V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение

Среди промышленных объектов, использующих в технологическом процессе аварийно химически опасные вещества, самыми многочисленными являются предприятия, использующие в технологическом цикле аммиак и хлор. Значительное количество химически опасных объектов располагается рядом с городом или даже в черте городской застройки (водопроводные станции, предприятия пищевой и химической промышленности, холодильники), что требует принятия особых мер по обеспечению безопасности их функционирования и защите населения, проживающего вблизи этих объектов, от последствий аварий.

В данной работе рассматриваются очистные сооружения водопровода, направлением деятельности которых, является обеспечение потребителей города питьевой водой. Целью данной работы является рассмотрение рациональных методов уменьшения последствий в случае аварийного выброса химического вещества. В связи с этим решаются следующие задачи:

- рассматривается процесс обеззараживания воды хлором и связанные с ним техногенные аварии;

- проведен расчет масштабов аварии при наихудшем варианте развития событий, на примере объекта водоочистных сооружений г. Хабаровска

1. Технология обеззараживания

Хлорирование воды - обработка воды хлором и его соединениями. Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микробов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы [11].

Для обеззараживания воды применяется хлор в газообразном состоянии и в виде соединений (хлорная известь, гипохлориты и др.). На рисунке 1 представлена общая схема хлорирования жидким хлором.

Правильное назначение дозы хлора является исключительно важным. Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды. Поэтому доза хлора должна быть установлена в зависимости от индивидуальных свойств очищаемой воды на основании опытов с этой водой.

Расчетная доза хлора при проектировании обеззараживающей установки принимается исходя из необходимости очистки воды в период ее максимального загрязнения (например, в период паводков).

Рис.1. Принципиальная схема хлорирования:

I – баллоны с сжиженным хлором, II- промежуточный баллон.

Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде остаточного хлора. Согласно требованиям [2], концентрация остаточного хлора в воде перед поступлением ее в сеть должна находиться в пределах 0,3— 0,5 мг/л.

Хранение хлора при температуре кипения жидкого хлора при атмосферном давлении, называемое также изотермическим способом хранения, осуществляется в хлорных сосудах при температуре, равной или близкой к -34 °С. Хранение хлора под высоким давлением осуществляется в сосудах и емкостях при температуре окружающей среды; давление насыщенных паров хлора в них превышает 70 кПа, а сами сосуды и емкости рассчитаны на механическую прочность при рабочем давлении и расчетной температуре стенки, равной температуре жидкости в сосудах. Из описанных выше способов хранения хлора наиболее безопасным является изотермический, т.к., во-первых, жидкий хлор при таком способе не имеет запаса внутренней энергии и доля хлора, мгновенно переходящего в газовую фазу, отсутствует, а во-вторых, из-за отсутствия движущей силы (перепада давления) скорость утечки жидкого или газообразного хлора при локальных разгерметизация арматуры и обвязочных трубопроводов незначительна.

Хлор хранят и перевозят к местам потребления только в сжиженном состоянии. В качестве сосудов для хранения хлора в нашей стране применяют хлорные танки, хлорные контейнеры и баллоны. За рубежом, кроме того, для хранения используются изотермические резервуары большой единичной мощности.

1. Аварии, связанные с выбросом хлора.Причины и последствия

Эксплуатация хлорного хозяйства сопряжена с риском возникновения опасных ситуаций, вызванных попаданием сильнодействующего ядовитого вещества в рабочие зоны и на окружающие территории. Необходимость соблюдения особых мер предосторожности при транспортировке и хранении токсичного хлора является недостатком метода хлорирования воды. Опасность утечки хлора на базисных складах водоочистных комплексов, расположенных вблизи населенных пунктов, во многих - случаях препятствует применению этого метода обеззараживания воды. Нарушение герметичности хлорных сосудов и химической аппаратуры может привести к утечке больших количеств хлора за сравнительно короткий промежуток времени.

Обычно скорость испарения максимальна в первые моменты после разлива. Однако в случае хранения хлора при низкой температуре доля первоначально испаряющейся жидкости резко уменьшается по сравнению со случаем хранения при повышенном давлении. В последующем скорость испарения в основном зависит от притока тепла извне и удаления паров с поверхности жидкости.

Наиболее опасными этапами производственного процесса считаются погрузочно-разгрузочные работы, включению емкостей с жидким хлором в технологическую линию получения хлорной воды и по отключению от нее, хранение емкостей с жидким хлором в хранилищах и на открытых площадках [9].

Опыт показывает, что часто непосредственными причинами выброса хлора является: отрыв запорных вентилей емкостей, повреждение контейнеров и баллонов, повреждение хлоропроводов, попадание внутрь тары, трубопроводов, грязевиков и испарителей воды, разгерметизация фланцевых соединений [9].

