Разработка способа подачи огнетушащего вещества из модулей пожаротушения на объектах нефтегазового комплекса
1На правах рукописи
Бондарь Александр Александрович РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОДАЧИ ОГНЕТУШАЩЕГО ВЕЩЕСТВА ИЗ МОДУЛЕЙ ПОЖАРОТУШЕНИЯ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 05.26.03 – пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2012 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России» Научный руководитель Решетов Анатолий Петрович кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Галишев Михаил Алексеевич доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы», кафедра криминалистики и инженерно-технических экспертиз, профессор Ершов Александр Вадимович кандидат технических наук, доцент, ГБОУ СПО Пожарно-спасательный колледж «Санкт-Петербургский центр подготовки спасателей» отделение «пожарная безопасность», преподаватель Санкт-Петербургский государственный Ведущая организация технологический институт (технический университет)
Защита состоится 23 ноября 2012 г. в 12.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.01 при Санкт Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).
Автореферат разослан « » октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 205.003. доктор технических наук, профессор О.А. Хорошилов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Нефтегазовый комплекс – это огромная сложная технологическая структура, включающая в себя множество различных производств: добыча, транспортировка, хранение, переработка и т.д. К объектам нефтегазового комплекса России относятся: нефтяная и газовая промышленности.
В состав нефтяной промышленности России входят нефтедобывающие предприятия, нефтеперерабатывающие заводы и предприятия по транспортировке и сбыту нефти и нефтепродуктов. Газовая промышленность России включает в себя предприятия, осуществляющие геолого-разведочные работы, бурение разведочных и эксплуатационных скважин, добычу и транспортирование, подземные хранилища газа и другие объекты газовой инфраструктуры.
Развитие пожара в замкнутых объемах от момента возгорания до его превращения в стихийное бедствие иногда происходит в течение нескольких минут. Учитывая высокую пожарную опасность объектов нефтегазового комплекса, принятие действенных мер в это время может кардинально повлиять на развитие ситуации.
Практика показывает, что менее 10 % пожаров на объектах нефтегазового комплекса тушатся на ранней стадии с применением многообразных средств и систем пожаротушения. Оставшаяся часть чрезвычайных ситуаций ликвидируется на поздних стадиях развития, что, в основном, приводит к массовой гибели людей и получению большого количества травм. Так же наносится колоссальный экономический ущерб и ухудшается экологическая обстановка.
Примерами таких чрезвычайных ситуаций, приведших к катастрофическим размерам, как в нашей стране, так и за рубежом являются:
мощный взрыв и последующий сильный пожар на нефтезаводе британской компании British Petroleum в Техасе произошёл 24 марта 2005 года. По меньшей мере, 14 человек погибли и более 100 человек получили ранения;
крупнейший пожар на нефтеперерабатывающем предприятии в подмосковном Ногинске случился 16 июня 2005 года. Предварительная версия от МЧС – причиной пожара стали 2 взрыва, причем первый в лаборатории, которая находилась на территории базы. Два человека погибло, а один доставлен в больницу в тяжелом состоянии;
на нефтебазе ООО «Сириус», г. Благовещенск Амурской области 15 ноября 2008 года произошел взрыв, после чего загорелось помещение насосной станции для подогрева и перекачки мазута. В момент взрыва в помещении насосной станции находились два рабочих. Один из них погиб, другой доставлен в больницу с ожогами;
пожар на ЛПДС Конда ОАО «Сибнефтепровод», г. Югра Ханты Мансийский автономный округ, произошедший 22 августа 2009 года, в результате которого погибло 3 человека и сгорело около 60 тысяч тонн нефти, нанесен колоссальный материальный ущерб.
Для ликвидации пожара в начальной стадии, локализации его с помощью огнетушащих средств предназначены установки пожаротушения, применяющие различные огнетушащие составы.
Установки пожаротушения, используемые на объектах нефтегазового комплекса, по конструктивному устройству подразделяются на агрегатные и модульные.
Проведенный сравнительный анализ существующих модульных установок пожаротушения, используемых в замкнутых объемах, выявил ряд недостатков, наиболее существенными из которых, на наш взгляд, являются:
небольшая интенсивность подачи огнетушащих веществ (ОТВ), увеличенная металлоемкость установок за счет повышенного давления в дежурном состоянии (в несколько раз больше атмосферного) и, кроме того, некоторые модульные установки пожаротушения имеют внешний пусковой баллон, что снижает надежность срабатывания. Так же можно отметить, что все рассматриваемые модульные установки пожаротушения имеют систему запуска, которая подвержена выходу из строя во время пожара, и требуют постоянного технического обслуживания.
Все вышесказанное уменьшает надежность работы данных систем в случае возникновения пожара, что и показывает практика.
Исходя из этого, актуальность диссертационного исследования заключается в необходимости усовершенствования способа подачи ОТВ в существующих или вновь разрабатываемых модулях пожаротушения на объектах нефтегазового комплекса.
Цель диссертационной работы – разработка способа подачи ОТВ в замкнутый объем из модулей пожаротушения на объектах нефтегазового комплекса.
