Дистанционная подача высокократной пены по кабельным сооружениям при тушении пожаров

В современном мире ежегодно происходит около 7 млн. пожаров, огненной стихией уносится 70 тыс. человеческих жизней /1/, безвозвратно уничтожаются материальные ценности, в атмосферу выбрасываются тысячи тонн вредных веществ. Последствия от пожаров соизмеримы с ущербом, наносимым экологическими катастрофами (землетрясениями, наводнениями, тайфунами и др.), возникающими на земле /2/.

Несмотря на несомненные достижения в области совершенствования пожарной техники и способов борьбы с пожарами, всеразру-шающее действие этого стихийного бедствия не только не сокращается, но и непрерывно возрастает. Причина такого положения объясняется негативными, но неизбежными последствиями научно-технического прогресса — возрастанием энерговооруженности объектов, появлением новых горючих материалов, пожароопасных технологий и процессов и многим другим. При этом динамика совершенствования пожарозащищенности объектов, как правило, отстает от новых технических решений, внедряемых в’народном хозяйстве.

Разнообразие объектов по характеристикам пожарной опасности требует индивидуальных подходов к их защите. В частности, в особую группу объектов можно выделить сооружения и помещения больших объемов и протяженности. К таким сооружениям следует отнести тоннели шахты, коллекторные сооружения и др. Несмотря на их разнообразие, различные конструктивные решения и степень пожарной опасности, пожары на них имеют общую закономерность, заключающуюся в возможности развития очага на большую площадь и интенсивным задымлением больших объемов. Как показала практика, борьба с огнем на таких объектах затруднена из-за невозможности приблизиться к очагу вследствие высокой температуры и сильной потери видимости /3,4,5,95/. Ликвидация пожара в этом случае ведется длительное время и сопровождается большими потерями. В ряде случаев такие пожары приводят к техногенным катастрофам. Так, пожар, происшедший 28 октября 1995 года в Бакинском метрополитене, унес жизни 280 человек.

Наиболее частой причиной пожара в протяженных сооружениях является неисправность кабельных коммуникаций и электрооборудования /96/. По данным /97/ пожары кабельных изделий (30 911 пожаров в 2002 году) занимают четвертое место по причинам возникновения пожаров в России после древесины, отходов материалов и сигарет.

В особую группу сооружений, где последствия от пожаров могут исчисляться миллионами долларов косвенного ущерба и привести к техногенным катастрофам мирового масштаба, следует отнести электростанции, где пожары в кабельных сооружениях составляют 10% от общего их количества /98/. Характерным примером пожара следует считать аварию на АЭС Брауне Ферри (США), происшедшую в 1975 году и считающуюся одной из самых крупных как по ущербу, так и по риску возможных последствий. Пожаром, возникшим в кабельном канале и продолжавшимся семь часов, было уничтожено более 1600 кабельных линий, из которых 600 относились к системам управления защитой станции. Косвенные потери от пожара составили более 1 млн. долларов. Подобные пожары произошли в кабельных сооружениях электростанций бывшего СССР.

В октябре 1978 года возник пожар в кабельном тоннеле Вороши-ловоградской ГРЭС, в результате которого было полностью уничтожено 104 кабеля.

В мае 1979 года на Красноярской ТЭЦ произошло возгорание кабелей, развившееся в крупный пожар.

Аналогичные пожары возникали в кабельных сооружениях Экибазтузской ГРЭС, Смоленской ГРЭС, Армянской АЭС и на других объектах энергетического комплекса. Во всех случаях пожаров вследствие густой задымленности и высокой температуры боевые подразделения были не в состоянии оперативно приблизиться к месту аварийной ситуации. Борьба с огнем приобретала длительный характер и, вследствие этого, ущерб от пожаров в кабельных сооружениях энергетического комплекса составлял до 90% от общего ущерба пожаров на данных объектах.

Одним из наиболее эффективных тактических приемов ведения боевых действий в таких условиях следует считать дистанционную подачу огнетушащих средств специальной передвижной или стационарной техникой.

В практике пожаротушения протяженных объектов нашли применение передвижные установки, подающие инертные газы (азот, диоксид углерода, отработавшие газы), порошковые составы, хладоны, пену высокой кратности /6,7,138,139,141,144/.

