Методика расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама

В связи с переходом многих стран мира к гибкому объектно-ориентированному противопожарному нормированию обеспечения пожарной безопасности объектов энергетики, математическое моделирование пожаров становится определяющим звеном при решении различных задач пожарной безопасности. Федеральное законодательство, в частности, Федеральные законы «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [1] и «О техническом регулировании» [25] обеспечивают законодательную базу реализации на практике принципа гибкого нормирования.

В последние годы во Вьетнаме произошло много крупных пожаров на гидроэлектростанциях (ГЭС), приведших к гибели людей и причинивших большой материальный ущерб. Так за период с 2000 г. по 2010 г. на ГЭС (Хоа Бинь, Тхас Ба, Винь Цон и др.) произошли 28 крупных пожаров, из которых 19 (67,9%) — в производственных зданиях.

По статистике бюро судебно-медицинских экспертиз [23] в 80% случаев причинами смерти людей на пожарах явилось отравление продуктами горения. Кроме того, в трупной крови 85% обследованных лиц, погибших при пожарах, обнаружен не только карбоксигемоглобин, но и нитрил акриловой кислоты, цианиды, хлорные соединения и другие токсиканты в концентрациях, опасных для жизни и здоровья человека [23].

Производственные здания ГЭС состоят из машинных залов, имеющих большой объем (8000−100 000 м) и высоту (15−35 м), турбинных агрегатов, по-дагрегатного пространства и кабельных тоннелей. Необходимое время эвакуации из производственных зданий, равное 80% от времени блокирования путей эвакуации ОФП, несмотря на большие объемы машинных залов, сравнительно небольшое (5−8 мин.), в то время как расчетное время эвакуации с учетом людей, находящихся на уровнях производственного здания ГЭС ниже уровня пола машинного зала, является относительно большим (порядка 10−15 мин.). Поэтому безопасная эвакуация людей невозможна без прогнозирования токсикологической обстановки на пожаре.

Объемно-планировочные решения производственных зданий ГЭС Вьетнама должны обеспечивать безопасную эвакуацию людей при пожаре. Для решения этой задачи необходимо уметь рассчитать динамику изменения концентраций токсичных продуктов горения при пожаре в помещениях зданий и сооружений, а также на путях эвакуации.

Количество выделяющихся токсичных газов определяется химическим составом и концентрацией газообразных продуктов газификации твёрдых и жидких горючих веществ и материалов, а также термогазодинамическими условиями пожара. В настоящее время эта проблема не решена с теоретической и с экспериментальной точек зрения из-за сложности физико-химических условий протекания процессов газификации и горения, а также неопределенности химического состава современных строительных материалов.

В соответствии с ФЗ № 123 «Техническим регламентом о требованиях пожарной безопасности» [1] определены следующие ОФП:

— пламя и искры;

— тепловой поток (нет в ГОСТ 12.1.004−91* [22]);

— повышенная температура окружающей среды;

— повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения (СО, НС1, С02 по [22]- СО, С02, НС1, НС1Ч, СОС12, N02, Н28 по [21]);

— пониженная концентрация кислорода;

— снижение видимости в дыму.

Однако в нормативных документах не учтено:

— наличие мелкодисперсных твердых частиц, вдыхание которых может привести к потере ориентации, сознания и последующему удушью;

— другие токсичные продукты горения и термического разложения (акролеин, оксид серы, бензол, формальдегид и т. д.).

Сложность прогнозирования токсикологической обстановки при пожаре и разработки метода расчета концентрационных полей токсичных газов заключается в многофакторности и нелинейности задачи, так как математическое моделирование тепломассообмена при пожаре представляет собой крайне сложную, в полном виде не решенную до конца не изученную проблему [16, 26−28]. Термогазодинамическая картина пожара является существенно нестационарной и трехмерной и сопровождается изменением химического состава газовой среды помещения.

Существенный вклад в понимание токсикологической обстановки и обеспечение безопасной эвакуации людей внесли Кошмаров Ю. А., Молчадский И. С., Матюшин A.B., Поляков Ю. А., Пузач C.B., Холщевников В. В., Chow W. К., Tanaka Т., You Fei и др.

Разработка базы данных по удельному выделению токсичных газов при пожарах в зданиях и сооружениях является актуальной проблемой [16, 24], решение которой позволит использовать современные методы расчета динамики ОФП для достоверного прогнозирования токсикологической обстановки при пожаре.