Для достижения цели решены следующие задачи:
проведен сравнительный анализ модульных установок пожаротушения и физико-химических свойств водопитателей;
разработан способ подачи ОТВ для тушения очагов пожара класса «В» в замкнутых объемах;
создан лабораторный стенд с модулем пожаротушения и проведены испытания по исследованию физико-технических характеристик вытеснения ОТВ;
разработана математическая модель прогноза времени тушения очагов пожара класса «В» в замкнутых объемах модулем пожаротушения;
разработаны рекомендации по применению предлагаемого способа подачи ОТВ в модулях пожаротушения.
Объект исследования – модульные установки пожаротушения.
Предмет исследования – способ подачи ОТВ для тушения замкнутых объемов с увеличенной интенсивностью из модулей пожаротушения.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось сравнительным анализом модульных установок пожаротушения и физико химических свойств водопитателей, проведением натурных экспериментов методами крутого восхождения, математической статистики и регрессионного анализа.
Научная новизна полученных результатов заключена в следующем:
разработаны лабораторные стенды с модулями пожаротушения для предлагаемого способа подачи ОТВ на тушение пожаров класса «В» распыленной водой;
выявлены закономерности влияния основных параметров модуля пожаротушения на интенсивность подачи ОТВ;
на основе экспериментальных данных получена регрессионная модель, позволяющая прогнозировать время тушения пожаров класса «В» в замкнутых объемах модулем пожаротушения;
предложен и апробирован способ подачи ОТВ из модуля пожаротушения.
Практическая значимость. На основе полученных результатов даны рекомендации по применению способа подачи ОТВ в замкнутых объемах объектов нефтегазового комплекса.
Увеличена интенсивность подачи ОТВ и уменьшена металлоемкость модуля пожаротушения.
Разработанная математическая модель прогноза времени тушения пожаров класса «В» позволяет применять данный способ подачи ОТВ из модулей пожаротушения в замкнутый объем на объектах нефтегазового комплекса.
Достоверность изложенных в диссертации результатов и выводов подтверждена значительным объемом экспериментальных исследований, обработкой результатов экспериментов с использованием математических методов, согласованностью полученных результатов с известными данными других исследований, достаточной апробацией научных результатов.
Основные результаты, выносимые на защиту:
усовершенствованный способ подачи ОТВ с повышенной интенсивностью в замкнутый объем из модулей пожаротушения;
математическая модель, позволяющая прогнозировать время тушения очагов пожара класса «В» в замкнутых объемах модулем пожаротушения;
рекомендации по применению способа подачи ОТВ из модулей пожаротушения в замкнутый объем на объектах нефтегазового комплекса.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были доложены на следующих научных конференциях и семинарах:
V Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму» (Санкт Петербург, 2010 г.);
III Международной научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2010 г.);
VI Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Беларусь, Минск, 2011 г.);
VI Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму» (Санкт Петербург, 2011 г.);
Научно-практической конференции «Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуациях в первой половине ХХI века» (Санкт-Петербург 2011 г.);
IV Международной научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2011 г.);
VI Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации» (Екатеринбург, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ:
2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ;
7 публикаций в научных журналах и трудах международных, всероссийских, региональных и ведомственных конференций.
Объем публикаций – 3,1 п.л.
Реализация результатов исследования. Результаты диссертации внедрены в производственную деятельность ООО «Спецморнефтепорт Приморск» и в учебный процесс Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка. Работа содержит 114 страниц текста, 11 таблиц, 22 рисунка, 110 наименований литературных источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы выбор темы диссертации, ее актуальность, отражены цель и научная задача, определены объект и предмет исследования, показана научная новизна и практическая значимость, приведены методы исследования, а также положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Анализ конструктивных особенностей модульных установок пожаротушения» проведен анализ литературы, который отражает состояние современных способов тушения пожаров в замкнутых объемах с помощью модульных установок пожаротушения.
Среди различных модификаций модульных установок пожаротушения были выбраны наиболее распространенные. Их характеристики представлены в таблице 1.
Проведенный сравнительный анализ существующих модульных установок пожаротушения, используемых в замкнутых объемах, выявил ряд недостатков: небольшая интенсивность подачи огнетушащих веществ (ОТВ), увеличенная металлоемкость установок, за счет повышенного давления в дежурном состоянии (в несколько раз больше атмосферного), наличие внешнего пускового баллона, что снижает надежность срабатывания, значительные материальные затраты при восстановлении после срабатывания, зависимость от внешних источников водо- и энергоснабжения, сложное техническое обслуживание, высокая стоимость системы, необходимость капитальных вложений в строительство специальных инженерных сооружений.