На вооружении военизированных частей шахт и рудниковобъектов, аналогичных по конструктивно-планировочным решениям кабельным сооружениям, имеются установки объемного пожаротушения инертными газами. Достаточное распространение получили системы с использованием отработавших газов двигателей в смеси с парами воды. Для их получения и нагнетания в район пожара разработана целая серия генераторов инертных газов (ГИГ): ГИГ-50, ГИГ-4, ГИГ-1500 с производительностью парогазовой смеси от 0,83 до 25.

Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует об эффективном использовании в качестве объемного средства пожаротушения хладонов /8,9/. Для их дистанционной подачи используются установки, по металлоемкости в 7 раз меньшей по сравнению с углекислот-ными и, тем более, с ГИГ.

За рубежом широкое распространение получили системы пожаротушения азотом /6/. Несмотря на их эффективность, следует отметить сложность и дороговизну их конструкций.

В последние десятилетия большое внимание уделяется средствам порошкового пожаротушения /10,11/. Это в полной мере относится и к системам дистанционной подачи объемного средства к очагу пожара. Разработка и создание тонкодисперсных порошков, способных транспортироваться по вентиляционной струе, стойких к влажности и коагуляции, явились толчком к созданию комплексов порошкового пожаротушения. Многочисленные исследования посвящены теоретическим и экспериментальным аспектам аэродинамических и огне-тушащих характеристик порошков. Так, установлено, что наибольшая эффективность тушения порошками достигается при их концентрации 130 — 300 гм" 3. Установлено, что порошками с размерами частиц до 30 мкм с начальной концентрацией 170 гм" 3 при скорости воздушного потока 2,0 м-с" 1 удается ликвидировать пожар в горной выработке на расстоянии 60 м от места подачи порошка.

Одно из ведущих мест в практике тушения пожаров на протяженных объектах занимает воздушно-механическая пена /12,13,14,15/. Ее преимущество перед вышеприведенными средствами пожаротушения заключается в следующем. Во-первых, по данным работы /16/ пена кратностью 800 — 1000 по своей огнетушащей эффективности не уступает хладонам и значительно превосходит порошковые, углеки-слотные и другие средства объемного пожаротушения. Во-вторых, успешное применение высокократной пены, помимо высокой огнету-шащей эффективности, обусловлено ее текучестью и транспортабельностью на большие расстояния независимо от конфигурации объекта и его герметичности /17/. В-третьих, при подаче пены и ее последовательном заполнении аварийного пространства происходит блокирование распространения опасных факторов пожара и охлаждение ограждающих конструкций /18/. В-четвертых, системы пенного пожаротушения просты в конструкции и экономически выгодны /19/. И, наконец, высокократная пена, по сравнению с приведенными выше огне-тушащими средствами, обеспечивает экологически чистое пожаротушение, блокируя распространение дыма в атмосферу.

Высокократная пена широко используется для тушения судовых помещений, тоннелей метрополитена, ангаров. Системами пенного пожаротушения оборудованы машинные отделения теплоходов «Белоруссия», «Грузия», «Азербайджан» и другиепереносными генералторами высокократной пены — спасательные и пожарные суда /21/. Кроме перечисленных объектов пена высокой кратности используется при тушении пожаров на железнодорожном и автомобильном транспорте, в судостроительной промышленности, на предприятиях нефтехимической, химической, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства /23,24,25/. Достаточно отметить, что из всех типов автоматического пожаротушения на долю пенных установок приходится более 25%.

Эффективность дистанционного пожаротушения пеной доказана практикой ликвидации аварий и на объектах энергетики. Так, упоминавшийся пожар в кабельном коллекторе Армянской АЭС был успешно ликвидирован после пенной атаки. При ликвидации пожара, обнаруженного 23 мая 1986 года в кабельном сооружении Чернобыльской АЭС, Героем Российской Федерации В. М. Максимчуком и было принято решение заполнить аварийный объект пеной, после чего борьба с огнем успешно завершилась /99/. Эффективность применения систем пенного пожаротушения при защите кабельных сооружений доказана экспериментально /100/ и это средство борьбы с пожарами для данных объектов рекомендовано специалистами /113,114, 115/.

