ПОЛЕВЫЕ И ДРУГИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

7.7. ПОЛЕВЫЕ И ДРУГИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

7.7.1. ОБЗОР ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В обзоре полевых исследований [Puttock.1982] обращается внимание на значительные расхождения в результатах, полученных на различных моделях. К примеру, в работе [Havens,1978] приводятся расстояния достижения 5% -ной концентрации СН4 от разлития 25 тыс. м3 чистого СПГ, предсказанные по двум моделям. По одной модели это расстояние составляет 1,3км, а по другой-44 - 88 км. В обоих случаях вычисления проводились для скорости 8 км/ч и D-условий Паскуилла. Как видно, результаты различаются приблизительно в 35 - 70 раз.

В статье отмечается, что исследования лабораторного масштаба в аэродинамических трубах и эксперименты, проводящиеся с баками, содержащими жидкости различных плотностей, очень важны; вероятно, в будущем их роль ещё более возрастет, если только будет показана возможность успешно моделировать с их помощью крупномасштабные выбросы. Однако нельзя проводить такие исследования в отрыве от полномасштабных экспериментов, поскольку в настоящее время не удается достаточно хорошо экстраполировать результаты лабораторных исследований на натурные испытания.

До настоящего времени проводились полевые исследования, направленные в основном на изучение трех ситуаций, в которых а) облако образовывалось при быстром испарении сжиженного газа и не поджигалось; б) облако образовывалось таким же способом, как и в п. а, но затем поджигалось; в) паровое облако образовывалось в результате выброса смеси тяжелого инертного газа с воздухом (часто с дымом, используемым в качестве трассера) при атмосферных температуре и давлении.

Желание как можно скорее получить результаты в области, где ощутим государственный интерес, привело к тому, что большинство полевых исследований, выполненных согласно пп. а и б, проводились только с СПГ (95% метана) в количествах до 10 т.

Однако, как отмечается Паттоком [Puttock,1982], применение в исследованиях СПГ вносит определенные сложности, во-первых, из-за значительных тепловых эффектов, появляющихся при разлитии, и, во-вторых, из-за того, что сам газ при атмосферной температуре легче воздуха. Избежать подобных неудобств позволяет применение смеси фреона с воздухом и (в меньшей степени) жидкого пропана. Однако эксперименты со смесью фреона и воздуха, хотя и дают возможность изучать процессы гравитационного опускания и рассеяния отдельно от тепловых и других эффектов, отмеченных в экспериментах с СПГ, проводятся в масштабах значительно меньших, чем масштабы реальных разлитии, приводящих к серьезным последствиям. Например, при аварии 28 июля 1948 г. в Людвигсхафене (Германия) выброшено около 30т, при аварии 11 июля 1978г. в Сан-Карлосе (Испания) - 20 т.

Выброс 20 т пропана (относительная плотность по воздуху -1,45) займет объем, приблизительно равный 10 тыс. м3. Объем выброса, произведенного в исследовательских целях на о. Торни, составлял 2тыс.м3 (см. табл. 7.1). Таким образом, можно сказать, что по отношению к случающимся в реальности разлитиям исследования на о.Торни были спланированы в масштабе 1 : 5.

Обзор экспериментов, выполненных для изучения поведения разлития в обваловании, можно найти в работах [Puttock.1982] и [Lapin.1967]. В последней из них изучается разлитие жидкого кислорода. Компанией Gas de France и Американской газовой ассоциацией (AGA) проводились исследования разлития СПГ в количествах 100 -1500 кг.

ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

В своей работе Патток отмечает 13 серий опытов по разлитию веществ на поверхности воды. Американское бюро шахт (US Bureau of Mines) провело серию исследований по разлитию СПГ на поверхности водоема в количествах 20 - 250 кг (см. [Burgess,1970;1972]).

