CC BY
286
УДК 614.878; 546.13
Г.В. Котов
ПОСТАНОВКА ВОДЯНЫХ ЗАВЕС ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ, СВЯЗАННЫХ С ВЫБРОСОМ (ПРОЛИВОМ) ХЛОРА
В статье представлены результаты разработки методики расчёта сил и средств для постановки водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) хлора. С использованием данных лабораторных исследований, натурных испытаний и математического моделирования разработан метод расчёта глубины фактической зоны заражения при свободном распространении хлоровоздушного облака и при постановке водяных завес в ходе проведения аварийно-спасательных работ. Представлены данные о параметрах распылителей и коэффициенте эффективности создаваемых ими завес. Предложены оптимальные схемы постановки завес и правила расчёта сил, технических средств и воды, необходимых для обеспечения работы завес в ходе проведения аварийно-спасательных работ.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, выброс (пролив) хлора, водяные завесы, силы и средства.
G. Kotov
WATER VEILS ERECTION FOR ELIMINATION CONSEQUENCES FROM EMERGENCY SITUATIONS CONNECTED WITH CHLORINE EMISSION
The article presents the results of calculation method of the forces and means for water veils erection for elimination consequences from emergency situations connected with chlorine emission. According to laboratory research data, full-scale tests and mathematical simulation the author suggests the calculation method of radius contaminated area by free diffusion of a chlorine-air cloud and by water veils erection carrying out emergency and rescue operations. The article also presents data of atomizer parameters and the efficiency factor creating water veils and puts forward the optimum schemes of water veils erection and calculation of the forces, means and water for maintenance of water veils work carrying out emergency and rescue operations.
Keywords: emergency situation, chlorine emission (passage), water veils, forces and means.
1. ВВЕДЕНИЕ
Постановка водяных завес (ВЗ) является основным способом ограничения распространения и нейтрализации распространяющегося хлоровоздушного облака при проведении аварийно-спасательных работ в ходе ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС), связанных с выбросом (проливом) хлора.
Водяная завеса, установленная на пути движения хлоровоздушного облака, препятствует его дальнейшему распространению, снижая концентрацию хлора за счёт интенсивного перемешивания с воздухом. Некоторое количество хлора связывается с водой, растворяясь в ней.
Проведение аварийно-спасательных работ при ликвидации аварий, связанных с выбросом (проливом) хлора, осуществляется, как правило, в условиях формирования вторичного облака, размеры и концентрации которого зависят от площади пролива (объёма выброса), интенсивности парообразования и скорости ветра.
При постановке водяных завес основное внимание должно быть уделено выбору схемы постановки завес и их параметров. Определяющими факторами при этом являются данные о площади пролива (объёме газообразного выброса), скорости ветра, концентрации хлора в приземном слое воздуха.
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Распылители для создания водяных завес
Для постановки ВЗ используются распылители различной конструкции: щелевые распылители, распылительные стволы, комбинированные установки и т. п. Конструкция используемого распылителя определяет параметры завесы и количество воды, необходимой для поддержания её работоспособности. Наиболее перспективными для постановки ВЗ являются рукавные распылители, позволяющие получить завесу большой протяжённости при сравнительно малом расходе воды. Используемые в настоящее время рукавные распылители значительно различаются между собой, что стало следствием произвольного выбора способа их изготовления, поскольку централизованно они не производятся. Эффективность применяемой завесы прямо пропорциональна её геометрическим размерам и, соответственно, расходу воды, поскольку размер завесы зависит от объёма и плотности массива движущихся водяных капель.
В Командно-инженерном институте МЧС Республики Беларусь была проведена серия натурных испытаний с целью определения параметров водяных завес, создаваемых с использованием рукавных распылителей (РР). Испытывались распылители, изготовленные из стандартного прорезиненного или латексного пожарного рукава длиной 20 м и диаметром 66 мм. Распылители имели сопла диметром 5, 6 и 10 мм, расположенные вдоль одной линии с интервалом 0,5 м.
В табл. 1 представлены значения параметров создаваемых завес.
