Обоснование и разработка методов оценки техногенных опасностей тепловых электростанций

П.А. Козлитин

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОПАСНОСТЕЙ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Разработан метод анализа и количественной оценки уровня техногенной опасности тепловых электростанций, который позволяет аналитически оценить последствия аварийных выбросов серной кислоты и выделить зоны возможного токсического поражения на территории объекта.

Авария, безопасность, серная кислота, токсическое воздействие, зоны токсической опасности.

PA. Kozlitin SUBSTANTIATION AND DEVELOPMENT OF METHOD EVALUATION OF THERMAL POWER STATIONS TECHNOGENIC DANGERS

A method of thermal power stations technogenic dangers analysis and quantification which allows to assessing the implications of sulphuric acid accidental releases and highlighting the areas of possible toxic hazard in the territories of object.

Accident, safety, sulfuric acid, toxic influence, toxic hazard zone.

Для большинства городов и населенных пунктов Российской Федерации важной составляющей региональной энергетической системы являются теплогенерирующие объекты, обеспечивающие теплоснабжение потребителей в период стояния низких температур наружного воздуха. Основным компонентом централизованной системы теплоснабжения стали теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые относятся к потенциально опасным объектам.

С одной стороны, ТЭЦ - источник техногенной опасности - состояния, внутренне присущего сложной технической системе, реализуемого в виде поражающих воздействий на человека и окружающую среду за счет запасенной внутри системы энергии или химически и биологически опасных веществ и материалов. Уровень техногенной опасности зависит от промышленной безопасности потенциально опасного объекта.

С другой стороны - это опасность полного или частичного разрушения тепло- и электроснабжения среды обитания, объектов и сфер жизнедеятельности населения, как в штатных, так и в чрезвычайных ситуациях. Характеризуется энергетической безопасностью современного крупного промышленного города. Энергетическая безопасность города - это состояние защищенности граждан и объектов инфраструктуры от потенциальных угроз надежности обеспечения топливно-энергетическими ресурсами, формирование устойчивой работы электро- и теплогенерирующих объектов и городского сетевого хозяйства.

К техногенным опасностям ТЭЦ можно отнести взрывы, пожары и гидродинамическую волну прорыва на резервуарах мазутного хозяйства, выбросы химически опасных веществ в цехе ХВО с последующим токсическим воздействием на человека и экосистемы окружающей природной среды, взрывы природного газа при авариях на газопроводах.

Основные опасности мазутного хозяйства, в котором сконцентрирован большой объем взрыво-, пожароопасного вещества - мазута, подробно рассмотрены нами в работах [1, 2].

В рамках данной статьи рассмотрим одну из потенциально опасных составляющих ТЭЦ - цех ХВО с баками химреагентов. В цехе ХВО ТЭЦ сосредоточены химически опасные вещества - серная кислота, щелочь, соляная кислота, представляющие опасность поражения человека и загрязнения окружающей природной среды.

Одними из важных задач техногенной безопасности теплоцентралей являются количественная оценка поражающих факторов аварий в цехе ХВО и зонирование прилегающей к объекту территории по уровню поражающего воздействия на человека и природную среду. Однако в настоящее время отсутствуют методики, позволяющие аналитически оценить последствия аварийных выбросов серной кислоты на открытых технологических установках и резервуарах хранения и, на этой основе, выделить зоны повышенной опасности.

Серная кислота, являясь малолетучей жидкостью, не создает поражающих концентраций пара в воздухе за счет естественного испарения. Данное вещество обладает резко выраженным раздражающим и прижигающим действием. В случае многотонных неконтролируемых выбросов и диспергирования в окружающую среду серная кислота может вызвать тяжелые химические ожоги кожных покровов, глаз и верхних дыхательных путей с возможным смертельным исходом среди персонала.

