Выброс опасных веществ (ОВ) в атмосферу является одним из самых серьезных сценариев, по которому может развиваться аварийная ситуация.
При выбросе ОВ в атмосферу может возникать целый спектр поражающих факторов:
— токсическое поражение;
— образование в воздухе топливно-воздушных смесей (ТВ С), обладающих способностью к энерговыделению в различных режимах;
— снижение концентрации кислорода в атмосфере до уровня опасного для жизни;
— генерация ударных волн при расширении выбрасываемых в атмосферу веществ;
— термическое поражение в случае распространения высокотемпературных (или наоборот низкотемпературных) продуктов;
— химический ожег.
Приведенный перечень включает лишь химические опасности и может быть дополнен при введение в рассмотрение иных типов опасности, например, биологических или радиационных.
В случае перечисленных выше химических опасностей линейные размеры зон поражения при выбросе ОВ могут достигать нескольких сотен и даже тысяч метров.
Среди аварий, произошедших на промышленных объектах к наибольшему количеству пострадавших приводили выбросы токсичных веществ. Авария, вызванная утечкой паров токсичного метилизоцианата в.
Бхопале (Индия) 3 декабря 1984 года, стала крупнейшей за всю историю мировой промышленности. В ней погибло около 3000 человек и пострадало около 200 000 человек [1].
Катастрофы подобного масштаба могут возникать и в результате природных катаклизмов. Например, при выбросе углекислого газа на озере Ниос (Камерун) в августе 1986 года погибло около 1800 человек и пострадало около 1000 человек. Облако газа распространилось на расстояние до 25 км. Причиной гибели стало снижение концентрации кислорода до опасного уровня.
Высокая опасность токсичных выбросов обусловлена тем, что поражающее действие многих веществ проявляется при низких концентрациях их паров, поэтому зоны поражения могут иметь большую протяженность, охватывать большие площади.
Помимо больших пространственных зон поражения, выбросы в атмосферу ОВ обладают еще одним достаточно высоким фактором опасности, а именно, временным. В начальный момент, сразу после поступления вещества в атмосферу они могут распространяться со скоростью до нескольких десятков метров в секунду, а затем, уже в атмосфере облако ОВ будет перемещаться со скоростью ветра, т. е. порядка нескольких метров в секунду. При этом в первые секунды после выброса протяженность зоны поражения может составить несколько десятков метров, а по истечению нескольких минут — до нескольких сотен метров. С точки зрения вероятности поражения, эта скорость достаточно велика. И при отсутствии сигналов, оповещающих об опасности, либо в условиях, когда действия человека, попавшего в зону поражения, не будут адекватно соответствовать возникшей опасности, такой скорости распространения вполне достаточно, чтобы не оставить ему никаких шансов на спасение.
Выше были приведены два примера самых тяжелых последствий при токсическом поражении и при асфексии. Сопоставимую угрозу представляют и выбросы пожаровзрывоопасных веществ. Облака пожаровзрывоопасных веществ могут дрейфовать на сотни метров, сохраняя при этом способность к воспламенению. Воспламенение дрейфующих облаков вблизи мест сосредоточения людей может привести к многочисленным жертвам. Размеры зон, охватываемых пламенем (или детонационной волной), распространяющимся в ТВС, могут составлять сотни метров. Памятен такой случай. В 1989 году на железной дороге под Уфой при аварии на продуктопроводе с широкой фракцией легких углеводородов (ШФЛУ) произошел взрыв облака ТВС. Место утечки находилось на расстоянии около 900 м от железной дороги. В результате аварии погибли и серьезно пострадали 1224 человека из 1284, оказавшихся в зоне поражения [2]. Это крупнейшая из всех катастроф, связанная с распространением в атмосфере пожаровзрывоопасного облака.
Понятно, что процессы, приводящие к быстрому поражению большого количества людей на больших площадях и за сравнительно небольшие промежутки времени должны изучаться. По понятным причинам экспериментальные исследования распространения ОВ в атмосфере затруднены. В связи с этим особую значимость приобретает математическое моделирование этого процесса и особенно его численное моделирование, как наиболее универсальный и достоверный способ получения информации.
Проблема моделирования распространения ОВ в атмосфере не только актуальна, но и весьма сложна. В ее рамках возникает целый комплекс вопросов, связанных с тем, каким образом можно смоделировать процесс распространения выброса ОВ. В настоящее время на часть этих вопросов получены разумные, достаточно полные ответы, относительно ответов на другие можно руководствоваться лишь некоторыми приблизительными соображениями. Некоторые вопросы не находят пока ответа. Собственно сложность моделирования связана со сложностью описания турбулентного движения атмосферного воздуха.
