Выбор типов и размещение автоматических установок пожарной сигнализации и автоматических установок пожаротушения в подэскалаторном пространстве метрополитенов

Метрополитен — крупное многоотраслевое предприятие транспорта, обеспечивающее массовую и мобильную перевозку городского населения. На сегодняшний день это единственный вид транспорта, способный удовлетворить нужды самого крупного города. Уже сейчас он действует более чем в 100 городах мира, а его протяженность ежегодно возрастает на 70−80 км /1/. Крупнейшее строительство новых и расширение действующих сетей метрополитена ведется в странах ближнего зарубежья: в настоящее время количество их достигает 20, а протяженность подземных магистралей составляет более 600 км. О массовости пассажироперевозок метрополитеном свидетельствуют следующие цифры: по данным за 2005 год в нашей стране пользуются услугами этого вида транспорта 4,25 млрд. чел. По данным на 1 октября 2005 года количество пассажиров Московского метрополитена за год составило 3200,6 млн. человек. В сутки в среднем метрополитеном пользуются 8745 тыс. человек /2/.

На фоне динамичного строительства метрополитенов и повышения их доли в объеме пассажирских перевозок обращает на себя внимание тревожная тенденция роста чрезвычайных ситуаций и пожарной опасности подземных объектов. Только за последние 30 лет зарегистрированы крупные пожары и аварии на метрополитенах Кельна, Монреаля, Парижа, Нью-Йорка, Тбилиси, Москвы, С.-Петербурга и других /3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10/. Опасные ситуации складываются в силу ряда объективных причин /11, 12, 13, 14/, но наибольшую опасность представляют пожары. Об опасности для людей возникающих пожарах на метрополитенах свидетельствуют следующие данные.

Крупный пожар возник 28 октября 1995 года в Бакинском.метро. В 17 часов 50 минут состав 21 маршрута, состоящий из 5 вагонов, отправился от станции «Улдуэ» по направлению к станции «Нариманов». Не проехав и 20 метров, как в 4 вагоне раздался хлопок, посыпались искры, погас свет, запахло гарью. Вагоны в считанные минуты охватило пламя, выделялся густой дым. Началась страшная паника. Пожарные прибыли на место происшествия через 14 минут после сообщения. В 18 часов 26 минут пожарные провели разведку, проложили рукавные линии, приступили к эвакуации людей и ликвидации пожара. От начальника станции потребовали включить вентиляцию на режим вытялски, что было выполнено к 18 часам 30 минутам. Общими усилиями пожарных, полицейских и солдат гражданской обороны были эвакуированы 400 человек. Погибли 280 человек от поражения током, от удушья. 270 человек получили травмы.

Крупный пожар произошёл в Екатеринбургском метрополитене 10 августа 2004 года. На строящейся станции «Чкалоеская» горел трансформатор. Огонь перекинулся на емкость с 300 литрами масла. Однако пожарные сумели быстро локализовать возгорание. Трансформаторная подстанция вспыхнула около 2 часов ночи. По предварительной и основной версии, во время ночной грозы произошло короткое замыкание. Еще до приезда пожарных электричество на строительной площадке станции метро Чкалоеская выключил дежурный электрик. Однако пожарные еще некоторые время не могли подойти к подстанции. Загорелось трансформаторное масло.

Это — одна из 4 подстанций, которые находятся на площадке строящейся станции метро «Чкалоеская». Рабочие говорят, что если бы огонь перекинулся на уцелевшие трансформаторы, то работы здесь остановились бы надолго.

9 марта 2006 года в городе Сан-Франциско штата Калифорния произошёл пожар в метрополитене. Сигнал о возгорании под землей на станции «Эмбаркадеро» поступил в 20 часов 35 минут по московскому времени. «Через несколько минут мы были на месте и обнаружили сильное задымление. Пассажиры со станции были немедленно эвакуированы», — сообщил официальный представитель главного управления пожарной охраны Сан.

Франциске Пит Хоуэс. Пожарным удалось успешно справиться с огнём. «Все сразу подумали о Мадриде и Лондоне, но, к счастью, у нас этого не случилось», — сообщила журналистам глава управления Джоанн Хайес-Уайт, имея в виду недавние теракты на пассажирском транспорте в Испании и Великобритании. В итоге, по мнению Хайес-Уайт, инцидент стал хорошей тренировкой для городских поэ/сарных служб. Ни среди пожарных, ни среди граждан ранений не было. По данным местных СМИ, троим пассажирам, наглотавшимся дыма, на месте была оказана медицинская помощь.