В работе [Kneebone,1974] сообщается об исследованиях разлития от выброса 100 т СПГ, произведенного из транспорта СПГ "Gadila" компании Shell, вмещающего 75 тыс. м3 сжиженного газа. В статье обращается внимание на явление "беспламенного взрыва". Авторы сообщили также о проведенных в апреле 1959 г. опытах, в которых из судна "Methane Pioneer" выбрасывалось 20 м3 СПГ с расходом, приблизительно равным 2,6 мЗ/мин. Относительно состава СПГ здесь надо отметить следующее. Патток считает, что СПГ состоит более чем на 95% из метана. Однако в исследованиях с транспортом "Gadila" содержание компонентов СПГ было таково: метана - 87%, С2-углеводородов - 9% и С3-углеводородов - 2,75%. Следовательно, при проведении полевых исследований СПГ нельзя считать химически чистым веществом, как, например, фреон. Поэтому применение СПГ в исследованиях осложняет анализ результатов. Относительно экспериментов с разлитиями СПГ на поверхности воды в работе [Kneebone.1974] делаются следующие выводы:

1) Даже при спокойном море и скорости ветра всего 1,95 м/с на судне не обнаружено газов в сколько-нибудь ощутимой концентрации.

2) При выбросе СПГ через насадку диаметром 51 мм разлитии на поверхности воды не было.

3) При выбросе СПГ через насадку диаметром 100 мм на поверхности воды отмечено несколько пятен разлитии и паровое облако, образовавшееся на расстоянии 60 - 70 м от судна.

4) Облако рассеялось через 5-10 и 15-20 мин после окончания выброса, произведенного из насадок диаметром 51 и 100 мм соответственно.

ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Исследования в Нидерландах, о которых сообщено в работах [Ulden,1974;

NMSA.1975; Buschmann,1975], проводились с фреоном-12. Фреон выливался в горячую воду в количестве 1000 кг и быстро испарялся. Образованная при испарении смесь имела начальную плотность, приблизительно в 1,25 раза превышающую плотность воздуха. Эксперимент проходил при устойчивых атмосферных условиях и при скорости ветра на поверхности земли, равной приблизительно 3 м/с. Первоначальная высота облака составляла 5 м, но затем оно опустилось до 0,20 м. На расстоянии 1 км от точки выброса самая низкая точка облака находилась на высоте 10 м. Эти исследования в значительной степени подтвердили теоретические предпосылки ван Илдена.

В отчете [Koopman,1980] сообщается о результатах исследований на о. Чайна (шт. Калифорния, США), проведенных в 1978 г. Центром вооружений ВМС (серия Avocet). Исследования 1980 г. (серия Burro) описаны в [Koopman.1982]. В этих экспериментах СПГ в количестве 10 -18 т разливался по поверхности озера диаметром 58 м. При этом испарение появлялось при расходе, равном 5-8 т/мин, и при скорости ветра 1,8-9,1 м/с. Наблюдаемые атмосферные условия соответствовали неустойчивым и слабоустойчивым состояниям.

Особенность этих исследований заключалась в появлении в двух разлитиях быстрого фазового перехода (БФП). На расстоянии 30 м от начальной точки разлития зарегистрировано возникшее от одного из этих взрывов максимальное избыточное давление, равное 5-Ю3 Па, что в пересчете на эквивалент ТНТ составляет 6,3 кг. Вполне возможно, считает Купман, что энергии, выделяемой при БФП-взрыве, достаточно для того, чтобы вызвать химический взрыв образующегося облака паров, которое обогащено этаном на данной стадии испарения разлития. Почему БФП появились только в двух разлитиях, так и осталось невыясненным.^*

В работе [Ermak,1982] результаты серии Burro использованы для проверки точности моделей рассеяния. Обнаружено, что рассчитанное по GD-модели облако оказалось в 1,5 - 3,0 раза уже и выше по сравнению с реальным. Это, по-видимому, противоречит точке зрения, выраженной Маккуэйдом и цитируемой выше. Однако модель слоя дает хороший прогноз ширины облака, расстояния, на котором достигается нижний предел воспламеняемости, и времени рассеяния после достижения нижнего предела воспламеняемости. В то же время модель завышает вертикальный градиент концентрации, особенно при высокой скорости ветра.

