Исследование устойчивости функционирования промышленного объекта в ЧС

3.2. Прогнозирование  параметров заражения и поражения  при аварии на химически опасном  объекте

При аварии (разрушении) хранилища с АХОВ давление в нем падает до атмосферного, в результате этого вещество вскипает, преобразуется в газ (пар, аэрозоль) и выделяется в атмосферу. Облако газа (пара, аэрозоля), возникшее в момент разрушения емкости в пределах первых трех минут, называется первичным облаком зараженного воздуха. Оно распространяется на большие расстояния. Оставшаяся часть вредных и опасных веществ, особенно жидкости с температурой кипения выше 20 ^ОС, растекаются, постепенно испаряются и создают вторичное облако зараженного воздуха, которое распространяется на значительно меньшей площади (расстоянии), чем первичное. Возникает зона заражения, т.е. территория, пораженная АХОВ, в концентрациях опасных для жизни людей.

Глубина и форма зоны распространения  зараженного воздуха зависят от концентрации АХОВ, скорости приземного ветра, температуры воздуха, вертикальных его перемещений (степень вертикальной устойчивости), давления воздуха, рельефа местно сти, наличия или отсутствия растительности и водоемов, плотности застройки и пр.

Перемещение, перемешивание и рассеяние  веществ в атмосфере происходит посредством естественных сил: термических  – за счет разности температуры (массы) отдельных слоев воздуха и  динамических – за счет силы ветра. Одним из основных источников тепла, вызывающих движение воздушных масс, является инсоляция, облучение поверхности земли лучистой энергией Солнца (солнечная радиация). Источниками тепла, вызывающими образование самостоятельных восходящих воздушных потоков, могут быть неравномерная инсоляция (вследствие наличия возвышенностей и впадин, суши и водоемов), естественные и искусственные окислительные процессы, заводы, искусственные водоемы и др. Термические силы являются источником самостоятельных воздушных потоков, а также мощным турбулизатором атмосферы. Турбулизация последней способствует рассеянию веществ и снижению их концентрации.

Динамические силы характеризуются  направлением и величиной. Азимут и  скорость ветра изменяются не только в течение года, сезона, суток, но и в течение очень коротких промежутков времени, вследствие образования вихрей. Скорость ветра имеет ярко выраженный годовой и суточный ход.

Годовой ход скорости ветра на большей  части Европейской территории РФ имеет минимум летом, а максимум – зимой, в Восточной Сибири (Якутск, Верхоянск) – наоборот. Суточный ход скорости ветра имеет максимум в послеполуденные часы, а минимум – ночью.

На территории РФ преобладают ветры  западного и смежного с ним  направлений. Среднегодовые скорости ветра составляют 3 4 м / с.

Силы ветра почти постоянно участвует в естественном рассеянии веществ, т.к. количество штилевых дней для территории РФ составляет в среднем до 20 % времени года, при 2-8 штилевых днях в месяц.

При большой скорости ветра динамические силы имеют господствующее значение. В штилевую погоду воздухообмен и перемешивание веществ целиком зависит от термических условий.

Совместное действие термических  и динамических сил создают самые  различные условия естественного  перемещения, перемешивания и снижения содержания веществ в атмосфере

Наиболее благоприятные условия имеют место при неустойчивом состоянии атмосферы и наличия ветра. Воздухообмен практически отсутствует при инверсионном распределении температур и отсутствии ветра.

Своеобразен процесс рассеяния  и выноса веществ из глубоких выемок. Изменение скорости воздушных потоков в любой точке выемки прямо пропорционально скорости ветра, но имеет меньшие абсолютные значения и амплитуду отклонения от среднего значения скорости воздуха в данной точке выемки. Абсолютные скорости воздушных потоков у дна выемки не превышают половины скорости ветра на поверхности и с увеличением глубины выемки снижаются. Направление движения воздушного потока в выемке может совпадать, а может быть противоположным направлению ветра на поверхности земли.

Различают три  степени вертикальной устойчивости воздуха: конвекция, инверсия, изотермия.

Конвекция –  перенос тепла движущейся средой, состояние атмосферы, при котором  верхние слои воздуха имеют плотность  большую, чем нижние, а температуру  – наоборот.

