Содержание к диссертации
Введение
Опасности теплового поражения человека по критерию порогового импульса облучения
1.1. Методические подходы
1.1.1. Детерминированный подход
1.1.2. Вероятностные подходы
1.2. Гармонизация методов оценки пожарного риска 1
1.2.1. Модели пожаров
1.2.2. Модели оценки последствий
1.3. Выводы по разделу
ГЛАВА II Построение математической модели процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова человека при интенсивном нагреве излучением
2.1. Структура и свойства кожи
2.2. Анализ моделей и критериев теплового поражения
2.2.1. Кинетическая модель
2.2.2. Тепловые модели
2.3. Построение тепловой модели
2.4. Алгоритм решения и адекватность модели
2.5. Выводы по разделу
ГЛАВА III Гармонизация отечественных и зарубежных методов оценки опасности теплового поражения по критерию критической температуры кожного покрова
3.1. Метод критической температуры 58
3.2. Результаты вычислительного эксперимента 60
3.3. Гармонизация отечественных и зарубежных данных 68 по скорости теплового поражения
3.4. Выводы по разделу 73
ГЛАВА IV Автоматизированный метод прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях 75
4.1. Анализ основных положений Федерального закона РФ№123-ФЗ от 22.07.08 по расчету пожарного риска 75
4.2. Определение границ областей безвозвратных и санитарных потерь 77
4.3. Построение зон поражения тепловым излучением 82
4.4. Автоматизированный алгоритм расчета вероятностей поражения 88
4.5. Практический пример. Расчет безвозвратных и санитарных потерь на различных расстояниях от огненного шара (ОШ) 92
Выводы по работе 96
Список использованных источников 98
Приложение
- Гармонизация методов оценки пожарного риска
- Анализ моделей и критериев теплового поражения
- Гармонизация отечественных и зарубежных данных 68 по скорости теплового поражения
- Построение зон поражения тепловым излучением
Введение к работе
Актуальность работы. На современных химических и нефтехимических предприятиях обращаются огромные количества энергонасыщенных веществ. Аварийные ситуации, связанные с разгерметизацией оборудования и возникновением пожаров, могут иметь катастрофические последствия для окружающей среды, обслуживающего персонала и населения рядом расположенных жилых территорий. Разработка мероприятий по обеспечению пожарной безопасности таких объектов, в соответствии с действующим законодательством (Федеральный закон №123 ФЗ от 22.07.2008 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», далее – «ФЗ-123»), должна базироваться на научно обоснованных методиках количественной оценки риска пожарной опасности, устанавливающих соответствие реальных рисков законодательно установленному предельному значению.
Задача оценки пожарных рисков является неотъемлемой частью процесса проектирования опасных производственных объектов, составления деклараций и паспортов безопасности, планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций, разработки инженерно-технических мероприятий по защите персонала и населения от возможных аварий и в ряде других случаев. В соответствии с регламентом РД 03–418–01 (2001), при анализе последствий аварий необходимо использовать модели протекания аварийных процессов, а также обоснованные критерии поражения людей и разрушения изучаемых объектов. Одним из основных опасных факторов на пожароопасных объектах является тепловое воздействие от пожаров-вспышек, огненных шаров, пожаров пролива горючих жидкостей, факельного горения истекающих из оборудования газов и паров. Основным механизмом теплопередачи от высокотемпературных источников к поражаемым объектам является при этом тепловое излучение.
При тепловом поражении людей возникает необходимость оказания безотлагательной догоспитальной помощи пострадавшим путем оперативного проведения организационно-технических мероприятий в условиях острого дефицита времени. Эффективность оказания помощи в конкретной чрезвычайной ситуации зависит от оперативности получения информации из Ситуационных Центров о количестве пострадавших и степени их поражения. Оперативность может быть достигнута за счет использования информационно-математических моделей. Создание таких моделей является сложной научно-технической проблемой, в решении которой необходима концентрация усилий специалистов в различных областях знаний: тепломассообмена, химической физики, светотехники, медицины, управления.