Математическое моделирование выделения и распространения токсичных газов позволяет определить критическую продолжительность пожара по токсичным газам и разработать эффективные мероприятия для спасения во время эвакуации жизни и здоровья людей без средств индивидуальной защиты, а также при использовании портативных фильтрующих самоспасателей (ПФСС) (в том числе без дополнительной защиты от монооксида углерода) с учётом объёмно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, что является актуальной задачей с научной и практической точек зрения.

На практике требования к ПФСС регламентированы статьей 123 ФЗ № 123 [1] и являются достаточно «жесткими», так необходима обязательная защита от окиси углерода. Производство и использование самоспасателей с высоким уровнем защиты от монооксида углерода связано с серьезными трудностями технико-экономического и эксплуатационного характера.

Однако, в ряде литературных источников [13−16, 24] экспериментально и теоретически показано, что массовые концентрации СО не достигают предельно допустимых значений за все время эвакуации или достигают после наступления температурой критической величины в помещении. Поэтому прогнозирование токсикологической обстановки на пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама позволит научно обосновать степень защиты от СО и других высокотоксичных газов.

В данной работе на основе разработанных физико-математических методов прогнозирования токсикологической обстановки на пожарах проведено теоретическое исследование токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама, позволяющее достоверно определить время блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения с целью обеспечения безопасности людей.

Объектом исследования в диссертации являются тепломассообменные процессы, протекающие при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама, которые являются основой для выполнения расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения.

Предметом исследования является определение времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама для обеспечения безопасной эвакуации людей.

Для достижения постановленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

— провести анализ литературных источников по прогнозированию токсикологической обстановки на пожарах в зданиях и сооружениях объектов энергетики, а также по воздействию токсичных газов на организм человека для выбора и обоснования величин критических значений концентраций токсичных газов и токсодоз;

— разработать математические модели различного уровня сложности для прогнозирования токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама;

— разработать методику расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения с использованием полевого метода прогнозирования динамики ОФП в производственных зданиях ГЭС;

— провести численные эксперименты по изучению особенностей токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС при’типовых объёмно-планировочных и конструктивных решениях в течение времени эвакуации;

— разработать научно-обоснованные рекомендации по расчету критической продолжительности пожара по токсичным газам и необходимого времени эвакуации людей без средств индивидуальной защиты, а также при использовании самоспасателей с учётом объёмно-планировочных и конструктивных решений производственных зданий.

Методы исследования. Основными методами исследования являются методы газодинамики и тепломассообмена, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— впервые предложена методика обоснования условий проведения мелкомасштабных экспериментов по определению показателей токсичности продуктов горения с целью их адекватности условиям пожара в крупномасштабных помещениях;

— впервые предложена методика расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама с использованием математических моделей различного уровня сложности при учете особенностей испытаний материалов на токсичность и широкого спектра токсичных газов;

— получены новые теоретические данные по особенностям динамики полей токсичных продуктов горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС;

— впервые дано научное обоснование определения времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама;

— разработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору характеристик портативных самоспасателей, используемых при эвакуации на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

Достоверность. Полученные данные об опасных факторах пожара, рассчитаны с использованием апробированных физико-математических методов анализа, а также численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Предложенные математические модели имеют достаточно точное для инженерных методов расчета совпадение с экспериментальными (полномасштабными) и теоретическими данными, приведенными в литературных источниках.

Практическое значение работы заключается в совершенствовании научной основы обеспечения безопасной эвакуации людей при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама. Полученные данные по токсикологической обстановке и предложенные методики расчета динамики ОФП позволяют более надежно, чем существующие определить необходимое время эвакуации людей, а также выбрать параметры само спасателей для обеспечения безопасной эвакуации людей и эффективности противопожарных мероприятий в производственных зданиях.

Результаты диссертации могут быть внедрены в российские и вьетнамские государственные строительные стандарты, а также в образовательный процесс высших учебных заведений по дисциплине государственного образовательного стандарта СД.11 «Прогнозирование опасных факторов пожара» по направлению полготовки «656 500 — Безопасность жизнедеятельности».

Апробация работы:

Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на восемнадцатой и девятнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» — СБ-2009, СБ-2010 (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2009, 2010 гг.) — XVII школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (г. Жуковский, 2009) — на объединенном заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, пожарной безопасности технологических процессов, физики, процессов горения, пожарнойавтоматики, пожарной — безопасности=в строительстве, пожарной тактики и службы Академии ГПС МЧС России.

