Оценка аварийных рисков опасных объектов, использующих хлор в технологических процессах

2. Дроздов А.В. Влияние природной газоносности трубки «Удачная» на ход строительства крупнейшего алмазного рудника // Горный журнал. 2009. № 6. С. 71-74.

3. Дроздов А.В., Иост Н.А., Лобанов В.В. Криогидрогеоло-гия алмазных месторождений Западной Якутии. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. 507 с.

4. Дроздов А.В., Мельников А.И. Оценка структурно-тектонической обстановки - основа газогидрогеодинамиче-ского районирования месторождения (на примере трубки «Удачная») // Маркшейдерия и недропользование. 2011. №

4. С. 35-39.

5. Дроздов А.В., Мельников А.И. Роль разрывных нарушений в обводнении алмазных месторождений Якутии газона-

сыщенными рассолами // Геология, тектоника и металлогения Северо-Азиатского кратона: мат. Всероссийской научной конференции. Якутск, 2011. Т. 1. С. 244-248.

6. Специальные мероприятия газового режима при ведении горных работ на подземном руднике «Удачный» в условиях газонефтепроявлений на период строительства до выхода на проектную мощность. Мирный, 2013. Вып. 3. 170 с.

7. Патент РФ № 2439485. Способ ведения взрывных работ в шахтах, опасных по нефтегазоносности / А.В. Дроздов, Н.П. Крамсков, А.А. Бородин. Заявитель и патентообладатель АК «АЛРОСА» (ОАО) (RU). Заявл. 10.02.2010 г.; Опубл. 10.0.2012 г. 4 с.

УДК 331.436, 614.833

ОЦЕНКА АВАРИЙНЫХ РИСКОВ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ХЛОР В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

© С.С. Тимофеева1, Е.А. Хамидуллина2, О.А. Давыдкина3

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрен технологический процесс обеззараживания природной воды с использованием хлора на станциях водоподготовки питьевой воды, обсуждены его достоинства и недостатки. Выполнено моделирование аварийных ситуаций разгерметизации емкостного оборудования с хлором с последующей оценкой индивидуального риска для людей, попавших в зону распространения облака, и построением поля потенциального территориального риска вокруг аварийных объектов. Моделирование осуществляли с помощью диаграмм причинно-следственной связи типа «дерево» и компьютерного программного комплекса ТОКСИ+РИСК (ГП «НТЦ «Промышленная безопасность»). На примере водоочистной станции г. Иркутска установлено, что риск для персонала не превышает допустимых величин, принятых для производственных условий (1 10-41/чел.год). Гибель населения маловероятна, но возможна при расположении станции в непосредственной близости от жилого массива, а также при неблагоприятном стечении обстоятельств. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: хлор; аварии технологического оборудования; водоочистные станции; сценарии; моделирование; расчет аварийного риска.

EMERGENCY RISK EVALUATION AT HAZARDOUS INDUSTRIAL FACILITIES USING CHLORINE

IN TECHNOLOGICAL PROCESSES

S.S. Timofeeva, E.A. Khamidullina, O.A. Davydkina

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article considers the technological process of natural water decontamination at drinking water treatment plants and discusses advantages and disadvantages of chlorine technologies. The emergencies involving the depressurization of tanks with chlorine with consequent assessment of individual risks for people occurred in the zone of cloud distribution are modelled. The field of potential territorial risk around emergency facilities is built as well. Modeling has been performed with the help of diagrams of cause-and-effect relations of a "tree"-type and a computer software system TOXI+RISK developed by "Group of Enterprises Scientific Technical Center "Industrial safety". On an example of Irkutsk water treatment plant it is proved that the risk for the staff does not exceed admissible values allowed for production conditions (1- 10-41/ person a year). Casualties in population are unlikely, but possible if water treatment plant is located in close proximity to a residential area or under unfavorable circumstances. 4 figures. 2 tbles. 8 sources.

Key words: chlorine; failure of process equipment; water treatment plants; scenarios; modeling; calculation of emergency risk.

Чимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: (3952) 405176.

Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: (3952) 405176.

2Хамидуллина Елена Альбертовна, кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности.

Khamidullina Elena, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Industrial Ecology and Life Safety.

3Давыдкина Ольга, магистрант. Davydkina Olga, Master's degree student.

