of harmful matters depending on speed of discharge gases, height of flue, direction and speed of wind and other parameters, are offered. The authors have described the regularities of the distance to which the combustion products are distributed, that is proportional to wind velocity and functionally related to mass and speed of flue gases emissions, in high discharge pipe, by the coefficients of resistance of environment. The obtained correlation has been applied at the study of discharged gases spreading considering the gases emission velocity, wind velocity and other characteristics.
Keywords: compressor station; environment; products of natural gas combustion; atmospheric air.