Материалы диссертации реализованы при: а) разработке противопожарных мероприятий на ГЭС Хоа Биньб) разработке нормативных документов по пожарной безопасности ГЭС Вьетнама для ГУПО Вьетнама- / в)>разработке-дисциплины «Прогнозирование опасных, факторов! пожара» в Институте пожарной безопасности Вьетнамаг) разработке фондовых лекций, проведении лекционных, лабораторных и практических занятий со слушателями и курсантами Академии ГПС МЧС России по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара» по темам № 6 «Основные положения зонного моделирования пожара» и № 8 «Основы дифференциального метода прогнозирования ОФИ». Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 185 страниц, в том числе 40 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 87 наименований и приложения.

4.6. Выводы по четвертой главе.

1. Определение показателя токсичности на мелкомасштабных экспериментальных установках по данным химического анализа требует обработки результатов измерений в виде двух зависимостей:

— среднеобъемная плотность токсичного газа от температуры;

— среднеобъемная плотность кислорода от температуры.

Вышеуказанные зависимости позволят оценить адекватность определения показателя токсичности совместного воздействия опасных факторов пожара реальным полномасштабным условиям пожара в помещении.

2. Коэффициент пропорциональности К, между характерной плотностью токсичного газа и отношением ЫО. нр слабо зависит от свойств горючего материала, размеров помещения и площади открытой поверхности горючего материала и является в первом приближении функцией трех параметров, характеризующих термодинамическую картину пожара: характерная температура пожара, начальная температура в помещении и коэффициент теплопотерь из рассматриваемого газового объема в ограждающие конструкции.

3. Показатель токсичности, полученный в мелкомасштабной установке, будет близким величине, соответствующей условиям протекания пожара в крупномасштабном помещении, в случае равенства коэффициентов теплопотерь в мелкомасштабной установке и крупномасштабном реальном помещении при существенно отличающихся термогазодинамических условиях:

— свободное развитие пожара или в условиях работы системы дымоуда-ления;

— герметичное помещение или помещение с малой или большой величинами проемности;

— твердые или жидкие горючие вещества и материалы.

4. Использование интегральной модели для прогнозирования величины показателя токсичности в машинном зале ГЭС при возгорании в кабельной галерее приводит к физически недостоверным результатам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Необходимое время эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама определяется минимальным временем блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения, а не потерей видимости. При определении необходимого времени эвакуации людей при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама необходимо учитывать следующие основные особенности динамики ОФП, не учитываемые в современных методиках расчета:

— широкий спектр токсичных газов;

— условия проведения экспериментов по получению удельных коэффициентов выделения токсичных газов и показателей токсичности веществ и материалов, находящихся в производственном здании ГЭС.

— критическая продолжительность пожара по каждому токсичному газу определяется по минимальной величине критических продолжительностей, полученных с использованием всех предложенных 4-х критериев.

2. Разработанная методика расчета необходимого времени эвакуации имеет удовлетворительную точность по сравнению с экспериментальными данными и позволяет выполнить достоверный прогноз динамики ОФП и< определить необходимое время безопасной эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама с учетом широкого спектра выделяющихся токсичных газов и условий получения коэффициентов удельного выделения токсичных газов. Методика позволяет определить параметры самоспасателей с целью обеспечения безопасной эвакуации людей и эффективности проведения противопожарных мероприятий.

3. Определение показателя токсичности на мелкомасштабных экспериментальных установках по данным химического анализа требует обработки результатов измерений в виде двух зависимостей: среднеобъемная плотность токсичного газа от температуры и среднеобъемная плотность кислорода от температуры.

Вышеуказанные зависимости позволят оценить адекватность определения показателя токсичности совместного воздействия опасных факторов пожара реальным полномасштабным условиям пожара в помещении.

4. Коэффициент пропорциональности К1 между характерной плотностью токсичного газа и отношением Ь/(2н слабо зависит от свойств горючего материала, размеров помещения и площади открытой поверхности горючего материала и является в-первом приближении функцией трех параметров, характеризующих термодинамическую картину пожара: характерная температура пожара, начальная температура в помещении* и коэффициент теплопотерь из рассматриваемого газового объема в ограждающие конструкции.

5. Показатель токсичности, полученный в мелкомасштабной установке, будет близким величине, соответствующей условиям протекания пожара в крупномасштабном помещении, в случае равенства коэффициентов теплопотерь в мелкомасштабной установке и крупномасштабном реальном помещении при существенно отличающихся термогазодинамических условиях: свободное развитие пожара или в условиях работы системы дымоудалениягерметичное помещение или помещение с малой или большой величинами проемноститвердые или жидкие горючие вещества и материалы.

6. Обеспечение безопасной эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама требует разработки дополнительных организационно-технических противопожарных мероприятий (например, использование самоспасателей), основанных на предварительном прогнозировании токсикологической обстановки при пожаре.