Таблица 1
Параметры водяной завесы, создаваемой с использованием рукавных распылителей
Давление на насосе, атм Высота завесы, м Ширина завесы, м Расход воды, дм3/с
РР(20х0,5х0,005)
3 4,5 8 7
5 5 9 9
7 5,5 10 11
9 6 11,5 12,5
РР(20х0,5х0,006)
3 5 11 8
5 6 13 12
7 6,5 15 15
9 7 17 17
РР(20х0,5х0,01)
3 5 5 21
5 6 7 25
7 6,5 9 28
9 7 12 31
Применяться могут распылители и другой конструкции, отличающиеся длиной и расстоянием между соплами. На практике используются рукавные распылители с диаметром сопел от 4 до 10 мм и расстоянием между соплами от 0,3 до 0,6 м. Для постановки завес могут применяться также и комбинированные рукава с различными диаметром сопел и расстоянием между ними, такие как РР(20х0,5(0,4)х0,005(0,04)), и сходные по характеристикам. Следует помнить, что уменьшение диаметра сопел приводит к снижению эффективности завесы, увеличение - к дополнительному расходу воды.
2.2. Эффективность водяных завес
Количественной характеристикой влияния водяных завес на распространяющееся хлоровоз-душное облако является его коэффициент эффективности. Коэффициент эффективности Кэфф по- 45
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
зволяет прогнозировать изменение глубины фактической зоны заражения (ГФЗЗ) в результате постановки водяных завес. Глубина фактической зоны заражения (ФЗЗ) после постановки водяных завес определяется с учётом её значения при свободном распространении хлоровоздушного облака с использованием выражения
L =
(1)
где L0 - начальное значение ГФЗЗ, м;
L - ГФЗЗ после постановки водяной завесы, м.
При постановке ВЗ в несколько эшелонов прогнозируемое значение ГФЗЗ определяется как
^ = К^, (2)
где N - количество эшелонов водяных завес.
Коэффициент эффективности водяной завесы зависит от её собственных параметров, определяемых, прежде всего, конструкцией распылителя и давлением в линии. Значения коэффициента эффективности Кэфф водяных завес, создаваемых с использованием рукавных распылителей, получены по результатам натурных испытаний при определении влияния завес на распространение хлора в приземном слое атмосферы и представлены в табл. 2.
Таблица 2
Значения коэффициента эффективности водяных завес, создаваемых с помощью рукавных распылителей
Давление на насосе, атм Кэфф. для распылителя
РР(20х0,5х0,005) РР(20х0,5х0,006) РР(20х0,5х0,01)
3 0,93 0,91 0,87
5 0,85 0,78 0,7
7 0,78 0,7 0,56
9 0,74 0,64 0,45
2.3. Глубина фактической зоны заражения
Применение водяных завес при проведении аварийно-спасательных работ (АСР) требует предварительной подготовки и, прежде всего, оценки оперативной обстановки, сложившейся на момент прибытия аварийно-спасательных подразделений. Оценка и прогнозирование обстановки с использованием современных программ расчёта достаточно сложны и требуют выполнения целого ряда условий (наличие расчётной техники, необходимого уровня подготовки, предварительных данных и т. п.), что затрудняет их оперативное применение. В связи с этим был проведён ряд исследований, включающих лабораторные и натурные испытания, а также разработку математических моделей, позволивших создать метод расчёта глубины фактической зоны заражения и её изменения в результате постановки завес на пути распространения хлоровоздушного облака.
Глубина фактической зоны заражения рассматривается в качестве определяющей характеристики при оценке оперативной обстановки и эффективности применения завес. Фактическая зона заражения формируется под действием ветра и охватывает область, нахождение в пределах которой без средств индивидуальной защиты (прежде всего, органов дыхания) может нанести вред здоровью людей. Глубина фактической зоны заражения представляет собой максимальное расстояние от точки выброса (границы пролива) хлора до границы фактической зоны заражения, определяемой предельно допустимой концентрацией хлора в приземном слое воздуха, т. е. соответствует максимальной протяжённости фактической зоны заражения в направлении распространения хлоровоздушного облака.
Глубина фактической зоны заражения зависит, прежде всего, от размеров пролива или объёма газообразного выброса и скорости ветра. Её прогнозные значения, полученные с применением
46 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
разработанного метода расчёта, для различной площади пролива и скорости ветра представлены в табл. 3. Прогнозные значения составлены с учётом наихудших условий развития чрезвычайной ситуации.
Таблица 3
Глубина фактической зоны заражения в зависимости от площади пролива и скорости ветра
Площадь пролива, м2 Глубина фактической зоны заражения в зависимости от скорости ветра, м
2 м/с 5 м/с 7 м/с и выше
1 270 160 145
2 380 220 200
3 400 270 240
5 500 350 320
8 620 450 400
10 700 500 450
20 1000 700 650
40 1400 1050 950
60 1800 1370 1250
Использование данных табл. 2, 3 и выражений (1) и (2) позволяет рассчитывать изменение глубины фактической зоны заражения при постановке водяных завес в ходе аварийно-спасательных работ.
