Приложение N 9

к Руководству по безопасности

"Методика моделирования распространения

аварийных выбросов опасных веществ",

утвержденному приказом Ростехнадзора

от 2 ноября 2022 г. N 385

ПРИМЕР РАСЧЕТОВ ПОСЛЕДСТВИЙ ВЫБРОСОВ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

Расчеты проводятся в соответствии со схемой, приведенной в приложении N 10 к Руководству.

Пример 1. В опорожненном шаровом резервуаре вместимостью 2000 м³ находится хлорметан в газовой фазе при температуре окружающей среды (18 °C) и давлении 1 атм. Резервуар расположен на товарно-сырьевой базе в равнинной местности, характерный размер шероховатости 0,018 м. Происходит разрушение емкости, и выбрасывается все опасное вещество. Метеоусловия: скорость ветра на высоте 10 м - 3,2 м/с, безоблачная ночь.

Определить максимальные приземные концентрации хлорметана в атмосфере, размеры взрывопожароопасного облака смеси хлорметана с воздухом при его рассеянии до концентрации, соответствующей нижнему концентрационному пределу воспламенения и его половине, а также зависимость площади, покрываемой облаком, от времени.

Решение:

1. При решении используем следующие характеристики хлорметана:

молярная масса - 51 г/моль;

показатель адиабаты - 1,25;

температура кипения жидкой фазы при давлении окружающей среды (101325 Па) - -24 °C;

теплота испарения жидкой фазы - 3,87 · 10⁶ Дж/кг;

теплоемкость жидкой фазы - C_p = 1585 Дж/кг/К;

плотность жидкой фазы - 930 кг/м³;

НКПР - 8,1%.

2. По условиям хранения и характеру разрушения определяем тип сценария аварийной ситуации - 1.

3. По формулам (1) <8> и (2) <8> определяем количество хлорметана в первичном облаке Q₁ = 4227,81 кг.

--------------------------------

<8> Пункт 16 Руководства.

4. По формуле (6) <8> с использованием формулы (2) определяем плотность опасного вещества в выбросе - 2,11 кг/м³.

5. Согласно формуле (8), радиус (как и высота) первичного облака составляет 8,6 м.

6. Характерный размер шероховатости принимается из исходных данных z_пов = 0,018 м.

7. С использованием данных таблицы N 7-4 приложения N 7 к Руководству определяем класс устойчивости атмосферы - E.

8. С использованием данных таблиц N 7-5 - 7-7 приложения N 7 к Руководству определяем коэффициенты, используемые при расчете дисперсии, скорости подмешивания воздуха в облако.

9. Для определения концентрации хлорметана в атмосфере по формулам (105) - (106) численно решаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений по формулам (107) - (117) с использованием уравнений (101) - (104).

Результаты расчета приведены на рисунке 9-1 приложения N 9 к Руководству.

Рисунок 9-1. Максимальная приземная концентрация

на оси облака (по направлению ветра) при выбросе хлорметана

(пример 1)

10. С помощью соотношений (199) - (203) определяем размеры взрывопожароопасного облака смеси хлорметана с воздухом при его рассеянии (рисунок 9-2 приложения N 9 к Руководству).

Значения концентраций, кг/м³ (плоскость XY, Z = 0,0 м).

Рисунок 9-2. Сечение зоны, ограниченной НКПР (сплошная

линия) и 0,5·НКПР (штриховая линия) плоскостью, z_пов = 0

(в направлении по ветру) при выбросе хлорметана (пример 1)

11. Так как высота облака в пределах зоны, где рассматривается рассеяние (1000 м), не превосходит 20 м, то согласно пункту 23 Руководства повторный расчет не требуется.

12. Для определения площади облака воспользуемся соотношением . Зависимость площади, покрываемой облаком, от времени приведена на рисунке 9-3 приложения N 9 к Руководству.