Общие причины аварийных ситуаций относятся к техническим (отказы оборудования) или к эксплутационным ошибкам (небрежное выполнение обязанностей персоналом, нарушение регламента работы и т. д.).

Утечки хлора возникают вследствие коррозии емкостей, труб, оборудования, при механическом повреждении вентилей и фланцевых соединений.

Нередко тяжелые аварии возникают при открытом хранении баллонов и контейнеров из-за разгерметизации тары при нагреве солнечными лучами.

В зоне химического заражения могут быть выделены составляющие ее зоны — зона смертельных токсодоз (зона чрезвычайно опасного заражения), зона поражающих токсодоз (зона опасного заражения) и зона дискомфорта (пороговая зона, зона заражения).

На внешней границе зоны смертельных токсодоз 50% людей получают смертельную токсодозу. На внешней границе поражающих токсодоз 50% людей получают поражающую токсодозу. На внешней границе дискомфортной зоны люди испытывают дискомфорт, начинается обострение хронических заболеваний или появляются первые признаки интоксикации [10].

По физиологическому действию на организм хлор относится к группе веществ удушающего действия. В момент контакта он оказывает сильное раздражающее действие на слизистую оболочку дыхательных путей и глаза. Признаки поражения наступают сразу после воздействия, поэтому хлор является быстродействующим АХОВ. Проникая в глубокие дыхательные пути, хлор разрушает лёгочную ткань, вызывая отёк лёгких [5].

В зависимости от концентрации (токсодозы) хлора степень тяжести отравления может быть различной.

При воздействии хлора уже в незначительных концентрациях наблюдается покраснение коньюктивы глаз, мягкого нёба и глотки, а также бронхит, лёгкая одышка, охриплость, чувство сдавливания в груди. Пребывание в атмосфере, содержащей хлор в концентрациях 1,5–2 г/куб.м, сопровождается появлением болевых ощущений в верхних дыхательных путях, жжением и болью за грудиной (чувство сильного сдавливания в груди), жжением и резью в глазах, слезотечением, мучительным сухим кашлем. Через 2–4 ч появляются признаки отёка лёгких. Увеличивается одышка, учащается пульс, начинается отделение пенистой жёлтоватой или красноватой мокроты.

Воздействие высоких концентраций хлора в течение 10–15 мин может привести к развитию химического ожога лёгких и смерти. При вдыхании хлора в очень высоких концентрациях смерть наступает в течение нескольких минут из-за паралича дыхательного центра. Раздражающее действие возникает при концентрации около 10 мг/куб. м. Воздействие 100–200 мг/куб. м хлора в течение 30–60 минут опасно для жизни.

1. Расчет масштабов аварий

Головные водоочистные сооружения МУП «Водоканал» находятся в городской черте г. Хабаровска и относятся к Химически опасным объектам (ХОО) [1]. Класс опасности – 3 [5]. Общий размер территории объекта – 260 тыс.кв.м, ширина санитарно-защитной зоны – 200 м. Общая численность персонала – 90 человек; наибольшая рабочая смена – 72 человека.

Суммарное количество АХОВ на складе хлора головных очистных сооружений водопровода составляет 8 т., в наибольшей емкости 1 т. (800 л). Условия хранения – под давлением. Способ хранения – наземный.

При заблаговременном прогнозировании масштабов заражения на случай производственных аварий в качестве исходных данных принимается: количество АХОВ в максимальной по объему единичной емкости (технологической, складской, транспортной и др.), (для сейсмических районов общий запас АХОВ); метеорологические условия – инверсия, скорость ветра 1м/с, температура воздуха - 20℃.

Под прогнозированием масштаба заражения АХОВ понимается определение глубины и площади зоны заражения АХОВ [4].

Согласно проведенным расчетам по [4], при аварии, связанной с выбросом хлора на ГОСВ МУП «Водоканал» были получены следующие данные: площадь зоны фактического заражения АХОВ (площадь территории, зараженной АХОВ в опасных для жизни пределах) составит 2,46 кв.км; площадь зоны возможного заражения АХОВ (площадь территории, в пределах которой под воздействием изменения направления ветра может перемещаться облако АХОВ) - 36,16 кв.км; глубина распространения облака зараженного воздуха – 4,8 км. На рисунке 2 отображена граница зоны возможного заражения в границах города.

Рис.2. Границы зоны возможного заражения

1. Мероприятия по обеспечению безопасности в случае аварии

В аварийных ситуациях, связанных с выбросом хлора, необходимо оперативно организовать мероприятия, ограничивающие распространение хлорной волны. Одним из наиболее эффективных средств ее локализации является защитная водяная завеса, которая создается с помощью распылителей воды [6].

