Текст книги "Математика от А до Я: Справочное пособие (издание третье с дополнениями)"

Автор книги: Алексей Романов

Соавторы: Руслана Дегтерева,Геннадий Леонов,Анна Попова
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Вадим Романов
Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу (Справочное пособие)

Рецензенты:

доктор технических наук В.А.Алексашенко, доктор физико-математических наук В.Н.Петров.

Введение

Загрязнение природной среды газообразными, жидкими и твердыми веществами и отходами производства вызывает деградацию среды обитания и наносит ущерб здоровью населения. Эта экологическая проблема, имеющая приоритетное социальное и экономическое значение, остается одной из наиболее острых для нашей страны.Влияние хозяйственной деятельности на окружающую среду характеризуется производством большого количества загрязняющих веществ, отходов и другими факторами, которые приводят к изменению естественных ландшафтов, загрязнению атмосферы и природных водных объектов.

За последние годы заметно сократилась государственная поддержка природоохранной деятельности, перманентные реорганизации, сопровождавшиеся снижением статуса и сокращением штатной численности и объемов бюджетного финансирования, поставили государственную систему охраны природы в критическое положение. Продолжение этого процесса реально угрожает разрушением природоохранных структур. «Деэкологизация» государственного управления сопровождается усилением секретности и противозаконных ограничений в распространении экологической информации.

Продолжающийся в течение последних лет в Российской Федерации спад промышленного производства, характеризующийся остановкой одних предприятий и неполной загрузкой других, сопровождается некоторым сокращением антропогенной нагрузки на природные среды. В то же время снижение объемов загрязнений, образующихся на промышленных предприятиях и соответственно поступающих в воздух, водные объекты и почвы, не вызывает адекватного уменьшения техногенной нагрузки на окружающую природную среду, растет количество аварий.

Существующие системы обнаружения аварий не имеют средств контроля за выбросами ядовитых веществ с определением их концентраций и зон распространения, или эти средства несовершенны. Система обнаружения угрозы и факта возникновения аварий должна предвидеть потенциально опасную ситуацию еще на стадии ее «зарождения». По данным Госгортехнадзора России около 80% существующих технических средств имеют срок эксплуатации более 20 лет, морально и физически устарели. В докладах и итоговых документах Всероссийской конференции по экологической безопасности России 2005 года отмечается, что при теперешнем уровне антропогенных выбросов токсичных веществ экологическая безопасность, являющаяся неотъемлемой частью национальной безопасности страны, не может быть обеспечена.

Состояние экологической безопасности России вызывает глубокую тревогу, так как под угрозой находится здоровье десятков миллионов человек, проживающих на обширных территориях России. Эти территории фактически превратились в зоны экологического неблагополучия в результате прошлого и продолжающихся загрязнений. Отмечается рост масштабов эколого-техногенных катастроф и опасность экологического терроризма; нарастает опасное загрязнение продуктов питания, питьевой воды, причем появляются новые виды загрязнения (в том числе на генетическом уровне). Усиливаются тревожные тенденции деградации почв, сокращения биологического разнообразия флоры и фауны, истощительного использования природных ресурсов и катастрофического роста объемов незаконного промысла биоресурсов. Повсеместно не реализуются в полной мере конституционные права граждан России на благоприятную окружающую среду, доступ к экологической информации, компенсацию ущерба от экологических правонарушений и участие в принятии природоохранных решений.

Недостаточен государственный контроль в области природопользования и охраны окружающей среды, в ряде случаев не соблюдаются обязательства Российской Федерации по международным конвенциям и соглашениям. Создавшееся неблагоприятное состояние природоохранных дел в России должно побудить разработчиков Новой техники и технологий XXI века более ответственно отнестись к проблематике антропогенных выбросов – в первую очередь их массовых и токсичных характеристик.

Выбросы загрязняющих и токсичных веществ в атмосферу появляются при нормальной работе и авариях в практически любых областях человеческой деятельности. Причем продолжительные выбросы, как правило, возникают при работе предприятий в нормальном режиме, а кратковременные и мгновенные, являющиеся предельным случаем кратковременных, – при авариях.

