CC BY
19ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ
УДК 699.816.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК СДЕРЖИВАНИЯ ПОЖАРА
Дан Игоревич Савельев2; Иван Дмитриевич Балабанов;
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия. Денис Юрьевич Минкин.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Санкт-Петербург, Россия
2savelev. dan@yandex. ru
Аннотация. В целях снижения вреда, наносимого огнетушащим веществом, водой, предлагается для локализации возгорания вместо автоматических установок пожаротушения применять установки сдерживания пожара, чей принцип основан на снижении интенсивности орошения пожарной нагрузки. В отсутствии достаточного числа экспериментальных данных в ходе работы были проведены компьютерное моделирование и натурные испытания. На их основе получены численные параметры сдерживания пожара, которые в дальнейшем могут использоваться при проектировании систем защиты, а также дано обоснование необходимости использования технологии принудительного пуска в автоматических установках сдерживания пожара.
Ключевые слова: пожарная безопасность, водяное пожаротушение, автоматические установки сдерживания пожара, компьютерное моделирование, Fire Dynamics Simulator
Для цитирования: Савельев Д.И., Балабанов И.Д., Минкин Д.Ю. Исследование эффективности работы автоматических установок сдерживания пожара // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2022. № 2. С. 25-32.
RESEARCH OF EFFICIENCY OF FIRE CONTAINMENT INSTALLATIONS
Dan I. Savelev121; Ivan I.D. Balabanov;
Peter the Great Saint-Petersburg polytechnic university, Saint-Petersburg, Russia. Denis Yu. Minkin.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia, Saint-Petersburg, Russia
2savelev.dan@yandex.ru
Abstract. To reduce the harm caused by a fire extinguishing agent, water, it is proposed to use fire containment installations instead of automatic fire extinguishing installations, whose principle is based on reducing the intensity of irrigation of the fire load. In the absence of a sufficient number of experimental data, computer modeling and field tests were carried out in the course of the work, based on which numerical parameters of fire containment were obtained, which can later be used in the design of protection systems. The rationale for the use of electrical activation technology in automatic fire containment installations is also given.
© Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2022
25
Keywords: fire safety, water firefighting, automatic fire containment installations, computer simulation, Fire Dynamics Simulator
For citation: Savelev D.I., Balabanov I.D., Minkin D.Yu. Research of efficiency of fire containment installations // Nauch.-analit. jour. «Vestnik S.-Petersb. un-ta of State fire service of EMERCOM of Russia». 2022. № 2. P. 25-32.
Введение
Анализ статистики МЧС России за 2017-2020 гг. в России показывает ежегодное увеличение количества пожаров [1]. Одна из причин может быть связана с постоянным увеличением числа вводимых площадей жилого, коммерческого, складского и производственного назначений, даже несмотря на экономический кризис, связанный с пандемией [2].
При этом параметры эффективности работы установок пожаротушения из года в год практически не меняются, что видно из таблицы [1]. Таким образом, можно сделать вывод, что значительного качественного изменения систем безопасности не происходит.
Таблица. Эффективность работы установок и модулей пожаротушения
в 2017-2020 гг.
Год Всего Сработала, задачу выполнила Сработала, задачу не выполнила Не сработала Не включена
2017 69 32 46 % 23 33 % 7 10 % 7 10 %
2018 82 43 53 % 25 31 % 10 12 % 4 5 %
2019 94 50 54 % 34 37 % 6 6 % 4 4 %
2020 100 52 52 % 31 31 % 10 10 % 7 7 %
Одним из самых распространённых способов борьбы с пожарами является применение водяных установок пожаротушения. Вода как огнетушащее вещество (ОТВ) имеет ряд преимуществ: доступность, дешевизна, безопасность для человека и т.д.
Но было замечено, что лишь в 16 % случаев огонь является причиной имущественных потерь, тогда как вода наносит значительный вред в 42 % [3]. В силу того, что водяные установки могут применяться для защиты особенно ценных помещений, появляется цель минимизировать воздействие огнетушащего вещества на имущество.
Одним из предлагаемых методов воздействия ОТВ на объект является уменьшение интенсивности орошения - количества воды, попадающего на единицу площади поверхности объекта за единицу времени.
На данный момент подобная технология используется в установках подавления («suppression») пожара, которые применяются для стеллажного складирования. Также разрабатывается возможность уменьшения интенсивности орошения и для иных объектов, что будет реализовано в автоматических установках сдерживания пожара (АУСП). Так, в ст. 117 Федерального закона от 22 июля 2008 г. № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» прописаны требования к подобным системам, и на стадии разработки находится ГОСТ «Установки сдерживания пожара водяные автоматические. Общие технические требования. Методы испытаний».
