Пожар в хранилище отравляющих веществ

В качестве гипотетического запроектного пожа­ра рассмотривается аварию в хранилище отравляю­щих веществ. На основании анализа данных по тех­ническому состоянию многих складских помещений и ёмкостей, в которых хранится отравляющий запас России, при любом из указанных выше инициирую­щих событий наиболее вероятно катастрофическое развитие аварии. Такой ход событий объясняется тем,что сами здания и ёмкости с токсикантами нахо­дятся в неудовлетворительном состоянии. Поэтому практически любое из описанных выше внешних воздействий приведёт к максимально возможной аварии. При такой аварии в пожаре будет задейство­вано всё токсическое содержимое помещений.

Наиболее уязвимым в пожарном отношении зве­ном в складском помещении, безусловно, является деревянная крыша, загорание которой, как указыва­лось выше, может инициировать развитие инциден­та. Предполагается, что при пожаре ёмкости с отрав­ляющим веществом будут последовательно терять герметичность и разрушаться после обрушения час­тей горящей кровли. Разлившийся токсикант будет испаряться и воспламеняться, поддерживая пожар примерно на одном уровне. Таким образом, предпола­гается, что пожар имеет каскадный самоподдержива­ющийся характер, пока не выгорит всё рабочее тело.

Кроме того, считаем, что при нагревании разру­шение больших ёмкостей и цистерн происходит по наиболее слабым их частям — люкам и верхним по­луцилиндрам. Через эти разрывы происходит интен­сивный выброс паров отравляющих веществ и их за­горание под воздействием открытого пламени. Кир­пичные стены здания относительно локализуют заго­рание, не давая ему распространиться в горизонталь­ном направлении. Высокотемпературные продукты горения формируются при выходе из верхнего про­ёма хранилища в виде мощного восходящего потока.

При запроектной аварии на арсенале создаются физические условия, при которых горящие и частич­но разложившиеся отравляющие вещества восходя­щим потоком выносятся из помещения и доставля­ются в виде конвективной струи на большие высоты. По мере подъёма струи внутри пограничного слоя ат­мосферы она многократно разбавляется воздухом и сносится ветром в направлении его движения с учё­том высотного разворота. Скорость потока уменьша­ется^ начиная с некоторой продольной координаты, струя динамически становится неразличимой на фо­не пульсационного движения окружающего воздуха.

В этом случае возникает приподнятый объём­ный источник токсической опасности. Рассеивание токсикантов из него происходит под действием атмо­сферной диффузии. Для вычисления полей рассеива­ния токсикантов из высотного источника необходи­мо знание его геометрических,массовых, динамичес­ких и концентрационных характеристик. Сложнос­тью расчёта высокотемпературного потока при мощ­ном пожаре является то, что он может подняться на высоты большие, чем пограничный слой атмосферы, где характеристики турбулентного обмена и диффу­зии претерпевают резкие изменения.

Особенность высокотемпературного восходящего потока смеси продуктов горения и разложения отрав­ляющих веществ с воздухом состоит в том, что в фор­мирующийся при пожаре крупномасштабной струе будет присутствовать заметное количество твёрдой и жидкой фаз, пренебречь которыми было бы не кор­ректно. Относительно крупные частицы и аэрозоли появляются при пожаре из-за неполного сгорания от­равляющих веществ, элементов конструкции здания и оборудования склада. Они присутствуют в виде са­жи, капельной влаги, а также аэрозольных окислов органических и неорганических соединений.

Кроме того, мощные восходящие потоки вовле­каемого в пожар воздуха захватывают атмосферную и поверхностную пыль широкого диапазона дисперс­ности. В процессе движения внутри струйного пото­ка частицы адсорбируют на свою поверхность газооб­разные вещества, становясь тоже токсичными.

После подъёма струи на высоты в несколько ки­лометров её вещество охлаждается, и транспортируе­мые потоком частицы под действием силы тяжести выпадают на земную поверхность на значительных расстояниях от места пожара. Таким образом, на удалениях в десятки, а при определённых условиях и в сотни километров от места инцидента, совершен­но неожиданно для местного населения возникают токсичные дожди, туманы, смоги или пылевые осад­ки, приводящие к гибели всё живое.

Количество токсичных веществ,поднимающихся в единицу времени в атмосферу на высоту эффектив­ного источника Но, зависит как от динамики темпера­турного поля очага пожара, так и от метеопараметров в высотном слое 0 < z < Но. Для получения физичес­ких характеристик источника загрязнений проводят аэродинамический расчёт струи с учётом жидкой и твёрдой фаз в ней. Умение расчитывать распростране­ние загрязнений в приземном слое атмосферы и в тро­посфере совершенно необходимо не только для про­гноза опасности персонала, обслуживающего указан­ные объекты и находящегося в непосредственном кон­такте с загрязнённой средой, но и для предсказания опасности региона в масштабах ~ 100 км.