Приведем, в качестве примера, описание крупной аварии с разливом И2804 в шт. Теннесси США 16.09.2002 г.:

Во время железнодорожной аварии в результате крушения товарного поезда компании Norfolk Southern, 20 грузовых вагонов и два локомотива сошли с рельсов в 30 км от г. Ноксвилл (штат Теннесси). Одна железнодорожная цистерна перевернулась, и из нее вылилось около 220 т серной кислоты. Над местом аварии сразу же образовалось огромное белое облако аэрозоля H2SO4. В первые часы после аварии были срочно эвакуированы 8 тыс. человек, в основном жители селений Фаррагут и Терки Крик, расположенных в радиусе 2,5 км от места аварии. К вечеру были эвакуированы уже 30 тыс. жителей из более чем 20 населенных пунктов, расположенных в радиусе 10 км от места аварии. Проживающим вне десятикилометровой зоны - в том числе и жителям Ноксвилла -рекомендовано отключить кондиционеры и по возможности не выходить из домов.

Основываясь на сказанном, определим возможные последствия развития аварий на складе серной кислоты цеха ХВО тепловой электростанции:

• интоксикация при ингаляционном воздействии паров и аэрозоля;

• химические ожоги незащищенных участков тела при кожно-резорбтивном воздействии капель и грубодисперсного аэрозоля.

Серная кислота не входит в перечень сильнодействующих ядовитых веществ Ростехнадзора и МЧС России [3]. С целью идентификации степени токсической опасности ингаляционного воздействия паров И2804 на производственный персонал и

В больницы

штата

доставлены около 20 человек. Все поступили с

жалобами на рези в глазах, боли в горле и легкие отравления.

население при аварийных выбросах проведем анализ основных физико-химических свойств серной кислоты.

Способность ядовитых веществ создавать поражающие концентрации в атмосферном воздухе определяют во многом такие параметры, как температура кипения (^ип), давление насыщенного пара (р) интенсивность испарения (а) и летучесть (максимальная концентрация пара, С^).

Указанные параметры, рассчитанные по формулам [4, 5], приведены в таблице.

Физические и физико-химические параметры серной кислоты

Температура кипения (Ъип), °С Максимальная концентрация пара (С т0аХС), мг/м3 Давление насыщенного пара (р20°С), Па Интенсивность испарения (а), кг/чм2

в закрытых помещениях на открытой местности

330 5,03 0,5 0,125 8,8-10-5

Характер изменения

максимальной концентрации пара серной кислоты в зависимости от температуры окружающего

воздуха в закрытых помещениях и на открытой местности показан на рис. 1.

Проанализируем поражающее действие серной кислоты. Если, в соответствии с [4], относительная летучесть опасного вещества

С г ^ '

20о С

Рис. 1. Характер изменения максимальной концентрации пара серной кислоты в зависимости от температуры окружающего воздуха

туман). Если относительная летучесть

20оС /

тах / < 10 то

ПДК <10, то

наличием паров в атмосферном воздухе можно пренебречь. В этой связи, при оценке поражающего воздействия опасного вещества на человека, учитывается наличие в воздухе только аэрозоля (морось,

опасного вещества лежит в пределах

и 25С4

10 < ¥Н12504 < 50, то учитывается наличие в воздухе паров и аэрозоля. При РИг25С>4 > 50

20оС 20оС

учитываются только пары [4, 5].

Максимальная концентрация на открытой местности, создаваемая парами серной кислоты при атмосферном давлении и температуре кипения 330°С, не превышает

0,5 мг/м (при ^озд. = 20°С), то есть всего 0,5 ПДК Ы2804 (ПДК серной кислоты в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м3), а при аварийных выбросах в закрытых помещениях (при отсутствии вентиляции) около 5 мг/м (при tвозд, = 20°С), то есть 5 ПДК.

Таким образом, для концентрированной технической серной кислоты (92,5-94,0%), используемой на ТЭЦ, относительная летучесть не превышает Р^И^С04 < 10, рис. 2.

Следовательно, техническая серная кислота, являясь малолетучей жидкостью, не создает поражающих концентраций пара в воздухе за счет естественного испарения. Таким образом, пути воздействия паров серной кислоты при кратковременном

(аварийный период) вдыхании испарившейся кислоты не являются летально-опасными и даже опасными по условию длительного расстройства здоровья.

