Расчеты при авариях на химически опасном объекте

Защита в чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона

План занятия

Тема 3. Аварии на химически опасных объектах (занятия 3.1, 3.2 3.3)

Занятие 3.2. Прогнозирование обстановки при авариях на ХОО

Время - 2 учебных часа.

Метод проведения занятия -семинар.

Учебная цель - Ознакомить студентов с методикой расчета параметров, характеризующих химическую обстановку на местности после аварии на ХОО.

Учебные вопросы:

Основные положения методического подхода к расчету параметров зон заражения 15 мин

Степени вертикальной устойчивости воздуха и другие исходные данные для расчетов 10мин

Методика расчета эквивалентных количеств вещества........................................................ 20 мин

Методика расчета глубин зон заражения............................................................................... 15 мин

Методика расчета площадей зон заражения.......................................................................... 15 мин

Методика прогноза обстановки при разрушении ХОО...................................................... 15 мин

И Т О Г О:.................................... 90 мин

Литература для студентов:

1. “Защита в ЧС и ГО”, материалы курса под ред. Л.Титоренко, МГТУ им. Н.Э.Баумана, http: //www1.engineer.bmstu.ru/, 2006 г.

2. Основы защиты населения и территорий в чрезвычайных ситуациях. - издательство Московского государственного университета. 1998.

3. Чумаченко Г.В. “Ликвидация последствий производственных аварий, катастроф и стихийных бедствий и их предупреждение”, М.,.МАТИ, 1991 г.

4. Емельянов В.М. и др.”Защита населения и территорий в чрезвычайных ситуациях”: учебное пособие для высшей школы,, М., Академический Проект, 2003.

Литература для преподавателей:

1. “Гражданская защита”, пособие для преподавателей под ред. Л.Титоренко, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004 г.
2. С.Буланенков и др.”Защита населения и территорий от ЧС”, под ред. М.Фалеева.-Калуга: ГУП “Облиздат“, 2001 г.
3. Максимов М.Т. “Защита от СДЯВ”, Энергоатомиздат, 1992г.

4. Лекции по курсу “Защита в ЧС и ГО”, кафедра ЗЧС и ГО, МГТУ, 2009 г.

Конспект семинарского занятия

Прогнозирование обстановки при авариях на химически опасных объектах (занятие 3.2.)

Химическая обстановка и ее оценка

Общие положения

Под хи­ми­че­ской об­ста­но­вкой по­ни­ма­ют мас­шта­бы и сте­пень за­ра­же­ния от­рав­ля­ющи­ми ве­ще­ства­ми или АХОВ воз­ду­ха, мест­но­сти, во­до­емов, со­ору­же­ний, тех­ни­ки и т. п.

Оцен­ка хи­ми­че­ской об­ста­но­вки — это опре­де­ле­ние мас­шта­бов и ха­ра­к­те­ра за­ра­же­ния АХОВ окружающей среды, а также ана­лиз вли­яния АХОВ на де­яте­ль­ность объ­ек­тов и сил ГО и уста­но­вле­ние сте­пе­ни опас­но­сти для на­се­ле­ния.

Оцен­ка является прогнозом, который про­во­дит­ся

либо по факту произошедшей ЧС на основании реальных дан­ных хи­ми­че­ской раз­вед­ки и дру­гим на­блю­де­ни­ям,

либо для виртуальной ЧС с наихудшими условиями ее протекания.

При этом обычно под­ле­жат опре­де­ле­нию: глу­би­на зо­ны за­ра­же­ния; пло­щадь воз­мож­но­го за­ра­же­ния; площадь территории, над которой пройдет облако; вре­мя при­хо­да за­ра­жен­но­го об­ла­ка к опре­де­лен­но­му ру­бе­жу; про­до­лжи­те­ль­ность за­ра­же­ния.

Ис­хо­дны­ми дан­ны­ми при про­гно­зе хи­ми­че­ской об­ста­но­вки яв­ля­ют­ся:

— ме­тео­ро­ло­ги­че­ские усло­вия (сте­пень вер­ти­ка­ль­ной устой­чи­во­сти воз­ду­ха, ско­рость при­зем­но­го вет­ра и тем­пе­ра­ту­ра воз­ду­ха);

— виды, количество и спо­соб хра­не­ния АХОВ, в емкостях на объекте;

— характер разлива АХОВ (свободно на подстилающую поверхность или в поддон, обваловку);

- время, на которое делается прогноз.