Практика показывает, что наиболее опасная ситуация в метрополитенах складывается при пожарах. Основная опасность пожаров в подземных сооружениях заключается в том, что в огненной ловушке могут оказаться тысячи пассажиров, находящихся не только на месте аварии, но и, казалось бы, на безопасном от неё расстоянии. Густой дым, не позволяющий ориентироваться в пространстве, и высокая температура под действием вентиляционных потоков и естественной тяги в считанные минуты способны распространиться на огромное пространство тоннелей, станций, вестибюлей. Обстановка осложняется тем, что на метрополитенах — объектах с массовым пребыванием людей — вывод пассажиров и персонала на поверхность осуществляется по протяженным, а в отдельных случаях неприспособленным для пешеходного перехода сооружениям (перегонным тоннелям, остановленным эскалаторам и другим). Легко представить, во что обходится потеря электроподвижного состава. А ведь после развитого пожара вагоны восстановлению не подлежат. Разрушение при пожаре несущих конструкций станций и тоннелей, оборудования и коммуникаций — обычные последствия пожара, однако, в предельных случаях, например, при полном обрушении несущих конструкций тоннеля — они являются катастрофичными /15/.

К сложным относится и процесс тушения пожаров, который зачастую приобретает затяжной характер и не всегда проходит успешно /16/.

Но даже и при незначительном по масштабам пожаре и благополучном осуществлении эвакуации последствия аварии весьма ощутимы, так как происходит остановка движения поездов на аварийном участке трассы, что может привести к дестабилизации жизнедеятельности крупного города (метрополитены строятся в городах с населением более 1 миллиона человек).

В связи с изложенным стало понятно, что решение проблемы пожарной опасности метрополитенов актуальна. В этой связи с особой остротой стала проблема обеспечения пожарной безопасности пассажирских перевозок.

Начиная с 80-х годов прошлого века, исследования в области пожарной безопасности метрополитена в нашей стране получили планомерный характер. Ведущими специалистами в этой области являются заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Ильин В. В., Ефимов С. Г., кандидат технических наук Беляцкий В. П. и другие.

В настоящее время решён ряд вопросов, обеспечивающих пожарную безопасность пассажиров:

— разработана классификация объектов метрополитена по их пожарной опасности;

— установлены закономерности развития пожаров в подземных сооружениях и помещениях метрополитенов, являющихся основой для разработки научно-обоснованных мероприятий противопожарной защиты;

— определены пределы огнестойкости ограждающих конструкций метрополитенов;

— получены методы оценки обеспечения безопасной эвакуации людей со станций метрополитенов;

— разработаны аварийные режимы вентиляции и методика расчета тоннельной вентиляции при пожаре;

— подготовлена нормативная база для защиты помещений первичными средствами пожаротушения и автоматическими установками обнаружения пожара;

— предложены технические решения по защите подземных объектов метрополитена и подвижного состава техническими средствами пожаротушения.

Однако в настоящее время не все проблемы пожарной безопасности метрополитенов решены. И главным образом не обеспечена пожарная безопасность пассажирских перевозок на эскалаторных комплексах.

Специалисты и работники метрополитена считают, что противопожарная защита эскалаторных станций является приоритетной комплексной задачей 21 века/17/.

Высокая пожарная нагрузка, распределенная на большой площади, наклонное расположение, способствующее быстрому распространению дыма, трудность ликвидации очага пожара в подбалюстрадном пространстве могут привести к катастрофическим последствиям. Примером этого пожара может служить пожар, произошедший в 1987 году в Лондонском метрополитене, когда возгорание возникло в верхней части эскалатора на одном из переходов крупного пересадочного узла «Кингз-Кросс». Возникшее возгорание получило быстрое восходящее распространение, в результате чего пожар перешёл в примыкающее пассажирское помещение, где воспламенилась мебель, облицовка стен и имевшееся оборудование. В результате пожара погиб 31 человек.

Особые условия конструкции подбалюстрадного пространства — наклонное расположение, равномерное распределение горючих материалов на большой площади, интенсивный воздухообмен, который при пожаре существенно усиливается и способствует динамичному распространению горения, а также сложность конструкции — позволяют сделать вывод о необходимости защиты подбалюстрадного пространства основными элементами противопожарной защиты — автоматическими установками пожарной сигнализации и автоматическими установками пожаротушения (АУПС и АУПТ).

Однако нормативно-техническая документация для таких специфических объектов отсутствует, в связи с чем необходимо иметь данные о закономерностях развития пожара, которые и определяют выбор и размещение АУГТС и АУПТ.