Рисунок 9-3. Изменение площади облака

в зависимости от времени при выбросе хлорметана (пример 1)

Пример 2. Рассматривается технологический трубопровод DN 200 с хлорцианом в газовой фазе. Трубопровод расположен на территории промышленной площадки в равнинной местности, характерный размер шероховатости 0,018 м. На входе трубопровода стоит компрессор, расход которого составляет 10,3 кг/с. Давление в трубопроводе 1,3 атм. Трубопровод не теплоизолирован. Ночью в нижней образующей трубопровода в результате разгерметизации возникает отверстие диаметром 10 см. Время ликвидации утечки составляет 400 сек. Метеоусловия: скорость ветра на высоте 10 м - 2,1 м/с, температура воздуха - 30 °C, облачность - 50%. Профиль ветра аппроксимируется степенной зависимостью с показателем - 0,22.

Определить концентрации хлорциана в атмосфере, а также распределение токсодозы в зоне химического заражения, где возможно смертельное поражение незащищенных людей на открытой местности.

Решение:

1. По условиям хранения и характеру разрушения определяем тип сценария аварийной ситуации - 2.

2. С учетом комментария к формуле (14) определяем расход выброса q_выб = 10,3 кг/с.

3. Определяем плотность опасного вещества в выбросе по формуле (18) .

4. По формуле (16) определяем длительность выброса .

5. По формуле (20) рассчитываются: ширина сечения вторичного облака (шлейфа) в начальный момент времени (на месте выброса) - ; высота вторичного облака в начальном сечении .

6. С использованием данных таблицы N 7-4 приложения N 7 к Руководству определяем класс устойчивости атмосферы - E.

7. С использованием данных таблиц N 7-5 - 7-7 приложения N 7 к Руководству определяем коэффициенты, используемые при расчете дисперсии, скорости подмешивания воздуха в облако.

8. Для определения концентрации хлорциана в атмосфере по формулам (185) - (186) численно решаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений (187) - (195) с использованием уравнений (181) - (184) для стадии истечения газа в отсутствии пролива.

9. По формулам (196) - (197) рассчитываем поле концентрации при выбросе газообразного хлорциана из трубопровода. Соответствующие значения концентрации на оси выброса приведены на рисунке 9-4 приложения N 9 к Руководству.

Рисунок 9-4. Максимальная концентрация на оси облака

(в направлении по ветру) при выбросе хлорциана (пример 2)

10. В соответствии с пунктом 40 Руководства и по значению смертельной токсодозы для хлорциана 11 мг·мин/л определяем размеры зоны смертельного поражения (рисунки 9-5, 9-6 приложения N 9 к Руководству). Протяженность зоны смертельного поражения составляет 870 м. Максимальная высота - 4,64 м на расстоянии 390 м. Максимальная ширина 394 м на расстоянии 612 м.

Рисунок 9-5. Размеры зоны смертельного поражения (сплошная

линия) и порогового поражения (штриховая линия) в плоскости

y = 0 (вертикальное сечение через ось выброса) при выбросе

хлорциана (пример 2):

Рисунок 9-6. Размеры зоны смертельного поражения

(сплошная линия) и порогового поражения (штриховая линия)

на поверхности земли при выбросе хлорциана (пример 2)

11. В соответствии с пунктом 40 Руководства и по значению пороговой токсодозы для хлорциана 0,75 мг·мин/л определяем размеры зоны порогового воздействия (рисунки 9-5, 9-6 приложения N 9 к Руководству). Протяженность зоны порогового воздействия - 4146 м. Максимальная высота - 22,5 м на расстоянии 1938 м. Максимальная ширина - 838 м на расстоянии 2020 м.

Пример 3. На объекте хранения опасного вещества, расположенном в пределах небольшого города, имеется емкость объемом 100 м³. Она на 50% заполнена сжиженным аммиаком под давлением. Аммиак в емкости имеет температуру окружающей среды - 30 °C. Емкость стоит на бетонной поверхности.

Оценить, полагая наихудшие условия рассеяния, последствия аварии в случае мгновенного разрушения емкости. При оценке токсического поражения использовать время экспозиции - 30 мин.

Решение:

1. По условиям хранения и характеру разрушения определяем тип сценария аварийной ситуации - 3. Согласно пункту 22 Руководства в качестве наихудших условий рассеяния принимается скорость ветра на высоте 10 м - 1,0 м/с, устойчивость атмосферы - класс F. Выбираем тип подстилающей поверхности, над которой происходит рассеяние, - центр малых городов, с характерным размером шероховатости 0,55 м.