18 20 22 А

280 40.44 44.857 49.76

285 32.494 36.044 39.983

290 26.11 28.962 32.128

295 20.98 23.272 25.815

300 305 рН2804 20° С для техн серной ИЧЄСКОЙ кислоты

310

315 8.746 9.701 10.762

320 7.028 7.795 8.647

325 5.647 6.264 6.948

330 4.537 5.033 5.583

335 3.646 4.044 4.486 ,|

3 I  >

Фрагмент массива

Рис. 2. Характер изменения относительной летучести серной кислоты в зависимости от температуры кипения и температуры окружающего воздуха

Аэрозольный путь воздействия серной кислоты является существенно более опасным. Ингаляционная токсичность аэрозоля серной кислоты зависит как от степени ее концентрации в объеме воздуха, так и от дисперсности - размера частиц Н2804. Размеры

_о

частиц в аэрозолях изменяются в очень широких пределах _ от 10 мм до нескольких мм. Диспергирование Н2804 с диаметрами частиц < 10 мкм при аварийном выбросе в окружающее пространство может возникнуть при высоких перепадах давлений в оборудовании и среде, куда происходит истечение (до 6 МПа и выше), либо в случае разрушения емкости с Н2Э04 в результате взрыва. Приведем в качестве примера описание аварии с взрывом гремучей смеси внутри сернокислотного резервуара на АО «Рефлектор» г. Саратова 19.10.1997 г.:

Взрыв гремучей смеси внутри сернокислотного резервуара. Сварка корпуса неопорожненного резервуара велась с нарушением техники безопасности. Внутри образовался водород (за счет прямого контакта серной кислоты с металлом при нарушении кислотостойкого покрытия)._______________________________________________

Срыв емкости объемом 25 м и перемещение ее в результате взрыва на 50 м с разливом кислоты на пол производственного помещения.___________________

Однако такие условия развития аварии на складе ХВО ТЭЦ отсутствуют и вероятность взрыва внутри резервуара с серной кислотой пренебрежимо мала.

При возможном аварийном разрушении емкости хранения серной кислоты и практически мгновенном «обрушении» столба жидкости на подстилающую поверхность поддона, происходит разбрызгивание Н2Б04 с образованием сравнительно грубодисперсного аэрозоля (мороси) с диаметрами частиц от нескольких мм до 10 мкм. Максимальное число капель имеют диаметр 100-150 мкм. Образовавшееся облако жидкого аэрозоля подхватывается воздушным потоком и, двигаясь вместе с ним,

достаточно быстро рассеивается в результате оседания частиц Н2804 на поверхность земли.

Основываясь на эмпирических данных, приведенных в работах [5, 6], нами получена регрессионная модель скорости оседания частиц грубодисперсного аэрозоля Н2Б04 в функции размера этих частиц ¥ос(т) = а + Ь-ш, где т - размер частиц аэрозоля; а и Ь - параметры регрессионной модели.

Глубина Ь распространения образовавшегося облака грубодисперсного аэрозоля Н2804 с учетом полученной регрессионной модели описывается предложенной нами зависимостью Ь = /(Уос (ш), Нсж )| , где Уос(т) - скорость оседания частиц

( Ро ¿в ,^в )=соп$1

аэрозоля в функции размера данных частиц (т) при фиксированных значениях атмосферного давления (Ро), температуры атмосферного воздуха (?е) и скорости приземного ветра (ув); Нсж - средняя высота механического измельчения (диспергирования) Н2804 в результате «обрушения» столба жидкости на подстилающую поверхность.

Глубина распространения аэрозоля существенно зависит от размера частиц и скорости приземного ветра. Данная зависимость для рассматриваемой высоты «обрушения» столба жидкости на подстилающую поверхность показана в качестве примера на рис. 3.

Основываясь на сказанном, выделим две характерные зоны поражения человека при аварийных выбросах серной кислоты.

• Первая зона. На расстоянии менее Ь100, в непосредственной близости от места разлития серной кислоты при квазимгновенном разрушении резервуара определяющим будет капельно-жидкое воздействие разбрызгиваемых капель серной кислоты с диаметрами частиц ё > 100 мкм, а также воздействие потока растекающейся жидкости. В этой зоне можно ожидать тяжелые химические ожоги кожных покровов и глаз с возможным смертельным исходом среди персонала.