Основная трудность, с которой приходится сталкиваться при изучении пожаров в подбалюстрадном пространстве, заключается в неоднородности структуры тепловых, диффузионных и динамических полей распространяющихся продуктов горения, которые формируются в объёмах сложной конфигурации подбалюстрадного пространства под влиянием вентиляционных потоков. А именно закономерность распространения опасных факторов пожара (ОФП) определяет место установки пожарных извещателей, обеспечивающее своевременное обнаружение пожара. При этом параметры среды в каждой точке подбалюстрадного пространства могут существенно отличаться от среднеобъемных показателей. В этой связи для построения эффективной системы противопожарной защиты метрополитенов необходимо иметь информацию о закономерностях динамики распространения продуктов горения в подземных условиях на уровне локальных характеристик.

Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованных требований к выбору и размещению АУПС и АУПТ, обеспечивающих безопасность пассажиров метрополитена и своевременную ликвидацию пожара.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: установить критерий эффективности работы АУПС и АУПТ, согласно которому очаг пожара должен быть своевременно обнаруженустановить параметры среды, влияющие на работу АУПС и АУПТразработать классификацию эскалаторного комплексаразработать метод моделирования, позволяющий установить закономерности динамики среды при пожаре в начальной стадии развития пожара в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплекса на уровне локальных характеристикустановить закономерности распространения температурных полей в начальной стадии развития пожара в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплексавыбрать типы пожарных извегцателей, системы пожаротушения, удовлетворяющие условиям эксплуатации в подбалюстрадном пространстверазработать требования к АУПС и АУПТ, обеспечивающие надежную работу и своевременность ликвидации очага пожара в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплекса для одной из классификационных групп.

Основная идея работы: противопожарная защита подбалюстрадного пространства метрополитенов, обеспечивающая своевременное обнаружение и тушение очага пожара, не допускающая опасности для пассажиров, должна базироваться на закономерностях развития очага пожара и распространении его опасных факторов.

Объект исследования: под балюстрадное пространство эскалаторных комплексов метрополитенов Российской Федерации и стран ближнего зарубежья и их противопожарная защита автоматическими установками пожарной сигнализации и пожаротушения.

Предмет исследования: закономерности развития очага пожара в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплекса метрополитенов и распространение опасных факторов пожара.

Научная новизна работы заключается в следующем: предложена классификация эскалаторных тоннелей по признакам протяженности, скорости воздушных потоков подэскалаторного пространства, типов эскалаторов, количества эскалаторных лент, позволившие выделить группу эскалаторных комплексов, для которых должны индивидуально разрабатываться требования к автоматическим установкам пожарной сигнализации и автоматическим установкам пожаротушенияопределены параметры среды в подэскалаторном пространстве, влияющие на работу автоматических установок пожарной сигнализации и автоматических установок пожаротушенияразработан метод моделирования, позволяющий установить закономерности динамики среды при пожаре в начальной стадии развития пожара в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплексаустановлены закономерности распределения температурных полей во времени и в пространстве, являющиеся исходными для выбора типа и интервала размещения пожарных извещателейна основании закономерностей распространения температурных полей установлены оптимальные интервалы тепловых извещателей в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплексаустановлены наиболее эффективные модули пожаротушения.

На защиту выносятся:

— классификация эскалаторных комплексов метрополитенов Российской Федерации по четырем признакам: по протяженности эскалаторных лент: до 25 метров, от 25 до 50 метров, от 50 до 75 метров и свыше 100 метровпо количеству эскалаторных лент: с одной, двумя, тремя и четырьмя лентамипо режиму вентиляции: до 0,5 м-с-1, от 0,5 до 1,0 м-с" ', от 1,0 до 1,5 м-с" ' и — свыше 1,5 5 м-с" 1- по типу эскалаторов: J1T, ЭТ и ЭТ-30;

— разработанный метод математического моделирования распространения опасных факторов пожара в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплекса;

— пространственно-временные закономерности распространения температурных полей в объеме подбалюстрадного пространства эскалаторного комплекса;

— интервалы размещения тепловых пожарных извещателей класса А1 в пределах от 0 (линейные ПИ) до 6,0 м при условии быстродействия АУПТ 56 с в подбалюстрадном пространстве эскалаторного комплекса;

— рекомендованные к установке модульные порошковые огнетушители с суммарным объемным запасом огнетушащего вещества не менее 337 м³;

— расчет времени, необходимого для тушения пожара и не превышающего 116 сек.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основана на использовании апробированных физико-математических методов анализа, а также численного решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Качество проведенных исследований подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета с описанными в литературных источниках экспериментальными данными, аналитическими решениями и результатами расчетов по другим математическим моделям, а также возможностью воспроизведения результатов расчетов.