Таблица 1. Основные характеристики модульных установок пожаротушения Производители № Характерис МЭЗ ЗАО «ИСТА- НПО п/п тики НТК «Пламя» «Спецавтоматика» Комплект» «Этернис» 1 2 3 4 5 1 Модификации МУПТВ-55-Г-В, МУПТВ-60- МУПТВ 12-Г- МУПТВ-40 МУПТВ-110-Г-В Г-В ВД Г-В (МУПТВ-60- (МУПТВ 27-Г- (МУПТВ-60 Г-ГВ) ВД, Г-В, «Тайфун» МУПТВ 50-Г- МУПТВ-85 ВД) Г-В) 2 Вид запуска Электропиротех- Термомехани Электричес нический, ческий, Электричес кий, пневматический, электрический, кий ручной ручной пневматический 3 Класс очагов А,В А,В А,В,С А,В пожара 4 Рабочее 2,4 1,4 1,6 2, давление, МПа 5 Тип ОТВ вода (вода + вода + вода вода + добавки добавки) добавки 6 Расход ОТВ, л/с 1,2 (2,3) 1,6 - 6,0 1,3 (2,5;
5,0) 2, 7 Продолжи тельность 46 (48) 10-25 не менее 20 4- выпуска ОТВ, с 8 Наличие пускового нет да да да баллона 9 Вид СО водопитателя СО2 (сжиженный), СО2 (сжатый) нет данных (сжиженный) сжатый воздух, сжатый азот Из установок, рассматриваемых в таблице 1, для сравнения с разрабатываемым модулем пожаротушения были выбраны системы, производимые МЭЗ «Спецавтоматика» (МУПТВ-55-Г-В, МУПТВ-110-Г-В), так как пусковой баллон для запуска не нужен. Интенсивность подачи ОТВ данных модульных установок пожаротушения находится в пределах 0,012 – 0,014 л/(с·м3).
Для уменьшения металлоемкости и увеличения интенсивности подачи ОТВ из модульной установки пожаротушения предлагается совершенствовать существующие способы подачи огнетушащего вещества.
Чтобы достичь этих результатов предлагается водопитатель разместить внутри модуля пожаротушения в емкости с ОТВ.
Водопитатель, с нашей точки зрения, должен обладать следующими свойствами: не растворимый или мало растворимый в воде, имеющий низкую температуру кипения, но не ниже + 25 °С и, по возможности, не разрушающий озоновый слой Земли.
Исходя из выше сказанного, был проведен сравнительный анализ физико химических свойств водопитателей (таблица 2).
Таблица 2. Основные физико-химические свойства водопитателей Название вещества (формула) Характеристики Хладон 23 (CF3H) Сжатый азот (N2) углекислый газ Пентан (C5H12) Гексан (C6H14) Хладон 114В Хладон 227ea Фреон 141В Хладон (C2FCl2H3) Сжатый (C2F5H) (C2F5H) (C3F7H) № (СО2) п/п 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 1 Плотность, г/см 1,977 1,251 0,807 2,153 1,127 1,227 1,407 0,627 0, 2 Температура - 78,5 - 198,5 - 82,1 47,3 - 48,5 31,9 -16,4 36,1 68, кипения, °С 3 Критическая нет температура,°С 31,0 - 146,9 25,9 214,4 66,3 201,5 101,7 196, данных 4 Растворимость в 87 1,42 0,10 0 0 0,51 0,11 0 воде, мас. % 5 Озоноразру шающий - - 0 6 0 0,11 0 - потенциал (ODP) 6 Агрегатное Жид- Жид- Жид- Жид Газ Газ Газ Газ Газ состояние кость кость кость кость По результатам анализа физико-химических свойств водопитателей были отобраны для исследования фреон 141В, пентан и гексан. Сжатый углекислый газ, сжатый азот, хладон 23, хладон 125 и хладон 227ea использоваться в исследовании не будут, так как они являются газами и, соответственно, у них отрицательная температура кипения. Хладон 114В2 также не подходит для использования в исследовании из-за высокого озоноразрушающего потенциала.
Во второй главе «Экспериментальные исследования возможности тушения очагов пожаров класса «В» усовершенствованным модулем пожаротушения» содержится описание экспериментальных лабораторных стендов с модулями пожаротушения и методика исследования интенсивности подачи ОТВ для тушения очагов пожара класса «В» в замкнутых объемах.
Один из способов получения распыленного жидкого огнетушащего вещества и подачи его к очагу пожара используется в устройстве автоматического пожаротушения. Данный способ работает за счет использования тепловой энергии химической реакции для нагрева огнетушащего вещества посредством теплопередачи через герметичные стенки емкости. На данный способ имеется авторское свидетельство № 1692595 от 22 июля 1991 года.
Для проведения эксперимента по исследованию интенсивности подачи воды совместно с водопитателем при тушении пожаров класса «В» были разработаны и изготовлены два лабораторных стенда с модулями пожаротушения (рисунки 1 и 2).