Основным предназначением подобных установок является не тушение пожара, а его локализация до приезда пожарных подразделений. Подбор интенсивности орошения в таком случае является нетривиальной задачей.
Не стоит полагать, что применение АУСП предусматривается вместо доказавших свою работоспособность установок пожаротушения. Предлагается использовать сдерживание лишь на тех объектах, которые согласно действующим требованиям не подлежат защите установками пожаротушения, тем самым дополнительно повышая
26
безопасность объекта защиты. Например, при реконструкции или изменении функционального назначения помещения может остаться оборудование от ранее действующей АУПТ, но согласно текущему состоянию объекта на нём больше не требуются подобные системы, тогда при малейших финансовых и трудовых затратах тушение можно заменить на сдерживание, гарантируя при этом меньший ущерб имуществу, но большую степень защищённости от воздействия огня.
Методы исследования
Основным инструментом изучения сдерживания пожара был выбран программный продукт Fire Dynamics Simulator (FDS), работающий с вычислительной гидродинамикой, решающий уравнения Навье-Стокса, разрабатываемый National Institute of Standards and Technology (NIST) [4].
Но большинство работ, изучающих возможности FDS, представляют собой моделирование какого-либо уникального объекта и сравнение имитации с натурными испытаниями [5-9]. Ответов на поставленные в данной работе задачи в этих источниках нет.
Для целей исследования была построена модель, представляющая собой прямоугольное помещение размерами 7,5х7,5х3 м, с расположенным по центру пола штабелем, состоящим из деревянных брусков, удельная величина пожарной нагрузки которых не превышает 180 МДж/м , что соответствует 1 группе помещений по степени опасности развития пожара. Очаг возгорания находится в центре верхней поверхности пожарной нагрузки и распространяется радиально со скоростью 1 м/мин (рис. 1).
Рис. 1. Визуализация модели, пожарная нагрузка и оросители (1 - оросители; 2 - пожарная нагрузка; 3 - очаг; 4 - пол)
Под поверхностью потолка были расположены оросители с шагом 3,5 м, которые включаются после минуты свободного горения (рис. 2).
При этом оценивалась скорость распространения пламени по поверхности пожарной нагрузки в зависимости от различных значений интенсивности орошения, что отражено на рис. 3.
27
Рис. 3. График зависимости линейной скорости распространения пламени
от интенсивности орошения
В качестве верификации результатов моделирования были проведены натурные испытания на тестовом очаге на территории испытательного полигона ООО «ФНПП «Гефест», расположенного в Ленинградской обл., Тосненском р-не, пгт Форносово.
Здание полигона представляет собой прямоугольное помещение размерами около 8х8х5 м, с расположенной под перекрытием на высоте порядка 3 м распределительной сетью трубопроводов, питающей оросители, и кессоном для сбора воды.
Для измерений, проводимых в эксперименте, использовалось следующее оборудование:
- весы платформенные электронные ВПА-10-1;
- влагомер Condtrol Hydro-Tec 3-14-020.
В качестве оросителя был использован дренчер ДУОО-РНо 0,42-К1/2.В2-«Аква-Гефест» производства ООО «ФНПП «Гефест».
Тестовый очаг устанавливается на поверхности пола с исследуемой интенсивностью орошения в следующем порядке снизу вверх:
1. Весы ВПА-10-1 с вынесенным пультом управления и индикации.
2. Металлический противень размером (500±1)х(500±1) мм с бортиком (50±1) мм.
28
3. Банка размерами (250±1)х(250±1) мм и высотой 200 мм, заполненная водой и гептаном в соотношении 2:1:(1±0,1) л и (0,5±0,1) л соответственно.
4. Тестовый очаг, состоящий из 15 деревянных брусков в пять слоев по три штуки сечением (40±1) мм и длиной (300±10) мм, в форме колодца.
Полученное сооружение представлено на рис. 4.
Рис. 4. Тестовый очаг
В качестве пожарной нагрузки используются бруски хвойных пород не ниже третьего сорта по ГОСТ 8486-86 [10] сечением (40±1) мм и соответствующей длиной. Влажность пиломатериала должна составлять от 10 до 20 % по ГОСТ 16588-91 (ИСО 4470-81) [11].
Непосредственно огневое испытание начинается с поджигания ветоши, смоченной в водо-гептанной смеси, на длинной палке и трёхминутного свободного горения очага. По прошествии 3 мин включается орошение.
Производится регистрация показаний весов, которые показывают уменьшение общей массы пожарной нагрузки вследствие выгорания оной, что представлено на рис. 5.
6
1
о
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Время, мин
Рис. 5. График зависимости массы тестового очага от времени и интенсивности орошения
29
Испытание заканчивается в случае потухания огня или по истечении 15 мин. В случае если пожарная нагрузка продолжает гореть после 15 мин, производится тушение водой из шланга.