Методы исследования: Работа выполнена с использованием: комплексного метода исследования, включающего обобщение и научный анализ литературных источников по методам математического моделирования газовой динамики среды при пожаре в подэскалаторном пространстве.

Практическая значимость работы. По результатам расчета спроектирована и осуществляется монтаж системы защиты подбалюстрадного пространства подэскалаторного комплекса на одной из станций Московского метрополитена автоматическими установками пожарной сигнализации и автоматическими установками пожаротушения. По результатам исследований подготовлены учебные пособия: «Организация тушения пожаров на метрополитенах», «Пожарная опасность метрополитенов», «Противопожарное водоснабжение метрополитенов», используемые в качестве дидактического материала в учебном процессе Санкт-Петербургского Университета МЧС России и Академии ГПС МЧС России.

Апробация работы. Основные результаты работы, как в целом, так и результаты отдельных этапов, обсуждались и были одобрены на XVIII научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» М.: ВНИИПО, 2003 — 353 е.- Международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях» (Санкт-Петербург, Институт ГПС МЧС России, 14−15 октября 2003 года) — Международном форуме информатизации, тринадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» — СБ (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2004) — на I международной научно-практической конференции «Международный опыт подготовки специалистов пожарно-спасательного профиля» (Санкт-Петербург, Институт ГПС МЧС России, 20−21 января 2004) — На всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в деятельности органов и подразделений МЧС России» (Санкт-Петербург, Институт ГПС МЧС России, 26 мая 2004 года) — На международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях» (Санкт-Петербург, Институт ГПС МЧС России, 27 -28 ноября 2004 года).

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Ильину Виталию Викторовичу за неоценимую помощь в процессе подготовки работы, доктору технических наук, профессору Пузачу Сергею Викторовичу, а также всему профессорскому составу Санкт-Петербургского университета МЧС России.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

Как показал анализ, эскалаторные комплексы относятся к пожароопасным объектам. Более того, сложность тушениявозможные катастрофические последствиятруднодоступность к очагу горения в подбалюстрадном пространствебеспрепятственность распространения опасных факторов пожара требуют организации противопожарной защиты комплекса. Причем, учитывая массовость пребывания людей и невозможность организации их своевременной эвакуации, пожар должен ликвидироваться на ранней стадии развития. В этой связи встает вопрос необходимости оборудования подэскалаторного пространства автоматическими установками пожарной сигнализации (АУПС) и пожаротушения (АУПТ).

Как известно, пожарные извещатели реагируют на изменение параметров среды (температуру, дым, свет и т. д.), динамика распространения которых определяется конструктивными элементами, аэродинамикой, пространственными особенностями.

Планировочно-эксплуатационные характеристики эскалаторного комплекса уникальны и не имеют аналогов. Подбалюстрадное пространство имеет свои специфические особенности, отличающие этот объект от наземных помещений и даже от других сооружений метрополитена. Наклонное расположение, протяженность, вентиляционная связь с пассажирскими сооружениями, значительные объемы, сложная конфигурация и т. д. существенно влияют на закономерности распространения опасных факторов пожара, на которые реагируют АУПС.

Необходимо учитывать параметры среды, влияющих на работу пожарных извещателей.

Все эти факторы влияют на окончательные проектные решения противопожарной защиты, обеспечивающей своевременную ликвидацию очага пожара. Поэтому нормативные документы, разработанные для иных сооружений и помещений, а также практика внедрения средств противопожарной защиты (СПЗ) на других объектах метрополитена в данном случае не могут быть использованы. Следует также отметить, что эскалаторные комплексы имеют широкий диапазон характеристикпротяженность, количество эскалаторных лент, аэродинамика, — что требует разработки классификации.

В этом случае вопросы проектирования АУПС и АУПТ для подбалюстрадного пространства эскалаторов метрополитенов — наиболее вероятного возникновения пожаров — должны решаться индивидуально на основании исследования процессов развития пожаров или практического опыта для конкретных групп эскалаторов.

Можно предположить, что воздушные потоки в подэскалаторном пространстве будут неоднородны, локальны. Для исследования подобных процессов необходимо выбрать метод исследований газовой динамики среды.