Однако, как отмечает главный редактор научного журнала «Проблемы анализа риска» А.А. Быков, «…методический аппарат оценки риска весьма далёк от совершенства. Применение методических рекомендаций может приводить к результатам, искаженным на порядки величин в ту или иную сторону». В этом же сообщении отмечается необходимость «…сопоставить принятые в нашей стране подходы с используемыми в мире».
В руководстве работой принимал участие канд. тех. наук, доцент Еналеев Р.Ш.
Состояние анализируемой проблемы и мотивировало выбор цели и задач настоящего исследования.
Целью работы является научное обоснование и гармонизация отечественных и зарубежных расчетных методик по анализу пожарного риска в части количественной оценки последствий воздействия теплового излучения на биообъекты для прогнозирования последствий аварийных ситуаций на предприятиях химической и нефтехимической промышленности.
В задачи исследования входило:
-
Обоснование пробит-функций для прогнозирования термических ожогов различной степени тяжести.
-
Построение математической модели процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова и разработка алгоритма идентификации модели по опытным данным.
-
На основе численного эксперимента обоснование нового температурного критерия вероятностного характера, определяющего условия возникновения термических ожогов.
-
Повышение достоверности результатов проектных работ за счет гармонизации отечественных и зарубежных методов оценки опасности поражения человека тепловым излучением.
-
Повышение эффективности выполнения проектных работ за счет применения автоматизированных вычислительных методов прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь.
Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:
-
Проведена гармонизация отечественных и зарубежных расчетных методов оценки поражающего воздействия теплового излучения с применением критериев порогового импульса и критической температуры.
-
Обоснованы новые пробит-функции для прогнозирования порога болевого ощущения, ожогов I и III степеней с использованием зарубежных данных по тепловому поражению человека излучением с вероятностью 0,5.
-
Разработана новая вычислительная модель процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова человека, учитывающая оптические свойства кожи и скорость оттока тепла за счет кровообращения.
-
Обоснован новый инвариантный к скорости нагрева критерий критической температуры в слое кожного покрова, расположенном на глубине 0,36 мм от поверхности, определяющий условия возникновения ожогов II степени для различной вероятности поражения.
-
Предложен автоматизированный вычислительный метод прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь при воздействии теплового излучения пожаров на химических и нефтехимических предприятиях.
Личный вклад автора состоит в сравнительном анализе и гармонизации отечественных и зарубежных методов количественной оценки опасности поражения человека тепловым излучением; идентификации параметров вычислительной модели и проведении вычислительного эксперимента по определению глубины термического поражения кожного покрова; обосновании пробит-функций для различных степеней термического поражения; разработке алгоритма автоматизированного расчета безвозвратных и санитарных потерь.
Основные результаты, выносимые на защиту:
результаты гармонизации отечественных и зарубежных методов количественной оценки последствий воздействия теплового излучения на человека;
инвариантный к скорости нагрева критерий критической температуры кожи в слое, расположенном на глубине 0,36 мм от наружной поверхности кожи;
пробит-функции для порога болевого ощущения, ожогов I и Ш степеней для расчета вероятности возникновения термических ожогов;
автоматизированный метод прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь при воздействии теплового излучения пожаров.
Практическая значимость полученных результатов заключается:
в применении программно-вычислительного комплекса прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь при различных сценариях аварийного выброса и горения углеводородного топлива,
в повышении достоверности результатов проектных работ за счет применения гармонизированных отечественных и зарубежных методов прогнозирования санитарных потерь при поражении человека тепловым излучением;
в повышении эффективности проектирования опасных производственных объектов в части анализа пожарного риска, разработки деклараций и паспортов промышленной безопасности, а также эффективности организационно-технических мероприятий по предотвращению и снижению тяжести последствий аварий в химической и нефтехимической отраслях промышленности.