При ава­рии про­гноз ве­де­т­ся ис­хо­дя из объ­ема наи­бо­ль­шей ем­ко­сти.

При раз­ру­ше­нии — по со­во­куп­но­му объ­ему всех ем­ко­стей с АХОВ на рассматриваемом ХОО. Про­гноз на раз­ру­ше­ние объ­ек­та ве­де­т­ся для сейс­мо­опас­ных рай­о­нов и для ЧС во­ен­но­го вре­ме­ни.

2) Агре­гат­ное со­сто­яние АХОВ. Ко­ли­че­ство АХОВ, вы­шед­шее при ЧС, опре­де­ля­ет­ся в зависимости от агрегатного состояния АХОВ по-разному:

- при хра­не­нии (транс­пор­ти­ро­вке) в га­зо­об­раз­ном со­сто­янии используется уравнение состояния газа, согласно которому количество вышедшего АХОВ равно[2]:

, т, (1)

где P - давление в резервуаре, r_г - плотность газа, V - объем резервуара, n – процентная концентрация АХОВ, если оно находится в смеси с другими газами;

- при хра­не­нии (транс­пор­ти­ро­вке) в жид­ком со­сто­янии:

m_о = с_зап ·V·r_ж, т, (2)

с_зап - коэффициент стандартного заполнения резервуара,

V - объем резервуара, r_ж – плотность жидкости.

1.4. Учет вли­яния усло­вий хра­не­ния, опре­де­ля­ющих ха­ра­к­тер раз­ли­ва

Для ограничения площадей разлива жидких АХОВ под про­мыш­лен­ны­ми ем­ко­стя­ми для хра­не­ния АХОВ со­ору­жа­ют­ся под­до­ны или об­ва­ло­вки. Вре­мя ис­па­ре­ния вы­лив­шей­ся в под­дон или об­ва­ло­вку жид­ко­сти опре­де­ля­ет­ся вы­со­той слоя жид­ко­сти в поддоне или обваловке.

1) При стандартно залитом резервуаре высоту слоя жидкости в поддоне или обваловке принимают равной

h = H — 0, 2, м (3)

где Н — вы­со­та под­до­на или об­ва­ло­вки, м, h - высота слоя испарения, м.

Зазор в 0, 2 м предусмотрен ГОСТом.

2) В случае общей обваловки для нескольких резервуаров при виртуальной аварии высота слоя жидкости вычисляется по формуле

, м (4)

где m_oi — масса АХОВ в каждом резервуаре, т.

3) При сво­бо­дном раз­ли­ве АХОВ на под­сти­ла­ющую по­вер­хность (зем­ля, бе­тон, ас­фальт и т.п.) вы­со­та слоя жид­ко­сти при­ни­ма­ет­ся рав­ной h = 0, 05 м.

Расчеты при авариях на химически опасном объекте

2.1. Основ­ные по­ло­же­ния ме­то­ди­че­ско­го под­хо­да к рас­че­ту

В основу методики расчетов положены следующие допущения и условия.

1.Вне­шние гра­ни­цы зон за­ра­же­ния рас­счи­ты­ва­ют­ся по по­ро­го­вой ток­со­до­зе АХОВ.

2.Опре­де­ле­ние глу­би­ны зо­ны за­ра­же­ния про­во­дит­ся по единой для всех АХОВ таб­ли­це.

3.Для то­го, что­бы по­ль­зо­ва­ть­ся еди­ной таб­ли­цей для всех АХОВ, про­из­во­ди­т­ся пе­ре­счет исходных данных и характеристик вещества к ве­ще­ству, вы­бираемому эта­ло­ном. Эта­лон­ным ве­ще­ством в ис­по­ль­зу­емой ме­то­ди­ке про­гно­зи­ро­ва­ния вы­бран хлор.