В наши дни мир наводнен синтетическими химическими веществами. Добытые или синтезированные, они прочно вошли во все сферы нашей жизни. Практически невозможно указать область жизненных интересов человека, где бы отсутствовали химические вещества. Они в нашей пище, напитках, одежде, в наших квартирах, косметике, моющих средствах, игрушках наших детей и т.д. Вокруг нас заводы, производящие этот огромный химический потенциал, а также предприятия, призванные обеспечивать качество нашей жизни и использующие для этого опасные химические вещества.

Примером последних являются станции водопод-готовки, снабжающие нас необходимой для жизни питьевой водой и одновременно являющиеся хранителями огромных количеств хлора, выступающего в качестве «обезвреживателя» микробов. Хлорирование воды как средство ее обеззараживания было начато в начале 20 века и спасло огромное количество жизней, остановив победное шествие кишечных инфекций. Однако хлорирование воды имеет существенные недостатки. Прежде всего, хлор - отравляющее вещество и расходование его на крупных водопроводных станциях в больших количествах в виде жидкости, находящейся под давлением в баллонах или цистернах, требует определенного его запаса. Это создает опасную обстановку как для персонала станции, так и для близлежащего жилого массива. Особую опасность представляют случаи, когда станция хлорирования и склад с хлором находятся в непосредственной близости от населенных пунктов. Эти обстоятельства усугубляются физико-химическими и токсикологическими свойствами хлора, являющегося сильнодействующим ядовитым веществом удушающего характера. Токсикологические и физико-химические свойства хлора определяют основные поражающие факторы при его аварийных выбросах. Первый опыт человечества в массовом использовании хлора знают практически все (Первая мировая война и хлор как боевое отравляющее вещество). В первой в истории газовой атаке в апреле 1915 г. в районе бельгийского города Ипр германское командование использовало одновременно около 168 тонн жидкого хлора, в результате было отравлено 15 тысяч человек, из них 5 тысяч -насмерть [1]. С тех пор прошло много лет, химическое оружие запретили, но свойства хлора не изменились, и в случае попадания в атмосферу он будет также стелиться по земле и убивать все живое.

В настоящее время в России подавляющее количество питьевой воды обезвреживается хлором, следовательно, тысячи тонн хлора находятся на станциях водоподготовки по всей стране. В Иркутской области более десятка крупных водозаборных и канализационных очистных сооружений, на которых около сотни тонн жидкого и газообразного хлора каждый день участвует в производстве. При этом более 50% водопроводных сетей и оборудования признаны ветхими и требуют замены. Риски эксплуатации подобных опасных объектов возрастают с каждым годом по причине ухудшения технического состояния водоочистных

комплексов централизованных водозаборов, которые во многих случаях были спроектированы и построены 70-80 лет назад. Анализ аварийных ситуаций показывает, что 57% аварий на рассматриваемых объектах происходят из-за ветхости оборудования, поэтому дальнейшая его эксплуатация будет приводить к резкому возрастанию аварий, ущерб от которых значительно превысит затраты на их предотвращение [2].

Беспристрастная статистика говорит о нарастании из года в год суммарного количества техногенных аварий и природных бедствий [3]. Более того, увеличивается число синергетических катастроф, когда природные и техногенные разрушительные факторы взаимодействуют и усиливаются (например, землетрясение ^ цунами ^ радиационно опасная авария -Япония, 2011 г.). Даже в странах с высокими технологическими стандартами и жесткими строительными требованиями предотвращение технических аварий при природных катастрофах считается маловероятным [4].

Целью данной работы является моделирование аварийных ситуаций разгерметизации емкостного оборудования с хлором с последующей оценкой индивидуального риска для людей, попавших в зону распространения облака и построением поля потенциального территориального риска вокруг аварийных объектов.

Моделирование выполнено на примере типичных станций водоподготовки и водоочистки, расположенных в г. Иркутске. Моделирование осуществляли с помощью диаграмм причинно-следственной связи типа «дерево» и компьютерного программного комплекса ТОКСИ+риск (ГП «НТЦ «Промышленная безопасность»).

Анализ статистики по аварийности с хлором позволяет определить технологические операции, при выполнении которых чаще всего происходит выброс хлора [5]. Наиболее опасными этапами производственного процесса при обращении с хлором следует считать погрузочно-разгрузочные работы, операции по включению емкостей с жидким хлором в технологическую линию получения хлорной воды и отключения от нее, хранение емкостей с жидким хлором в хранилищах и на открытых площадках. Вклад технологических операций в причины возникновения аварийных ситуаций при работе с хлором представлен на рис. 1.