Аварийные выбросы, являющиеся одним из наиболее распространенных сверхнормативных поступлений загрязнений в атмосферу, появляются при хранении, транспортировке и изготовлении взрывчатых веществ (ВВ), в химической и нефтехимической промышленности, в ядерной энергетике, при разрыве сосудов высокого давления и бойлеров, при изготовлении, транспортировке и хранении легколетучих и сниженных газообразных топлив, при испарении криогенных веществ и т.п.

В настоящее время задача нахождения физических характеристик выбросов загрязняющих веществ решается применительно к конкретному источнику и веществу, причем делается акцент на особенностях именно этого источника и этого вещества без анализа возможной типизации возникшего выброса как атмосферного объекта. Для другого источника загрязнений и другого вещества задача получения его массовых, динамических, геометрических и концентрационных характеристик каждый раз решается заново.

Анализ выбросов загрязняющих и токсичных веществ в атмосферу показал, что имеются некоторые определяющие параметры, знание которых позволяет эту задачу типизировать по характеру выбросов и использовать стандартные системы уравнений, а иногда и готовые решения для нахождения их характеристик. Такими параметрами являются массовые, динамические и энергетические характеристики рабочего тела, а также физические характеристики окружающей среды. Эти исследования изложены в первой главе книги. В ней дается понятие выброса, классифицируются и типизируются аварийные ситуации, находятся определяющие параметры физико-математических моделей загрязняющих объемов. Кроме того в первой главе рассмотрена целесообразность введения вторичного атмосферного источника и зависимость аварий от условий окружающей среды.

Вторая глава, имеющая в основном обзорный характер, посвящена описанию аварий с выбросом загрязняющих веществ атмосферу, оценке их физических характеристик и факторов опасностей. Рассмотрены современные подходы к решению задачи нахождения физических и токсикологических характеристик взрывного характера, пожаров и токсичных выбросов.

В третьей главе на основе понятия вовлечения вещества окружающей среды в газообразный выброс рассмотрены важнейшие задачи поведения загрязняющих объемов в реальной атмосфере. Анализируется связь характеристик расширения струйных образований с погодными условиями и устойчивостью атмосферы, исследуются геометрические характеристики возникающих кратковременных выбросов. Кроме того, рассмотрены механизмы формирования кратковременных выбросов и их аэродинамическое сопротивление движению в потоке. Анализируются процессы дисперсии выбросов в реальной атмосфере при наличии температурных инверсий, задерживающих всплытие нагретых газовых объемов. Обсуждаются проблемы распада выбросов и рассеивания токсичных примесей из вторичных источников, возникающих при авариях.

Четвертая глава книги посвящена описанию выбросов, развивающихся в реальной атмосфере и пригодных для моделирования аварийных ситуаций. В этой главе даны примеры построения математических моделей опасных атмосферных явлений. Рассмотрены практически все возможные атмосферные объекты, сопутствующие опасным экологическим ситуациям, начиная со струй, клубов, термиков, аэрозольных объемов и заканчивая разлетом весомой твердой фазы взрыва.

В пятой главе обсуждаются экологические опасности аварийных ситуаций, сопровождающихся выбросами загрязняющих и токсичных веществ при авариях разных типов и в бытовых условиях.

В приложениях приводятся данные о физических и экологических характеристиках взрывоопасных и токсичных веществ, а также медико-биологические характеристики сильнодействующих ядовитых веществ.

Обзор приведенных литературных источников может быть использован разработчиками и инженерами при идентификации конкретного атмосферного выброса и выбора расчетного метода его изучения.

Глава I.
Аварии с выбросом загрязняющих веществ в атмосферу и вопросы их математического моделирования

Несмотря на спад производства и осуществление ряда природоохранных мер экологическая ситуация в нашей стране остается неблагополучной, а загрязнение природы – высоким.

Накопившиеся за десятилетия экологические проблемы усугубляются проблемами участившихся в последние годы аварий и катастроф природного и техногенного характера. Не отвечает нормативным требованиям качество воды в большинстве водных объектов, усиливаются масштабы эрозии и утраты плодородия почв. Деградируют полезащитные и водоохранные лесонасаждения, исчезают популяции редких видов флоры и фауны.