4.Основ­ная таб­ли­ца со­став­ле­на для ава­рий с вы­хо­дом хло­ра при сле­ду­ющих ме­те­о­ус­ло­ви­ях: ин­вер­сия, тем­пе­ра­ту­ра воз­ду­ха 20^оС.

Таким образом, первым этапом используемой методики является расчет эк­ви­ва­ле­нт­ного ко­ли­че­ство АХОВ.

Эк­ви­ва­ле­нт­ное ко­ли­че­ство АХОВ- это та­кое ко­ли­че­ство хло­ра, мас­штаб за­ра­же­ния ко­то­рым при ин­вер­сии и тем­пе­ра­ту­ре 20^оС эк­ви­ва­лен­тен мас­шта­бу за­ра­же­ния дан­ным АХОВ при кон­крет­ных ме­те­о­ус­ло­ви­ях.

Ток­сич­ность лю­бо­го АХОВ по от­но­ше­нию к хло­ру, свойс­тва, влия­ющие на об­ра­зо­ва­ние за­ра­жен­но­го об­ла­ка, а так­же от­лич­ные от стан­да­рт­ных ме­те­о­ус­ло­вия учи­ты­ва­ют­ся спе­ци­аль­ны­ми ко­эф­фи­ци­ен­та­ми, по ко­то­рым рас­счи­ты­ва­ет­ся эк­ви­ва­ле­нт­ное ко­ли­че­ство АХОВ.

2.2. Ко­эф­фи­ци­ен­ты, ис­по­ль­зу­емые при рас­че­те эк­ви­ва­ле­нт­но­го ко­ли­че­ства АХОВ

Рас­смо­трим ис­по­ль­зу­емые при рас­че­тах ко­эф­фи­ци­ен­ты и по­яс­ним их фи­зи­че­ский смысл и осо­бен­но­сти расчета и ис­по­ль­зо­ва­ния.

К₁ - ко­эф­фи­ци­ент, опре­де­ля­ющий от­но­си­те­ль­ное ко­ли­че­ство АХОВ, пе­ре­хо­дя­щее при ава­рии в газ:

К₂ - уде­льная ско­рость ис­па­ре­ния вещества - ко­ли­че­ство ис­па­рив­ше­го­ся ве­ще­ства в тон­нах с пло­ща­ди 1 м. кв. за 1 час, (т/м² ч);

K₃ — от­но­ше­ние по­ро­го­вой ток­со­до­зы хло­ра к по­ро­го­вой ток­со­до­зе дан­но­го АХОВ (значения приведены в таб.№ 14);

К₄ - ко­эф­фи­ци­ент, учи­ты­ва­ющий влияние ско­рости вет­ра на интенсивность испарения АХОВ (значения приведены в таб.№ 15);

K₅ —ко­эф­фи­ци­ент, учи­ты­ва­ющий влияние сте­пени вер­ти­ка­ль­ной устой­чи­во­сти воз­ду­ха на интенсивность рассеивания АХОВ [3]:

для ин­вер­сии К₅ = 1,

для изо­тер­мии К₅ = 0, 23,

для кон­ве­к­ции К₅ = 0, 08.

К₆ — ко­эф­фи­ци­ент, учитывающий соотношение времени, на которое осуществляется прогноз (Т_прог) и продолжительности испарения АХОВ (Т_исп):

при T_исп ³ 1 часа К₆ = min { T_исп; T_прог)^{0, 8},

при T_исп < 1 часа K₆ = 1.

Если необходимо рассчитать максимальные размеры зон заражения, то Т_прог условно принимается бесконечно большим.

К₇ — ко­эф­фи­ци­ент, учи­ты­ва­ющий влияние температуры воздуха в момент аварии на интенсивность испарения АХОВ при формировании первичного (К_7п) и вторичного облака (К_7в):

для газообразных АХОВ К₇ = 1,

для жидкостей и сжиженных газов К_7п, К_7в из таб.№ 14.

Зна­че­ния ко­эф­фи­ци­ен­тов К₁, К₂, K₃, К₄, К₇ — при расчетах берутся из выдаваемых студентам таблиц (см. При­ло­же­ние)[4].