К настоящему времени сложились три основных подхода для количественного описания процесса рассеяния выброса в атмосфере:
— гауссовские модели рассеяния, называемые также дисперсионными моделями;
— модели рассеяния, базирующиеся на интегральных законах сохранения либо в облаке в целом (залповый выброс), либо в поперечном сечении облака (продолжительный выброс) — иногда такие модели называют моделями с сосредоточенными параметрами, одна из подгрупп этих моделей называется моделью рассеяния «тяжелого газа»;
— модели, построенные на численном решении системы уравнений сохранения (в их оригинальном виде) и именуемые часто как модели или методы прямого численного моделирования.
Гауссовские модели, построенные на распределении Гаусса, описывают пространственно-временное изменение концентрации газа. Для практической реализации гауссовских моделей в них вводятся эмпирические коэффициенты, описывающие атмосферную турбулентность. Гауссовские модели учитывают только два процесса, происходящие с выбросом в атмосфере, — перемещение в поле ветра и рассеяние за счет атмосферной турбулентности. Естественно, что приемлемую точность оценок эти модели дают для тех зон, где доминируют указанные процессы: либо на большом удалении от места выброса, либо во всем диапазоне расстояний, но при слабом выбросе. В России для решения практических задач в области промышленной безопасности, долгое время широко использовались именно простые гауссовские модели. Примеры таких моделей многократно описаны в литературе [3,4, 5].
Однако поведение реального выброса намного сложнее, чем это предполагается в гауссовских моделях. На начальной стадии распространения вещества существенную роль играют наведенные течения (струи разной конфигурации, расширяющиеся облака) и плотность выбрасываемого вещества. Последнее особенно важно, в связи с чем был даже введены специальные термины — «тяжелый газ» и «легкий газ».
Большинство газовых выбросов при промышленных авариях в начальный момент имеют большую плотность, чем воздух. Причины этому могут быть различные:
— высокая молярная масса, более 29,5 г/моль (молярная масса воздуха), при нормальных условиях к «тяжелым газам» относятся пропан, бутан, пары нефти, бензина, хлор, сероводород и т. д.;
— низкая температура (например, метан при нормальных условиях имеет плотность ниже плотности воздуха, а при температуре, равной температуре кипения, его плотность становится выше плотности воздуха, и тогда метан уже является «тяжелым газом», поэтому процесс рассеяния метана от пролива следует рассчитывать с учетом этого факта);
— наличие аэрозолей (например, аммиак и при нормальных условиях, и при температуре кипения — «легкий газ», соответственно при смешении с воздухом образующиеся смеси имеют плотность меньше, чем воздух, однако в случае капельных включений в смеси она становится «тяжелым газом»);
— протекание в выбросе химических реакций, которые приводят к образованию «тяжелого газа».
Выбросы «тяжелого газа», склонные к оседанию под действием силы тяжести, образуют невысокие, но протяженные облака (высота таких облаков составляет до нескольких метров, а поперечный размер до нескольких десятков и даже сотен метров). В результате площадь покрываемой облаком поверхности земли оказывается на порядок больше той площади, которая могла быть, если бы плотность облака не была больше плотности воздуха. Более того, при выбросах «тяжелого газа» имеет место такое явление, как распространение облака против ветра, которое также отсутствует, если газ не отличался по плотности от воздуха.
Облака «тяжелого газа» имеют большую поверхность обмена с атмосферой (поверхность, через которую происходит подмешивание воздуха в дрейфующий выброс). В результате, несмотря на то, что удельная скорость подмешивания воздуха уменьшается с увеличением плотности облака, общая масса воздуха, вовлекаемая в облако, существенно возрастает по сравнению с облаками нейтральной плавучести. А это означает, что действие силы тяжести в конечном итоге приводит к более быстрому рассеянию «тяжелого газа», чем выбросов нейтральной плавучести.
Необходимость учета указанных эффектов с целью существенного улучшения прогностических возможностей методического аппарата (на сотни и даже тысячи процентов) и стала главной причиной массового перехода от моделей гауссовского типа к моделям рассеяния «тяжелого газа»: попытки модифицировать гауссовские модели к условиям рассеяния «тяжелых газов» в целом не дали приемлемой точности [6−8].
Для описания поведения в атмосфере «тяжелого газа» были разработаны специальные модели — «модели рассеяния тяжелого газа». Эти модели созданы в рамках т.н. интегрального подхода. Первоначально этот подход был разработан для турбулентных струй [9,10,11]. Суть интегрального метода состоит в том, что для описания течения используются интегральные характеристики. Для струй в качестве таких характеристик выбираются потоки массы, импульса, энергии и т. д. через поперечное сечение. В рамках интегрального метода определяются именно эти характеристики, а более детальная структура течения определяется по ним с помощью априорно заданных профилей.