Рисунок 1. Лабораторный стенд с модулем пожаротушения для исследования тушения очагов пожара класса «В» без сифонной трубки:
1 – экспериментальная камера объемом 1 м3;
2 – термопары для измерения температуры баллона и внутри экспериментальной камеры;
3 – песчаная баня;
4 – система вентиляции;
5 – очаги пожара класса «В»;
6 – газоанализатор «Testo 300XXL»;
модуль пожаротушения распыленной водой (МП РВ): 7 – баллон с ОТВ емкостью 1000 мл;
8 – манометр;
9 – слой водопитателя;
10 – система подачи ОТВ, совмещенная с разрывной мембраной;
11 – система подачи ОТВ;
12 – разбрызгиватель Рисунок 2. Лабораторный стенд с модулем пожаротушения для исследования тушения очагов пожара класса «В» с сифонной трубкой:
1 – экспериментальная камера объемом 1 м3;
2 – термопары для измерения температуры баллона и внутри экспериментальной камеры;
3 – песчаная баня;
4 – система вентиляции;
5 – очаги пожара класса «В»;
6 – газоанализатор «Testo 300XXL»;
МП РВ: 7 – баллон с ОТВ емкостью 1000 мл;
8 – манометр;
9 – слой водопитателя;
10 – система подачи ОТВ, совмещенная с разрывной мембраной;
11 – система подачи ОТВ;
12 – разбрызгиватель;
13 – сифонная трубка Рабочая камера герметично закрывается, в фасадной стене имеются окна для наблюдения за ходом эксперимента. В камеру помещались очаги пожара класса «В», представляющие собой металлические емкости диаметром 80 мм, расположенные на разных высотах, в качестве горючего компонента использовались ацетон и бензин АИ-80.
Для определения прекращения горения очагов пожара за счет снижения концентрации кислорода, которая замерялась в экспериментальной камере газоанализатором «Testo 300XXL», была проведена первая серия экспериментов. В металлические емкости помещалось по 80 мл горючей жидкости, которая затем поджигалась. Исследование показало, что горючая жидкость в очагах пожара выгорает полностью в течение 7 минут. При проведении экспериментов осуществлялись два замера концентрации кислорода: первый – без очагов пожара, а второй – после выгорания горючей жидкости. В первом случае концентрация составляла 20,4 ± 0,2 % (об.), а во втором – 19,8 ± 0,2 % (об.). При данной концентрации кислорода в воздухе в замкнутом объеме самозатухание очагов пожара горючей жидкости не возможно.
Вторая поставленная серия экспериментов предназначалась для определения максимальной интенсивности подачи ОТВ модулем пожаротушения в объем, результаты представлены в таблице 3. В качестве водопитателя был выбран фреон 141В.
Таблица 3. Определение интенсивности подачи ОТВ при использовании лабораторных стендов с модулями пожаротушения Температура Кол-во Давление Интенсивность Кол-во нагрева № опыта фреона срабатывания, подачи ОТВ, воды, мл баллона с атм (кгс/см2) л/(с·м3) 141B, мл ОТВ, °С 1 2 3 4 5 1. Модуль пожаротушения 850 ± 50 52,5 ± 27,5 81 ± 2 4,0 ± 0,2 0,132 ± 0, без сифонной трубки 2. Модуль пожаротушения 850 ± 50 52,5 ± 27,5 81 ± 2 4,0 ± 0,2 0,220 ± 0, с сифонной трубкой При проведении данного эксперимента было выявлено, что интенсивность подачи ОТВ при срабатывании модуля пожаротушения, у которого в баллоне нет сифонной трубки, не достаточна для тушения очагов пожара класса «В» по сравнению с нормативным (0,2 л/(с·м3)). В баллоне с сифонной трубкой интенсивность подачи ОТВ в 1,6 – 1,7 раза выше по сравнению с модулем пожаротушения без сифонной трубки. Следовательно, для проведения дальнейших экспериментов целесообразнее использовать МП РВ с сифонной трубкой.
Изменение интенсивности подачи ОТВ свидетельствует о том, что значительное количество его переносится механически, то есть при прохождении «кинетически активных» тяжелых паров фреона 141B через слой воды. При увеличении толщины этого слоя естественно происходит увеличение интенсивности подачи огнетушащего вещества. Данный факт способствовал проведению третей серии эксперимента – для определения оптимального соотношения фреона и воды, в зависимости от интенсивности подачи ОТВ по методу крутого восхождения.
Задача исследования в данном случае заключается в поиске условий или значений факторов, при которых интенсивность подачи огнетушащего вещества будет максимальным. Для получения максимального значения интенсивности подачи ОТВ, выявлена необходимость увеличения количества воды и температуры нагрева баллона с ОТВ, а так же уменьшения количества фреона141B, от которых она и зависит.
Результаты данного эксперимента показаны на графике (рисунок 3) и приведены в таблице 4.
№ 1 – 0, № 2 – 129, Интенсивность подачи ОТВ, л/(с·м3) 0, 0,26 № 3 – 0, 0,258 № 4 – 136, 0, № 5 – 136, 0, 0,257 № 6 – 161, 0, 0, № 7 – № 8 – 162, 0, 0, 0,25 № 9 – 162, 0, 0, 0, 0,247 № 10 – 194, 0,248 № 11 – 0, 0, № 12 – 0, № 13 – 0 № 14 – 0, № 15 – 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Наименование опыта, № № 16 – Рисунок 3. Зависимость интенсивности подачи ОТВ от соотношения фреона и воды Результаты экспериментов и анализ графика (рисунок 3) показали, что количество рабочей жидкости в системе должно быть не более 960 мл, данное количество соответствует соотношению 1:95 (10 мл 141B : 950 мл воды), эти значения были использованы в последующей работе. При такой концентрации фреона в огнетушащем веществе невозможно объяснить факт тушения очагов пожара класса «В» только за счет огнетушащего действия фреона, поскольку его огнетушащая концентрация составляет около 0, кг/м3, в то время как в проведенных экспериментах устанавливалась максимальная концентрация фреона 0,013 кг/м3. При соотношении 1: происходит преждевременный разрыв мембраны до наступления в модуле пожаротушения рабочего давления.