2. Время экспозиции принимаем равным 30 мин.

3. По формуле (24) определяем массу газовой фазы в емкости - 393,16 кг.

4. По объему емкости (100 м³), степени заполнения (50%) и плотности жидкой фазы аммиака 681 кг/м³ определяем массу жидкой фазы в емкости - 34050 кг.

5. По формуле (25) определяем массу аммиака, поступающую в первичное облако в виде газа, образовавшегося при вскипании перегретой жидкой фазы - 6550 кг.

6. По формуле (26) определяем массу аммиака, поступающую в первичное облако в виде аэрозоля, образовавшегося при вскипании перегретой жидкой фазы, - 6550 кг. Согласно формуле (27) такое же количество жидкого аммиака задаем в первичном облаке в начале рассеяния.

7. По формуле (29) определяем площадь пролива - 615 м². Эту же величину согласно правилу, приведенному после формулы (29), принимаем в качестве площади контакта жидкой фазы с подстилающей поверхностью.

8. По формуле (31) давление насыщенных паров при температуре окружающего воздуха - 8550 мм.рт.ст.

9. По формуле (30) определяем время интенсивного кипения, в течение которого опасное вещество поступает в первичное облако из пролива, - 18,4 с.

10. По формуле (28) определяем массу газа, поступившего в первичное облако от пролива при его кипении, - 240 кг.

11. По формуле (23) определяем массу аммиака в первичном облаке - 13700 кг.

12. Согласно формуле (35) задаем равными 0 кг/с общие расходы аммиака и начальный расход жидкой фазы аммиака в следующих вторичных облаках:

в облаке, образующемся при истечении жидкой фазы;

в облаке, образующемся при истечении жидкой фазы после отсечения аварийного участка;

в облаке, образующемся при истечении газовой фазы при наличии пролива;

в облаке, образующемся при истечении газовой фазы в отсутствие пролива;

в облаке, образующемся при испарении из оборудования.

Согласно формуле (37) также полагаем равным 0 секунд длительности выброса аммиака в соответствующих вторичных облаках.

Согласно формулам (40), (44) и (45) также полагаем равным нулю начальные плотности аммиака в этих же вторичных облаках, их полуширину и высоту.

13. По формуле (39) определяем плотность аммиака в газовой фазе (при давлении 101325 Па (1 атм) и температуре кипения - 33,6 °C) - 0,864 кг/м³. Эта же величина полагается равной начальной плотности во вторичном облаке, образующемся при испарении с пролива. Начальную температуру в первичном и вторичном облаках определяем как температуру кипения 240 К.

14. По формуле (38) определяем начальную плотность первичного облака - 1,65 кг/м³.

15. По формуле (41) определяем начальный радиус и высоту первичного облака, они равны 13,8 м.

16. По формуле (42) определяем полуширину вторичного облака, образующегося на стадии испарения аммиака из пролива в отсутствие газообразного выброса, - 12,4 м.

17. По формуле (43) определяем высоту, она равна 1,12 м.

18. По формуле (34) определяем скорость испарения с поверхности пролива и расход аммиака во вторичном облаке, образующемся на стадии испарения из пролива, она равна 4,19 кг/с. При расчете испарения использовалась начальная эффективная скорость вторичного облака, образующегося на стадии испарения из пролива, которая равна 0,175 м/с. Согласно формуле (35) расход аммиака в жидкой фазе во вторичном облаке, образующемся на стадии испарения опасного вещества из пролива, полагается равным нулю.

19. По формуле (36) определяем время испарения пролива - 4950 с.

20. Характерный размер шероховатости согласно пункту 24 Руководства определяем по таблице N 7-3 приложения N 7 к Руководству - 0,55 м - центры малых городов.

21. Согласно пункту 23 Руководства определяем показатель степени в степенной зависимости скорости ветра от высоты - 0.655. С помощью этого показателя будет аппроксимироваться скорость в атмосферном слое 20 м над поверхностью земли.