Согласно интегральному подходу в моделях «тяжелого газа», рассматриваются только интегральные характеристики облака: эффективная масса вещества в облаке, эффективная суммарная энергия в облаке и т. д. Изменение этих величин происходит за счет интегральных потоков массы, импульса и энергии в облако. Детальная же картина течения восстанавливается по полученным таким образом интегральным характеристикам. Математически модели тяжелого газа реализуются в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Решение таких уравнений осуществляется с использованием численных методов. Здесь следует отметить, что сегодня развитие вычислительной техники и доступность персональных компьютеров открывает широкую возможность использования моделей «тяжелого газа». С точки зрения пользователя расчеты по таким моделям выглядят «мгновенными», так что в определенном смысле их можно рассматривать как экспресс-модели.
Подробный обзор моделей «тяжелого газа» дан в [1,26]. Первая модель рассеяния «тяжелого газа» была предложена в 1974 г. ван Ульденом (van Ulden) [12]. В ней рассматривалась только одна интегральная характеристика — объем облака. Методика была предназначена для расчета только залпового выброса с однородным распределением и только в спокойной атмосфере.
Позднее эта модель неоднократно пересматривалась [13−18], однако ее ограниченность полностью преодолена не была.
Позднее был предложен еще ряд моделей: «Бритиш Газ» [19−22] (с постоянным профилем концентрации в облаке и постоянной скоростью перемещения облака), модели «Денз/Кранч» [23] (рассматриваются две интегральные характеристики объем и температура), «СЛЭБ» [24], «Хегадас/Хегабох» [25]. Последняя пара моделей нашла наибольшее распространение и фактически стала своеобразным «каноном» для моделей рассеяния «тяжелого газа». В ней рассматриваются облака-шлейфы от проливов с переменной концентрацией по объему и залповые выбросы с постоянной концентрацией по объему.
На сегодня существует и ряд компьютерных реализаций моделей рассеяния «тяжелого газа»: методика Всемирного банка [27], свод методик HGSYSTEM [28], методики, созданные при поддержке ведущих зарубежных исследовательских организаций TNO — The Netherlands Organization of Applied Scientific Research (Нидерланды) [29], Det Norske Veritas (DNV Technica) (Норвегия) [30].
В нашей стране значительный опыт в разработке моделей рассеяния, в т. ч. в приложении к «тяжелым газам», имеется в «НТЦ «Промышленная безопасность» [31−40]. Результаты этих работ нашли широкое приложение при анализе риска на целом ряде объектов [41−49], а также в ряде нормативных документов — «ТОКСИ 2» [50], «ТОКСИ 3» [53], «Правилах безопасности для наземных складов аммиака» [51] - и программном комплексе «ТОКСИ+"[52,53].
Помимо этого в России имелся единичный опыт разработок подобного рода — ГОСТ Р 12.3.047−98 [54]. В ГОСТ Р 12.3.047−98 дается методика расчета залповых выбросов на основе модели «тяжелого газа» в приложении к сжиженным углеводородным газам. К сожалению, конспективность изложения и ряд грубых опечаток делают фактически невозможным ее использование на практике. Для продолжительного выброса в [54] модель «тяжелого газа» вообще не используется.
Таким образом, можно констатировать, что в России за исключением упомянутых работ практически отсутствовали пригодные к практическому применению достоверные методики для моделирования распространения аварийных выбросов при промышленных авариях.
Следует отметить, что количество разработок подобного рода (моделей «тяжелого газа») в мире сравнительно невелико и если оценивать их в целом, то можно отметить определенные недостатки: недостаточная верификация используемых в моделях коэффициентови, в некоторых случаях, недостаточная доведенность моделей до логической законченности. Например, для моделирования залповых выбросов практически все модели используют подход, при котором облако рассматривается однородным по всему объему с постоянной концентрацией.
Кроме того, в уже упомянутых работах [12−30] отсутствуют унифицированные модели развития аварийных ситуаций, привязанные к конкретному типу оборудования, а вместо этого рассматриваются отдельные физические процессы.
В связи с вышесказанным понятна необходимость с одной стороны разработки достоверных физических моделей распространения выброса в атмосфере, а с другой стороны, разработка типовых моделей развития аварийных ситуаций максимально отражающих все стадии ее развития. Это является одной из целей данной работы.