2.3. Опре­де­ле­ние эк­ви­ва­ле­нт­но­го ко­ли­че­ства ве­ще­ства в пер­вич­ном об­ла­ке

Эк­ви­ва­ле­нт­ное ко­ли­че­ство ве­ще­ства, по пер­вич­но­му об­ла­ку, т, опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле:

m_э1 = K₁ ·K₃ ·K₅ ·K_7п ·m_о (5)

m_о — ко­ли­че­ство вышедшего при ава­рии АХОВ, т. (см. (1) и (2)).

2.4. Опре­де­ле­ние эк­ви­ва­ле­нт­но­го ко­ли­че­ства ве­ще­ства во вто­рич­ном об­ла­ке и вре­ме­ни ис­па­ре­ния

Вто­рич­ное об­ла­ко об­ра­зу­ет­ся за счет ис­па­ре­ния жид­кой фа­зы АХОВ.

Расчет проводится в два этапа:

1) Опре­де­ля­ет­ся вре­мя ис­па­ре­ния, ч:

, ч (6)

где r_ж — плот­ность АХОВ, т/м. куб (см. При­ло­же­ние);

h — вы­со­та слоя испарения раз­лив­ше­го­ся АХОВ, м.

При T_исп < 1 во всех дальнейших расчетах принимаем Т = 1 ч.

2) Эк­ви­ва­ле­нт­ное ко­ли­че­ство АХОВ, об­ра­зу­ющее вто­рич­ное об­ла­ко, опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле:

, т (7)

2.4. Рас­чет глу­би­ны зо­ны за­ра­же­ния при ава­рии на ХОО

В основной таблице (Таблица № 13) при­ве­де­ны зна­че­ния глу­бин зон за­ра­же­ния пер­вич­ным Г₁ или вто­рич­ным Г₂ об­ла­ком АХОВ в за­ви­си­мо­сти от эк­ви­ва­ле­нт­но­го ко­ли­че­ства ве­ще­ства и ско­ро­сти вет­ра. Соотношение между значениями Г₁ и Г₂ для каждого АХОВ индивидуально.

Глу­би­на зо­ны за­ра­же­ния, обус­лов­лен­ная пер­вич­ным и вто­рич­ным об­ла­ка­ми, опре­де­ля­ет­ся фор­му­лой:

Г_об = max { Г₁; Г₂} + 0, 5 min { Г₁; Г₂}, км. (8)

Используемая Таблица 13 дает зависимость глубины распространения АХОВ под действием ветра с учетом рассеивания и понижения концентрации облака. Эти данные справедливы для случая распространения облака над плоской поверхностью, но требуют уточнения в случае распространения облака над местностью с реальным рельефом и застройкой. Кроме того, скорость ветра в Таблице 13 является средней по высоте в приземном слое, скорость же на высоте распространения облака будет значительно больше[5].

Изменение скорости ветра по высоте существенно зависит от степени вертикальной устойчивости воздуха. Так при инверсии скорость распространения заражения возрастает в 1, 4 – 1, 46 раза, при изотермии в 1, 61 – 1, 67 раза, при конвекции в 1, 94 – 1, 96 раза, причем конкретное значение коэффициента зависит от скорости ветра.

В разработанной и принятой в РФ методике скорость распространения заражения и в конечном итоге глубина образовавшейся зоны заражения определяется следующим образом.

Во-первых, рассчитывается значение величины Г_об в соответствии с формулой (8).

Во-вторых, по Таблице 16 в зависимости от СВУ и средней скорости ветра определяется скорость ветра на высоте переноса облака V_пер и глубина переноса облака Г_пер

Г_пер = V_пер × Т_прог (9)

В-третьих, за окончательную расчетную глубину зоны заражения (Г_ок) принимается минимальная из величин Г_об и Г_пер

Г_ок = min {Г_об; Г_пер} (10)

За­тем рас­счи­ты­ва­ет­ся вре­мя фор­ми­ро­ва­ния зо­ны

T_ф = Г_ок / V_пер (11)

2.5. Опре­де­ле­ние пло­ща­ди зо­ны за­ра­же­ния и на­не­се­ние ее на кар­ту

Раз­ли­ча­ют зо­ны воз­мож­но­го и фак­ти­че­ско­го за­ра­же­нияАХОВ.