Результаты расчета по трехмерной модели FEM-3, описанной в [Chan.1981], в целом лучше согласуются с экспериментом, чем результаты, полученные по модели слоя. По модели FEM-3 правильно предсказана раздвоенная структура облака для одной из серий, проведенной при низкой скорости ветра. Однако, в то время как в действительности это явление отмечалось для слегка приподнятого облака, по модели оно должно иметь место для облака, находящегося на большей высоте. В табл. 7.3, взятой из работы [Ermak,1982], сравниваются расстояния, на которых достигается нижний предел воспламеняемости облака, определенные из эксперимента и предсказанные по моделям. При экспериментах эти расстояния определялись с точностью, не превышающей -40 - + 20 м. Отметим, что, несмотря на проходимые облаком значительные расстояния, возможность его зажигания все еще сохраняется. Расстояние, на котором достигается нижний предел воспламенения (НПВ), обратно пропорционально скорости ветра.

Предварительное сообщение об исследованиях, проведенных компанией Shell Research Ltd около о. Фаулнесс на северной отмели устья Темзы, дано в работе [Puttok.1982]. В экспериментах использовались СПГ и охлажденный жидкий пропан.

ТАБЛИЦА 7.3. Максимальное расстояние достижения НПВ по

ветру в серии BURRO (oa. Чайна, 1980)

10 км дно почти плоское. Два эксперимента (с выбросом СПГ и пропана) проводились с затопленной баржой. В остальных экспериментах вещество выбрасывалось с расходом, изменяющимся в пределах 1 - 5,6 мЗ/мин. Скорость ветра составляла 1,2 -10,0 м/с. В табл. 7.4 (взятой из работы [Puttock,1982]) представлены некоторые условия и основные результаты исследований. В цитируемой работе расстояния достижения НПВ, получение в ходе исследований,

ТАБЛИЦА 7.4. Некоторые данные исследований на Мэплинских отмелях

Номер опыта	Вещество	Условия выхода, м3	Скорость ветра, м/с	Измеренное расстояние достижения ЦПВа, м
46	Пропан	2,8	7,9	245 ± 35
47	"	3,9	5,2	340 ± 80
54	"	2,3	3,6	400 ± 100
56	СПГ	2,5	4,8	110 ±30
39	"	4,5	4,5	130 ± 20
15	"	2,7	3,9	150 ± 30

аДля СПГ НПВ равен 5% (об.), для СНГ - 2,1% (об.).

Полевые исследования, выполненные в 1976 г. в Портон-Дауне, кратко описаны в работе [Puttock,1982] и подробно - в материалах [Picknett.1978;

McQuaid,1979]. Характеристики этих исследований представлены в табл. 7.1.

Эти исследования были проведены Управлением химической защиты и включали в себя выброс 40 м3 (приблизительно 0,2 т) низкотоксичного фреона-12. Выброс происходил после наполнения газом пластикового резервуара и последующего разрушения его стенок. Газ был помечен оранжевым дымом, с которым его смешивали перед выбросом. Время разрушения стенок резервуара было выбрано равным 0,5 с.

В начале исследований выбросы большого количества тяжелого газа протекали при изотермических условиях и фиксировались фотосъемкой, производимой аппаратами с объективами типа "рыбий глаз", установленными на высоте 15 м. Концентрацию на местах контролировали 10 сенсорных датчиков непрерывного действия, а также камерные и диффузионные пробоотборники. Соответствующие приборы регистрировали температуру, относительную влажность, скорость ветра, их изменение с высотой и направление ветра. Из этих и некоторых других данных можно было определить класс устойчивости атмосферы по Паскуиллу. Выполненно 42 эксперимента, но далеко не всегда работали все имевшиеся регистрирующие системы. Не имеет смысла приводить здесь все полученные результаты, поскольку сделанные после исследований в Портон-Дауне выводы подтвердились позже результатами крупномасштабных экспериментов на о. Торни.