Таблица 4. Результаты эксперимента по определению оптимального соотношения фреона и воды Кол- Кол-во Температура Соотношения Давление Интенсивность № во фреона нагрева фреона и срабатывания, подачи ОТВ, п/п воды, 141B, баллона с атм (кгс/см2) л/(с·м3) воды мл мл ОТВ, °С 1 2 3 4 5 6 1 870 30 1:29 75,0 3,8 0, 2 890 30 1:29,6 75,0 4,0 0, 3 900 25 1:36 75,5 3,9 0, 4 910 25 1:36,4 76,0 4,1 0, 5 920 25 1:36,8 76,5 3,8 0, 6 925 15 1:61,7 77,0 3,9 0, 7 930 15 1:62 77,5 4,0 0, 8 935 15 1:62,3 77,5 3,8 0, 9 940 15 1:62,7 78,0 3,9 0, 10 945 10 1:94,5 78,0 4,1 0, 11 950 10 1:95 79,0 4,1 0, 12 950 10 1:95 79,5 4,0 0, 13 950 10 1:95 79,0 4,1 0, 14 950 10 1:95 80,0 4,2 0, 15 950 10 1:95 81,0 4,2 0, 16 955 5 1:191 - - Четвертая серия экспериментов была поставлена с целью исследования зависимости времени тушения очагов пожара класса «В» от температуры баллона с ОТВ модуля пожаротушения. При выбранном оптимальном соотношении фреона и воды в баллоне объемом 1000 мл совместно с 10 мл фреона 141B подается примерно 780 мл огнетушащего вещества.
Результаты экспериментов представлены на графиках (рисунки 4 и 5), а так же в таблицах 5 и 6. При каждом из заданных параметров температуры баллона с огнетушащим веществом модуля пожаротушения проводилось не менее 10 экспериментов. Оценивались средние значения времени тушения нижнего и верхнего очагов и интенсивность подачи ОТВ из баллона, а также значения стандартного отклонения.
Время тушения, с Время тушения, с 4 2 y = -0,494x + 44,856 y = -0,574x + 49, R = 0,97 R = 0, 0 77 78 79 80 81 82 83 77 78 79 80 81 82 Температура нагрева баллона с Температура нагрева баллона с ОТВ, °С ОТВ, °С а) нижний очаг б) верхний очаг Рисунок 4. Зависимость времени тушения ацетона от температуры баллона с огнетушащим веществом модуля пожаротушения Таблица 5. Результаты эксперимента по тушению ацетона Время тушения, с Температура Давление Интенсивность нагрева баллона с срабатывания, подачи ОТВ, Нижний Верхний 2 ОТВ, °С атм (кгс/см ) л/(с·м ) очаг очаг 1 2 3 4 78,0 ± 0,5 3,8 ± 0,1 0,250 ± 0,0015 6,1 ± 0,8 5,1 ± 0, 79,0 ± 0,5 4,0 ± 0,1 0,257 ± 0,0013 6,0 ± 0,7 4,5 ± 0, 79,5 ± 0,5 4,0 ± 0,1 0,260 ± 0,0012 5,7 ± 0,7 3,9 ± 0, 80,0 ± 0,5 4,1 ± 0,1 0,260 ± 0,0012 5,4 ± 0,6 3,7 ± 0, 80,5 ± 0,5 4,1 ± 0,1 0,262 ± 0,0012 5,0 ± 0,6 3,4 ± 0, 81,0 ± 0,5 4,1 ± 0,1 0,263 ± 0,0011 4,7 ± 0,5 3,1 ± 0, 81,5 ± 0,5 4,2 ± 0,1 0,263 ± 0,0011 4,4 ± 0,5 2,8 ± 0, 82,0 ± 0,5 4,2 ± 0,1 0,263 ± 0,0010 4,3 ± 0,5 2,6 ± 0, 82,5 ± 0,5 4,2 ± 0,1 0,263 ± 0,0010 4,1 ± 0,5 2,5 ± 0, 83,0 ± 0,5 4,2 ± 0,1 0,265 ± 0,0009 3,9 ± 0,5 2,2 ± 0, 12 Время тушения, с Время тушения, с 10 8 y = -0,881x + 77, y = -0,632x + 60, R = 0, R = 0, 78 79 80 81 82 78 79 80 81 82 Температура нагрева баллона с Температура нагрева баллона с ОТВ, °С ОТВ, °С а) нижний очаг б) верхний очаг Рисунок 5. Зависимость времени тушения бензина АИ-80 от температуры баллона с огнетушащим веществом модуля пожаротушения Таблица 6. Результаты эксперимента по тушению бензина АИ- Время тушения, с Температура Давление Интенсивность нагрева баллона с срабатывания, подачи ОТВ, Нижний Верхний атм (кгс/см2) л/(с·м3) ОТВ, °С очаг очаг 1 2 3 4 78,5 ± 0,5 3,9 ± 0,1 0,255 ± 0,0016 11,1 ± 0,8 8,4 ± 0, 79,0 ± 0,5 3,9 ± 0,1 0,257 ± 0,0015 11,0 ± 0,7 8,1 ± 0, 79,5 ± 0,5 3,9 ± 0,1 0,258 ± 0,0015 10,5 ± 0,7 7,8 ± 0, 80,0 ± 0,5 4,0 ± 0,1 0,260 ± 0,0014 10,1 ± 0,7 7,2 ± 0, 80,5 ± 0,5 4,0 ± 0,1 0,260 ± 0,0014 9,7 ± 0,6 6,8 ± 0, 81,0 ± 0,5 4,1 ± 0,1 0,262 ± 0,0013 9,3 ± 0,6 6,2 ± 0, 81,5 ± 0,5 4,1 ± 0,1 0,262 ± 0,0013 9,0 ± 0,5 5,7 ± 0, 82,0 ± 0,5 4,2 ± 0,1 0,263 ± 0,0012 8,9 ± 0,5 5,5 ± 0, 82,5 ± 0,5 4,2 ± 0,1 0,265 ± 0,0012 8,7 ± 0,5 5,1 ± 0, 83,0 ± 0,5 4,2 ± 0,1 0,265 ± 0,0010 8,4 ± 0,5 4,5 ± 0, Результаты данной серии экспериментов показали, что используемый способ подачи огнетушащего вещества в модуле пожаротушения имеет ряд преимуществ:
увеличенная интенсивность подачи ОТВ при объемном тушении пожаров класса «В»;
отсутствие дополнительного пускового баллона с водопитателем;
в первоначальном дежурном состоянии МП РВ находится под нормальным давлением, что способствует меньшей металлоемкости и материальным затратам;
время с момента срабатывания до полного выпуска огнетушащего вещества менее 5 секунд, что в 1,5 – 2 раза меньше работы существующих установок;
модуль пожаротушения полностью независим от внешних источников водо- и энергоснабжения;
низкая температура срабатывания (до 85 °С).
Была также проведена пятая серия экспериментов по тушению очагов пожара класса «В» с использованием смеси гексан : вода и пентан : вода в соотношениях 1:36 и 1:95, которая показала, что при данных значениях тушение не наблюдалось. Это связано с тем, что интенсивность подачи ОТВ при данных соотношениях вышеприведенных смесей меньше (примерно на 25–30 %) чем у аналогичных соотношений фреона 141B и воды.
Соотношения для проведения эксперимента выбирались исходя из того, чтобы концентрации паров гексана и пентана не были пожаровзрывооопасны в объеме камеры лабораторного стенда.
Эта серия экспериментов показала, что вещества «легче» воды (с меньшей плотностью) обеспечивают меньшую интенсивность подачи ОТВ при тушения очагов пожара класса «В».
В третьей главе «Математическая обработка экспериментальных результатов испытаний и рекомендации по использованию предлагаемого способа подачи ОТВ» для прогноза времени тушения очагов пожара класса «В» в замкнутых объемах разработана регрессионная модель.
Математическая обработка полученных в ходе экспериментов результатов испытаний позволила получить математическую модель, связывающую время тушения стандартного очага и параметры МП РВ x1 xm (m – число учитываемых параметров) в виде квазилинейного уравнения регрессии:
М a j z j, (1) j где aj, zj – j-ые коэффициенты регрессии и условные факторы, зависящие от параметров x1 xm;
M – число компонентов уравнения (1).
Адекватность уравнения регрессии (1) проверяется путем сопоставления значений времени тушения полученных экспериментально и расчетом, для чего может использоваться критерий Фишера:
D F 0, (2) D N N 1 ( i где D 0 ) – дисперсия экспериментов.
j N 1 i 1 N j Если величина F больше табличного значения при степенях свободы V1 = N – M и V2 = N – 1, то доверительная вероятность больше некоторой табличной вероятности табл.
В любом случае, приблизительно можно считать, что если F 10, то доверительная вероятность не меньше 95 %.
Было проведено 2 серии опытов по 10 экспериментов (N = 10), в процессе которых менялось три (m = 3) параметра – температура нагрева баллона с ОТВ модуля пожаротушения (X1), давление срабатывание (X2), интенсивность подачи ОТВ (X3) и один параметр – количество долей воды (X4) к одной доле фреона оставался не изменным, а так же фиксировалось время тушения стандартного очага.
Математическая обработка результатов измерений в первом случае (тушение ацетона) позволила получить уравнение (1) в виде:
выч н 382,9 z1 447,3 z 2 127,9 z3, (3) выч 282 z1 322 z 2 89,79 z 3, (4) в -1 - где z1 = 0,001·X3, z2 = 0,001·X3, z3 = 0,001·X3.
Область применения моделей следующая:
X1 [78,0;
83,0], X2 [3,8;
4,2], X3 [0,250;
0,265].
Проверка адекватности выражений (3) и (4) по критерию Фишера дала положительный результат – величина доверительной вероятности 98 %.
Для сравнения величины времени тушения, пересчитанные по уравнениям (3) и (4), приведены в таблице 7.