Реализация и внедрение результатов работы. Программный продукт «Автоматизированный вычислительный комплекс по прогнозированию безвозвратных и санитарных потерь при воздействии теплового излучения пожаров», разработанный в диссертации, используется проектным институтом «Союзхимпромпроект» ГОУ ВПО КГТУ и ООО «Эксперт Бюро» при разработке Деклараций промышленной и пожарной безопасности и в расчетной части специальных разделов проектов ряда опасных производственных объектов, что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы специальной технической химии» (Казань, 2007); на 7-й Международной конференции «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф» (Томск, 2008); на XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009); на Международной конференции «Химическая и радиационная физика» (М.:Президиум РАН, 2009); на II конференции по фильтрационному горению (Черноголовка, Институт проблем химической физики РАН) и на ежегодных научных сессиях ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» (Казань, 2008 – 2011 гг.).
Гармонизация методов оценки пожарного риска
Структура диссертации включает в себя введение, четыре главы, выводы, список использованных источников, приложения.
Во введении выделена актуальность проблемы, сформулирована цель работы; определена научная новизна и практическая значимость исследования, представлены основные результаты работы, выносимые на защиту; описана структура диссертации.
В первой главе проводится гармонизация методов оценки опасности теплового поражения человека по критерию порогового импульса облучения. Рассматриваются экспериментальные методы количественной оценки теплового поражения, методы медицинской статистики, результаты сравнительного анализа при воспроизведении термических ожогов II степени с вероятностью 0,5. Обосновывается новая пробит-функция, учитывающая коэффициент поглощения кожного покрова при воздействии теплового излучения.
Во второй главе для гармонизации расчетных методов прогнозирования опасности теплового поражения, основанных на использовании теоретических моделей и температурных критериев возникновения ожогов зарубежных стандартов, построена новая тепловая математическая модель процесса теплопередачи в структурных слоях кожного покрова человека, учитывающая объемное поглощение излучения и зависимость коэффициентов теплопроводности структурных слоев кожи от температуры.
Доказывается адекватность модели при сравнении результатов моделирования как с экспериментальными данными, так и с другими отечественными и зарубежными моделями.
В третьей главе представлены результаты вычислительного эксперимента с применением разработанной тепловой модели по обоснованию нового инвариантного к скорости нагрева критерия критической температуры на глубине 0,36 мм от поверхности кожи.
Проведена гармонизация функциональной зависимости скорости поражения от температуры на границе основного слоя кожного покрова, используемой в зарубежных стандартах, и зависимости вероятности теплового поражения от температуры на глубине 0,36 мм от поверхности кожного покрова с использованием отечественной пробит-функций для ожога II степени.
В дополнение к существующим ГОСТированным методам контроля пожарной безопасности в части количественной оценки последствий воздействия теплового излучения в различных сценариях развития аварийной ситуации предлагаются новые гармонизированные с зарубежными стандартами пробит-функций для оценки вероятности порога болевого ощущения, ожогов I и Ш степеней.
В четвертой главе обосновываются критерии выделения границ зон теплового поражения в области воздействия опасного источника теплового излучения.
Предложен автоматизированный вычислительный алгоритм прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь с использованием новых пробит-функций при воздействии теплового излучения пожаров на химических и нефтехимических предприятиях. Приводится блок-схема и описание алгоритма расчета вероятностей возникновения каждой степени теплового поражения.
В выводах сформулированы основные результаты работы. В приложении представлены копии документов о практическом использовании результатов диссертационной работы. ГЛАВАI
Для прогнозирования зон теплового поражения людей и расчета санитарных потерь в ЧС могут применяться различные отечественные и зарубежные методы, представляющие количественные зависимости между термодинамическими и медицинскими критериями поражения.
Гармонизация методов количественной оценки опасности поражения человека тепловым излучением при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях необходима для научного обоснования достоверных методов прогнозирования термических ожогов различной степени тяжести.
Достоверность расчетных методов должна подтверждаться результатами сравнения с другими независимыми методами и с опытными данными реальных или лабораторных методов испытаний.