Недостаточно регулируемая эксплуатация природных ресурсов ведет к деградации целых природных комплексов. Обостряются экологические проблемы городов. Растут площади лесов, погибающих от пожаров и промышленных выбросов.

Значительные территории России опасно загрязнены в результате Чернобыльской катастрофы и радиационных аварий. Закончились эксплуатационные сроки многих атомных подводных лодок, ракетно-космических систем и ракетных топлив, места хранения и объекты по производству химического оружия создают неприемлемый риск для населения и экосистем.

Атмосфера является важнейшей природной средой, поддержания естественных фоновых показателей которой является одним из важнейших условий гармоничного развития жизни на планете. В то же время среднегодовые уровни загрязнений атмосферного воздуха в десятках городов превышают санитарные нормы. Большой, а иногда определяющий вклад в этот процесс привносят аварии, связанные с выбросом загрязняющих веществ в атмосферу в виде газов, паров, аэрозолей и относительно крупной твердой фазы.

Огромный планетарный энергетический и химический вклад человека в процессе развития многочисленных производств, сопоставимый с глобальными геологическими процессами, вызывает активизацию крупномасштабных же природных процессов. В частности – развитие тепличного эффекта и разрушение защитного озонового слоя, что грозит очередной экологической катастрофой уже не только всему человечеству, но и биосфере в целом. Ее предотвращение уже сейчас требует совместных действий всех экономически развитых стран, к чему пока не готовы ни правительства, ни народы этих стран.

Повсеместно отмечается, что количество техногенных происшествий (аварий и катастроф) имеет устойчивую тенденцию к возрастанию. Причем их вклад в суммарный негативный эффект деструктивного воздействия на природные среды стремительно увеличивается.

1.1. Понятие выброса и классификация аварий

Основными материальными носителями негативного воздействия человека на природные среды являются выбросы. Рассмотрим физическое содержание этого понятия, являющегося основополагающим при дальнейшем изложении материалов книги.

В результате жизнедеятельности живых организмов, различных явлений природы, а также хозяйственной деятельности человека возникают ограниченные объемы газов, содержащие в себе взвешенные жидкие или твердые вещества. С такими газообразными объемами, в дальнейшем кратко именуемыми выбросами, нам приходится иметь дело или наблюдать их ежедневно. Сюда можно отнести и шлейф из фабричной трубы или из двигателя самолета, облачко пара, вырывающееся из носика чайника, а также периодически выдыхаемые нами порции воздуха, насыщенного продуктами жизнедеятельности.

Подобные выбросы находятся под контролем человека, а потому являются неопасными. При непредвиденных ситуациях и авариях возникают неконтролируемые выбросы загрязняющих и токсичных веществ. Они часто являются объектами повышенной опасности и риска и привлекают профессиональный интерес специалистов.

Выбросом будем называть объем газа или пара со свободными или частично свободными границами, физические характеристики которого (состав, скорость движения, температура и т.п.) существенно отличаются от аналогичных характеристик вещества окружающей среды.

Из-за обмена вещества выброса с веществом окружающей среды вследствие диффузии его границы не являются четко выраженными. Они определяются областью, где выброс не потерял своей физической индивидуальности на фоне окружающей среды.

Процесс образования выброса может быть стационарным – продолжающимся практически беспрерывно и поэтому независящим от времени, и кратковременным – продолжающимся некоторое ограниченное время. Мгновенный выброс является предельным случаем кратковременного выброса при времени его образования, стремящемся к нулю. Характерным примером мгновенного выброса является выброс при взрыве. Его можно рассматривать как объем смеси воздуха и продуктов чрезвычайно быстрых химических реакций при переходе потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию продуктов произошедших реакций.

Кратковременными или стационарными могут быть выбросы из труб или сопел, выбросы продуктов горения, дымления или испарения в зависимости от времени их образования и газодинамических характеристик вещества выброса и окружающей среды.

На газообразные выбросы в общем случае действуют объемные и поверхностные силы. Изменение геометрических, массовых, динамических и концентрационных характеристик таких образований являются сложной аэродинамической задачей. Такие задачи являются актуальными при рассмотрении проблем антропогенного загрязнения окружающей среды, особенно при авариях.