Основная трудность, с которой приходится сталкиваться при изучении пожаров в эскалаторном комплексе, заключается в неоднородности структуры тепловых, диффузионных и динамических полей распространяющихся продуктов горения, которые формируются в объемах сложной конфигурации подбалюстрадного пространства под влиянием вентиляционных потоков. При этом параметры среды в каждой точке могут существенно отличаться от среднеобъемных показателей. В этой связи для построения наиболее эффективной системы противопожарной защиты подбалюстрадного пространства метрополитенов необходимо иметь информацию о закономерностях динамики распространения продуктов горения в подземных условиях на уровне локальных характеристик.

Анализ состояния вопроса показал, что принципы исследования рассматриваемого класса локальных пожаров в сложных аэродинамических условиях метрополитенов не разработаны, а современные методы определения газодымообразования при горении материалов имеют узкую целевую направленность и не могут использоваться при исследовании реальных характеристик пожаров. В этой связи ключевым звеном при решении проблемы противопожарной защиты эскалаторных комплексов метрополитенов следует считать разработку принципиального подхода к исследованию процессов распространения опасных факторов пожара в условиях метрополитенов и методов определения их образования при горении.

Предложена классификация по следующим признакам: протяженность, скорость воздушных потоков подэскалаторного пространства, тип эскалаторов, количество эскалаторных лент. Предложенная классификация позволила выделить группы эскалаторных комплексов, для которых индивидуально должны разрабатывать требования к АУПС и АУПТ. В данной работе разрабатываются требования к станции Московского метрополитена «Ботанический сад», относящейся к классификационной группе П1ЛЗВ1Э2.

Установлен критерий эффективности работы АУПС и АУПТ, согласно которому пожар, возникший в подэскалаторном пространстве, должен быть ликвидирован ранее, чем в пассажирской зоне эскалаторного тоннеля, прежде чем опасные факторы пожара достигнут критических значений.

Определены параметры среды, влияющие на работу АУПС и АУПТ.

Разработан метод математического моделирования газовой динамики среды при пожаре, который подтвердил ранее высказанное предположение о значительном пространственно-временном распределении температурных полей в сложном по конфигурации объеме подбалюстрадного пространства.

Изначально были упрощены особенности термогазодинамической картины пожара на примере пожара в помещении, в результате чего был сдеан вывод, что методы расчета тепломассообмена при пожаре должны учитывать влияние термогазодинамических условий его развития.

Описаны основные особенности тепломассообменных процессов при пожаре.

При разработке полевой математической модели расчета тепломассообмена при пожаре в подбалюстрадном пространстве метрополитена выявлены допущения и упрощения реальной термогазодинамической картины процесса.

Принята газовая среда — как вязкий теплопроводный сжимаемый идеальный газ, учитывая при этом влияние твердых частиц дыма при определении характеристик радиационного теплопереноса внутри помещения.

Определена структура полевой модели расчета тепломассообмена.

Разработана математическая модель расчета теплового состояния материалов стен, перекрытия, пола и колонны для определения температуры конструкции с сечением любой формы.

Получены все количественные параметры, определяющие требования к выбору и размещению АУПС и АУПТ в подбалюстрадном пространстве эскалаторных комплексов группы П1ЛЗВ1Э2.

Установлено, что для рассматриваемого объекта следует использовать тепловые пожарные извещатели класса А1. Извещатели следует устанавливать в припотолочной зоне технологического прохода. Интервал размещения извещателей определяется исходя из быстродействия АУПС и АУПТ и находится в пределах от 0 (линейные ПИ) до 6,0 м при условии быстродействия АУП 56 с.

Определены параметры среды и производственные помехи подэскалаторного пространства, которые определяют требования ПИ к помехоустойчивости.

В качестве АУПТ следует использовать модульные порошковые огнетушители с суммарным объемным запасом огнетушащего вещества не менее 337 м" .

Полученные результаты легли в основу Требований к автоматическим установкам обнаружения пожара и пожаротушения подбалюстрадного пространства эскалаторных комплексов Московского метрополитена.

Также результаты диссертационного исследования использованы в учебном процессе в Санкт-Петербургском Университете МЧС России Московской Академии ГПС МЧС России, а именно:

1. Требования к выбору и размещению АУПС и АУПТ в подбалюстрадном пространстве эскалаторных комплексов использованы при проведении учебных занятий по дисциплине «Производственная и пожарная автоматика» и «Противопожарное водоснабжение».

2. Математическая модель распространения продуктов горения при пожаре в подбалюстрадном пространстве использована при проведении лекционных занятий по курсу «Теплообмен и теплопередача», «Прогнозирование опасных факторов пожара».