22. По формуле (94) с использованием таблицы N 7-6 приложения N 7 к Руководству определяем масштаб Монина-Обухова - 23,49 м.

23. По формуле (95) определяем динамическую скорость - 0,07 м/с.

24. С использованием таблицы N 7-6 приложения N 7 к Руководству определяем коэффициент для расчета рассеяния.

25. Для определения концентраций аммиака в атмосфере при распространении первичного облака по формулам (105) - (106) численно решаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений (107) - (115) с использованием уравнений (101) - (104).

26. На стадии испарения из пролива плотность аммиака в образующемся вторичном облаке 0,864 кг/м³, что меньше плотности окружающего воздуха (1,16 кг/м³), поэтому для расчета концентраций во вторичном облаке используем соотношение (186) Руководства в предположении нулевого значения (учитывая отсутствие гравитационного растекания легкого газа).

27. Согласно пункту 40 Руководства сравнением с пороговыми и смертельными токсодозами для аммиака определяем расстояние, в пределах которого будет наблюдаться соответствующее поражение.

На поверхности земли протяженность зоны смертельного поражения составляет 473 м в направлении ветра и 180 м в направлении против ветра. Ширина зоны смертельного поражения составляет 444 м на 42 м от места выброса.

На поверхности земли протяженность зоны порогового воздействия составляет 1242 м в направлении ветра и 301 м в направлении против ветра. Ширина зоны смертельного поражения составляет 1173 м на 360 м от места выброса.

Результаты расчета зон смертельного поражения и порогового воздействия приведены на рисунках 9-7, 9-8 приложения N 9 к Руководству. На рисунке 9-7 приложения N 9 к Руководству показаны границы этих зон на поверхности земли, а на рисунке 9-8 приложения N 9 к Руководству - в вертикальной плоскости, проходящей через ось выброса. Положению места выброса на этих рисунках соответствуют пространственные координаты (0, 0, 0).

Рисунок 9-7. Зоны смертельного поражения (сплошная линия)

и порогового воздействия (штриховая линия) на поверхности

земли при выбросе аммиака (пример 3)

Рисунок 9-8. Зоны смертельного поражения (сплошная линия)

и порогового воздействия (штриховая линия) в вертикальной

плоскости, проходящей через ось выброса, при выбросе

аммиака (пример 3)

Пример 4. Происходит частичное разрушение трубопровода, идущего от емкости с жидким пропаном. Трубопровод содержит жидкую фазу. В результате происходит выброс пропана.

Емкость содержит 4 т жидкого пропана. Трубопровод диаметром 5 см идет от нижней части емкости. Высота уровня жидкой фазы над трубопроводом 0,5 м. Давление в емкости 9,2 атм, температура - 18,5 °C.

Аварийное отверстие (разгерметизация) в трубопроводе имеет эффективный диаметр 2 см (площадь 3,14 см²). Место разрушения трубопровода находится на расстоянии 41 метра от емкости (длина отсекаемого участка - 50 м, длина всего участка - 100 м). Предполагается, что через 60 с после разрушения происходит отсечение аварийного участка, время ликвидации отверстия при этом составляет 5 мин.

Выброс происходит на песчаную почву, рассеяние происходит над ровным полем с травой высотой до 15 см. Температура воздуха и почвы 20,5 °C. Скорость ветра на высоте 10 м - 6 м/с. Класс устойчивости атмосферы - D.

Оценить размеры пожаровзрывоопасной зоны, возникающей в результате такой аварии.

Решение:

При решении используем характеристики пропана, приведенные в таблице N 7-1 приложения N 7 к Руководству.

Выбираем тип подстилающей поверхности, над которой происходит рассеяние "трава до 15 см", с характерным размером шероховатости 0,01 м.

При расчете кипения пролива при выпадении жидкости на подстилающую поверхность согласно исходным данным в качестве поверхности пролива берется песок со свойствами, приведенными в таблице N 7-8 приложения N 7 к Руководству.

1. По условиям хранения и характеру разрушения определяем тип сценария аварийной ситуации - 4.

2. По формуле (39) определяем плотность газовой фазы пропана при 1 атм и температуре кипения - 2,29 кг/м³.