Твердофазные выбросы, возникающие при взрывах, являются кратко-временными (или мгновенными), так как время их формирования на границе первичного взрывного источника составляет доли секунды. При дальнейшем движении в атмосфере по баллистическим траекториям на них действуют сила тяжести, а также сила аэродинамического сопротивления движению.

Перейдем теперь к определению понятий техногенных аварийных ситуаций или аварий и их источников.

В общем случае аварийная ситуация или авария на предприятии может быть определена [1] как «разрушительное высвобождение собственного энергозапаса промышленного предприятия, при котором сырье, промежуточные продукты, продукция предприятия и отходы производства, установленное на промышленной площадке технологическое оборудование, вовлекаясь в аварийный процесс, создают поражающие факторы для населения, персонала, окружающей человека среды и самого промышленного предприятия».

Теоретически на любом объекте можно представить бесконечное количество сценариев аварий, однако в действительности они могут быть реализованы далеко не все. Часть аварийных ситуаций невозможны по физическим соображениям, частично из-за нарушения причинно-следственных условий и связей. Такие сценарии должны быть отметены на начальной стадии рассмотрения возможных аварий на данном объекте; остальные сценарии являются теоретически возможными или гипотетическими. В соответствии с этим гипотетической может быть названа любая авария, порожденная инициирующими событиями, не запрещенными законами природы [1].

В свою очередь гипотетические аварии по тяжести последствий весьма условно могут быть подразделены на проектные и запроектные или крупные.

Проектная авария – совокупность аварий, предусмотренных системами обеспечения безопасности промышленного предприятия. При проектных авариях предполагается гарантированное обеспечение определенного уровня безопасности, рассчитанное при проектировании объекта.

Химически опасные объекты, в состав которых входят емкости с агрессивными и высокотоксичными средами – жидкостями или газами, могут служить источником аварий нового типа – аварий с отсроченным временем наступления. Такая авария наступает, если в теле металлической емкости хранения продукта под действием поверхностных или объемных химических реакций с участием компонентов наполнителя нарушается структура кристаллической решетки металла. Это приводит к потере прочности и растрескиванию изделия, а в конечном счете к и его разгерметизации. Подобные реакции возможны при коррозии металла, кристаллитном и водородном охрупчивании, когда без всяких видимых причин изделие теряет целостность и протекает.

При длительном хранении продукта отсроченная аварийная ситуация возникает обычно после происшествия проектной аварии на химическом объекте, косвенно затронувшей емкость с продуктом. Она является «спусковым крючком» и катализатором деструктивных реакций в объеме металла и через некоторое время приводит к новой проектной или запроектной авариям . Такие аварии еще носят название триггерных [ 170].

Воздействиями, приводящими к авариям с отсроченным временем наступления, могут быть механические удары и взрывы, а также мощные электромагнитные и электрические импульсы и пробои. Любое внешнее воздействие на металл, способное инициировать в нем деструктивные реакции, может запустить механизм ускоренного разрушения и привести к отсроченной проектной или запроектной аварии. Аварийные ситуации с отсроченным временем наступления при пожаре на арсенале хранения химического оружия рассмотрены в работе [171].

При крупной аварии промышленного предприятия может возникнуть чрезвычайная ситуация, которая в техносфере определяется [1] как «комплекс событий, протекание или результат наступления которых приводит к реализации в районе инцидента опасностей для жизни и здоровья людей, а также материальных ценностей, нарушению экономической деятельности, нормального жизнеобеспечения, функционирования систем управления и связи, а также экологического равновесия». Чрезвычайная ситуация обуславливает необходимость привлечения внешних по отношению к аварийному району сил и средств.

Во всем мире наблюдается неуклонный рост количества аварий, связанный с интенсификацией хозяйственной деятельности человека, использованием все более сложной и энергоемкой техники и повышением концентрации производств.

Кроме того , свою лепту в создании аварийных ситуаций вносит и так называемый «человеческий фактор». Он характеризуется пренебрежением и некомпетентностью к технике безопасности при эксплуатации объекта и просчетами и ошибками при его проектировании и создании. Поэтому об абсолютно безаварийном промышленном предприятии можно говорить как о недостижимом идеале – любое производство, содержащее энергоактивные компоненты, является объектом ненулевого риска. В качестве подобных компонентов могут выступать процессы и материалы различной природы: физической, химической, биологической, радиационной . Все они являются потенциальными источниками нештатных ситуаций и аварий.