Как и любые модели, модель рассеяния «тяжелого газа» обладает рядом ограничений. Прежде всего, это связано с необходимостью учета пространственных факторов, в частности, особенностей рельефа местности и наличия застройки. В наибольшей степени учесть эти факторы позволяют модели, основанные на численном решении полной системы уравнений газодинамики. Это сложный, но наиболее перспективный подход. В настоящее время он реализован в нескольких программных продуктах, например, в вычислительных комплексах PHOENIX [55], AutoReaGas [56], в компьютерных программах, разработанных во ВНИИГАЗ [57,69], в «НТЦ «Промышленная безопасность» [70,71], в кодах «Сигмет» [58] и «ФЕМЗ» [59]. Однако не всегда, такие модели учитывают как реальные свойства атмосферы, так и сложные особенности наведенных газодинамических потоков. В частности, [57], [69] не позволяют рассматривать многофазные потоки, [55], [57] и [69] не учитывают особенности развития турбулентности в областях с сильными градиентами, в [56] не учитывается реальные характеристики атмосферы.
Таким образом, можно считать, что к настоящему времени, с одной стороны, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане достигнут определенный прогресс в исследовании процессов распространения выбросов OB в атмосфере. С другой стороны имеющиеся методики не всегда достаточно достоверны, и не всегда верифицированы по надежным экспериментальным данным. Возможно именно этим обусловлен и тот факт, что в отечественных нормативно-методологических документах долгие годы отсутствовали пригодные к практическому применению методики расчета последствий при рассеянии в атмосфере аварийных выбросов.
В связи с этим безусловно представляет интерес разработка моделей и методик расчета распространения OB в атмосфере. Причем ценность этих методик должна определятся, как достоверностью собственно моделей рассеяния, так и степенью их гибкости в применении к конкретным практическим ситуациям. Т. е. необходимы универсальные модели развития аварийных ситуаций, интегрированные с моделями распространения ОВ в атмосфере.
Целью настоящей работы являлось разработка математической модели развития аварийной ситуации и моделей для моделирования процессов распространения и рассеяния ОВ в атмосфере с учетом как реальных свойств выброса (негативная плавучесть, наведенные течения на месте аварии), так и реальных свойств атмосферы. Также исследованы следующие проблемы:
1) развитие и последствия аварийных ситуаций при взрывных превращениях топливно-воздушных смесей в протяженных тоннеля;
2) изучение влияния геометрии и формы оболочки гетерогенного заряда на характеристики взрывных волн, определение наиболее опасного сценария взрыва гетерогенного заряда;
В соответствии с перечисленными целями и задачами исследования на защиту выносятся следующие положения:
1. Математическая модель, описывающая развитие аварийной ситуации с учетом возможного состояния вещества в оборудовании и вариантов его разрушения для основных типов и конфигураций оборудования.
2. Интегральная модель рассеяния залповых и продолжительных выбросов «тяжелого газа» с учетом переменной по пространству концентрацией ОВ и наличием аэрозольных включений.
3. Универсальная модель распространения и рассеяния выброса ОВ в атмосфере с учетом атмосферной и наведенной турбулентности, многофазности потока, фазовых переходов вещества. Универсальная модель включает в качестве составляющих частей модифицированную к-£ модель турбулентности (модификация касается учета влияния на турбулентность соотношения скорости ее генерации и диссипации) и модель фазовых переходов лимитируемых давлением и температурой в газовой фазе.
4. Методологический подход к анализу развития и последствий аварийных ситуаций при взрыве TBC в тоннеле.
5. Результаты исследования последствий аварийных ситуаций в тоннелях при взрыве в них TBC.
6. Методологический подход к анализу развития и последствий аварийных ситуаций при разрушении баллона с хлором на закрытом складе.
7. Результаты исследования последствий аварийных ситуаций на закрытых складах хлора.
Использованный в работе подход — численное моделированиепозволяет получить полное представление о пространственно-временной картине развития аварии, что, в свою очередь, позволяет лучше осмыслить и понять наблюдаемые процессы, выявить основные закономерности. Особое значение расчетов проявляется в моделировании крупномасштабных аварий, аварий протекающих в различных условиях.
Таким образом, практическая ценность работы заключается в первую очередь в разработке моделей, способных предсказывать последствия широкого класса аварийных ситуаций. А также в разработке методологий более узкого, направленного их применения.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе предложены модели, описывающие распространение выброса в воздушной среде, проведена их верификация, теоретически (численно) исследованы последствия аварийных ситуаций при взрыве облака ТВС в тоннеле и при выбросе хлора в замкнутом помещении. На основании полученных результатов можно сделать следующее заключение.