Вместе с тем, в многочисленных литературных источниках отмечается один существенный недостаток пены, ограничивающий ее эффективное применение при дистанционном пожаротушении: ее разрушение от механического воздействия ограждающих конструкций и высокой температуры. Для устранения этого недостатка еще при проектировании стационарных установок дистанционной подачи высокократной пены для конкретного объекта необходимо иметь информацию о закономерностях ее движения и поведения в высокотемпературной среде. Именно от того, какое количество пены необходимо подать для ликвидации пожара с учетом ее механического и теплового разрушения, зависят решения по определению параметров пеногенератора, запаса пенообразователя, характеристик насосных установок, что и предопределяет, в конечном итоге, эффективность борьбы с огнем.

Анализ литературных источников показал, что основной объем исследований пены, как огнетушащего средства, относится к ее свойствам ликвидировать горение. При этом, как правило, изучались пены низкой и средней кратности. Сведения об огнетушащей эффективности пены кратностью 800−1000 весьма противоречивы. Очевидно, такие результаты можно объяснить тем, что высокократная пена весьма чувствительна к разрушающему действию механических воздействий ограждающих конструкций, синерезису, тепловому воздействию — параметров, которые в каждом из исследований могли существенно отличаться.

В данной работе при исследовании процессов дистанционной подачи пены в пожаротушении выделены две важные составляющие. Первая — гидродинамика пенного слоя с учетом механических потерь, вторая — тепловое разрушение пены при ее воздействии на очаг пожара.

Первая составляющая — закономерности движения пенного потока и его механическое разрушение распространяются на широкий диапазон протяженных сооружений, отличающихся функциональным назначением (горные выработки, тоннели, кабельные сооружения, коридоры и т. д.). Исследования второй составляющей относятся только к кабельным сооружениям, так как рассматривается воздействие пенного потока на конкретный очаг пожара, по своим тепловым и динамическим характеристикам соответствующий параметрам горения кабельной укладки. Поэтому в дальнейшем, из всего многообразия протяженных объектов, на которые распространяются закономерности гидродинамики пенного потока, полученные в работе, выделяются именно кабельные сооружения.

Целью диссертационной работы является обоснование инженерного расчета работы систем пожаротушения высокократной пеной при ее дистанционной подаче по кабельным сооружениям, позволяющего установить необходимые расходно-напорные характеристики пеногенератора и требуемый запас раствора пенообразователя.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать методику экспериментального исследования движения высокократной пены по протяженным сооружениям и ее воздействия на очаг пожара в кабельных сооружениях, позволяющую распространить полученные результаты на целый комплекс объектов энергетики;

— установить закономерности движения пенного потока по объектам различной протяженности, диаметра, шероховатости;

— определить количественные характеристики разрушения высокократной пены вследствие механического и теплового воздействия, установить ее огнетушащую эффективность при тушении пожара в кабельном сооружении;

— разработать инженерный расчет параметров пеногенерато-ров, обеспечивающих требуемое количество дистанционной подачи высокократной пены в целях пожаротушения в кабельных сооружениях в широком диапазоне их конструктивно-планировочных решений.

Основная идея работы: разработка эффективных систем пожаротушения высокократной пеной, при ее дистанционной подаче по протяженным кабельным сооружениям, должна базироваться на закономерностях гидродинамики пенных потоков с учетом процессов разрушения пены вследствие механического и теплового воздействия.

Объект исследования: дистанционная подача высокократной пены по протяженным объектам различных диаметров, шероховатости и эффективность ее объемного пожаротушения в кабельных сооружениях.