Хлор относится к сильнодействующим ядовитым веществам, что определяет потенциальную опасность аварий, возникающих при его производстве, хранении, транспортировании и применении.

Основные причины возникновения аварий, сопровождающихся утечками хлора, включают технические причины, обусловленные неисправностью или изношенностью оборудования, организационные причины, вызванные «человеческим фактором», а также их комбинацию, имеющую большую долю в структуре причин. Основные причины рассматриваемых аварий представлены на рис. 2 в виде диаграммы «дерево происшествий».

I Слив-налив хлора в транспортные емкости

I Хранение, испарение и дозировка хлора

I Транспортировка хлора автомобильным и железнодорожным транспортом

I Производство хлор-газа

I Производство жидкого хлора

Рис. 1. Структура аварийности при работе с хлором

Уровень опасности аварийной утечки хлора зависит от многих факторов, в частности от геометрических размеров сквозного отверстия в сосуде или трубопроводе, давления в них, температуры окружающей среды, скорости ветра в приземном слое, вертикальной подвижности атмосферы, а также агрегатного состояния выделяющегося хлора. Наиболее опасны утечки жидкого хлора, т.к. при испарении 1 л жидкого хлора образуется около 450 л газообразного С12 [6].

Моделирование аварийной ситуации проводили в предположении, что жидкий хлор находится в хлорном контейнере объемом 800 л при давлении 1,5 атм и при температуре окружающей среды, в аварии участвует единичная емкость, находящаяся на открытой площадке. Метеорологические условия рассеяния приняты наиболее неблагоприятными - вертикальная устойчивость атмосферы - F (инверсия), скорость ветра 1 м/с, температура воздуха положительная и принята равной 20 С.

Рассмотрели следующие сценарии аварии: появление отверстий разгерметизации в емкости с жидким хлором ниже уровня жидкости; полное разрушение оборудования с жидким хлором и его выброс в окружающую среду.

Жидкий хлор, находящийся в оборудовании под давлением, относится к перегретым жидкостям II категории [7], поскольку его критическая температура выше, а точка кипения ниже температуры окружающей

среды (^т = 144 0С; ^ = -34,50С) и их особенностью является «мгновенное» испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся доли до точки кипения при атмосферном давлении.

Из газовой фазы, содержавшейся в оборудовании, из образовавшейся при вскипании за счет перегрева жидкой фазы газокапельной фазы и из газа, образующегося при кипении пролива, образуется первичное облако, которое рассеивается в атмосфере и воздействует на людей и окружающую среду. Из пролива происходит испарение хлора, в результате чего образуется вторичное облако, которое также рассеивается в атмосфере и воздействует на людей и окружающую среду.

При нарушении герметичности сосуда выше уровня жидкости даже в случае небольшого отверстия истечение газа будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся жидкость. Снижение давления, обусловленное размером отверстия, приведет к снижению температуры жидкости в сосуде. При нарушении герметичности сосуда ниже уровня жидкости происходит истечение струи жидкости с образованием разлива и последующего испарения. Расчет рассеяния произвели по пороговой (0,6 мг мин/л) и смертельной токсодозам (6 мг мин/л), а также по вероятностной модели для 1 % и 99 % вероятности смертельного поражения человека. Результаты расчета зон поражения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчета зон поражения по выбранным сценариям и моделям расчета_

Сценарий аварии Размер зоны порогового поражения, м Разме э зоны смертельного поражения, м

По ветру Против ветра Полуширина На удалении По ветру Против ветра Полуширина На удалении

Полное разрушение оборудования 770 83 183 284 227 81 134 67

Нарушение герметичности 633 73 266 54 171 71 109 38

Размер зоны с 1 % вероятностью смертельного поражения, м Размер зоны с 99 % вероятностью смертельного поражения, м

