Моделювання процесів, що супроводжують аварійнй розливи, витіки та викиди

Розрахунки забруднення атмосферного повітря, що супроводжують аварійні розливи, витіки та викиди низькотемпературних екологічно небезпечних, токсичних, вибухо- і пожежонебезпечних речовин та матеріалів

 

Базуючись на результатах багатолітніх досліджень процесів пов’язаних з аварійними розливами, витоками та викидами низькотемпературних екологічно небезпечних, токсичних, вибухо- і пожежонебезпечних речовин та матеріалів (аміак, хлор, метан, бутан, зріджений природний газ, нітрил акрилової кислоти і т.п.) було розроблено універсальну автоматизовану методику моделювання процесів і розрахунків полей концентрацій шкідливих і небезпечних домішок в атмосферному повітрі внаслідок аварій, катастроф і аварійних ситуацій.

Запропонована методика базується на результатах аналізу процесів пов’язаних з аварійними розливами, витоками та викидами низькотемпературних екологічно небезпечних, токсичних, вибухо- і пожежонебезпечних речовин та матеріалів (теплообмін з грунтом, атмосферним повітрям, масообмін, кипіння й випаровування, дифузійний та турбулентний процес переносу небезпечних домішок в атмосферному повітрі, виникнення та еволюція аерозольних систем і т.п.). Необхідно враховувати такі параметри, що впливають на процеси:

- умови зберігання або транспортування речовини;

- характер аварійного руйнування або пошкодження;

- кілкість речовини, що зберігається (транспортується);

- характеристики вітру (його швидкість, напрям, зміни цих характеристик у часі), температура, сонячна радіація та інші метеорологічні умови;

- властивості речовини або матеріалів, які розливаються;

- характеристики грунту (його природа, фізико-хімічні та теплофізичні властивості);

- наявність чи відсутність обвалування;

- рельєф місцевості;

- вплив забудови, рослинності;

- виникнення та еволюція аерозольних систем (виникнення та деформація первинної аерозольної хмари, її переміщення під впливом вітру, її розсіювання);

- вплив водних об’єктів на розповсюдження шкідливої домішки в атмосферному повітрі.

 

Методика застосовується для вивчення наслідків аварій і катастроф великотоннажних низькотемпературних сховищ зріджених речовин і матеріалів, таків морських суден, залізничних цистерн, а також для вивичення процессів, які спостерігаються при аваріях та аварійних ситуаціях сховищ, сосудів і трубопроводів, які працюють під тиском при температурах, близьких до температури навколишнього середовища (магістрального аміакопроводу, систем транспортування стиснутого природного газу).

Використання методики дозволяє будувати мапи полів концентрації шкідливих домішок та їх зміну під дією указаних факторів, дозволяє у реальному режимі часу розробляти заходи захисту персоналу об’єкту і населення, визначати тривалість ситуації тощо.

На цій основі можлива розробка рекомендацій дій підрозділів цивільної оборони, рятівних загонів, газорятівників, медичних та санітарних служб.

При реалізації моделі доцільно приймати деякі припущення. Для ізотермічних сховищ це:

- підстилаюча поверхня є однорідною, напівбезкінченним тілом з плоскою межею (підстилаючи поверхня – низькотемпературна розлита рідина);

- поверхня поділу «рідина – атмосферне повітря» - плеската, хвилювання немає;

- фізико-хімічні та теплофізичні властивості атмосферного повітря та низькотемпературної розлитої рідини – незмінні та відповідають для повітря – температурі повітря, а для рідини – температурі кипіння при атмосферному тиску;

- метеорологічні параметри незмінні.

 

Базовим співвідношенням є рівняння енергетичного балансу, яке має вигляд:

τ τ

jF(і' - і'')dτ +Мо(і' - і''_о)= ∫ (q₁ + q₂ + q₃) F dτ, ()

о о

де М – первісна маса рідини на підстильній поверхні;

F - площа поверхні випарування розлитої рідини та її контакту з підстильної поверхні;

j – питомий потік маси, що випаровується з поверхні розлитої рідини;

і', і''- ентальпії насичених рідини і пари відповідно;

q₁, q₂, q₃ - густини теплових потоків до низькотемпературної розлитої рідини від грунту, від повітря та сонячний радіаційний тепловий потік відповідно.

При розливі великих кількостей низькотемпературної рідини (а також при викидах кількостей речовини з ємностей, що працюють під великим тиском) у зв’язку з інтенсивним випаровуванням у первісний період дуже імовірне виникнення аерозольних хмар. Вивчення розповсюдження аерозольної хмари може здійснюватись за допомогою співвідношення Бернуллі. Початковий розмір (радіус) хмари R пропорційний потужності викиду (розливу):

____

R_о =0.284 3√ χ Ω, (

 

де Ω – потужність викиду (розливу);

χ – частка викиду, що переходить до аерозольної системи.

