20. Для условий, в которых происходит выброс, определяются характерный размер шероховатости поверхности z_пов, класс устойчивости атмосферы, характеристика профиля ветра , масштаб Монина-Обухова L_МО, динамическая скорость u_*, скорость подмешивания воздуха и коэффициент дисперсии в поперечном направлении .

21. Если характерный размер шероховатости не может быть задан исходя из реальных метеорологических условий с приведением соответствующих обоснований, то он задается согласно данным, приведенным в таблице N 7-3 приложения N 7 к Руководству.

Если в результате расчета окажется, что вертикальный размер облака с требуемыми характеристиками меньше, чем характерный размер шероховатости, то это означает, что результаты расчетов по данному Руководству можно рассматривать лишь в качестве оценочных.

22. Если класс устойчивости не может быть задан исходя из реальных метеорологических условий с приведением соответствующих обоснований, то класс устойчивости задается с использованием данных, приведенных в таблице N 7-4 приложения N 7 к Руководству в зависимости от скорости ветра и интенсивности теплового потока у поверхности (инсоляция и облачность).

Для расчета наихудшего варианта принимается класс устойчивости - F и скорость ветра - 1 м/с.

23. Для характерного размера шероховатости z_пов, класса устойчивости и скорости ветра u₁₀ на высоте z₁₀ определяется коэффициент в соответствии с данными, приведенными в таблице N 7-5 <1> приложения N 7 к Руководству.

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

<1> При наличии достоверных исходных данных о характере изменения скорости ветра с высотой допускается задание иной величины с приведением соответствующих обоснований.

При проведении расчетов первоначально рекомендуется выбирать для высоты до 20 м (первое значение согласно таблице N 7-5 приложения N 7 к Руководству).

Если в результате расчета окажется, что вертикальный размер облака с требуемыми характеристиками больше 20 м, то рекомендуется провести новый расчет с измененным для высоты до или свыше 50 м в зависимости от рассчитанного вертикального размера облака.

24. Для характерного размера шероховатости z_пов и выбранного класса устойчивости определяется масштаб Монина-Обухова L_МО. для нейтральной устойчивости атмосферы (класс D). Для остальных условий устойчивости атмосферы масштаб Монина-Обухова определяется по формуле (94) с использованием данных, приведенных в таблице N 7-6 приложения N 7 к Руководству:

. (94)

25. Определяется динамическая скорость:

, (95)

где задается исходя из класса устойчивости атмосферы согласно (96):

, (96)

где a = (1 - 22 · z₁₀ / L_МО)^1/4.

26. Скорость подмешивания воздуха в облако через верхнюю границу определяется в зависимости от характеристик облака (эффективной плотности , эффективной высоты H_эфф, эффективной температуры T_эфф и эффективной теплоемкости облака C_эфф) <1> по следующей формуле:

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

<1> В следующих далее формулах используются переменные , H_эфф, T_эфф, E_пов и C_эфф, для первичного облака эти переменные равны , , , и , а для вторичных облаков - , , , и .

, (97)

, (97)

, (98)

где , b = 0,2, , E_пов - удельный тепловой поток (от поверхности земли в облако), описываемый ниже по формулам (114) - (117) или (192) - (195).

27. Коэффициент дисперсии в поперечном направлении определяется по следующей формуле (100) с помощью данных, приведенных в таблице N 7-7 приложения N 7 к Руководству:

, (99)

где , .

28. Для каждой из стадий выброса по сценарию i-му определяются поля концентрации опасного вещества и максимальная концентрация опасного вещества на оси x.

Для первичного облака концентрация опасного вещества и размеры облаков при их рассеянии вычисляются по формулам (101) - (117).

29. Состояние первичного облака в каждый момент времени характеризуется следующими параметрами:

, , , r_i, , , , (или ) и .

Они дополняются еще четырьмя, которые рассчитываются на основе введенных выше переменных <1>: , , , :

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

<1> В случае если величина меньше 0,5 м, то в формуле (102) для расчета используется величина , полученная по формуле (101) в предположении, что = 0,5 м.