Предмет исследования: закономерности гидродинамики потока высокократной пены по протяженным сооружениям с различными геометрическими характеристиками и ее разрушения вследствие механических потерь, а также тепловое разрушение пены при пожаре в кабельных сооружениях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана и обоснована методика экспериментального исследования, основанная на теории подобия и физического моделирования, с применением разномасштабных моделей, в основе которой лежит аналогия движения пенного потока сплошной среде, но учитывающая отличия движения пены от жидкости по протяженным каналам за счет сравнения экспериментальных данных, полученных на моделях разных масштабов;

— получена зависимость, устанавливающая взаимосвязь физических параметров пенного потока (давления, скорости) от геометрических характеристик протяженных сооружений (диаметра, длины, коэффициента гидравлического трения) в диапазоне диаметров каналов от 0,15 до 3,5 м и коэффициента гидравлического трения — 0,012−20,0;

— определен коэффициент разрушения пенного потока вследствие механического воздействия внутренних конструкций протяженных сооружений диаметром от 0,15 до 3,5 м (для коэффициентов гидравлического трения в диапазоне 0,012−20,0), при тепловом воздействии очага пожара;

— определен коэффициент теплового разрушения пены при ликвидации очага пожара;

— определена огнетушащая эффективность высокократной пены К=800 при ее дистанционной подаче.

На защиту выносятся:

— разработанная методика физического моделирования движения высокократной пены по протяженным сооружениям основана на общих закономерностях движения сплошной среды, с учетом отличия физических свойств пены;

— установленные закономерности движения пенного потока по протяженным сооружениям определяются зависимостью с л ^.

Др = 58,1'Ь*0″ ' -X ' и0 и распространяются на протяженные объекты диаметром от 0,15 до 3,5 м и коэффициентом гидравлического трения в диапазоне 0,012−20,0;

— разрушение пенного потока может быть учтено коэффициентом а* = 2,1 к объему защищаемого сооружения;

— тепловое разрушение пены при горении в кабельном сооружении зависит от среднеобъемной температуры очага пожара и может быть рассчитано по полученным в работе зависимостям;

— огнетушащая эффективность пены кратностью 800, составляет величину 0,024−0,037 м3-с" '-м" 3;

— разработанный инженерный расчет систем пожаротушения дистанционной подачи высокократной пены распространяется на протяженные объекты энергетики диаметром от 0,15 до 3,5 м в диапазоне коэффициента гидравлического трения объекта 0,012−20,0.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением теории подобия, прошедшей всестороннюю проверку многочисленными исследованиями в различных областях науки и техники и являющейся теоретической основой корректной постановки эксперимента. Качество проведенных исследований подтверждается использованием при проведении экспериментов поверенных средств измерений и аттестованного оборудования, возможностью повторного воспроизведения результатов экспериментов, также многократностью повторения экспериментов. Погрешность проведенных экспериментов не превышала 25%.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием:

— комплексного метода исследования, включающего обобщение и научный анализ литературных источников по методам расчета дистанционной подачи пены;

— теоретических положений постановки модельного эксперимента, основанных на теории подобия и физического моделирования;

— собственно натурного и модельного экспериментов, что позволяет полученные результаты распространять на протяженные объекты энергетики в диапазоне диаметров 0,15−3,5 м и коэффициенте гидравлического трения 0,012−20,0.

Практическая значимость работы. Разработан инженерный расчет системы пожаротушения дистанционной подачи высокократной пены, позволяющий установить расходно-напорные характеристики пеногенератора и запас раствора пенообразователя для защиты кабельных сооружений диаметром от 0,15 до 3,5 м в диапазоне коэффициентов гидравлического трения 0,012−20,0. По результатам расчета спроектирована и внедрена система объемного пожаротушения высокократной пеной в кабельном коллекторе Краснодарской ТЭЦ.

Апробация работы. Основные положения работы, как в целом, так и результаты отдельных этапов обсуждались и были одобрены на: ежегодных научных конференциях молодых ученых в 1998;1999 гг. СПб государственный горный институт (СПГГУ) — Технический университет (ТУ) — конференции «Научно-педагогическое наследие профессора Медведева И.И.» в 1999 г. СПГГИ (ТУ) — 3-й и 5-й Международных конференциях «Экология и развитие Северо-Запада России» в 1998 и 2000 гг. Международной академии наук экологии и безопасности- 6-й международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность-2003» в 2003 году, посвященной 75-летию Академии пожарной безопасности Украины (АПБУ) — юбилейной конференции Академии ГПС МЧС России «Проблемы пожарной безопасности России на рубеже XXI века» в 2003 годумеждународной конференции ФГУ ВНИИПО МЧС России «Проблемы борьбы с пожарами» в 2003 годунаучно-практической конференции ФГУ ВНИИПО МЧС России «Снижение риска гибели людей при пожарах» в 2003 году.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю — доктору технических наук, профессору Ильину Виталию Викторовичу, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Безбо-родько Михаилу Дмитриевичу, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Кошмарову Юрию Антоновичу за помощь и ценные замечания, высказанные в процессе подготовки работы, а также коллективу сотрудников Краснодарской ТЭЦ, принимавших активное участие в проведении экспериментов. Особую признательность автор выражает своим коллегам по работе, которые создали все, даже в ущерб себе, условия для творческой работы автора.