Ещё одной важнейшей характеристикой фактической зоны заражения является сектор распространения хлоровоздушного облака. Сектор распространения хлора определяется в соответствии с действующими нормативными документами и составляет при скорости ветра: 1 м/с и менее - 360 ; 2 м/с - 90 ; 5 м/с - 45 ; 7 м/с и выше - 24 .
2.4. Глубина фактической зоны заражения при газообразном выбросе
Определённую сложность представляет применение разработанного подхода к расчёту параметров фактической зоны заражения в случае газообразного выброса хлора. В этом случае необходимо соотнести параметры выброса и пролив определённой площади (приведённой площади), обладающий аналогичными характеристиками, для этого используются величины массового или объёмного расхода хлора.
Оценка приведённой площади по величине массового расхода хлора QCl (кг/с) производится по массе хлора, поступающего в атмосферу за единицу времени. Величина приведённой площади поверхности рассчитывается с использованием выражения
Sприв. = Qa / Ка, (3)
где Sприв. - приведённая площадь поверхности пролива, м2; QСl - расход газообразного хлора, кг/с; КС1 - коэффициент массообмена хлора между поверхностью пролива и атмосферой, кг/(м2-с).
Коэффициент массообмена КС1 характеризует интенсивность испарения хлора с поверхности пролива и принимается при скорости ветра: 2 м/с - 0,025 кг/(м2-с); 5 м/с - 0,05 кг/(м2-с); 7 м/с -0,07 кг/(м2-с).
Значения приведённой площади пролива для случаев, когда известно значение объёмного расхода хлора (м3/с), представлены в табл. 4.
Таблица 4
Значения приведённой площади пролива, соответствующие объёмному расходу газообразного хлора
S 2 Sприв, м 1 5 10 20 50 100
Q, м3/с 2 м/с 0,008 0,04 0,08 0,42 0,84 0,16
5 м/с 0,017 0,08 0,17 0,84 1,69 0,34
7 м/с 0,024 0,12 0,24 1,18 2,37 0,47
Данные, необходимые для расчёта приведённой площади пролива, могут быть получены с привлечением специалистов, работающих на оборудовании, на котором произошла разгерметизация, по результатам разведки, либо визуально.
В случаях газообразного выброса хлора на определённой высоте от поверхности земли, этот факт необходимо учитывать при расчёте глубины фактической зоны заражения. Для оперативного расчёта ГФЗЗ может быть использовано выражение
= L - '/Ль
где Lh - ГФЗЗ при высотном газообразном выбросе, м;
L - расчётная ГФЗЗ для приведённой площади пролива, м;
^ - высота точки выброса, м.
2.5. Постановка водяных завес
Оценка обстановки производится по прибытии аварийно-спасательных подразделений на место проведения АСР, основными учитываемыми параметрами являются: площадь пролива; расход газообразного выброса; направление и скорость ветра; концентрации хлора в приземном слое воздуха.
Концентрация хлора в воздухе устанавливается по данным химической разведки. Замер концентрации хлора в воздухе производится на высоте 0,5 - 1 м от поверхности земли. Для предварительного определения площади пролива производится его визуальная оценка, уточнение размеров пролива осуществляется по данным разведки.
Расстановка сил и технических средств осуществляется по указанию руководителя ликвидации чрезвычайной ситуации (ЛЧС). При этом определяются места: расположения сил и технических средств; прокладки рукавных распылителей; прокладки магистральных рукавных линий.
С учётом оперативной обстановки на момент введения аварийно-спасательных работ производится выбор схемы постановки ВЗ. Постановка завес может осуществляться в один или два эшелона, по линейной или круговой схеме, вертикально или наклонно.
Направление распространения формирующегося хлоровоздушного облака определяется с учётом направления ветра (по данным метеорологического поста) и рельефа местности (принимая во внимание то, что, обладая высокой плотностью, хлор распространяется в приземном слое).
Пожарные аварийно-спасательные машины и другая техника, используемые для постановки водяных завес, размещаются за пределами сектора распространения хлоровоздушного облака.
При постановке линейной завесы в один эшелон (единичной завесы) прокладка рукавного распылителя осуществляется на расстоянии 8 - 10 м от границы пролива с подветренной стороны по осевой линии перпендикулярно направлению распространения хлоровоздушного облака. Схема постановки единичной завесы представлена на рис. 1.
Прокладка второй перфорированной линии осуществляется параллельно первой на расстоянии 17 - 20 м. Эта линия используется для постановки второго эшелона завес, либо в качестве ре-
48 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'2
зервной. Направление водяных струй - вертикальное. Схема постановки водяных завес в два эшелона представлена на рис. 2.