, (100)

, (101)

, (102)

. (103)

Схема первичного облака изображена на рисунке 3-1 приложения N 3 к Руководству.

30. Распределение концентрации опасного вещества в облаке рекомендуется описывать зависимостями:

(104)

(105)

31. Для определения пространственного распределения концентрации, профиль которой задан в пункте 30, с помощью вышеперечисленных параметров (пункт 29) используются следующие уравнения.

Сохранение массы выброшенного вещества Q_i:

, (106)

Изменение массы облака Q_сумi:

. (107)

Гравитационное растекание облака:

. (108)

Боковое рассеяние выброса за счет атмосферной диффузии:

. (109)

или

. (110)

Сохранение энергии в облаке E_{эфф i}:

. (111)

Способ расчета удельного теплового потока от подстилающей поверхности в облако E_повi приведен в пункте 32.

Положение центра облака :

. (112)

Величины () и , используемые в вышеприведенных формулах, а также величина вычисляются согласно подходу, изложенному в приложении N 8 к Руководству.

32. Определение удельного теплового потока (от поверхности земли в облако):

, (113)

, (114)

, (115)

. (116)

Для длительных выбросов концентрация опасного вещества и размеры облаков при их рассеянии вычисляется по формулам (181) - (195).

33. Дрейф вторичного облака рассматривается для следующих шести стадий распространения выброса опасного вещества (согласно приложению N 5 к Руководству):

истечение жидкой фазы до отсечения аварийного участка;

истечение жидкой фазы из аварийного участка после его отсечения (для сценария 4);

истечение газа при наличии пролива жидкой фазы и испарение с пролива;

истечение газа из разрушенного оборудования при отсутствии пролива жидкой фазы;

испарение с пролива при отсутствии истечения жидкости или газа из разрушенного оборудования;

испарение из емкости при отсутствии пролива.

Для каждой из этих стадий рассчитывается свое вторичное облако. При расчете каждой из этих стадий задаются свой расход опасного вещества в шлейфе и расход жидкой фазы в начальном сечении :

, , , , , , , , , , , ,

свой начальный размер облака (полуширина и высота ):

, , , , и , , , , , .

Ранее эти величины для разных сценариев были рассчитаны по формулам (4), (8) - (10), (12), (14), (20) - (22), (34) - (35), (41) - (45), (57), (60), (64) - (67).

На ряде стадий на начальном участке истечения за счет наличия избыточного давления в оборудовании могут формироваться струевые потоки газа или двухфазной среды. Эти потоки имеют скорость отличную по величине и направлению от скорости ветра, величина этой скорости может достигать значительных величин, вплоть до звуковых скоростей. В таких струях за счет градиента скоростей генерируется сильная турбулентность, гораздо более интенсивная, чем атмосферная турбулентность. Соответственно в струях происходит подмешивание воздуха и разбавление. Струи газовой или двухфазной среды могут формироваться на следующих стадиях распространения выброса:

истечение жидкой фазы (в перегретом состоянии) до отсечения аварийного участка;

истечение жидкой фазы (в перегретом состоянии) из аварийного участка после его отсечения (для сценария 4);

истечение газа при наличии пролива жидкой фазы и испарение с пролива;

истечение газа из разрушенного оборудования при отсутствии пролива жидкой фазы;

испарение из емкости при отсутствии пролива.

Для учета дополнительного смешения с воздухом рекомендуется рассматривать на этих стадиях два участка в длительном выбросе: струйный, характеризующийся разницей скорости потока на оси струи и скорости ветра, и шлейфовый, характеризующийся дрейфом облака в поле ветра. На обоих участках учитывается отрицательная плавучесть выброса.