Проблемами возникновения и развития больших открытых пожаров, при которых в атмосфере появля­ются крупномасштабные конвективные движения, переносящие газоаэрозольные продукты горения и дымления на значительные расстояния, занимаются во всём мире. Такие атмосферные образования назы­вают конвективными колонками; они являются раз­новидностью струйнх потоков в свободной атмосфере [73 — 81]. Отмечается,что конвективные колонки при­водят к загрязнению верхних слоев атмосферы боль­шим коли-чеством мелкодисперсного оптически ак­тивного аэрозоля и могут вызвать как региональные, так и глобальные климатические изменения.

Распространение продуктов горения от круп­ных пожаров с помощью метеорологических моде­лей дождевых облаков исследовалось в [76, 77],в приближении Буссинеска в [78, 79], с использовани­ем уравнений Навье-Стокса для сжимаемого газа с постоянными коэффициентами турбулентного пере­носа — в [80]. Формирование конвективной колонки над пожарами исследовалось, например, в [81], струи метеотрона — в [74].

Построение математических моделей тепловых колонок основывается на базе уравнений сохранения макроскопических характеристик вещества струй­ного потока, в результате чего удаётся численно ис­следовать динамику формирования струи продуктов горения с учётом фазовых переходов, обусловленных наличием влаги в атмосфере. Очаг пожара моделиру­ется объёмным источником тепла Q(Bt/m3) и массы в(кг/с/м3) мелкодисперсного инертного аэрозоля с заданными законами их изменения по времени. Предполагается,что известны начальные величины Q и S внутри зоны тепловыделения с характерным размером R и высотой h и равны нулю вне этой зоны. При рассмотрении развития турбулентных конвек­тивных движений пылегазовой смеси над очагом по­жара во влажной стратифицированной атмосфере учитывается, что влажный вовлекаемый воздух в процессе подъёма и расширения охлаждается. При достижении условий насыщения водяной пар кон­денсируется с выделением тепла.

Например, в работе [73] формирование и подъём тепловой колонки дымового аэрозоля рассматрива-

Пожар на нефтехимическом производстве.

ется при штилевых условиях в рамках односкорост-ной и однотемпературной модели дисперсной среды, применение которой правомерно, так как размеры дисперсных частиц (дыма, пара, водяных капель) на­много превышают характерные молекулярнокине-тические пробеги, а время их скоростной и темпера­турной релаксации значительно меньше времени развития конвективных движений. Кроме того, предполагается малое объёмное содержание дисперс­ной фазы, не учитываются эффекты столкновения частиц и коагуляция. Конвективные движения сре­ды описываются осесимметричными уравнениями Навье-Стокса в цилиндрической системе координат, тепловыделение пожара имеет площадной характер.

Выполненные по этой модели расчёты показали, что при тепловой мощности источника 5 • 105 Вт/м2 наибольшая вертикальная скорость ( 43 м/с ) наблю­дается на оси симметрии;при этом максимальная ра­диальная скорость у границ очага горения не превы­шает 17 м/с.

Вовлечение холодного воздуха в восходящую струю наблюдается до высоты 4 км; на высотах от 7 до 11 км образуется зона зависания, в которой ды­мовой аэрозоль и вовлечённый в струю воздух расте­каются в горизонтальном направлении от оси симме­трии течения. Через час дымовое облако растекается на площади 700 км2, что почти на порядок больше площади очага горения. Вода, выделяющаяся при конденсации влажного воздуха, может выпасть в ви­де осадков — дождевых капель, снега и льда.

В работе [74] используется более реалистичес­кий подход к моделированию пожара — рассматри­вается высокотемпературная и высокоскоростная струя в сносящем ветровом потоке. Уравнения сохра­нения макроскопических характеристик среды за­писываются в квазиодномерном приближении, не требующем задания детальной информации о на­чальных и граничных параметрах струи и ветрового потока. Расширение струйного потока интегрально учитывается введением функции вовлечения, имею­щей физический смысл массы воздуха, вовлекаемой в колонку в единицу времени через единичную боко­вую поверхность потока. Газодинамические параме­тры потока осреднены по поперечному сечению струи. Расчёты,выполненные для мощностей тепло­вых источников ~ 5 • 10 5
— 5 • 10 6 кВт, показали, что скорости потока достигали 8 — 9 м/с, высоты подъёма до 3 км, а диаметры потоков на завершающих участ­ках подъёма — нескольких сот метров. Причём рас­чётные значения высоты подъёма струй существенно зависели от степени устойчивости атмосферы и силы ветра и слабо зависели от тепловой мощности источ­ника.