• Вторая зона. На расстоянии, превышающем Ь100 от места разлития серной кислоты, формируется зона грубодисперсного аэрозоля (мороси) с диаметрами капель в пределах 100 мкм > й > 10 мкм. По данным литературных источников [5, 6, 7], частицы размером более 10 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях, не достигая легких. В этой зоне определяющим будет ингаляционно-капельное поражение человека, приводящее к химическим ожогам кожных покровов и глаз, прижиганию слизистой верхних дыхательных путей у персонала.

Рис. 3. Глубина распространения дисперсного аэрозоля Н2804 в зависимости от размеров частиц и скорости приземного ветра

Разгерметизация резервуара или трубопровода и истечение из аварийного отверстия жидкости, находящейся в оборудовании при атмосферном давлении, не приведет к разбрызгиванию и формированию вне области разлития дисперсного облака взвешенных в воздухе частиц Н2804, что позволяет рассматривать ингаляционнокапельное поражение человека маловероятным при развитии аварии по данному сценарию.

Зоны поражения при реализации аварии по сценарию с квазимгновенным разрушением резервуара и разлитием серной кислоты в поддон, разбрызгиванием капель и образованием грубодисперсного аэрозоля Н2Б04 показаны, в качестве примера, для конкретной ТЭЦ крупного областного города Поволжского региона на рис. 4.

Рис. 4. Зоны возможного поражения персонала теплоэлектроцентрали

Зоны поражения сформированы с учетом 8-румбовой розы ветров. Специфика поражения разбрызгиваемыми каплями и грубодисперсным аэрозолем Н2804 -

воздействие только на открыто расположенных в пределах зоны поражения людей. Максимально возможное количество смертельно пораженных вследствие капельножидкого воздействия аэрозоля среди персонала цеха ХВО, одномоментно оказавшегося в рассматриваемом румбе розы ветров, может составить 2-3 человека. В этой зоне определяющим будет непосредственное воздействие разлившейся жидкости и капельножидкое воздействие аэрозоля Н2804 с диаметрами частиц й > 100 мкм, приводящее к тяжелым химическим ожогам кожных покровов и глаз с возможным смертельным исходом.

Возможное количество травмированных вследствие ингаляционно-капельного воздействия грубодисперсного аэрозоля (мороси), среди персонала ТЭЦ, одномоментно оказавшегося в рассматриваемом румбе розы ветров, может составить 20-25 человек.

В указанной зоне определяющим будет ингаляционно-капельное поражение человека

вследствие воздействия грубодисперсного аэрозоля (мороси) с диаметрами частиц 100 мкм > й > 10 мкм, приводящее к химическим ожогам верхних дыхательных путей, кожных покровов и глаз.

Обоснованные и разработанные методы анализа и количественной оценки уровня техногенной опасности тепловых электростанций позволяют аналитически оценить последствия аварийных выбросов серной кислоты на открытых технологических установках и резервуарах хранения склада цеха ХВО и выделить зоны повышенной опасности с целью принятия управленческих решений в области промышленной безопасности территории ТЭЦ.

1. Козлитин П. А. Теоретические основы и методы системного анализа

промышленной безопасности объектов теплоэнергетики с учетом риска: монография / П. А. Козлитин, А.М. Козлитин. Саратов: СГТУ, 2009. 156 с.

2. Козлитин П. А. Методы нечеткого анализа риска аварий в системах

теплоснабжения / П.А. Козлитин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 1 (44). С. 175-183.

3. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Руководящий документ РД 52.04.253-90. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 27 с.

4. Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных

веществ и их распределение в воздухе / Н.Ф. Тищенко. М.: Химия, 1991. 368 с.

5. Александров В.Н. Отравляющие вещества / В.Н. Александров, В.И. Емельянов. М.: Воениздат, 1990. 271 с.

6. Франке З. Химия отравляющих веществ: в 2 т. / З. Франке; пер. с нем. М.: Химия, 1973. Т. 1. 440 с. Т. 2. 404 с.

7. Вредные вещества в промышленности: справочник: в 3 т. М.: Химия, 1977. Т. 3.

ЛИТЕРАТУРА

650 с.

Козлитин Павел Анатольевич -

кандидат технических наук, докторант кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета

Kozlitin Pavel Anatoliyevich -

Candidate of Technical Sciences, Doctoral Student of the Department of «Heat-Power Engineering» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 20.05.10, принята к опубликованию 23.09.10