Оптимизация параметров исполнительных устройств импульсного принципа действия систем локального пожаротушения

Проблема обеспечения надежной пожарной защиты промышленных объектов в период научно-технической революции продолжает оставаться актуальной и является важной научно-технической задачей. Особенно остро стоит эта проблема в химической промышленности, где ведется постоянный поиск при получении новых соединений и материалов часто с неизвестными физико-химическими свойствами. Наличие в этой отрасли легковоспламеняющих компонентов, а также быстрогорящих веществ и материалов всегда сохраняет потенциальную опасность возникновения пожаров.

Анализ характера и причин аварий в химической и нефтехимической промышленности нашей страны показывает, что в последнее десятилетие большинство их (около 95%) связано со взрывами различных веществ. По данным ВНИИТБХП основное их количество (81%) непосредственно связано с ведением химико-технологических процессов [I ] .

Решение проблемы надежной пожарной защиты имеет важное народно-хозяйственное значение, так как ее актуальность определяется не только материально-экономическими, но и социальными аспектами .

Анализ статистических данных в индустриально развитых странах Запада свидетельствует о том, что прямые и косвенные убытки от пожаров остаются по-прежнему большими и имеют тенденцию неуклонного роста. Так, в США ежегодный материальный ущерб от пожаров превышает 12 млрд. долларов, при этом косвенные убытки (временная остановка производства, нарушение технологического ритма и т. д.) в 3−4 раза превышают прямые убытки, связанные с непосредственными материальными потерями. В среднем по США убытки от пожаров ежегодно возрастают на I млрд.долларов. Часто пожары влекут за собой и человеческие жертвы. По статистическим данным США во время пожаров только в 1975 году погибло около 12 тыс.человек. В химической промышленности Италии в результате пожаров и взрывов на каждые 10 тысяч работающих погибает I человек в год.

Если количество пожаров на 100 тыс. человек населения в нашей стране в 1980;1982 г. г. находилось на одном уровне, то ущерб от пожаров в 1982 г. увеличился по сравнению с 1981 г. на 1,5%. В 1982 г. на объектах народного хозяйства и в населенных пунктах произошло 1249 крупных пожаров, ущерб от которых составил 69,1 млн руб.- 36% пожаров получило распространение из-за позднего обнаружения и несвоевременной ликвидации [ 2 ] .

Повышение пожарной опасности объектов народного хозяйства в основном обусловлено высоким уровнем интенсификации и концентрации производства, использованием горючих полимерных веществ и материалов. Не менее важными причинами возникновения малых и больших пожаров и вытекающих отсюда пагубных последствий являются несвоевременное и некачественное проведение профилактических мероприятий, недостаточный темп в совершенствовании технологии производства и его техническом переоснащении, инерция в переходе от техники безопасности к безопасной технике. Наблюдается также явное отставание в разработке и внедрении на пожароопасных объектах более совершенных установок (систем) по локализации и тушении пожаров. Вместе с тем необходимо добавить, что некоторые созданные опытные образцы исполнительных устройств систем локального пожаротушения хорошо зарекомендовали себя при надежной пожарной защите народного хозяйства, а следовательно производство новой эффективной противопожарной техники должно быть серийным.

В последнее время проведены большие работы по созданию быстродействующих автоматических систем локального пожаротушения (АСЛП), способных за кратчайший промежуток времени обнаружить и локализовать очаги загораний. Большой вклад в развитие этой проблемы внесли известные советские ученые Абдурагимов П. М., Бара-тов А.Н., Орлов Г. Г., Севриков В. В., Стрельчук Н. А., Тодес О. М. и др. Особенно следует отметить опытные исполнительные устройства импульсного принципа действия для АСЛП с использованием огне-тушащих порошковых, жидкостных и комбинированных составов, которые обладают высокими быстродействием и надежностью при тушении быстрогорящих веществ и материалов.

Шесте с тем, до настоящего времени нет единого подхода к проектированию и разработке исполнительных устройств пожаровзры-возащиты, а связанные с этим трудности конструирования ограничивают их разработку для широкого круга технических задач, дальнейшую доработку и налаживание серийного производства. Это стимулировало проведение широких теоретических и экспериментальных исследований по оптимизации параметров и разработке эффективных исполнительных устройств импульсного принципа действия различных типоразмеров в зависимости от их функционального назначения, специализации и масштабности производства.