Результат эксперимента оценивается по степени разрушения конструкции тестового очага и оставшейся массы древесины, для чего по окончанию испытания производится её замер на весах.
Условием успешного результата является то, что конструкция после огневого воздействия не разрушилась, продолжает стоять, отсутствуют полностью прогоревшие, разрушенные бруски.
Результаты исследования и их обсуждение
Решение о сдерживании пожара при той или иной интенсивности орошения предлагается производить по комплексной оценке результатов как компьютерного моделирования, так и натурных испытаний, исходя из графика, представленного на рис. 3, и сравнении его с исходами натурных испытаний, которые показали при интенсивности 0,04 л/(с*м2) тушение на 7:10 мин, а при 0,03 л/(с*м2) - лишь некое сдерживание.
Исходя из анализа полученных данных, можно заключить, что требуемый результат обеспечивается при увеличении линейной скорости распространения пламени относительно скорости при тушащей интенсивности орошения не более чем на 25 %, а также при скорости нарастания массы пожарной нагрузки не менее 2-4 %/мин.
Итоговая оценка свидетельствует о том, что уменьшение интенсивности орошения с тушащей 0,08 л/(м2/с) до 0,04 л/(м2/с) позволяет сдерживать пожар в течение 15 мин, необходимых для обнаружения возгорания и приезда пожарного подразделения.
Но располагать оросители АУСП таким же образом, как в случае с установкой пожаротушения не является рациональным, так как, несмотря на то, что при равномерном покрытии автоматической установкой всей площади объекта имущество будет повреждено значительно меньше, затем оно подвергнется воздействию водяной струи из пожарного рукава, что значительно пагубнее скажется на его состоянии.
Поэтому предлагается размещать оросители сдерживания пожара по периметру защищаемой зоны, тем самым локализуя возгорание внутри неё. Таким образом, воздействие огня и ОТВ на защищаемое имущество будет минимальным.
Но для таких целей не подходят обычные спринклерные оросители, потому что они не могут гарантировать замкнутость линии орошения, поэтому предлагается использовать оросители с принудительным групповым пуском по сигналу от пожарного извещателя.
Технология принудительного пуска не является совершенно новой разработкой, она уже достаточно известна и проработана. Значительное развитие технология принудительного пуска получила благодаря разработкам группы компаний «Гефест» (Санкт-Петербург). Благодаря чему принудительный пуск входит в нормативные документы не только России, но и всего мира. Таким образом, не должно возникать проблем при его интеграции в новый тип установок, а именно в АУСП. Но её применение позволит при оправданных трудовых и финансовых затратах достичь положительных эффектов по обеспечению пожарной безопасности и сохранности имущества при пожарах.
Заключение
Использование компьютерного моделирования позволит подобрать необходимые параметры и для иных видов пожарной нагрузки или групп помещений, таким образом, включить в нормативы наиболее точные характеристики, что, в конечном счёте, скажется на уменьшении ущерба от пожаров, и при этом не придётся проводить сложных и затратных натурных испытаний. А применение принудительного пуска спринклерных оросителей позволяет более точно регулировать защищаемые зоны, тем самым менее губительно воздействовать на имущество, составляющее пожарную нагрузку.
30
Список источников
1. Пожары и пожарная безопасность в 2020 году: Статистический сборник / П.В. Полехин [и др.] / под общ. ред. Д.М. Гордиенко. М.: ВНИИПО, 2021. 112 с.
2. Мониторинг объемов жилищного строительства. URL: https://www.minstroyrf.gov.rU/trades/zhilishnaya-politika/8/ (дата обращения: 20.04.2022).
3. WATER DAMAGE // FM Global. URL: https://www.fmglobal.com/research-and-resources/tools-and-resources/water-damage-resource (дата обращения: 20.04.2022).
4. Специальное издание НИСТ 1019-5. Руководство пользователя программы FDS (Версия 5) / К. МсГраттан [и др.]. США: Национальный институт стандартов и технологии, 2007. 201 c.
5. McKinnon M.B., Weinschenk C. Validation of CFD fire model pressure predictions for modern residential style structures // Fire Safety Journal. 2021. Т. 126. P. 103466.
6. Janardhan R.K., Hostikka S. When is the fire spreading and when it travels? - Numerical simulations of compartments with wood crib fire loads // Fire Safety Journal. 2021. Vol. 126. P. 103485.
7. Kim S.C., Ryou H.S. An experimental and numerical study on fire suppression using a water mist in an enclosure // Building and Environment. 2003. Vol. 38. № 11. P. 1309-1316.