3. В качестве вспомогательной величины определяем плотность газовой фазы пропана в оборудовании - 14,16 кг/м³.

4. По вспомогательной формуле (46) определяем давление насыщенных паров пропана при существующей температуре в оборудовании - 782 кПа.

5. По вспомогательной формуле (46) определяем плотность насыщенных паров пропана при существующей температуре в оборудовании - 14,06 кг/м³.

6. В качестве вспомогательной величины определяем плотность газовой фазы при температуре кипения и давлении насыщенного пара, соответствующем температуре жидкости в оборудовании, - 17,76 кг/м³.

7. По формуле (48) определяем общий (жидкости и газа) расход в выбросе из разрушенного оборудования (до отсечения аварийного участка) - 5,49 кг/с.

8. По формуле (58) определяем расход газа, образовавшегося при вскипании перегретой жидкости, в выбросе из разрушенного оборудования (до отсечения аварийного участка) - 1,68 кг/с.

9. По формуле (58) определяем расход жидкости (в виде аэрозоля, образовавшегося при вскипании перегретой жидкости) в выбросе из разрушенного оборудования (до отсечения аварийного участка) - 1,68 кг/с. Эту же величину полагаем равной расходу пропана в жидкой фазе (в виде аэрозоля) в начальном сечении вторичного облака, образующегося на стадии истечения жидкой фазы (до отсечения аварийного участка).

10. С помощью формулы (53) выполняем предварительный расчет времени выравнивания скоростей кипения и испарения за счет тепломассообмена с воздухом - 5,04 с.

11. По формуле (61) определяем расход пропана в газовой фазе, образовавшейся при вскипании перегретой жидкости, в выбросе из разрушенного оборудования (после отсечения аварийного участка) - 0 кг/с.

12. По формуле (62) определяем расход жидкого пропана (в виде аэрозоля, образовавшегося при вскипании перегретой жидкости) в выбросе из разрушенного оборудования (после отсечения аварийного участка) - 0 кг/с. Эту же величину полагаем равной расходу пропана в жидкой фазе (в виде аэрозоля) в начальном сечении вторичного облака, образующегося на стадии истечения жидкой фазы (после отсечения аварийного участка).

13. По формуле (55) проводим предварительный расчет времени формирования первичного облака на стадии истечения жидкости из разрушенного оборудования до отсечения аварийного участка - 0,108 с.

14. По формуле (56) делаем предварительный расчет времени формирования первичного облака на стадии истечения жидкости из разрушенного оборудования после отсечения аварийного участка - 0 с.

15. По формуле (54) определяем площадь пролива пропана на стадии формирования первичного облака - 0,106 м². После формулы (56) приравниваем эту величину к площади контакта пролива с подстилающей поверхностью на стадии формирования первичного облака.

16. С помощью формулы (53) окончательно определяем время формирования первичного облака - 0,106 с. Согласно расчету по формуле (55) первичное облако формируется на стадии истечения жидкости из разрушенного оборудования до отсечения аварийного участка. Время формирования первичного облака на стадии истечения жидкости из разрушенного оборудования после отсечения аварийного участка согласно формуле (56) равно 0 с.

17. По формуле (69) определяем длительность стадии истечения жидкости из разрушенного оборудования до отсечения аварийного участка - 59,9 с.

18. По формуле (50) определяем массу пропана в первичном облаке - 0,37 кг. Согласно формуле (51) в начальный момент времени в первичном облаке находится 0,182 кг жидкого пропана. По формуле (79) рассчитываем начальную плотность первичного облака 4,6 кг/м³. По формуле (84) определяем радиус и высоту первичного облака - 0,294 м. Начальная температура в первичном облаке составляет 231 К.

19. По формуле (72) определяем площадь пролива пропана - 1,26 м².

20. По формуле (85), первый вариант, определяем полуширину вторичного облака, образующегося на стадии истечения пропана в жидкой фазе (до отсечения аварийного участка), - 0,561 м. По формуле (88) определяем высоту этого облака - 0,247 м.