Создание защитных водяных завес должно быть предусмотрено у следующих объектов [6]: склады жидкого хлора, пункты слива-налива жидкого хлора, испарительные, отстойные железнодорожные тупики, пункты перевалки затаренного жидкого хлора с одного вида транспорта на другой, системы трубопроводной транспортировки хлора.

При рассмотрении вопроса практической реализации системы локализации хлорной волны с помощью защитной водяной завесы можно выделить три основных варианта ее применения:

- на открытой площадке (местности);

- на складах хлора в танках и закрытых пунктах слива-налива жидкого хлора из ж.д. цистерн;

- на складах хлора в контейнерах и баллонах.

На объектах закрытых складов хлора в контейнерах или баллонах защитная водяная завеса создается не по всему периметру здания, а только в местах возможного выхода хлора за его пределы, т.е. у дверных проемов и ворот для въезда автомобилей с хлорной тарой [6]. Это объясняется тем, что при аварийных выбросах хлора из контейнера или баллона здание склада не может быть разрушено.

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 [7].

При локализации хлорной волны водяной завесой важно, чтобы вода не попадала на вытекающий сжиженный хлор, так как это приведет к усилению выделения газообразного хлора из-за нагрева жидкой фазы хлора водой [6].

Сточные воды, образующиеся при работе распылителей в случае возникновения хлорных выбросов, в нейтрализации не нуждаются, так как концентрация в них хлора не превышает 1 мг/л. В связи с этим сточная вода может направляться в систему ливневой канализации без предварительной очистки [6].

Для создания защитной водяной завесы на складах жидкого хлора используются, представленные на рисунке 3, стационарно устанавливаемые распылительные устройства – рессеиватели, разработанные ПО «Химическая безопасность». Основными элементами распылителя являются ствол и отражательный диск. На основе таких устройств, создаются стационарные системы локализации хлорной волны защитной водяной завесой. Такими системами оборудованы производственные объекты МП «Водоканал» г. Королева, г. Н. Новгорода, г. Ярославля, г. Архангельска и др. [12].

Рис.3. Распылительные устройства - рассеиватели

Недостатком данных систем является то, что распылительные устройства располагаются снаружи здания склада, что ставит под сомнение надежность их срабатывания в условиях низких температур и обильного снегопада. Аналогом данных систем, применительно к складу хлора ГОСВ МУП «Водоканал» могут быть дренчерные установки. Дренчерные системы представляют собой систему автоматического водяного пожаротушения, а также применяются в качестве дренчерных завес, которые обеспечивают отсечение «стеной воды» помещения. Основным элементом дренчерной системы является дренчерный ороситель, представленный на рисунке 4.

Водяные завесы могут использоваться для защиты технологических проемов, ворот или дверей. При ширине до 5 м распределительный трубопровод с оросителями выполняется в одну нитку. Расстояние между оросителями дренчерной завесы вдоль распределительного трубопровода при монтаже в одну нитку определяются из расчета обеспечения по всей ширине защиты удельного расхода 1 л/(с·м) [14].

Рис.4. Дренчерный ороситель

Данные системы устанавливаются совместно с системами газоанализаторов. При достижении концентрации хлора в месте установки датчиков в диапазоне 20-50 мг/куб.м дренчерная система и система на основе рассеивателей включаются автоматически. Система автоматического управления водяной завесы предусматривает [15]:

- сигнализацию состояния и автоматическое управление электрозадвижками, установленными на трубопроводах водяных завес при загазованности парами хлора помещения;

- измерение давления воды в трубопроводах до и после электрозадвижек с сигнализацией нижнего предельного значения (6,5 кгс/В.см);

- сигнализация верхнего предельного значения уровня воды в колодцах слива;

- измерение температуры наружного воздуха с сигнализацией нижнего предельного значения (минус 10°С);

- автоматическое включение стационарной системы локализации хлорной волны защитной водяной завесой.

Водяная завеса действует максимум 30 минут. По истечении 30 минут водяная завеса отключается в автоматическом или ручном режимах.

1. Автоматическая система создания защитной водяной завесы

Объектом автоматизации является комплекс оборудования, обеспечивающий постановку водяной завесы при обнаружении утечки хлора в хранилищах.

В состав оборудования входят [15]:

- насосы со шкафами местного управления;

- электрифицированные задвижки;

- дизель-генератор;

- трубопроводная арматура.

АСУ ВЗ предназначена для реализации функций оперативного контроля концентрации хлора в хранилищах и управления исполнительными механизмами системы водяной завесы. Система состоит из трех уровней. Основные элементы уровней системы приведены на рисунке 5.