Зо­на воз­мож­но­го за­ра­же­ния — это про­странс­тво, в ко­то­ром мо­жет рас­про­стра­ни­ть­ся АХОВ при дан­ных ме­тео­ро­ло­ги­че­ских усло­ви­ях.

На кар­тах зо­на воз­мож­но­го за­ра­же­ния изоб­ра­жа­ет­ся в ви­де секторов окружности радиуса Г_ок. Бис­се­ктри­са секторов ори­ен­ти­ро­ва­на по на­прав­ле­нию вет­ра и про­хо­дит че­рез центр ава­рии.

Пло­щадь зо­ны воз­мож­но­го за­ра­же­ния об­ла­ком АХОВ опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле:

S_в = 8, 73 × 10^-3 × Г_ок² × j = p Г_ок² j/ 360, км² (12)

где Г_ок — глу­би­на зо­ны за­ра­же­ния, км;

j — угло­вые раз­ме­ры зо­ны, град.

Зо­ной фак­ти­че­ско­го за­ра­же­ния на­зы­ва­ет­ся тер­ри­то­рия, воз­душ­ное про­странс­тво ко­то­рой за­ра­же­но АХОВ в опас­ных для жиз­ни пре­де­лах. Кон­фи­гу­ра­ция зо­ны фак­ти­че­ско­го за­ра­же­ния близ­ка к эл­ли­п­су, ко­то­рый не вы­хо­дит за пре­де­лы зо­ны воз­мож­но­го за­ра­же­ния и мо­жет пе­ре­ме­ща­ть­ся в ее пре­де­лах под воз­дейс­тви­ем вет­ра.

Из-за воз­мож­но­го пе­ре­ме­ще­ния зо­ны фак­ти­че­ско­го за­ра­же­ния на кар­ту ее не на­но­сят. Ее раз­ме­ры ис­по­ль­зу­ют для опре­де­ле­ния воз­мож­ной чис­лен­но­сти по­ра­жен­но­го на­се­ле­ния и не­об­хо­ди­мо­го за­па­са сил и средств, не­об­хо­ди­мых для про­ве­де­ния спа­са­те­ль­ных ра­бот.

При расчетах зоны используется коэффициент К₈, учи­ты­ва­ющий влияние сте­пени вер­ти­ка­ль­ной устой­чи­во­сти воз­ду­ха на интенсивность рассеивания АХОВ: для ин­вер­сии К₈ = 0, 081,

для изо­тер­мии К₈ = 0, 133,

для кон­ве­к­ции К₈ = 0, 235.

Пло­щадь зо­ны фак­ти­че­ско­го за­ра­же­ния об­ла­ком АХОВ вы­чис­ля­ет­ся по фор­му­ле:

S_ф = К₈ Г_ок² q^{0, 2}, (13)

где Г_ок — глу­би­на зо­ны за­ра­же­ния, км;

q — вре­мя формирования зоны на момент прогноза, которое определяется, как

q = min { Т_ф; Т_прог}, Т_ф = Г_ок / V_nер , ч.

2.6. Опре­де­ле­ние вре­ме­ни под­хо­да за­ра­жен­но­го воз­ду­ха к за­дан­ному объ­ек­ту

Вре­мя под­хо­да об­ла­ка АХОВ к за­дан­но­му ру­бе­жу за­ви­сит от ско­ро­сти пе­ре­но­са об­ла­ка воз­душ­ным по­то­ком и опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле:

T_подх= R/V_пер (14)

где R — рас­сто­яние от ис­точ­ни­ка за­ра­же­ния до вы­бран­но­го ру­бе­жа, км;

V_{пе рп} -ско­рость пе­ре­но­са фрон­та об­ла­ка за­ра­жен­но­го воз­ду­ха, км/час.

2.7. Опре­де­ле­ние про­до­лжи­те­ль­но­сти за­ра­же­ния

Вре­мя по­ра­жа­юще­го дейс­твия АХОВ (про­до­лжи­те­ль­ность за­ра­же­ния) Т _зар опре­де­ля­ет­ся максимальным вре­ме­нем ис­па­ре­ния из всех вышедших АХОВ.