Рис. 1. Схема постановки единичной Рис. 2. Схема постановки водяных завес
водяной завесы в два эшелона
Постановка второго эшелона осуществляется при подаче воды во вторую линию по решению руководителя ЛЧС при больших объёмах выброса, высокой концентрации хлора в воздухе, повышенных требованиях к уровню безопасности, в случае резкого изменения обстановки (перебоях в работе первой линии, увеличения объёма выброса и т. п.).
Рекомендуется постановка наклонной водяной завесы. В этом случае производится наклон водяных струй на 30 - 40 от вертикали в сторону распространения заражённого облака за счёт поворота распылителя. В этом случае расстояние от границы пролива до места прокладки рукавного распылителя может быть сокращено до 5 м. Наклонная водяная завеса может использоваться индивидуально либо являться первым эшелоном, расстояние до второго РР в этом случае должно быть увеличено до 20 м. Схема постановки водяных завес в два эшелона с использованием наклонной завесы представлена на рис. 3.
5 м 20 м
N--И
и
Рис. 3. Схема постановки двух эшелонов водяных завес с наклонной завесой
При повышенных требованиях к уровню безопасности при проведении АСР может прокладываться резервная линия РР на расстоянии 20 м от второй линии. Схема постановки водяных завес в два эшелона с прокладкой резервной линии представлена на рис. 4. Подача воды в резервную линию производится по решению руководителя ЛЧС при ухудшении оперативной обстановки (увеличении объёма выброса, перебоях в работе действующих линий и пр.).
5 м 20 м . 20 м
и-н«--►
о>
Рис. 4. Схема постановки двух эшелонов водяных завес с прокладкой резервной линии
В случае интенсивного сноса массива водяных капель под действием ветра прокладка РР первого и второго эшелона осуществляется с учётом зон эффективного действия завес (области существования массива капель). Расстояние между первой и второй линией РР может быть увеличено до достижения расстояния между зонами действия завес 5 - 10 м.
При невозможности чёткого определения направления распространения хлоровоздушного облака (в безветренную погоду или при скорости ветра менее 1 м/с) производится постановка водяных завес по круговой схеме. Данная схема предусматривает полное перекрытие периметра возможного распространения хлоровоздушного облака. Круговая схема постановки водяных завес представлена на рис. 5. При круговой схеме постановки завес водяные струи ориентируются вертикально.
Постановка завес может производиться только по отдельным секторам в случаях, если прокладка по выбранной схеме невозможна: по техническим причинам, из-за рельефа местности или по иной причине. Постановка завес по секторам производится при условии полного перекрывания фронта распространяющегося хлоровоздушного облака.
При наличии на линии прокладки РР зданий или сооружений высотой, соизмеримой с высотой ВЗ, способных эффективно препятствовать распространению хлоровоздушного облака, они могут включаться в линию завес.
В случае точечных газообразных выбросов на малой высоте или проливов малой площади для постановки единичной завесы или первого эшелона в качестве распылителей могут использоваться пожарные стволы различной конструкции: щелевые распылители, распылительные стволы, специальные установки для создания водяных завес и др. Выбранный распылительный ствол должен быть укреплён таким образом, чтобы обеспечить формирование струй, преимущественно ориентированных вверх.
Установка распылителя производится в соответствии со схемой, представленной на рис. 6. Создаваемая завеса должна полностью перекрывать фронт распространения хлоровоздушного облака. Эффективная длина таких завес определяется по фактическим параметрам в ходе предварительных испытаний. Следует помнить, что при малой длине создаваемой завесы набегающее хло-ровоздушное облако склонно к её «обтеканию», а использование нескольких распылительных стволов одновременно приводит к перерасходу воды.
8-1 Ом
и
выброс
с1=66
л л л л л л л л л л
Рис. 5. Круговая схема постановки водяных завес
пролив с1=66
V V V V V V V V V Ч
Рис. 6. Схема постановки водяной завесы с использованием распылительного ствола
2.6. Расчёт количества сил и средств
Постановка ВЗ осуществляется по решению руководителя ЛЧС, последовательность действий при этом предусматривает: определение площади пролива и (или) расхода газообразного выброса; определение направления и скорости ветра; определение параметров фактической зоны заражения; определение направления ограничения распространения хлоровоздушного облака; определение требуемого уровня ограничения глубины фактической зоны заражения; выбор схемы постановки водяных завес; выполнение расчёта количества эшелонов водяных завес; расчёт количества рукавных распылителей; определение количества необходимых технических средств; оценку потребности воды на проведение АСР.