Выводы:

1. Приведенные в предыдущих разделах результаты теоретических и экспериментальных исследований легли в основу методики инженерного расчета систем дистанционной подачи пены для тушения пожара на протяженных объектах силовой электроники.

2. По данным динамики пенного слоя с учетом гидродинамических и тепловых потерь пены на примере кабельного коллектора определяются основные параметры системы дистанционной подачи пены при пожаре на объектах силовой электроники.

3. Предложенная система пенотушения состоит из трех пеноге-нераторов на основе дымососов ДП-7, насоса для подачи раствора пенообразователя КМ 45/55, магистральных и распределительных трубопроводов, емкости для хранения пенообразователя, запорной арматуры.

Заключение

.

1. Дистанционная подача высокократной пены системами пожаротушения является высокоэффективным средством тушения пожаров в протяженных кабельных сооружениях объектов энергетики. Для расчета параметров этих установок необходимо иметь данные о на-порно-расходных характеристиках пеногенераторов и количестве раствора пенообразователя, которые устанавливаются соответственно на основании гидродинамики пенного потока и процессов механического и теплового разрушения пены.

2. Аналитическое определение параметров пеногенератора и количества пенообразователя для заполнения протяженных кабельных сооружений представляет сложную математическую задачу, для решения которой необходимо иметь обширные данные о свойствах пены и динамики ее разрушения, которые в настоящее время подлежат определению. Используемые в практике исследования пенного потока экспериментальные методы позволяют получить результаты лишь для конкретных объектов и не могут распространяться на другие.

3. Для определения закономерностей движения высокократной пены по пенопроводящим каналам большой протяженности в диапазоне диаметров 0,15−3,5 м и процессов ее разрушения в результате механического и теплового воздействия при движении по каналам и тушения кабельной массы разработан метод, основанный на теории подобия и физического моделирования. Используя модель движения вязкой жидкости по трубопроводам и применив уравнение количества движения для пенного потока, были установлены критерии подобия, которые определили правила постановки физического эксперимента. Учитывая отличия движения пенного потока и жидкости, для корректировки полученных данных разработан метод разномасштабных модельных исследований, позволяющий учитывать особенности движения пенного потока по пенопроводящим каналам.

4. Создана экспериментальная база для исследования закономерностей движения потоков высокократной пены, состоящая из комплекса экспериментальных пенопроводящих каналов различного диаметра и шероховатости, оборудованных измерительной аппаратурой, обеспечивающей контроль и регистрацию всех необходимых параметров.

5. Получены универсальные экспериментальные зависимости изменения критерия Эйлера и давления потока высокократной пены от диаметра, протяженности пенопроводящего канала, его шероховатости и начальной скорости движения пены.

Ар = 58,1 -Ь-О !'5 • Я0'23 • и. Данные зависимости распространяются, практически, на все виды протяженных пенопроводящих каналов (длиной до 90 м и диаметром от 0,15 до 3,5 м с коэффициентом гидравлического трения в диапазоне от 0,12 до 20,0).

6. Установлено, что механическое разрушение пены не зависит от геометрических характеристик кабельных сооружений и количественно выражается коэффициентом а-2,1 к объему защищаемого сооружения.

7. Установлены зависимости теплового разрушения пены и охлаждения зоны горения, выраженные коэффициентами аг =0,05 гср -12,9 и, а =0,01 /ф — 4,2, а также определена огнетушащая эффективность высокократной пены кратностью 800.

8. Результаты диссертационной работы были использованы при расчете системы объемного пожаротушения высокократной пеной кабельного коллектора Краснодарской ТЭЦ.