Конвекция –  нормальное состояние атмосферы. Она обычно возникает через два часа после восхода солнца и разрушается, примерно, за один-два часа до его захода, т.е. наблюдается днем, а также – летом. Зимой количество дней, характеризующихся конвекцией, меньше, чем летом. Перемещению и рассеянию вредных веществ способствуют силы гравитации. Вследствие их действия происходит перемешивание воздуха, способствующее рассеянию вредных веществ.

Инверсия – возрастание температуры  в атмосфере с увеличением  расстояния от поверхности земли (вместо обычного естественного убывания), состояние атмосферы, при котором верхние слои воздуха имеют плотность меньшую, чем нижние.

Инверсия возникает в течение  всего года, при отрицательном  значении вертикального градиента  температуры воздуха в вечернее время, примерно, за час до захода Солнца и разрушается в течение часа после его восхода, т.е. наблюдается ночью, а также – зимой. Летом количество дней, характеризующихся инверсией, меньше, чем зимой. Перемещение воздуха затруднено. Создаются условия препятствующие рассеянию вредных веществ, сохранению их высокой концентрации.

Изотермия –  характеризуется относительным  постоянством температуры и плотности  воздуха в верхних и нижних слоях (до 50 м от поверхности земли). Условия для рассеяния вредных  веществ – промежуточные между конвекцией и инверсией. Изотермия наблюдается в пасмурную погоду и как переходное состояние от инверсии к конвекции (утром) и наоборот (вечером), а также весной и осенью.

Увеличение скорости ветра до 6-7 м/с способствует быстрому рассеянию зараженного воздуха. Повышение температуры почвы и воздуха ускоряет испарение вредного вещества и увеличивает его концентрацию над зараженной территорией. Степень вертикальной устойчивости воздуха: конвекция – способствует рассеиванию зараженного облака, снижает концентрацию вредных веществ; инверсия – вызывает застой зараженного воздуха, не благоприятствует уменьшению содержания вредных веществ; изотермия – занимает промежуточное положение.

Масштабы заражения АХОВ в зависимости  от их физических свойств, агрегатного состояния, метеорологических условий рассчитывается по первичному и вторичному облаку:

• для сжиженных газов – отдельно по первичному и вторичному облаку;
• для сжатых газов – только по первичному облаку;
• для жидкостей, имеющих температуру кипения выше температуры окружающей среды – только по вторичному облаку.

При заблаговременном прогнозировании  масштабов заражения АХОВ принимаются:

• величина выброса – объем единичной емкости;
• степень вертикальной устойчивости воздуха – инверсия;
• скорость приземного ветра (на высоте до 50 м от поверхности земли) – 1 м/с.

Для прогнозирования масштабов  заражения АХОВ при аварии используются конкретные данные о количестве выброшенного вещества и реальные метеорологические  условия.

В нашем случае рассматриваются  сжатые газы, т.е. расчет выполняется только по первичному облаку. В соответствии с индивидуальными исходными данными (табл. 1) методику прогнозирования параметров зоны заражения АХОВ, их поражающее действие, влияние на производственную деятельность промышленного объекта, способы и средства защиты персонала и населения, возможные потери людей рассмотрим на конкретном примере.

Согласно «Методики прогнозирования  масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте (РД 52.04.253-90)», на основании расчетов и обобщения определяются:

1. Величина выброса АХОВ (сероводород).

2. Степень вертикальной устойчивости  воздуха.

3. Эквивалентное количество АХОВ  по первичному облаку.

4. Глубина зоны возможного заражения.

5. Угловые размеры зоны возможного  заражения.

6. Площадь зоны возможного заражения.

7. Площадь зоны фактического  заражения.

8. Глубина переноса воздушных  масс.

9. Время подхода зараженного  облака к объекту.

10. Установление режима химической защиты.

11. Время пребывания людей в  средствах защиты.

12. Стойкость АХОВ на местности.

13. Возможные потери производственного  персонала в простейших укрытиях, зданиях и сооружениях, на открытой  местности.

1. В соответствии с емкостью хранилища, плотностью АХОВ и давлением газа в резервуаре находится количество выброшенного вещества

Q = к × r × V, т                                                                                                                    (7)

где к – давление газа в резервуаре, к = 1,5 атм;

       ρ – плотность АХОВ (сероводород) при атмосферном давлении, р = 0,002 т / м³;

       V – емкость резервуара, V = 1000 м³.