1. Для основных типов и конфигураций оборудования, с учетом состояния вещества в оборудовании и вариантов его разрушения предложены сценарии аварийных ситуаций. Разработана унифицированная схема развития аварийной ситуации (для открытых площадок). Предложена модель, описывающая поступление ОВ в окружающую среду. В модели рассматривается несколько стадий аварии, выделенных с учетом разницы в физических процессах, происходящих на различных временных этапах аварии. Это позволяет отслеживать изменение скорости поступления ОВ в окружающую среду и, в частности, в атмосферу.
2. Предложена универсальная модель распространения и рассеяния в атмосфере неравновесной двухфазной среды («жидкие капли-газ»). При этом учитывается как наведенная в ходе выброса, так и изначально присущая атмосфере турбулентность. В разработанном подходе используется существенно измененная к-е модель турбулентности. Сделанная модификация позволяет более точно описать турбулентность в течениях с большими градиентами, поскольку предполагает учет влияния на турбулентность соотношения скоростей ее генерации и диссипации. Для описания кипения/испарения капель жидкости предложен подход, в котором лимитирующими эти процессы факторами являются давление насыщения и температура кипения. Такой подход позволяет учесть развитие во времени фазового перехода, что позволяет значительно точнее предсказывать последствия парообразования.
3. Предложена интегральная модель рассеяния тяжелого газа с учетом переменной по пространству концентрацией ОВ как в первичном, так и во вторичном облаках. Модель позволяет рассматривать всю последовательность облаков, соответствующих различным стадиям аварии.
4. Предложен методологический подход к анализу последствий взрывных превращений в тоннеле. Он состоит в рассмотрении двух стадий аварии: распространение взрывного превращения в тоннеле и выброс продуктов из тоннеля. Для первой стадии процесса на основе автомодельного решения задачи о распространении детонационной волны получены аналитические зависимости для задания силовых, скоростных и тепловых нагрузок на стенки тоннеля. Эти зависимости можно использовать для определения картины возможных разрушений самого тоннеля и оценки масштабов возможных обрушений и завалов в нем, а также для решения задачи об истечении продуктов детонации из тоннеля. Для оценки последствий взрывных процессов в тоннеле с точки зрения генерируемых в этом случае ударных волн предложен подход на основе решения уравнений Рейнольдса, а не Эйлера, обычно используемая при моделировании ударных волн. Показано, что зоны поражения ударной волной при авариях в тоннелях определяются не только и не столько количеством топлива, участвовавшим в том или ином взрывном превращении. Эти зоны заметно меньше, чем зоны поражения при сгорании (взрыве) того же количества топлива на открытом пространстве и имеют форму сектора, а не круга. Также показано, что в случае, когда быстро выделившаяся при взрыве энергия передается в окружающую среду длительное время, существенную роль может играть генерируемая в атмосфере турбулентность. Показано, что при оценке последствий взрывов в тоннелях может возникнуть необходимость оценки зон поражения не только от ударной волны, но и от других поражающих факторов, в первую очередь от распространения горячих продуктов взрыва. В решенной задаче о взрыве в тоннеле зона поражения человека ударной волной оказалась меньше, чем зона распространения горячих продуктов.
5. Предложен методологический подход для анализа опасности типового объекта склада хлора. В подходе учитываются особенности распространения выброса хлора в помещении. Также учитывается наличие аварийной вентиляции, фильтрации наружу через неплотности помещение, наличие водяных завес и нахождение людей в помещении. Показано, что волны давления, образующиеся при разрыве одного однотонного контейнера со сжиженным хлором в помещении объемом 2000 м³ не способны вызвать разрушение здания. Повышение давления в такой волне не превосходит 5 кПа. Показано, что при сохранении целостности здания склада и своевременном включение аварийной вентиляции с нейтрализацией хлора зона смертельного поражения сокращается до 50 м, а порогового воздействия до 240 мпри выбросе на открытом пространстве зона смертельного поражения составляет 290 м, а порогового 830 маналогичные зоны поражения наблюдаются и при выбросе в помещении при отключенной вентиляции. В случае если люди укрываются в помещении зона порогового воздействия поражения составит 50 м.
Результаты выполненных расчетов и их качественное и количественное согласие с имеющимися экспериментальными данными позволяют сделать общий вывод о том, что предложенные модели способны адекватно описывать распространение выброса в атмосфере, а разработанные на их основе методики «Токси-2» [5], «Токси 3» [60], «Правила для наземных складов аммиака"[51] и программный комплекс «ТОКСИ +» могут быть рекомендованы для использования в расчетах различных задач промышленной безопасности и экологии.