Таблица 7. Результаты исследования (тушение ацетона) Время тушения, с X2, атм X3, № X1, °С X (кгс/см2) л/(с·м3) п/п Нвыч Ввыч Н В 1 2 3 4 5 6 7 8 1 78,0 3,8 0,250 6,1 6,1 5,1 5, 2 79,0 4,0 0,257 6,0 6,0 4,5 4, 3 79,5 4,0 0,260 5,7 5,3 3,9 3, 4 80,0 4,1 0,260 5,4 5,3 3,7 3, 5 80,5 4,1 0,262 5,0 4,8 3,4 3, 6 81,0 4,1 0,263 4,7 4,3 3,1 2, 7 0, 81,5 4,2 4,4 4,3 2,8 2, 8 0, 82,0 4,2 4,3 4,3 2,6 2, 9 0, 82,5 4,2 4,1 4,3 2,5 2, 10 83,0 4,2 0,265 3,9 3,7 2,2 2, Математическая обработка результатов измерений во втором случае (тушение бензина АИ-80) позволила получить уравнение (1) в виде:
выч н 108,4 z1 66,68 z 2 145,9 z 3, (5) 2 2 где z1 = (0,01·X1·0,001·X3), z2 = 0,01·X1/0,001·X3, z3 = 0,01·X1 /0,001·X3.
ввыч 96,66 z 4 41,53 z5 109,9 z 6, (6) где z4 = 0,01·X12, z5 = (0,01·X1·0,001·X3)-2, z6 = (0,01·X1·0,001·X3)-1.
Область применения моделей следующая:
X1 [78,5;
83,0], X2 [3,9;
4,2], X3 [0,255;
0,265].
Проверка адекватности выражений (5) и (6) по критерию Фишера дала положительный результат – величина доверительной вероятности 97 %.
Для сравнения величины времени тушения, пересчитанные по уравнениям (5) и (6), приведены в таблице 8.
Таблица 8. Результаты исследования (тушение бензина АИ-80) Время тушения, с X2, атм X3, № X1, °С X (кгс/см2) л/(с·м3) п/п Нвыч Ввыч Н В 1 2 3 4 5 6 7 8 1 78,5 3,9 0,255 11,1 11,0 8,4 8, 2 79,0 3,9 0,257 11,0 10,7 8,1 8, 3 79,5 3,9 0,258 10,5 10,4 7,8 7, 4 80,0 4,0 0,260 10,1 10,2 7,2 7, 5 80,5 4,0 0,260 9,7 9,8 6,8 7, 6 81,0 4,1 0,262 9,3 9,5 6,2 6, 7 81,5 4,1 0,262 9,0 9,1 5,7 6, 8 82,0 4,2 0,263 8,9 8,9 5,5 5, 9 82,5 4,2 0,265 8,7 8,8 5,1 5, 10 83,0 4,2 0,265 8,4 8,3 4,5 4, Таким образом, по результатам исследования были составлены регрессионные модели, описывающие связь параметров модуля пожаротушения со временем тушения распыленной водой. Полученные модели, в первом случае (тушение ацетона), показали, что для обоих очагов пожара (нижнего и верхнего) существенным фактором является интенсивность подачи ОТВ (X3). Во втором случае (тушение АИ-80), в полученных моделях существенными факторами являются температура нагрева баллона с ОТВ модуля пожаротушения (X1) и интенсивность подачи ОТВ (X3). Эти модели могут быть использованы для прогноза времени тушения очагов класса «В» предлагаемым способом подачи ОТВ и разработки модулей пожаротушения распыленной водой на объектах нефтегазового комплекса.
Для реализации предложенного способа подачи ОТВ на объектах нефтегазового комплекса разработаны рекомендации по применению модуля пожаротушения, представленные в таблице 9.
Таблица 9. Рекомендации по применению способа подачи ОТВ модулем пожаротушения № Технические мероприятия Ожидаемый результат п/п 1 2 1 Установка модуля 1. Увеличение интенсивности подачи ОТВ пожаротушения распыленной при объемном тушении.
воды в помещении насосной 2. Уменьшение времени тушения с момента станции срабатывания до ликвидации пожара.
3. Снижение материальных затрат на оборудование автоматических систем пожаротушения.
4. Снижение допустимого пожарного риска на территории объекта.
5. Снижение вероятности остановки технологического процесса при возгорании 2 Установка модуля 1. Снижение материальных затрат на пожаротушения распыленной оборудование автоматических систем воды в помещении склада пожаротушения.
горючих веществ и 2. Снижение возможных материальных материалов потерь при возгорании.
3. Увеличение интенсивности подачи ОТВ при объемном тушении.
4. Уменьшение времени тушения с момента срабатывания до ликвидации пожара.
5. Снижение допустимого пожарного риска на территории объекта 3 Установка модуля 1. Снижение экологических последствий от пожаротушения распыленной возможного пожара.
воды в лаборатории 2. Снижение материальных затрат на оборудование автоматических систем пожаротушения.
3. Снижение возможных материальных потерь при возгорании.
4. Увеличение интенсивности подачи ОТВ при объемном тушении.