8. Application of a simplified pyrolysis model to predict fire development in rack storage facilities / Markus E. [et al.] // Journal of Physics: Conference Series - IOP Publishing. 2018. Vol. 1107. № 4. P. 042012.
9. Ingason H. In-rack fire plumes // Fire Safety Science. 1997. Vol. 5. P. 333-344.
10. ГОСТ 8486-86. Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия (с изм. № 1-3, с поправкой) от 30 сент. 1986 г., с изм. и доп. в ред. от 1 дек. 2013 г. М.: Стандартинформ, 2007.
11. ГОСТ 16588-91 (ИСО 4470-81). Пилопродукция и деревянные детали. Методы определения влажности от 28 дек. 1991 г. с изм. и доп., в ред. от 1 сент. 2009 г. М.: Стандартинформ, 2009.
References
1. Pozhary i pozharnaya bezopasnost' v 2020 godu: Ctatisticheskij sbornik / P.V. Polekhin [i dr.] / pod obshch. red. D M. Gordienko. M.: VNIIPO, 2021. 112 s.
2. Monitoring ob"emov zhilishchnogo stroitel'stva. URL: https://www.minstroyrf.gov.ru/trades/zhilishnaya-politika/8/ (data obrashcheniya: 20.04.2022).
3. WATER DAMAGE // FM Global. URL: https://www.fmglobal.com/research-and-resources/tools-and-resources/water-damage-resource (data obrashcheniya: 20.04.2022).
4. Special'noe izdanie NIST 1019-5. Rukovodstvo pol'zovatelya programmy FDS (Versiya 5) / K. MsGrattan [i dr.]. SSHA: Nacional'nyj institut standartov i tekhnologii, 2007. 201 c.
5. McKinnon M.B., Weinschenk C. Validation of CFD fire model pressure predictions for modern residential style structures // Fire Safety Journal. 2021. T. 126. P. 103466.
6. Janardhan R.K., Hostikka S. When is the fire spreading and when it travels? - Numerical simulations of compartments with wood crib fire loads // Fire Safety Journal. 2021. Vol. 126. P.103485.
7. Kim S.C., Ryou H.S. An experimental and numerical study on fire suppression using a water mist in an enclosure // Building and Environment. 2003. Vol. 38. № 11. P. 1309-1316.
8. Application of a simplified pyrolysis model to predict fire development in rack storage facilities / Markus E. [et al.] // Journal of Physics: Conference Series - IOP Publishing. 2018. Vol. 1107. № 4. P. 042012.
9. Ingason H. In-rack fire plumes // Fire Safety Science. 1997. Vol. 5. P. 333-344.
10. GOST 8486-86. Pilomaterialy hvojnyh porod. Tekhnicheskie usloviya (s izm. № 1-3, s popravkoj) ot 30 sent. 1986 g., s izm. i dop. v red. ot 1 dek. 2013 g. M.: Standartinform, 2007.
11. GOST 16588-91 (ISO 4470-81). Piloprodukciya i derevyannye detali. Metody opredeleniya vlazhnosti ot 28 dek. 1991 g. s izm. i dop., v red. ot 1 sent. 2009 g. M.: Standartinform, 2009.
31
Информация о статье:
статья поступила в редакцию: 26.05.2022; одобрена после рецензирования: 30.05.2022; принята к публикации: 01.06.2022
The information article info: the article was received by the editorial office: 26.05.2022; approved after review: 30.05.2022; аccepted for publication: 01.06.2022
Информация об авторах:
Дан Игоревич Савельев, студент Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29), e-mail: savelev.dan@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-5046-5290
Иван Дмитриевич Балабанов, аспирант Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29), e-mail: balabanov2.id@edu.spbstu.ru, https://orcid.org/0000-0002-1616-3504
Денис Юрьевич Минкин, профессор кафедры пожарной безопасности зданий и автоматизированных систем пожаротушения Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 149), доктор технических наук, профессор, e-mail: minkin@igps.ru
Information about the author:
Dan I. Savelev, student of Peter the Great Saint-Petersburg polytechnic university (1952514, Saint-Petersburg, Polytechnicheskaya str., 29), e-mail: savelev.dan@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-5046-5290 Ivan D. Balabanov, post-graduate student of Peter the Great Saint-Petersburg polytechnic university (195251, Saint-Petersburg, Politekhnicheskaya str., 29), e-mail: balabanov2.id@edu.spbstu.ru, https://orcid.org/ 0000-0002-1616-3504
Denis Yu. Minkin, professor of the department of fire safety of buildings and automated fire extinguishing systems of Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia (196105, Saint-Petersburg, Moskovsky ave., 149), doctor of technical sciences, professor, e-mail: minkin@igps.ru
32