Для расчета струевого участка выброса начальный диаметр струи на срезе отверстия разрушения полагается равным эффективному диаметру отверстия разрушения:

. (117)

Для расчета струевого участка выброса скорости выброса на срезе отверстия разрушения определяются следующим образом:

, (118)

, (119)

, (120)

, (121)

, (122)

. (123)

Для расчета струевого участка выброса скорости выброса на срезе отверстия разрушения определяются следующим образом:

, (124)

, (125)

, (126)

, (127)

, (128)

, (129)

, (130)

, (131)

. (132)

При рассмотрении отдельно струйного участка выброса для трех стадий выброса:

истечение жидкой фазы (в перегретом состоянии) до отсечения аварийного участка;

истечение жидкой фазы (в перегретом состоянии) из аварийного участка после его отсечения (для сценария 4);

истечение газа при наличии пролива жидкой фазы и испарение с пролива,

следует вместо рассчитанных выше по формулам (119) - (133) величин расхода, плотности, и размеров облака использовать другие значения этих величин, рассчитанные следующим образом величины:

, (133)

, (134)

, (135)

, (136)

, (137)

, (138)

, (139)

, (140)

,

. (141)

Эти параметры по смыслу служат для описания рассеяния шлейфа от пролива.

Таким образом, в этом случае рассматриваются две области распространения опасного вещества: струя и шлейф от пролива. Шлейф от пролива "тяжелого" газа дрейфует по земле, струйный выброс изначально распространяется на некоторой высоте над землей, не касаясь ее поверхности.

Если струя в процессе своего распространения касается поверхности земли, то при разнице в скоростях струи и шлейфа менее 50%, рассеяние струи и шлейфа рассматривается как рассеяние одного объединенного облака с параметрами в точке объединения:

, (142)

, (143)

, (144)

, (145)

, (146)

, (147)

, (148)

, (149)

, (150)

, (151)

, (152)

, (153)

, (154)

, (155)

, (156)

, (157)

, (158)

, (159)

, (160)

, (161)

. (162)

Таким образом, при учете в расчетах струйного участка в самом общем случае зона рассеяния длительного выброса состоит из трех областей:

струевой участок: от места разрушения до места оседания струи на землю и потери ей динамического импульса;

шлейфовый участок: от места пролива до места оседания струи на землю и потери ей динамического импульса;

объединенный шлейфовый участок: от места слияния осевшей на землю и потерявшей динамический импульс струи и шлейфа от пролива.

Вторичное облако-струя представляет собой цилиндрическую область с однородным распределением по радиусу в каждом сечении, представляющем собой круг в каждой плоскости секущей перпендикулярной к оси струи.

Состояние вторичного облака-струи в каждом поперечном сечении характеризуется следующими параметрами:

, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , .

Кроме того, облако характеризуется такими параметрами, как , и .

Для определения пространственного распределения концентрации длительных высокоскоростных двухфазных струй используются следующие уравнения:

изменения расхода в струе:

(163)

где:

(164)

(165)

сохранения энергии:

(166)

сохранения импульса вдоль оси x:

(167)

сохранения импульса вдоль оси z (по высоте):

(168)

координаты вдоль оси x (по ветру):

(169)

координаты вдоль оси z (по высоте):

(170)

времени:

(171)

Дополнительные характеристики струи рассчитываются по формулам:

определение угла наклона из определения потоков импульса:

(172)

(173)

(174)

(175)

(176)

определение скорости на оси струи U^j из определения потоков импульса:

(177)

определение энтальпии H^j из потока энергии:

(178)

Расход жидкой фазы в струе и температура , и определяются по соответствующим соотношениям (согласно приложению N 8 к Руководству).

Параметры газовой фазы в струе, необходимые для расчетов, определяются следующим образом:

определение массовых долей опасного вещества Y_ов и воздуха Y_возд в газовой фазе струи:

(178-1)

определение молярной массы смеси газов в струе:

(178-2)

определение мольных долей опасного вещества M_ов и воздуха M_возд в газовой фазе струи:

(178-3)

определение мольных теплоемкостей газовой фазы смеси C_p, C_V в струе:

C_{V_мол} = М_ов · C_{V_мол_ов} + M_возд · C_{V_мол_возд}

C_{p_мол} = М_ов · C_{p_мол_ов} + M_возд · C_{p_мол_возд} (178-4)

определение показателя адиабаты газовой смеси в струе:

(178-5)

определение площади A (диаметра D) по определению расхода:

(179)

Расчет по модели струевого выброса проводится:

либо до касания струей поверхности земли и падения разницы скоростей между струей и ветром до уровня 50%; (при касании поверхности земли, но существовании разницы в скоростях потока в струе и ветра более 50% рассматривается дальнейшее струевое течение вдоль поверхности земли с условием касания нижней кромки струи поверхности земли, пока разность означенных скоростей не достигнет 50%); далее струевой выброс объединяется с шлейфом от пролива и расчет проводится для дрейфа объединенного шлейфа;

либо, если выброс не касается поверхности земли, до достижения разницы в горизонтальной составляющей скорости струи и ветра в 10%; далее рассматривается рассеяние выброса только за счет атмосферной диффузии.

Состояние вторичного облака в каждом поперечном сечении характеризуется следующими параметрами:

; ; ; ; ; , , .

Кроме того, облако характеризуется такими параметрами, как и . Они дополняются еще четырьмя: , , , , - которые рассчитываются на основе введенных выше переменных по формулам (181) - (184) <1>:

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

<1> В случае если величина меньше 0,5 м, то в формуле (182) для расчета используется величина , полученная по формуле (181) в предположении, что = 0,5 м.

, (180)

, (181)

, (182)

. (183)

Схема шлейфа изображена на рисунке 3-2 приложения N 3 к Руководству.

34. Распределение концентрации опасного вещества во вторичном облаке описывается зависимостями:

, при и , (184)

, при и , (185)

При или

35. Для определения пространственного распределения концентрации, профиль которой задан в пункте 34, с помощью вышеперечисленных параметров (пункт 33) используются следующие уравнения:

Сохранение массы выброшенного вещества :

(186)

Изменение расхода в шлейфе :

. (187)

Гравитационное растекание облака:

. (188)

Боковое рассеяние выброса за счет атмосферной диффузии:

(189)

Способ расчета удельного теплового потока приведен в пункте 36.

Положение переднего края облака определяют по формулам:

(190)

Величины и , используемые в вышеприведенных формулах, а также величина вычисляются согласно подходу, изложенному в приложении N Приложение N.

36. Определение удельного теплового потока проводится по следующим формулам:

, (191)

, (192)

, (193)

. (194)

37. Концентрация опасного вещества в точке в момент времени t при i-ом сценарии рекомендуется определять по формуле:

(195)

38. Определяется максимально возможная концентрация опасного вещества на расстоянии x от места аварии при i-ом сценарии и время t_{max i}(x, y, z), когда достигается эта концентрация. По t_{max i}(x, y, z) определяется стадия (или сочетания стадий распространения выброса опасного вещества), на которой (которых) достигаются максимальные концентрации опасного вещества:

. (196)

39. Путем интегрирования по времени концентрации c_i(x, y, z, t) определяется поле токсодозы D_i(x, y, z), а также распределение максимальной токсодозы, достигаемой на заданном расстоянии от места выброса D(x)_imax. Максимальная токсодоза для заданного расстояния за все время экспозиции, т.е. время, за которое набирается ингаляционная токсодоза (верхний предел интегрирования концентрации опасного вещества по времени в формуле расчета токсодозы), достигается на оси y = 0, z = 0. При необходимости определяются составляющие токсодозы, соответствующие облакам (первичному и вторичным), образовавшимся на различных стадиях аварии и и максимальные токсодозы, достигаемые на заданном расстоянии от облаков, образовавшихся на разных стадиях аварии, и .

40. Сравнением с пороговыми и смертельными токсодозами (таблица N 7-1 приложения N 7 к Руководству) определяются расстояния, соответствующие смертельному поражению и пороговому воздействию. Для оценки вероятности смертельного поражения человека рекомендуется использовать пробит-функцию Pr, по которой с использованием таблиц N 7-1, 7-2 приложения N 7 к Руководству определяется вероятность смертельного поражения человека на открытом пространстве. Величина Pr определяется по следующей формуле:

. (197)