По характеру возникновения и протекания все многообразие техногенных аварийных происшествий (аварий), связанных с интенсивным высвобождением внутренней энергии рабочего тела, может быть классифицировано на три категории: пожары, взрывы и токсические выбросы (Рис. 1.1).

Пожары, являющиеся одними из самых распространенных аварийных происшествий, имеют в своей основе процессы окисления вещества, находящегося в газовой или паровой фазах. Выделяющаяся при этом теплота поддерживает реакцию горения. Например, при горении углеводородов они разлагаются на более короткие цепочечные углеводороды, которые, в свою очередь, сгорая, дают тепло и многие химические соединения, часть из которых токсична.

Характер пожаров в ограниченном и безграничном пространствах существенно различен из-за различия движений воздуха – конвективном в закрытом помещении и ветровом переносном на открытом пространстве. Условно пожары в ограниченном пространстве можно подразделить на локальные – относительно слабые и объемные, охватывающие практически все внутреннее пространство.

Пожары на открытом воздухе (в безграничном пространстве) условно подразделяют на локальные, площадные, объемные и струйные. Площадные пожары, как правило, характеризуются масштабами, сопоставимыми или значительно превышающими характерный размер пограничного слоя атмосферы ( > 0,5 км). Площадное горение обычно охватывает полномасштабные проливы горючих веществ, леса и т.п.

Струйные пожары характерны в местах добычи, транспортировки и использования нефтепродуктов и газа, при аварийном разрушении сосудов с химически активными веществами, когда горящее рабочее тело поступает в атмосферу под большим давлением, а также при возникновении тепловых колонок – мощных восходящих потоков высокоэнергетичных продуктов горения .

Рис.1.1. Схема возможного развития аварийных ситуаций с поступлением вредных веществ в атмосферу.

Объемный пожар характерен для разгерметизации резервуаров с жидкостями или газами, когда происходит их взрывообразное расширение и загорание. Такие аварии возникают при вскипании воспламеняющихся жидкостей и сжиженных газов после разрушения емкостей, в которых они находились.

При авариях взрывного характера внутренняя энергия рабочего тела в результате окислительных реакций выделяется чрезвычайно интенсивно. Взрывы в безграничном пространстве и в помещениях происходят практически одинаково. Они классифицируются на взрывы конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) и объемные взрывы.

Конденсированные взрывчатые вещества существуют в твердом и жидком виде. Их плотность составляет не менее (1,5-1,8) • 10³ кг/м³. Скорость высвобождения энергии в конденсированных ВВ приблизительно равна скорости звука в веществе (от 2 до 9 км/с). Взрывы сопровождаются ударными волнами и излучением, приводящими к разрушениям объектов, пожарам и поражениям персонала.

При объемных взрывах окисляющееся рабочее тело находится в виде смеси воздуха, пыли, пара или аэрозоли. Плотность таких смесей слабо отличается от плотности атмосферного воздуха. Окислительная взрывообразная реакция в таких объемах может быть инициирована механически, электрическим разрядом или теплом.

Аварии в виде токсических выбросов представляют собой разовые интенсивные (продолжительностью не более часа [1]) поступления в атмосферу токсичных веществ – ингредиентов, которые, «будучи введены внутрь или поглощены живыми существами, приводят к их гибели или вредят здоровью». В организм токсические вещества могут попадать с пищей и водой (перорально), через кожные покровы (кожно-резорбтивно) и с воздухом при вдыхании (ингаляционно).

Аварии в виде токсических выбросов протекают по-разному в зависимости от того, в какой среде они происходят – в ограниченном пространстве или на открытом воздухе. В зависимости от состояния вещества токсические выбросы в безграничном пространстве существуют в виде проливов (разлитий), взвесей токсикантов в атмосферном воздухе (туманов, задымлений, запылений) или клубов (облаков).

В ограниченном пространстве токсические выбросы находятся либо в виде проливов, либо в виде гомогенных выбросов, заполняющих весь объем помещения [2].