Согласно [11] при, оценке последствий воздействия теплового излучения могут быть использованы как детерминированные, так и вероятностные критерии поражения. Соответственно и методы количественной оценки также могут быть отнесены к одному из подходов - детерминированному или вероятностному.
В зарубежной литературе при детерминированном подходе за критерий теплового поражения принимается критическое или пороговое значение импульса облучения или температуры. Под импульсом или количеством облучения, поглощенного кожным покровом человека, понимается произведение постоянной плотности теплового потока на время экспозиции, под критической температурой - температура основного слоя кожи на границе эпидермиса и дермы. За пороговые принимаются такие значения импульса облучения или температуры, при которых с вероятностью 0,5 возникает одна из степеней теплового поражения — III, II, I или порог болевого ощущения.
Накопленный в течение нескольких десятилетий экспериментальный материал в ведущих отечественных и зарубежных научных ожоговых Центрах позволяет систематизировать результаты исследований по критическим значениям количества энергии, вызывающих ожог II степени биологических тканей с вероятностью 0,5. Выборка из этих данных представлена в табл. 1.1. Время экспозиции выбрано в диапазоне реального времени аварийной трансформации химической энергии.
Анализ моделей и критериев теплового поражения
Анализ литературных данных в области методического обеспечения оценки пожарного риска доказывает, что детерминированные модели и критерии теплового поражения человека основаны на информации о температурном поле в структурных слоях кожного покрова. С помощью одних моделей устанавливаются корреляционные отношения между температурой кожи на определённой глубине и скоростью поражения, с помощью других - рассчитывается распределение температуры в кожном покрове и находится зависимость между температурой на определённой глубине и вероятностью возникновения ожога.
В обоих видах моделей, которые можно отнести к внутренней задаче, степень тяжестиL и вероятность поражения устанавливается в сопряженной постановке с внешней задачей, в которой определяются критические значения энергетического воздействия.
Очевидно, исходными данными при построении математических моделей являются теплофизические, оптические и структурные свойства кожного покрова.
При построении математических моделей кожный покров человека, схематично показанный йа рис. 2.1 [42], рассматривается как сложная структура, которая обеспечивает термодинамическое равновесие между человеком и окружающей средой.
В прогнозировании ожогов различной степени тяжести и лечении ожоговой болезни необходимо выделить несколько ключевых аспектов: многослойность и различие свойств структурных слоев кожи; наличие сети артерий, вен и капилляров для терморегуляции процессов в кожном покрове человека; управление процессами теплообмена с помощью рецепторов, расположенных на границе эпидермис - дерма и в области дермы;
Коэффициент поглощения, (см"1) 180,0 7,5 7,5 Скорость кровотока, (см/мин/100 см ткани) 0,0 7,5 7,5 В соответствии с табличными данными начальная температура поверхности кожного покрова принимается равной внутренней температуре тела биообъекта.
Значения теплофизических свойств кожного покрова считаются постоянными. Поглощение энергии излучения практически происходит только в поверхностном слое толщиной 80 микрометров, в котором коэффициент поглощения1 равен 180 см"1. В других слоях его значение пренебрежимо мало (7,5 см_1).
Согласно последним данным [46], начальная температура поверхности кожи принимается равной 32С, а не температуре ядра биообъекта. предложенная Хенриксом и Морицом [47, 48], основывается на значениях критической температуры на определенной глубине от поверхности кожи. При этом кожа рассматривается как трехслойная система из эпидермиса (0,08 мм), дермы (2 мм) и подкожной ткани, а интеграл от скорости поражения кожи принимается за критерий теплового поражения: «эпидермис — дерма» или на другой глубине от поверхности; А — предэкспонент (частотный фактор); Е - энергия активации; R — газовая постоянная; ткр - время воздействия теплового источника до появления ожога. При значениях Р 0,5 основной слой остается без повреждений, при 0,5 Р 1 - возникают ожоги I степени. Если Р 1 - возникают ожоги II степени. Значения констант зависят от механизма нагрева структурного слоя кожи и диапазона температур нагрева.