 

Змінення радіусу хмари можна визначити за допомогою співвідношення: _________________________

/ ______________

R = √ 2с√ (g(p_t-p_о)/π ρ _с) · V_оτ + R_о²_,

де с – стала (кращі результати дає значення 1, 15 ± 0, 05);

p_о – густина атмосферного повітря;

V_о – об’єм початкового циліндра;

g – прискорення вільного падіння.

Тривалість життя аерозольної хмари (тобто термін часу між появою хмари та її розсіюванням під впливом вітру) може бути знайдений з використанням рівняння Джіффорда:

 

dR/dτ = Gu,

 

де G = 0, 2, а u – швидкість вітру.

Розрахунки концентрацій усереднені хмари здійснюються за допомогою співвідношення:

 

χ Ω ехр{-2, 29[(х-х _τ )/ R(τ) ]²-2, 29[ y/R(τ) ]² - 2, 29 [z/ b(τ) ]}

С = -----------------------------------------------------------------------,

0, 1443π ^3/2 R(τ)² b(τ)

де R(τ), b(τ)- радіус і товщина хмари у залежності від часу τ відповідно.

Товщина хмари переважно незначно залежить від умов (від часу).

Розрахунки концентрацій шкідливої домішки на різних відстанях від джерела аварійного забруднення мають бути виконані шляхом чисельного рішення диференційного рівняння турбулентної дифузії з урахуванням належної динаміки потужності джерела аварійного забруднення (тобто залежності потужності джерела аварійного забруднення (тобто залежності потужності цього джерела від часу). При цьому мають бути використані дані про особливості руйнування сховища, ємності або трубопроводу (глобальне, катастрофічне руйнування; вибух; розлив; дроселювання через незначні дефекти та ін.), конкретні умови викиду (розливу), інформація про потужність розливу (викиду) та її залежність від часу, а також результати аналізу супроводжуючих процесів з використанням законів та співвідношень термодинаміки, термодинамічнимх діаграм і таблиць, а також принципів і критеріїв тепло- і масообміну.

За результатами розрахунків можна зробити висноки:

- у випадку великих аварійних розливів з ізотермічних сховищ в процесі переходу до режиму стаціонарного випаровування змінюються відносна частка теплових потоків до низькотемпературної рідини (спочатку перевагу має тепловий потік з грунту, потім – провідну роль відіграють теплові потоки з повітря та (при сонячній погоді) радіаційний потік;

- Відсутність прямої сонячної радіації суттєво зменшує потужність випаровування небезпечної рідини (особливо у переходному та стаціонарному етапах випаровування);

- Динаміка випаровування низькотемпературної рідини (тобто залежність від часу) має характерну залежність подібну за формою до залежності сумарного теплового потоку до низькотемпературної рідини;

- Концентрація шкідливої домішки у середині хмари значно вища, ніж за її межами (різниця може складати сотні разів);

- Тривалість життя аерозольних хмар, що виникли внаслідок середніх та великих аварійних розливів (викидів) низькотемпературних рідин, переважно складає до 10-15 хвилин і залежить, у першу чергу, від потужності розливу (викиду) та швидкості вітру;

- При інших умовах зона великих концентрацій (зона ураження) залежить, в першу чергу, від потужності аварійного розливу (викиду), швидкості вітру, ступеню стійкості атмосфери (параметр Паскуіла), а також від наявності (чи відсутності) обвалування;

- Внаслідок загального характеру залежності потужності аварійного джерела забруднення від часу у випадку великих розливів низькотемпературних рідин (великий початковий сплеск потужності, поступове зменшення, значно менша потужність у стаціонарний період) можливий «відрив» зони великих концентрацій і значне просунення її у просторі під впливом вітру. Цей ефект спроможний призвести до ураження на великих відстанях, а також до вибухів і пожеж у відкритому просторі (у разі наявності джерел вогню);

- Внаслідок загального характеру залежності потужності аварійного джерела забруднення від часу можливе тривале існування озер низькотемпературної небезпечної рідини після аварії (протягом кількох діб і, навіть, кількох тижнів);

- У зв’язку з відводом теплоти при випаровуванні низькотемпературної рідини спостерігається подальше поступове зниження температури в залежності від умов, може досягти -55º - -58 º С при температурі кипіння при атмосферному тиску – 33, 4 º С;

- Найбільш несприятливими умовами з точки зору локального ураження поблизу розташування підприємства (об’єкту) є вітер малої швидкості та інверсійний розподіл температури атмосфери (великі значення параметру Паскуіла) а також відсутність обвалування.