Q = 1,5×0,002·1000 = 3 т.

2. По времени суток (ночь), прогнозу погоды (переменная облачность) и скорости движения ветра (2 м / с) устанавливается степень вертикальной устойчивости воздуха (инверсия).

3. В зависимости от количества выброшенного АХОВ, его свойств, состояния погоды находится эквивалентная масса вещества по первичному облаку

          Q _Э1 = Q × к₁ × к₃ × к₅ × к₇, т                                                                                                (8)

где к ₁ – коэффициент, зависящий от условий хранения

              АХОВ, для сжатых газов к ₁ = 1;

      к ₃ – коэффициент, равный отношению пороговой токсо-

              дозы хлора к пороговой токсодозе  другого АХОВ

              (фосгена), к ₃ = 0,036;

      к ₅ – коэффициент, учитывающий степень вертикальной

              устойчивости воздуха: для инверсии  к ₅ = 1; для изо-

              термии к ₅ = 0,23; для конвекции к ₅ = 0,08;

      к ₇ – коэффициент, учитывающий влияние температуры

              воздуха, для сжатых газов к ₇ = 1.

Q_Э1 = 3×1×0,36× 1×1≈ 0, 108 т

По степени  вредности фосген соответствует  хлору, а фтор является в три раза более вредным, чем хлор.

4. Глубина зоны возможного заражения находится методом интерполяции в зависимости от эквивалентного количества выброшенного вещества и скорости движения приземного ветра

            Г ₁ = Г ¢₁ + (Г ²₁ – Г ¢₁) × (Q_Э1 – Q ¢_Э1) / (Q ²_Э1 – Q ¢_Э1), км или                                    (9)

   Г₁ = Г ²₁ – (Г ²₁ – Г ¢₁) × (Q²_Э1 – Q_Э1) / (Q ²_Э1” – Q ¢_Э1’), км,

где Г ¢₁, Г ²₁ – глубина зоны возможного заражения по первичному облаку для табличного эквивалентного количества вещества соответственно ближайшего меньшего и ближайшего большего, чем  фактическое эквивалентное количество вещества, км;

Q ¢_Э1, Q ²_Э1 – эквивалентное количество вещества табличное соответственно ближайшее меньшее и ближайшее большее, чем фактическое, т.

Определим глубину  зоны возможного заражения (скорость ветра 2 м/с, количество АХОВ 0,108 т)

Г₁ = 0,84 + (1,92 – 0,84) × (0,108 – 0,1) / (0,5–0,1) ≈ 0,9 км или

                                       Г₁ = 1,92 - (1,92 – 0,84) ×·(0,5 – 0,108) / (0,5-0,1) ≈ 0,9 км.

Глубина зоны возможного заражения уменьшается в населенных пунктах со сплошной застройкой, в лесу, примерно, в 3,5 раза.

5. Угловые размеры зоны возможного заражения зависят от скорости движения воздуха. Зона возможного заражения облаком АХОВ на картах (схемах) ограничена окружностью, полуокружностью, сектором, имеющими угловые размеры соответственно 360, 180, 90, 45⁰ и радиус, равный глубине зоны заражения. Центр окружности, полуокружности, сектора совпадает с источником заражения.

В нашем  случае зона возможного заражения имеет вид сектора, с углом при вершине 90⁰.

6. Площадь зоны возможного заражения первичным (вторичным) облаком АХОВ определяется по формуле

   S _В = 10^-3∙× 8,72 ×∙Г₁²∙× j, км ²,                                                                                        (10)

где j – угловые размеры зоны возможного заражения,     j =45⁰

                         S _В = 10^-3∙× 8,72 ×∙0,9 ²∙× 45 ≈ 0, 317 км ².

7. Зона фактического заражения, имеющая форму эллипса, включается в зону возможного заражения. Ввиду вероятного перемещения облака АХОВ при изменении направления ветра, фиксированное изображение зоны фактического заражения на карты (схемы) не наносится.

Площадь зоны фактического заражения рассчитывается по формуле

S _Ф = n∙× Г₁ ²∙× t ₁ ^0,2, км ²,                                                                                                  (11)