Аррениусовская зависимость скорости поражения от температуры позволяет критерий теплового поражения (2.1) назвать кинетической моделью для определения критической температуры на границе «эпидермис - дерма» для идентификации ожогов I и II степеней.
В правой части закона сохранения энергии для дифференциального объема кожного покрова первое слагаемое представляет собой перенос энергии теплопроводностью, второе - конвекцией потоком крови через ртерии, капилляры и вены, третье - генерацию тепла метаболизмом, четвертое - объемный источник энергии от внешнего электромагнитного излучения.
Анализ литературных данных показывает, что с использованием тепловых моделей на определенной глубине кожи температура принимает близкие значения независимо от времени экспозиции для заданного индекса облучения.
Гармонизация отечественных и зарубежных данных 68 по скорости теплового поражения
В соответствии с ФЗ [1], последовательность оценки пожарного риска на производственном объекте включает две процедуры: анализ пожарной опасности производственного объекта и оценку пожарного риска на производственном объекте.
Вторая процедура состоит из 4-х основных этапов: В данной работе для научной разработки выбран как основополагающий второй этап оценки пожарного риска.
Согласно ст. 96 ФЗ (гл. 21) [1], оценка опасных факторов пожара для различных сценариев его развития осуществляется на основе сопоставления, информации о моделировании динамики опасных факторов пожара на территории производственного объекта и прилегающей к нему территории и информации о критических для жизни и здоровья людей значениях опасных факторов анализируемого пожара.
Оценка последствий воздействия опасных факторов пожара на людей для различных сценариев развития пожароопасных ситуаций предусматривает определение числа людей, попавших в зону поражения опасными факторами пожара.
В данной главе результаты научных исследований всей работы фокусируются в виде автоматизированного метода прогнозирования безвозвратных и санитарных потерь на предприятиях химической и нефтехимической промышленности. Оценка опасных факторов пожара также проводится на основе сопоставления результатов моделирования динамики изменения интенсивности теплового потока во времени на различных расстояниях от высокотемпературного источника в широком диапазоне массы аварийного выброса топлива [31] и отечественной и зарубежной информации о методах определения критических значений энергетических параметров теплового потока излучения, вызывающих тепловое поражение человека различной степени тяжести.
Совокупность задач оценки опасных факторов пожара авторами для упрощения системного анализа проблемы пожарного риска предлагается условно называть внешней и внутренней задачами.
Для решения внешней задачи в отечественных нормативных документах [10, 11, 12] имеются рабочие формулы и алгоритм расчета интенсивности излучения в заданной точке пространства вокруг аварийного высокотемпературного источника при различных аварийных сценариях развития пожара при горении углеводородных топлив в виде пожара пролива, огненного шара, факельного горения, пожара-вспышки.
Основным подходом в решение внутренней задачи является применение аппарата пробит-функций, адекватных реальным аварийным ситуациям. Адекватность может быть установлена в процедуре гармонизации расчетных методов оценки вероятностей безвозвратных и санитарных потерь различной степени тяжести экспериментальным данным по воспроизведению термических ожогов на биообъектах в лабораторных условиях и статистическим данным по оценке последствий воздействия теплового излучения на человека в техногенных авариях. В данной работе разработка автоматизированного метода прогнозирования проводится с использованием пробит-функций, полученных в результате гармонизации результатов вычислительного эксперимента по модели процесса теплопередачи в кожном покрове человека, и экспериментальных данных зарубежных исследователей.
Методические принципы, соответствующие упрощенные алгоритмы и процедуры определения максимально возможного количества пострадавших в результате аварии на опасных объектах рекомендуется в одном из последних нормативных документов МЧС «Методические рекомендации по определению количества пострадавших при чрезвычайных ситуациях техногенного характера» (далее-«Рекомендации»), утвержденные Первым заместителем Министра Российской Федерации по ЧС 01.09.2007 [59].
