Прогнозирование опасности токсического поражения при проникновении загрязненного воздуха в помещении различного назначения

Одной из ключевых проблем, стоящих перед человечеством, является противоречие между потребностями социально-экономического развития и необходимостью сохранения среды обитания.

Научно-технический прогресс не только способствует повышению производительности и улучшению условий труда, росту материального благосостояния общества, но и приводит к возрастанию риска аварий больших технических систем, что связано с увеличением их числа и сложности, ростом единичных мощностей агрегатов на промышленных и энергетических объектах, их территориальной концентрации.

Только в 2000 году в России имели место 960 чрезвычайных ситуаций (ЧС), среди которых техногенные ЧС составляют 63,13%. На долю техногенных аварий пришлось 89,5% погибших и 21,2% пострадавших среди персонала объектов экономики и населения /1/.

Возможность возникновения аварий на производственных объектах России сегодня усугубляется тем, что на большинстве производств имеет место высокая степень износа основных производственных фондов, не осуществляются модернизация, ремонт и профилактические работы, наблюдается падение производственной и технологической дисциплины, снижение квалификации персонала.

Всего в Российской Федерации функционирует 3300 объектов экономики, располагающих значительными запасами опасных химических веществ (ОХВ). Более 50% из их числа имеют запасы аммиака, 35% — хлора, 5% — соляной кислоты. Суммарный запас этих веществ на предприятиях достигает около 1 млн. тонн, что составляет 1012 смертельных токсидоз. На промышленных предприятиях одновременно хранится от нескольких сот до нескольких тысяч тонн ОХВ. В крупных городах (с населением свыше 100 тыс. человек) и вблизи них сосредоточено более 70% предприятий химической промышленности, заводов по производству минеральных удобрений, и почти все предприятия нефтехимической, нефтеперерабатывающей и металлургической промышленности.

В зонах прогнозируемого химического заражения проживает около 44 млн. человек. Основными источниками аварий являются: неудовлетворительное техническое состояние оборудования (46%), нарушение требований по организации опасных работ и недостаточное соблюдение технологической дисциплины (31%), а также неудовлетворительная организация работ по пуску оборудования (15%).

Токсическому воздействию подвергается как персонал промышленных предприятий, так и население близлежащих населенных пунктов, находящееся на открытой местности, а также в жилых и производственных зданиях.

В свете вышеизложенного весьма актуальной является задача прогнозирования возможногопоражения персонала и населения при техногенных авариях, сопровождающихся выбросом токсических веществ и разработка мер по его защите и снижению последствий токсического воздействия.

Это и предопределило постановку настоящего исследования, цель которого — выявление закономерностей распространения внешнего загрязненного токсикантами воздуха внутри жилых, административных и производственных помещений и разработка мер защиты населения и персонала от токсического поражения.

Для решения поставленной задачи необходимо:

— классифицировать жилые, административные и промышленные здания различного назначения по принципам организации воздухообмена и выявить наиболее характерные схемыпроанализировать существующие методы расчета воздухообмена зданий и убежищ и установить границы их применимостиразработать математическую модель распространения токсических примесей внутри помещений различного назначения, учитывающую условия воздухообмена с наружным загрязненным воздухом, реальную геометрию помещений, условия подачи и удаления воздуха, физические свойства примеси и газовоздушной смеси и другие факторыс использованием разработанной модели исследовать влияние на опасность токсического поражения людей внутри зданий основных метеоклиматических (время года, соотношение температур приточного воздуха и воздуха в помещении), конструктивных (схема вентиляции и кратность воздухообмена), физико-химических (тип токсиканта) и организационных (эвакуация, герметизация помещений) параметровразработать рекомендации по защите населения и персонала предприятий при авариях, связанных с выбросами ОХВ.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

— разработана математическая модель распространения примеси внутри вентилируемых помещений различного назначения, учитывающая «плавучесть» токсиканта, реальную геометрию помещений и схемы вентиляции;

— проведена настройка и адаптация вычислительного комплекса PHOENICS к решению задач распределения примеси в помещениях;

— с использованием вычислительного комплекса PHOENICS методом математического моделирования решена задача по расчету распределения концентраций токсиканта, поступающего с наружным загрязненным воздухом, внутри помещений разного назначения;

— установлена вероятность токсического поражения населения и персонала при различных способах спасения (эвакуация, ожидание помощи).

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обусловлена применением средств математического моделирования, основанных на фундаментальных законах сохранения и переноса, а также удовлетворительным согласованием результатов расчета с экспериментальными данными.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что с помощью разработанной модели можно проводить количественный анализ опасности поражения персонала ОПО и населения, находящихся внутри зданий при аварии, связанной с выбросом ОХВ. Модель предназначена для решения многих практически значимых исследовательских и прикладных задач промышленной безопасности: разработка путей эвакуации, проектирование средств инженерной защиты сооружений от проникновения ОХВ, экспертиза проектов систем вентиляции и т. п. Полученные автором количественные оценки могут быть использованы для решения задач промышленной безопасности.

Диссертационная работа состоит из четырех глав, заключения и приложений.

В главе 1 изложены вопросы, связанные с моделированием процессов поступления токсичных примесей в помещения и их распространением. Глава носит обзорный характер, затрагивает помимо непосредственных аспектов моделирования вопросы, касающиеся типовых схем устройства систем вентиляции помещений различного назначения. Приведен обзор методик, применяющихся для расчета полей концентраций примесей внутри помещений, выявлены их достоинства и недостатки. Выбран и обоснован метод моделирования для решения поставленных задач.