Целью работы явилось прогнозирование выбора и поиск оптимальных конструктивных параметров, а также разработка рекомендаций по проектированию наиболее экономичных и эффективных исполнительных устройств импульсного принципа действия для АСЛП. Изыскание путей повышения эффективности исполнительных устройств на ос нове теоретических и экспериментальных исследований, оптимизации в задачах проектирования, активного включения средств вычислительной техники и математических методов в технологический процесс проектирования.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи: теоретические исследования и математическое моделирование газогидродинамических процессов при срабатывании исполнительного устройства импульсного действияразработка алгоритма численного исследования и оптимизации на математической модели с применением ЭВМ (вычислительный эксперимент) — разработка методики поиска оптимальных конструктивных решенийэкспериментальные исследования механизма вытес нения и параметров доставки огнетушащего вещества (ВО) в очаг воспламенениямодернизация отдельных конструктивных элементов пла-меподавителявесовая оптимизация конструкции корпуса пламепода-вителярасчет температурного режима газового потока на участке доставки ВО в очаг воспламенениякатегорирование основных типоразмеров пламеподавителей и обеспечение безопасной эксплуатации АСЛПвнедрение в инженерную практику методики оптимального проектирования пламеподавителейоценка экономической эффективности автоматизированного выбора оптимальных параметров пламеоодавите-лей и результатов внедрения их в промышленность.

Методы исследования. При решении сформулированных задач в работе использованы: основные положения газогидродинамики, механики газа и жидкостиразностные методы представления и интегрирования дифференциальных уравненийматематическая теория планирования экспериментасовременная методика экспериментального исследования быстропротекающих газогидродинамических процессов и вычислительный экспериментметоды многокритериальной оптимизации в задачах проектирования конструкцийметоды математической статистики прикладной теории упругости и теории равнопрочных оболочек.

Научная новизна. Разработан метод оптимального проектирования беспоршневых исполнительных устройств импульсного принципа действия на основе создания универсальной математической имитационной модели и постановки вычислительного эксперимента. Разработаны оригинальные методы планирования расчетов на модели и планирования экспериментальных исследований, что в целом позволило модернизировать отдельные конструктивные элементы и найти оптимальные сочетания основных технических параметров для определенных типоразмеров пламеподавителей импульсного принципа действия, обеспечивающие им высокоэффективную работу.

В работе защищаются научные основы оптимального проектирования исполнительных пламеподавляющих устройств импульсного принципа действия и их отдельных конструктивных элементов с применением ЭВМ при численном интегрировании уравнений математической модели и последующем вычислительном экспериментеметодика численных и экспериментальных исследованийтеоретические основы снижения металлоемкости конструкции корпуса пламеподавителя и расчета температурного режима газового потока на участке доставки при импульсной подаче жидкого ВО в очаг горенияпреимущества автоматизированного метода поиска оптимальных конструктивных решений в сравнении с традиционными методами проектирования с точки зрения эффективности, надежности и экономичности.

Практическая ценность. Разработанная методика позволяет повысить производительность труда проектировщика и сократить стоимость расчетных работулучшить качество проектной документациидобиться экономии металла (весовая оптимизация) и остродефицитного фреонаснизить стоимость исполнительных устройств. Рациональное использование разработанных оптимальных типоразмеров исполнительных устройств в АСЛП повышает эффективность тушения быстроразви-вающихся пожаров, позволяет надежно защитить технологические линии и аппараты в химическом производстве, различные складские помещения и т. п.

Реализация результатов работы. Разработанные рекомеццации по оптимальному проектированию исполнительных устройств приняты ВНИИЕЮ МВД СССР для проектирования автоматических огнетушителей с пиротехническим приводом. Создан пакет программ для оптимального автоматизированного проектирования пламеподавителей, который позволяет определять оптимальные параметры характерных типоразмеров пламеподавителей.