Построение зон поражения тепловым излучением
Как видно из представленных данных, на расстоянии 0,250 - 0,375 мм от поверхности кожи средняя температура равна приблизительно 50 С. Колебания температуры составляют 1-2 С, что обусловлено не идеальностью теплового контакта между нагревателем и поверхностью кожи исследуемого биообъекта.
Для расчета температурного поля в кожном покрове биообъекта при граничных условиях первого рода построена математическая модель процесса теплообмена в структурных слоях кожи при постоянных теплофизических свойствах.
В дальнейших работах [52] предложена математическая модель нагрева кожи при граничных условиях второго рода для постоянного теплового потока. В модели кожный покров принимался за однородное тело с переменными свойствами структурных слоев.
Результаты расчетов по трехслойной модели кожи при граничных условиях второго рода [18] показаны на рис. 2.4. Вероятность ожога рассчитывалась после обработки экспериментальных данных с помощью пробит-функции. Источник нагрева поле в структурных слоях кожного покрова биообъекта при воспроизведении ожога II степени с вероятность 0,5 В данной работе инвариантный ко времени экспозиции критерий критической температуры получил дальнейшее развитие при построении тепловой модели процесса
Как отмечалось выше, кроме данных о количестве пострадавших и степени теплового поражения, для выбора тактики лечения медикам необходима дополнительная информация по распределению температур на различной глубине поврежденного кожного покрова.
Применение кинетической модели (2.1) дает информацию по температуре только на одной глубине от поверхности кожи. В разрабатываемой модели за основу взято уравнение нестационарной теплопроводности с объёмным источником поглощаемого излучения поверхностным слоем по закону Бугера. Следует отметить, что аналогичный подход по учету поглощения излучения используется в теории зажигания конденсированных веществ, лучевой терапии в медицине, воздействии лазерного излучения на твердые материалы. Количественное описание конвективного теплообмена между кровотоком и структурными слоями кожи из-за отсутствия достоверных данных по зависимости скорости крови и коэффициента теплопередачи от температуры является трудноразрешимой задачей. Поэтому предлагается переменную интенсивность съема тепла кровотоком моделировать введением эффективного коэффициента теплопроводности, зависящего от температуры, и идентифицировать его значение в вычислительном эксперименте.
Разрабатываемую модель условно можно назвать тепловой, так как используется закон сохранения энергии: Здесь Яь сь /?ь А2, с2, ръ Я3, с3, /?з - коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и плотности структурных слоев кожи эпидермиса, дермы и подкожной ткани соответственно; z\, (z2-z{), (zi-z2) - толщина эпидермиса, дермы, подкожной ткани соответственно; к -коэффициент ослабления излучения.
Значения указанных коэффициентов выбирались из зарубежных источников. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры первого структурного слоя принималась по литературным данным [53], а второго и третьего слоя - идентифицировались в вычислительном эксперименте. t
В решении краевой задачи (2.8 - 2.12) возможны два подхода [54]. В первом подходе решение ищется для однородного тела с переменными коэффициентами переноса. Во втором - рассматривается сопряженная задача многослойной системы при граничных условиях IV рода.
Второй подход используется в основном для систем со строго заданными границами и с различными источниковыми членами в уравнении энергии для каждого слоя. Например, для оценки огнестойкости механических конструкций с теплоизолирующим покрытием и теплоизоляцией тыльной цоверхности.
В данной работе для кожного покрова с условными границами и незначительными отличиями теплофизических свойств различных слоев используется первый подход.
Кроме того, известны два метода решения - аналитический и численный/ которые при использовании современных вычислительных средств являются приближенными. Аналитическим методом решается относительно ограниченный класс нелинейных задач математической физики.
Поэтому доминирующее распространение получили численные методы [55]. В диссертационной работе нелинейная краевая задача (2.8 -2.12) решается методом конечных разностей.