В главе 2 разработана и реализована модель движения воздуха в помещении. Модель реализована численно, в рамках вычислительного комплекса PHOENICS. Результаты численного моделирования сопоставлены с известными данными лабораторных экспериментов с целью проверки адекватности модели.

Глава 3 посвящена вычислительным экспериментам с применением разработанной модели с целью выявления и обобщения влияния типа и интенсивности вентиляции на опасность поражения людей внутри зданий различного назначения: жилых, административных, производственных. Получены и проанализированы зависимости параметров процесса поступления примеси от основных факторов. Результаты моделирования сопоставлены с расчетами по общепринятой методике. Сделаны выводы об областях применения модели.

В главе 4 предложены методы анализа опасности существующих объектов, проанализированы вероятности поражения людей при эвакуации из жилого дома типовой серии и из цеха горячей прокатки, предложен метод расчета предельного времени пребывания в помещениях после блокировки системы вентиляции. Показана целесообразность применения разработанной модели при оценке эффективности технических мер обеспечения безопасности при авариях, связанных с выбросами ОХВ.

Результаты работы были доложены на VI международной научно-практической конференции по системам управления промышленной безопасностью и пожаро-взрывобезопасности в металлургии (г. Череповец, апрель 2001 г.). Основные положения работы опубликованы в трудах этой конференции /2/ и в двух статьях в научных журналах./3,4/.

4.9. Выводы по главе 4.

1. Показано, что при прогнозировании токсического поражения населения жилых домов и персонала промышленных предприятий в случае их эвакуации необходимо учитывать изменение токсической нагрузки по всему пути эвакуации.

2. Проведено ранжирование помещений квартир жилых домов по степени безопасности. Максимальная опасность токсического поражения эвакуируемых существует в коридорах трехкомнатных квартир.

3. Вероятность токсического поражения персонала в цехах с тепловыделяющим оборудованием существенно зависит от времени года момента аварии: наибольшая вероятность соответствует теплому времени года.

4. Расчеты вероятности токсического поражения по формулам ГО, определяющим среднюю по объему концентрацию токсиканта, дают заниженные результаты в теплое время года и завышенные — в холодный и переходный сезоны.

5. Установлено, что в период выхода процесса поступления примеси на стационарный режим не может быть использовано допущение о равномерности распределения концентрации по объему помещения. Это утверждение справедливо для жилых, административных и производственных помещений с равномерным полем температур. Следовательно, при моделировании длительного поступления примесей от стационарных источников, таких как выбросы промышленных предприятий, автомобилей и т. п. в течение времени, существенно превышающие определенное в третьей главе время выхода на стационарный режим можно делать допущение о равномерности распределения примесей. В условиях горячих цехов или помещений с высокой тепловой нагрузкой, где формируются неравномерные поля температур, определяющие сложную структуру воздушных потоков, применение традиционных методов расчета не позволяет получать точные результаты.

6. Определено предельное время нахождения людей в помещении при блокировке системы вентиляции жилого дома и производственного помещения в случае химической аварии с выбросом аммиака и хлора. Полученные данные могут быть использованы при планировании действий органов ГО по доставке средств индивидуальной защиты пострадавшим.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Методами численного моделирования исследована вероятность токсического поражения населения и персонала опасных производственных объектов внутри помещений различного назначения в случае химической аварии и загрязнения наружного воздуха.

Разработана математическая модель распространения токсиканта внутри помещений, учитывающая эффект «плавучести» примеси, реальную геометрию и заполнение помещений мебелью и тепловыделяющим оборудованием. Модель реализована с использованием вычислительного комплекса PHOENICS и адаптирована по экспериментальным данным.

Установлена динамика изменения концентрации токсиканта в характерных зонах помещений различного назначения при стационарном и нестационарном поле концентрации токсиканта в наружном воздухе.

Показано, что использование традиционных методов расчета усредненной по объему помещений концентраций в период достижения стационарного процесса некорректно.

В жилых помещениях усредненная по высоте концентрация токсиканта слабо зависит от взаимного расположения окон и дверей, что позволяет с погрешностью 10−15% рассматривать результаты расчета динамики изменения концентрации токсиканта как применимые к любым жилым помещениям.

Установлено, что поле концентрации токсиканта в промышленных помещениях существенно зависит от конвективных потоков, формирующихся под действием тепловыделяющего оборудования. В соответствии с этим промышленное помещение можно разделить на две или более зон с разным уровнем концентраций токсиканта.

Рассмотрены два варианта оказания помощи населению жилых домов и персоналу промышленных предприятий: эвакуация к месту хранения средств.

111 индивидуальной защиты и блокировка вентиляции с ожиданием оказания помощи. Показана применимость разработанной модели для решения задачи оценки эффективности зон безопасности в жилых домах. Проведены расчеты, результаты которых свидетельствуют об эффективности укрытия людей в зонах безопасности.

Показано, что в случае эвакуации людей необходимо учитывать изменение токсической нагрузки по всему пути эвакуации. Установлено, что вероятность токсического поражения персонала в цехах с тепловыделяющим оборудованием существенно зависит от времени года момента аварии: наибольшая вероятность соответствует теплому времени года.

Определено предельное время нахождения людей в помещениях при блокировке вентиляции в случае загрязнения наружного воздуха аммиаком и хлором.

Полученные данные могут быть использованы структурами ГО и РСЧС для планирования мер по защите населения и персонала при химических авариях.