Использование оптимальных конструкций основных типоразмеров исполнительных устройств импульсного принципа действия в АСЛП позволило внедрить последние на предприятиях химической промышленности и получить реальный годовой экономический эффект объемом в 65 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты работы и отдельные ее положения доложены и одобрены на республиканской научной конференции «Вопросы повышения эффективности вспомогательного производства в машиностроении» (г.Ворошиловград, 1979 г.) — на У1 Всесоюзной конференции по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (г.Москва, октябрь 1980 г.) — на республиканской научно-технической конференции «Молодежь — научно-техническому прогрессу в машиностроении» (г.Ворошиловград, май 1981 г.) — на П Всесоюзной конференции «Пожаровзрывобезопасность производственных процессов в металлургии» (г.Москва, декабрь 1983 г.) — на Всесоюзной конференции «Очистка газовых выбросов на предприятиях различных отраслей промышленности» (г.Москва, декабрь 1983 г.) — на конференции «Улучшение охраны труда на промышленных предприятиях» (г.Севастополь, февраль 1984 г.) — на конференции «Взрывопожарная защита промышленных объектов и технологического оборудования» (г.Севастополь, апрель 1984 г.) — на Ш республиканской научно-технической конференции «Применение вычислительной техники для охраны окружающей среды и рационального использования природных и энергетических ресурсов» (г.Севастополь, октябрь 1984 г.).

Публикации. Общее количество научных печатных работ автора составляет 22 наименования, в том числе по материалам диссертации опубликовано 7 работ. Подана заявка на авторское изобретение. На техническую документацию разработанных исполнительных устройств поступили многочисленные запросы от предприятий и проектных организаций страны.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведен анализ особенностей горения и условий развития пожаров в химической промышленности, который показал, что многие автоматические установки пожаротушения не обеспечивают надежную пожарную защиту промышленных объектов в условиях быстро-развивающихся пожаров ввиду высокой инерционности исполнительных устройств и невысокой их надежности.

2. Определено направление по совершенствованию АСЛП на основе использования исполнительных устройств импульсного принципа действия. Проведен анализ влияния их параметров на тактико-технические показатели работы АСЛП.

3. Определены критерии эффективности, выбран метод и намечена принципиальная схема экономного автоматизированного проектирования оптимальных конструкций пламеподавителей импульсного принципа действия.

4. Разработана адекватная имитационная математическая модель исполнительного устройства и на ее основе проведен обширный вычислительный эксперимент по выявлению оптимальной компоновки параметров для различных типоразмеров жидкостно-газовых пламеподавителей (ПЖГ) импульсного принципа действия.

5. Усовершенствована методика лабораторных экспериментальных исследований. Предложен оригинальный метод построения ортогональных планов численного эксперимента на математической модели, а также квазиортогональных планов лабораторных и полигонных экспериментальных исследований работы исполнительных устройств.

6. Разработаны алгоритмы планирования и статистической обработки экспериментальных и численных исследований. Созданы прогаммные модули для оптимального автоматизированного проектирования исполнительных устройств АСЛП, большая часть которых является универсальной.

7. Модернизированы отдельные конструктивные элементы пламепода-вителей. Определен геометрический профиль стенок заряной и рабочей камер, соответствующий равнопрочному варианту, что позволяет сократить расход металла по сравнению с базовыми вариантами исполнительных устройств в среднем на 20% и одновременно обеспечить их безопасную эксплуатацию.

8. Исследован температурный режим газового потока на участке доставки ВО в очаг горения, что позволяет в общем случае выбирать оптимальную высоту установки пламеподавителей над местом возможного воспламенения и т.о. исключить возможность повторного загорания.

9. Решена многокритериальная задача оптимизации исполнительных устройств и разработана методика автоматизированного проектирования на основе применения ЭВМ. Разработанная методика позволяет повысить производительность труда инженера-проектировщика, сократить сроки проектирования, повысить качество проектной документации и надежность АСЛП. Показано преимущество автоматизированного проектирования над традиционным ручным. Предложена методика расчета экономической эффективности автоматизированного проектирования исполнительных устройств для АСЛП.

10. Методика оптимального автоматизированного проектирования исполнительных устройств принята ВНИИПО МВД СССР и рекомендована в качестве руководящих материалов для инженерно-технических работников органов пожарной охраны, научно-исследовательских, проектно-конструкторских и проектных организаций, занимающихся вопросами разработки противопожарной техники.

II. На основе выполненных исследований спроектированы и изготовлены оптимальные конструкции исполнительных устройств для АСЛП, результаты внедрения которых на различных объектах химической промышленности Ворошиловградекой области подтвердили их эффективность, высокую надежность и составили значительный экономический эффект. Реальный годовой экономический эффект по результатам внедрения АДПС-1АГ на Северодонецком производственном объединении «Азот» составил 65 тыс. руб.