Поведение облака в основном согласовывалось с рассматриваемым выше поведением облаков тяжелых газов, что отчасти подтвердило правильность приближения ван Илдена. Однако, хотя во многих моделях предполагалось, что облако первоначально принимает форму правильного кругового цилиндра, по-видимому, более точное описание - это тор с поднимающимся кольцевым фронтом и возникающим в нем вихревым движением. Считается, что после начала движения под действием ветра облако временно принимает подковообразную форму. Прогноз подобной формы был дан в работе [England.1978], где использовалась модель турбулентной диффузии SIGMET, подвергшаяся позже серьезному анализу в [Havens,1982a]. В работе [Ermak,1982] отмечено, что раздвоение облака наблюдалось в исследованиях серии Burro. В конечном счете можно считать, что облако имеет форму наклонного (в сторону ветра) эллипсоидального цилиндра с большей осью, ориентированной по направлению ветра.

В отчете [Picknett,1978] представлены уравнения для расчета рассеяния тяжелого газа, основанные на статистическом анализе исследований в Портон-Дауне. Константы в этих уравнениях (табл. 7.5) определяются эмпирическим путем.

ТАБЛИЦА 7.5. Безразмерные константы для расчета рассеяния

Ван Илден предложил считатьзначение α равным 1,0 (правда, определялось оно несколько иначе). Для β он принимает значение, равное 0, что, по-видимому, ошибочно.

Пикнетт предположил, что относительная плотность, при которой происходит переход от гравитационного опускания к нормальным атмосферным возмущениям, изменяется в пределах от 1,01 (при штиле) до 1,10 (при скорости ветра 6 м/с).

7.7.7. ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОСТРОВЕ ТОРНИ

Исследования рассеяния тяжелого газа на о. Торни (программа HGDT) проводились в период 1982 -1984 гг. Финансирование программы (около 1,7 млн. фунтов стерлингов) взяли на себя 38 организаций, в том числе Управление по охране здоровья и промышленной безопасности (H&SE). Работы по договору выполнялись Национальным морским институтом (сейчас British Maritime Technology Ltd). Всего по программе HGDT было проведено 29 исследований. К настоящему времени выполнен только предварительный анализ большого количества полученных результатов. На симпозиуме в Шеффилде (Великобритания) были представлены 23 доклада. В них рассматривались такие вопросы, как постановка экспериментов, методы измерения и регистрации, сравнение экспериментальных данных с рассчитанными по моделям и обзор полученных результатов (см. [McQuaid,1985]).

Обзор исследований на о.Торни [Вагге11,1985] выполнен в контексте полной программы, назначение которой, в частности, - получение необходимых данных для предсказания рассеяния облака тяжелого газа. Как видно из этой работы, программа преследует следующие цели: а) прогноз последствий выбросов;

б) оценку правильности законодательных актов 1984 г. в отношении трактовки безопасных ситуаций; в) проведение анализа случившихся аварий и установление их связи с постулируемыми.

Кроме обзора исследований в Портон-Дауне, в указанной работе в общих чертах рассматриваются результаты исследований на о.Торни. Большое внимание уделяется тому, что эти исследования в значительной степени подтверждают правильность физических моделей, в частности результатов моделирования в аэродинамической трубе, хотя их недостатки хорошо известны.

В работе [Harris, 1985] приведены различные мнения об итогах исследований на о.Торни. Здесь же составлена таблица выбросов, которые могут случиться при транспортировке и эксплуатации стационарных установок. Указано, что выбросы при исследованиях на о. Торни соответствуют приблизительно 5 т опасного вещества, тогда как для прибрежных стационарных установок вполне возможны выбросы вплоть до 100 т. Выбранная методика проведения экспериментов сводит все непрерывные выбросы к очень низкому уровню (1-2 кг/с). В работе обращено внимание на новую систему сбора погодных данных и попытку анализа атмосферных условий с помощью критериев, отличных от предложенных Паскуиллом.

Исследования на о.Торни, отмечает далее Харрис, предоставили полезные данные в части, касающейся влияния препятствий на распространение облака тяжелого газа. В заключение делается вывод о том, что исследования были удачными, но для усвоения и анализа результатов потребуется еще много лет.