В основе расчёта сил и средств, необходимых для постановки завес, лежит выбор схемы постановки ВЗ, определяющий требуемое количество распылителей. Количество используемых распылителей и продолжительность выброса (испарения) хлора определяет расход воды на ведение АСР.
Необходимое количество рукавных распылителей определяется с учётом площади пролива (расхода газообразного выброса) и скорости ветра. Длина создаваемой ВЗ должна превышать ширину фронта распространения хлоровоздушного облака. Для оценки ширины фронта хлоровоз-душного облака, перекрываемого завесой, используется величина эффективной длины водяной завесы Ьзфф., рассчитываемая как
Ьэфф. = nLр + ^ (4)
где Lр - длина рукавного распылителя, м; п - количество РР в линии; h - высота завесы, м.
Эффективная длина водяной завесы позволяет учитывать боковое рассеивание водяных струй и представляет собой расстояние между точками, ограничивающими область эффективного действия завесы.
Ширина фронта хлоровоздушного облака определяется с учётом ширины пролива (размера пролива в направлении, перпендикулярном направлению ветра), скорости ветра и расстояния до границы пролива. Ширина фронта облака Lф в заданной точке определяется по формуле
Lф = 2 г ^ а/2 + Д, (5)
где г - расстояние от границы пролива до линии прокладки рукавного распылителя, м; а - угол горизонтального рассеивания хлора, град.; Д - ширина пролива, определённая в направлении, перпендикулярном направлению ветра, м.
При определении количества РР в линии (п) должно выполняться условие: Ц,фф. > Lф.
Расход воды (в единицу времени, дм3/с) для обеспечения работы завес рассчитывается с использованием данных о количестве действующих РР и их секундном расходе (табл. 1):
Q = п ъ, (6)
где Q - расход воды на постановку завес, дм3/с; п - количество рукавных распылителей, шт.; ъ -расход воды одного распылителя, дм3/с.
Количество пожарных аварийно-спасательных машин (пожарных насосов) для постановки водяных завес определяется как
N = Q / QA, (7)
где NA - количество пожарных машин, ед.; QA - расход воды одной пожарной машины (пожарного насоса), дм3/с.
Округление дробных величин производится до целочисленных значений в большую сторону.
При подаче воды методом подвоза количество пожарных аварийно-спасательных машин определяется исходя из количества смен с учётом времени на движение к месту заправки (и обратно) и на заливку воды. Время на движение и заправку рассчитывается исходя из местных условий. Количество машин при подаче воды методом подвоза должно быть не менее двух.
Численность личного состава формирований, участвующих в постановке завес:
N.0. = N N,0.1, (8)
где N^0. - численность личного состава формирований, чел.; N^.1 - численность личного состава для обеспечения работы одной машины.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В случае если фактическая зона заражения имеет размеры, требующие её ограничения, как правило, принимается решение на постановку водяных завес. Важнейшую роль при этом играет правильный выбор схемы постановки завес, для этого необходим учёт данных о площади пролива и (или) расходе газообразного выброса, направлении и скорости ветра, параметрах фактической зоны заражения, направлении ограничения распространения хлоровоздушного облака, требуемом уровне ограничения глубины фактической зоны заражения. Выбранная схема постановки завес определяет требуемое количество распылителей, технических средств и воды на проведение АСР.
Проведённый комплекс исследований позволил не только рассчитывать глубину фактической зоны заражения, но прогнозировать её изменение в результате постановки завес с различными параметрами. Результатом этого явился достаточно простой метод расчёта сил и средств, необходимых для проведения аварийно-спасательных работ в части того, что связано с постановкой водяных завес. С использованием имеющихся данных в настоящее время разработана «Методика расчёта сил и средств для постановки водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) хлора».
Литература
1. Котов Г.В., Булва А.Д., Смоляков А.Б. Повышение эффективности применения водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом опасных химических веществ // Вестн. Команд.-инженер. ин-та МЧС Респ. Беларусь. - 2010. - № 1(11). - С. 33 - 40.
2. Голуб О.В., Котов Г.В., Фисенко С.П. Моделирование формирования облака пара в ветровом потоке при интенсивном испарении // Инженерно-физический журнал. 2010. Т. 83, № 4. - С. 757 - 762.
3. Фисенко С.П., Котов Г.В., Голуб О.В. Моделирование процесса формирования хлорвоздушного облака над поверхностью пролива // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. № 1(27). -2010. - С. 117 - 126.
4. Котов Г.В., Еремин А.П. Расчёт сил и средств для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) аммиака // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. № 2(26). - 2009. - С. 95 - 104.