Нижний уровень системы представляет собой совокупность датчиковой аппаратуры, комплектов световой и звуковой сигнализации, погружных насосов, электрифицированных задвижек с конечными выключателями и кабельного хозяйства.

Рис.5. Уровни АСУ ВЗ

В состав датчиковой аппаратуры входят:

- преобразователи давления, установленные на выходных магистралях погружных насосов (служат для измерения величины давления воды в трубопроводах системы);

- датчики хлора, установленные в хранилищах (предназначены для измерения концентрации хлора в точке установки и передачи измеренных величин на блоки индикации).

Средний уровень АСУ ВЗ предназначен для решения следующих задач [15]:

- сбора информации о состоянии системы и её анализа;

- автоматического управления постановкой водяной завесы в случае аварии;

- формирования и передачи на АРМ информации о состоянии системы;

- приёма от АРМ разовых команд управления периферийными устройствами или имитации аварийных ситуаций (например, в учебном режиме работы системы) и их отработки.

Верхний уровень системы представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора АСУ ВЗ. Аппаратно АРМ реализовано на базе компьютера и принтера.

АРМ предназначено для решения следующих основных задач [15]:

- обеспечения удобного и информативного интерфейса оператора;

- получения от ПЛК информации о состоянии периферийных устройств, анализа сложившейся обстановки и отображения её на экране монитора;

- автоматической генерации сменного файла отчёта и регистрации в нём всех событий, происходящих в системе за смену;

- создания и ведения архивов штатных и аварийных отчётов функционирования системы;

- ведения журнала событий;

- обеспечения возможности работы АРМ в штатном, аварийном и учебно-технологическом режимах;

- реализации функций администрирования (ограничение доступа пользователей системы к тем или иным операциям или режимам функционирования).

Заключение

Согласно [3] на расходных складах жидкого хлора в резервуарах (контейнерах), баллонах в количествах необходимых для текущих нужд предприятия в период между поставками не должны быть, в обязательном порядке, предусмотрены автоматические системы контроля аварийных выбросов хлора и установки их локализации с помощью защитной водяной завесы.

Целесообразность установки автоматической системы управления водяной завесой обуславливается расположением объекта в городской черте и масштабами возможного воздействия хлора. Эффективность водяной завесы зависит от ее собственных параметров и давления в линии, а также своевременности срабатывания системы. Так, при моментальном срабатывание грамотно спроектированной системы «выход» хлоровоздушного облака за пределы помещения склада может быть практически исключен и площадь зоны заражения будет численно равной площади помещения склада хлора.

Список использованных источников и литературы

1. ГОСТ 22.0.05-97 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Техногенные чрезвычайные ситуации. Термины и определения.

2. ГОСТ 2874-82 Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством.

3. ПБ 09-322-99 Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора.

4. РД 52.04.253-90 Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте.

5. Справочник по защите населения от сильнодействующих ядовитых веществ. М.: ВНИИ ГОЧС, 1995

6. Руководство по ликвидации аварий на объектах производства, хранения, транспортирования и применения хлора. Министерство по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. М.: Российский центр «Хлорбезопасность», 1997

7. Котов Г.В. Постановка водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) хлора / Г.В. Котов// Научные и образовательные проблемы гражданской защиты – 2011.- № 2. – 44 с.

8. Водоснабжение и санитарная техника. Ежемесячный научно-технический и производственный журнал. – 2012.- № 7 – стр.6, 36

9. Техническая эксплуатация коммунальных систем водоснабжения и водоотведения : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2. / Г.И. Воловник [и др.]. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. – 220 с.

10. Чрезвычайные ситуации на химически опасных объектах с выбросом аварийно химически опасных веществ (АХОВ) в окружающую природную среду : метод. разработка для студентов / Л.Н. Борисенко [ и др.]. – Н.Новгород: изд-во НГТУ, 2009. – 38 с.

11. Руководство по гигиене водоснабжения / под ред. С. Н. Черкинского. М.: 1975.

12. Информационный портал ООО «НПО Сила» [Электронный ресурс]/ Локализация хлорной волны с помощью защитной водяной завесы. – Санкт-Петербург, 2011. – URL: http://nposila.ru.html (дата обращения: 08.11.2012).

13. Выдержка из книги Кузнецова А.Е. «Противопожарное водоснабжение промышленных предприятий»

14. СП 5.13130.2009 Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования.

15. Автоматизированная система контроля аварийных выбросов на химически опасных объектах / Ю.В. Бседин [и др.] // Журнал «Мониторинг – Наука и безопасность». – 2011. – №1

Код для цитирования: Скопировать