5. Уменьшение времени тушения с момента срабатывания до ликвидации пожара В заключении подведены итоги работы. Перечисляются полученные научные и практические результаты, приводятся сведения о внедрении и практическом использовании полученных результатов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен сравнительный анализ модульных установок пожаротушения в замкнутых объемах, в которых выявлен ряд недостатков, таких как: небольшая интенсивность подачи огнетушащих веществ (ОТВ), увеличенная металлоемкость установок за счет повышенного давления в дежурном состоянии (в несколько раз больше атмосферного), наличие внешнего пускового баллона, что снижает надежность срабатывания, значительные материальные затраты при восстановлении после срабатывания, зависимость от внешних источников водо- и энергоснабжения, сложное техническое обслуживание, высокая стоимость системы, необходимость капитальных вложений в строительство специальных инженерных сооружений. Так же проведен сравнительный анализ физико-химических свойств водопитателей для использования в модуле пожаротушения. Отбор водопитателя происходил по ряду критериев: не растворимый или мало растворимый в воде, имеющий низкую температуру кипения, но не ниже + 25 °С и, по возможности, не разрушающий озоновый слой Земли.
2. Разработан способ подачи огнетушащего вещества для тушения очагов пожара класса «В» в замкнутых объемах.
3. Разработан лабораторный стенд с макетом модуля пожаротушения и проведены экспериментальные исследования физико-технических характеристик вытеснения огнетушащего вещества. Проведенные исследования показали, что при использовании смеси фреон 141В : вода (1:95) в модуле пожаротушения интенсивность подачи ОТВ для тушения очагов пожара класса «В» значительно выше (примерно на 25 – 30 %), чем у составов гексан : вода (1:95) и пентан : вода (1:95). Определены основные характеристики модуля пожаротушения.
4. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать время тушения очагов пожара класса «В» в замкнутых объемах модуля пожаротушения.
5. Разработаны рекомендации по применению способа подачи ОТВ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:
1. Бондарь А.А. К вопросу о совершенствовании способа получения распыленной воды (РВ) / А.А. Бондарь, А.П. Решетов, Д.Н. Саратов // Проблемы управления рисками в техносфере. – 2012 – № 1 (21) – 0,6/0,3 п.л.
2. Бондарь А.А. Математическое моделирование времени тушения пожаров распыленной водой по результатам эксперимента в замкнутых объемах / А.А. Бондарь, А.Ю. Иванов, А.П. Решетов // Электронный научно аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России». – 2012. – № 1. vestnik.igps.ru – 0,6/0,3 п.л.
Публикации во всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:
3. Бондарь А.А. К вопросу об обеспечении пожаровзрывобезопасности объектов хранения нефтепродуктов / А.А. Бондарь, А.П. Решетов // Проблемы обеспечения взрывобезопасности и противодействия терроризму: материалы V Всероссийской научно-практической конференции, 20 – 21 апреля 2010 г. – СПб.:
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2010. – 0,4/0,2 п.л.
4. Бондарь А.А. Некоторые вопросы обеспечения безопасности людей и защиты имущества при пожаре на объектах хранения и переработки нефтепродуктов для проведения олимпийского строительства в городе Сочи / А.А. Бондарь, А.П. Решетов // Сервис безопасности при подготовке и проведении XXII зимних Олимпийских игр в 2014 году в г. Сочи: материалы III Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 2 – 3 декабря 2010 г. – СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2010. – 0,4/0,3 п.л.
5. Бондарь А.А. Аналитический обзор систем по обеспечению безопасности людей и защиты имущества при пожаре на объектах хранения нефтепродуктов с помощью современных средств / А.А.
Бондарь, А.П. Решетов // Сборник трудов докторантов, адъюнктов, аспирантов и соискателей факультета подготовки и переподготовки научных и научно-педагогических кадров Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России. – СПб.: Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России, 2010. – 0,6/0,4 п.л.
6. Бондарь А.А. К вопросу об обеспечении защиты имущества при пожаре на объектах хранения и переработке нефтепродуктов с помощью современных средств / А.А. Бондарь // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация: материалы VI Международной научно-практической конференции, 8 – 9 июня 2011 г. – Минск: Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Беларуси, Минск, 2011. – 0,2 п.л.
7. Бондарь А.А. К вопросу об обеспечении пожарной безопасности на объектах хранения нефтепродуктов в условиях природных и техногенных ЧС / А.А. Бондарь // Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуациях в первой половине ХХI века: материалы научно-практической конференции, 17 октября 2011 г. – СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. – 0,9 п.л.
8. Бондарь А.А. Перспективный способ получения распыленной воды для эффективного тушения пожаров в замкнутых объемах на водном транспорте при освоении шельфа Северного Ледовитого океана / А.А. Бондарь, А.П. Решетов // Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы. Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий: материалы IV Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 17 ноября 2011 г. – СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2011. – 0,5/0,3 п.л.
9. Бондарь А.А. К вопросу о тушении пожаров распыленной водой в замкнутых объемах с целью обеспечения пожарной безопасности / А.А.
Бондарь, А.П. Решетов // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации: материалы VI Всероссийской научно-практической конференции, 30 мая 2012 г. – Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России, 2012. – 0,3/0,2 п.л.
Подписано в печать 27.09.2012 Формат 6084 1/ Печать цифровая Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.