Полученные в этих работах результаты показы­вают, что динамика формирования конвективной ко­лонки, высота подъёма аэрозоля и характер его рас­пределения в выбросе зависят не только от мощности пожара, но и от влажности атмосферы. Фазовые пе­реходы, вызванные присутствием влаги в атмосфере, существенно влияют на подъём струи и её физичес­кие характеристики.

Дальнейшее распространение газообразных и парообразных токсикантов происходит из высотного объёмного источника, которым можно мысленно за­менить струйный выброс на завершающем этапе его подъёма. В зависимости от турбулизации атмосферы вторичный высотный источник будет иметь непре­рывный или дискретный характер. В любом случае -при непрерывном завершении струи (в виде однород­ного потока) или в случае её дробления на клубы га­зообразные и дисперсные составляющие струйного течения рассеиваются в сносящем ветровом потоке под действием атмосферной турбулентности и дости­гают поверхности земли многократно разбавленные воздухом на больших удалениях как от очага пожа­ра,так и от высотного источника.

Рассмотрению этих достаточно сложных и важ­ных вопросов посвящено большое количество работ, например, [14, 38, 49, 51, 52, 94, 113, 114].

Предлагаемые разными авторами методики вы­числения полей распределения концентраций за­грязняющих примесей базируются на решении полу­эмпирического уравнения диффузии или исходят из рассмотрения гауссовой модели рассеяния. Макси­мальные значения концентраций примесей у поверх­ности земли и расстояния от источника загрязнений определяются типом устойчивости атмосферы в слое перемешивания и скоростью ветра.

Использование для расчётов той или иной мето­дики должно приводить к одинаковым результатам при условии корректного задания параметров дис­персии, класса устойчивости атмосферы и периода осреднения используемого набора метеопараметров.

В настоящее время наибольшее распространение получили методика Главной геофизической обсервато­рии (ГТО) [114] и методика Пасквилла, развитая Ми-дом, Гиффордом и Брайантом [94] и рекомендованная МАГАТЭ для оценки загрязнений атмосферы от пред­приятий атомной промышленности и энергетики.

Методика Пасквилла позволяет сравнительно про­сто с использованием таблиц и графиков для дисперсий бокового ау и вертикального az расширения струйного потока определять концентрацию загрязняющей при­меси в приземном воздушном слое при мгновенном, ра­зовом и непрерывном выбросах для различных катего­рий устойчивости и разных расстояний от источника загрязнений в направлении ветрового переноса. Подхо­ды этой методики основаны на гауссовой модели рассе­ивания загрязняющей примеси и рассматривают три вида точечных источников, отличающихся по продол­жительности выбросагмгновенный (одномоментный), кратковременный (от 20 минут до нескольких часов) и постоянно действующий . В соответствии с этой моде­лью концентрация токсикантов в струе q при выбросе из мгновенного точечного источника мощностью Q в ве­тровом потоке со средней скоростью и в слое распрост­ранения записывается в виде [94]:

где:

tfx> ау> az> — дисперсии распределения концент­раций токсиканта в направлениях осей х, у, z — со­ответственно.

Дисперсии зависят от метеоданных и стратифи­кации атмосферы и являются экспериментально оп­ределяемыми функциями времени.

Для кратковременного или постоянно действу­ющего точечного источника пренебрегается диффу­зией в направлении х по сравнению с ветровым пото­ком в том же направлении, и выражение для концен­трации загрязняющей примеси имеет такой вид:

при получении этой формулы использовался принцип суперпозиции дискретным суммированием результатов, полученных для мгновенного источника.

Дисперсии ау
и gz при применении этой методи­ки предлагается находить, используя эксперимен­тальные данные по расширению струи дыма — в верти­кальном направлении h и в горизонтальном — углу 0.

для источника продолжительностью от 20 минут до нескольких часов;

для постоянно действующего источника при круго­вой розе ветров.

В этих формулах:

Н — высота источника загрязнений,м;

0 и 0р — боковое (горизонтальное) расширение струи при мгновенном и продолжительном выбросе, град; h — вертикальное расширение струи, м.

Отметим, что в настоящее время имеется боль­шое количество ведомственных и отраслевых мето­дик расчёта полей загрязнений от приподнятых ис­точников, разработанных как в Росии, так и за рубе­жом. Однако сопоставить результаты расчётов по ним затруднительно из-за разных наборов использу­емой входной информации. Обязательными являют­ся разработанные на основе наиболее представитель­ных методик единые Указания по расчёту рассеива­ния в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий, которые периодически об­новляются и модернизируются (например, [68,114]).

В заключение отметим, что основным недостат­ком рассматриваемых в итературе математических моделей крупного пожара является предположение о химической пассивности загрязняющих примесей. Применительно к проблеме переноса и дисперсии от­равляющих веществ неучёт химической деструкции продуктов в нагретом восходящем потоке и при атмо­сферном его рассеивании многократно увеличивает токсическую опасность последствий пожара [118].