Полное разрушение оборудования 283 83 159 115 101 69 85 15

Нарушение герметичности 610 73 1372 583 80 56 96 16

HOZ (68) 95N ÁlJdM МИНЮЭа 86

-О с о

8 ф о о

о

с о

S

ф о

3

а с с<

5

0 а»

s £

1

£ ф

ф

ä

с -с с X

i с а

о

6

£

с ф

3Ç &>

а «

с с< X о

S ^

а о-

I*

о

о ^

3

о

Q &>

эш/мэ£ о имЛвн

Таким образом, при возникновении аварийной ситуации ночью в безветренную погоду летом складываются неблагоприятные условия для рассеяния выброса, облако токсичного газа с опасной концентрацией распространяется далеко за пределы самого опасного объекта и при расположении его в жилом массиве в зону поражения попадают жилые дома. Разрастание размеров облака и выход его за пределы производственного объекта происходит в считанные минуты (табл. 2). При этом концентрация хлора, превышающая ПДК для атмосферного воздуха населенных пунктов, сохраняется на значительном удалении от опасного объекта (на расстоянии 400 м через 15 мин в 1500 раз превышает ПДКмр. для воздуха населенных пунктов). На рис. 3 граница зоны с 99% вероятностью смертельного поражения обозначена в виде круга, далее идет граница зоны смертельного поражения, за ней - граница зоны превышения ПДК в сторону направления ветра, выше - граница зоны порогового поражения, и самая большая область - это зона с 1% вероятностью смертельного поражения.

На основе вероятностной модели и пробит-

анализа с использованием программного комплекса ТОКСИ+риск рассчитали индивидуальный риск для людей, попадающих в зону распространения облака, и построили поле потенциального территориального риска в предположении, что условная вероятность нахождения человека в рассматриваемой зоне равна единице. На рис.4 приведена карта потенциального территориального риска для станции водоподготовки г. Иркутска при соответствующем направлении ветра.

В расчете использовали статистические данные частот разрушения емкостного оборудования в соответствии с [8]. И, таким образом, по полученным данным риск для персонала не превышает допустимых величин, принятых для производственных условий (110-4 1/чел.год). Гибель населения маловероятна, но возможна при расположении станции в непосредственной близости к жилому массиву, а также при неблагоприятном стечении обстоятельств: ветер в направлении жилого массива, неблагоприятные условия рассеяния, отсутствие попыток покинуть зону распространения газового облака.

Таблица 2

Динамика изменения параметров хлорного облака со временем_

Время с момента разгерметизации, с Расстояние от места выброса, м Концентрация хлора в ядре облака, кг/м3

1 0,31 1,05

6 1,47 0,25

10 2,30 0,16

58 9,48 0,04

188 (~3 мин) 31,91 0,006

307 (~5 мин) 62,56 0,0021

587 (~10 мин) 176,20 0,00047

947 (~15 мин) 407,93 0,00015

Рис. 3. Размеры зон поражения в ситуации полного разрушения хлорного контейнера

2.700Е-007 - 7.489Е-006 7.489Е-006 - 1.471Е-005 1.471Е-005 - 2.193Е-005 2.193Е-005 - 5.580Е-005

Рис. 4. Поле потенциального риска, изолинии равного риска

В настоящее время хлорирование воды - подходящий по многим параметрам способ очистки-обеззараживания питьевой воды. Как и все остальные способы обеззараживания, он имеет достоинства и недостатки. Логично использовать достоинства и снижать недостатки, препятствуя реализации рассмотренных здесь химических опасностей. Насколько достаточно для этого выполнения каждым существую-

щих правил безопасности, своевременной модернизации технических средств, соблюдения сроков планово-предупредительных ремонтов, установления и поддержания в работоспособном состоянии жизненно необходимых систем контроля и сигнализации? Ведь, как известно, количество погибших определяется не только зоной поражения, но и действиями людей.

Статья поступила 04.03.2014 г.

1. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989. С. 376.

2. Кожевников А.Б., Петросян О.П. Для тех, кому не нравится хлор // СтройПРОФИль. 2004. № 4/1.

3. Фалеев М. Риски и безопасность населения и территорий // Гражданская защита. 2011. №11. С. 17.

4. Егоров А.Ф., Савицкая Т.В. Анализ риска, оценка последствий аварий и управление безопасностью химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. М.: КолосС, 2010. С. 226.

5. Ийр/Лтмм.сЫогсеп^е.ги Официальный сайт Российского

ский список

центра «Хлорбезопасность».

6. Руководство по ликвидации аварий на объектах производства, хранения, транспортирования и применения хлора. М., 1997.

7. Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях в природно-техногенной сфере. М.: Академия, 2012. С. 128.

8. Приказ МЧС «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах» № 404 от 10.07.2009 г. (в ред. от 14.12.2010 г. № 649).