21. По формуле (57) расход пропана во вторичном облаке, образующемся на стадии истечения жидкой фазы (до отсечения аварийного участка), составляет 3,38 кг/с. Начальный расход пропана в газовой фазе в этом вторичном облаке составляет 1,68 кг/с. Начальная скорость перемещения этого облака составляет 2,7 м/с. По формуле (80) рассчитываем начальную плотность среды в этом облаке - 4,55 кг/м³. Начальная температура во вторичном облаке составляет 231 К.

22. По формуле (85), первый вариант, определяем полуширину вторичного облака, образующегося на стадии истечении пропана в жидкой фазе (после отсечения аварийного участка), - 0,561 м. По формуле (88) определяем высоту этого облака - 0,247 м.

23. По формуле (57) расход пропана во вторичном облаке, образующемся на стадии истечении жидкой фазы (после отсечения аварийного участка), составляет 3,38 кг/с. Начальный расход пропана в газовой фазе в этом вторичном облаке составляет 1,68 кг/с. Начальная скорость перемещения этого облака составляет 2,7 м/с. По формуле (81) рассчитываем начальную плотность среды в этом облаке - 4,55 кг/м³. Начальная температура во вторичном облаке составляет 231 К.

24. По формулам (73), (75) и (78) получаем, что длительности таких этапов, как истечение из разрушенного оборудования газа при наличии пролива, истечение газа в отсутствие пролива и испарение из емкости, равны нулю, то есть эти стадии в рассматриваемой аварийной ситуации отсутствуют.

25. По формуле (87) определяем полуширину вторичного облака, образующегося на стадии испарения пропана из пролива в отсутствие выброса из оборудования, - 0,561 м. По формуле (91) определяем высоту этого вторичного облака - 0,00519 м. Средняя начальная скорость перемещения этого облака составляет 1,3 м/с. По формуле (66) определяем расход пропана в этом облаке - 0,0175 кг/с. Согласно формуле (63) жидкая фаза в этом вторичном облаке отсутствует. Согласно формуле (83) начальная плотность этого облака составляет 2,32 кг/м³. Начальная температура во вторичном облаке составляет 231 К.

26. По формуле (71) определяем время испарения пролива пропана после окончания истечения жидкой фазы - 2 580 с.

27. Характерный размер шероховатости согласно пункту 21 Руководства определяем по таблице N 7-1 приложения N 7 к Руководству - 0,01 м.

28. Согласно пункту 23 Руководства определяем показатель степени в степенной зависимости скорости ветра от высоты - 0,19. С помощью этого показателя будет аппроксимироваться скорость в атмосферном слое 20 м над поверхностью земли.

29. По формуле (94) с использованием таблицы N 7-6 приложения N 7 к Руководству определяем масштаб Монина-Обухова - бесконечно большая величина.

30. По формуле (95) определяем динамическую скорость - 0,35 м/с.

31. С использованием таблицы N 7-6 приложения N 7 к Руководству определяем необходимый коэффициент для расчета рассеяния.

32. Для определения концентраций пропана в атмосфере при распространении первичного облака (105) - (106) численно решаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений (107) - (115) с использованием уравнений (101) - (104).

33. Согласно разделу VI Руководства определяем размеры зон со взрывоопасной концентрацией.

Результаты расчета зон с концентрацией ВКПР, НКПР и 0,5 НКПР представлены на рисунках 9-9, 9-10 приложения N 9 к Руководству. На рисунке 9-9 приложения N 9 к Руководству показаны границы этих зон на поверхности земли, а на рисунке 9-10 приложения N 9 к Руководству - в вертикальной плоскости, проходящей через ось выброса. Положению места выброса на этих рисунках соответствуют пространственные координаты (0, 0, 0).

Значения концентраций, кг/м³ (плоскость XY, Z = 0,0 м)

Рисунок 9-9. Зоны достижения концентрацией НКПР

(сплошная линия) и 0,5 НКПР (штриховая линия) на поверхности

земли при выбросе пропана (пример 4)

Значения концентраций, кг/м³ (плоскость XY, Z = 0,0 м)

Рисунок 9-10. Зоны достижения концентрацией ВКПР, НКПР

и 0,5 НКПР в вертикальной плоскости, проходящей через ось

выброса, при выбросе пропана (пример 4)