Методика расчета основных параметров тушения пожаров горючих жидкостей в резервуарах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ

Н. Н. Брушлинский

д-р техн. наук, профессор, начальник НИЦ управления безопасностью сложных систем Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия

М. X. Усманов

канд. физ.-мат. наук, доцент, начальник НИЦ проблем пожарной безопасности Высшей технической школы пожарной безопасности МВД РУз, г. Ташкент, Республика Узбекистан

Д. О. Пулатов

инженер Высшей технической школы пожарной безопасности МВД РУз, г. Ташкент, Республика Узбекистан

lf.ll

В. П. Семенов

инженер Высшей технической школы пожарной безопасности МВД РУз, г.Ташкент, Республика Узбекистан

УДК 614.841.412

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ В РЕЗЕРВУАРАХ

Рассматривается новая методика расчета параметров тушения пожаров горючих жидкостей резервуаров, позволяющая обеспечить более рациональное и эффективное тушение таких пожаров. Ключевые слова: методика, параметры тушения, резервуары.

Введение

Резервуары типа РВС для нефти, нефтепродуктов и горючих жидкостей относятся к промышленным сооружениям повышенной пожарной опасности. Пожары в резервуарах и резервуарных парках являются сложными, поэтому тушение их трудоемко и требует больших затрат сил и средств. Отсутствие же методики для определения основных параметров тушения горючих жидкостей в резервуарах типа РВС расчетным путем ограничивает возможности планирования тушения подобных пожаров с требуемой эффективностью. С учетом возросших требований к деятельности ГПС решение проблемы повышения эффективности тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах путем разработки и использования методики для расчета основных параметров тушения подобных пожаров, а также оценки эффективности их тушения приобретает большое значение.

Разработка такой методики базируется на анализе реальных и потенциальных пожаров, а также детальном рассмотрении накопленных по данному вопросу материалов.

1. Сущность методики

Одним из наиболее важных параметров, характеризующих развитие пожара в резервуаре, являет-

ся его тепловой режим. В зависимости от физико-химических свойств горючих жидкостей возможен различный характер распределения температур в объеме жидкости. Так, при горении керосина, дизельного топлива значения температуры экспоненциально снижаются от температуры кипения на поверхности жидкости до температуры хранения ее в глубинных слоях. При горении мазута, нефти, некоторых видов газового конденсата и бензина в горючем образуется прогретый до температуры кипения гомотермический слой, толщина которого увеличивается с течением времени [1,2].

Накопление тепловой энергии в горючем значительно увеличивает время тушения пожара, а также расход пенных средств. Кроме того, увеличение времени свободного развития пожара повышает опасность его распространения на соседние резервуары и создает угрозу вскипания и выброса.

Нередки случаи, когда при тушении подобных пожаров проводится несколько безуспешных пенных атак. При этом расход пенообразователя во много раз может превышать его расчетное значение. Это можно объяснить тем, что при подготовке пенной атаки не всегда учитывается необходимость повышения интенсивности подачи огнетушащего средства сверх нормативной в зависимости от времени свободного развития пожара.

© Брушлинский Н. Н., Усманов М. X., Пулатов Д. О., Семенов В. П., 2010

Процесс тушения нефтепродуктов воздушно-механической пеной осуществляется следующим образом [3]. Пена подается на поверхность горящей жидкости обычно у борта резервуара. Образующаяся при этом горка пены затем растекается по поверхности нефтепродукта; свежие порции пены, падая на поверхность жидкости, оттесняют предыдущие и так до тех пор, пока пена не достигнет противоположного борта резервуара. В дальнейшем поступающая пена, продолжая вытеснять уже образовавшийся слой пены, сжимает его, увеличивая общую толщину слоя.

По поверхности холодного нефтепродукта пена движется со скоростью около 34 см/с. В случае горения нефтепродукта скорость продвижения пены уменьшается по мере удаления от места подачи пены и в некоторой точке может стать равной нулю. Это явление можно объяснить разрушением пены под воздействием высоких температур нагретого нефтепродукта и пламени [3].

Из всей совокупности явлений, характеризующих процесс тушения пожара горящей жидкости пеной, можно выделить следующие основные моменты.

1. Образование локального слоя пены на поверхности горючей жидкости при ее тушении зависит от соотношения скоростей двух противоположно направленных процессов:

• скорости разрушения пены на поверхности горящей жидкости;

• интенсивности подачи пены.

Если интенсивность подачи пены превышает скорость ее разрушения, то локальный слой пены на поверхности образуется сразу. А поскольку скорость разрушения пены со временем уменьшается вследствие охлаждения горящей жидкости выделяющимся из пены отсеком, одновременно повышается и скорость нарастания этого слоя, и растекание его по поверхности горящей жидкости.

Если же интенсивность подачи пены меньше скорости ее разрушения, то локальный слой образуется не сразу, а спустя определенный промежуток времени, за который температура горящей жидкости снизится настолько, что интенсивность подачи пены начнет превышать скорость ее разрушения.

2. Как только на поверхности горящей жидкости образуется локальный слой пены, он экранирует часть жидкости от лучистого теплового потока пламени и охлаждает верхний прогретый слой. Это приводит к тому, что температура прогретого слоя жидкости падает, и, как следствие, уменьшается количество паров, поступающих в зону горения, снижается скорость реакции окисления, уменьшается количество выделяющегося тепла и температура горения [4]. Способность пены тормозить испарение горящей жидкости, т. е. ее изолирующее действие,

является решающим фактором в процессе тушения пламени [3].

Следовательно, для тушения пламени на поверхности горящей жидкости необходимо накопить слой пены кратностью К толщиной к (м).

При этом время тушения горящей жидкости тт (мин) в зависимости от фактической интенсивности подачи огнетушащего средства Уф (л/(с-м2)) сывается уравнением [3]:

опи-

= С 1п

1 - к

КСУ,

(1)

где С — коэффициент пропорциональности, характеризующий устойчивость пены. Из уравнения (1) можно найти значение критической интенсивности подачи огнетушащего средства Укр, при котором время тушения стремится к бесконечности [3]:

У =А кр КС

(2)

Из литературных источников [3-6] следует, что взаимосвязь между нормативной и критической ин-тенсивностями подачи огнетушащего средства определяется выражением Ун = 2,3У , тогда

Укр Ун /2,3.

(3)

Подставив значения (2) и (3) в уравнение (1), получим основное уравнение для определения времени тушения пожаров нефтепродуктов воздушно-механической пеной средней кратности при условии подачи пены на поверхность горящей жидкости:

-1'

I - У 1

1 •

т т = С 1п

2,3 У,

Ф

(4)

Из [7] следует, что расчетное время тушения пожара нефтепродукта при времени свободного развития пожара, не превышающего 3 ч, и при подаче пены на поверхность горящей жидкости с нормативной интенсивностью следует принимать тт = тн = 15 мин (например, для тушения бензина в этом случае Ун = 0,08 л/(с-м2)).

Подставив значения интенсивности Уф = Ун и времени тушения пожара тт = тн = 15 мин в уравнение (4), легко можно определить для данных условий значение коэффициента пропорциональности: С = 26,3.

При свободном развитии пожара свыше 3 ч под воздействием температур нагретого слоя нефтепродукта и пламени скорость разрушения пены значительно возрастает. И следовательно, для достижения нормативного значения времени тушения пожара тт = тн = 15 мин фактическая интенсивность

т

подачи огнетушащего средства должна превышать нормативную, т. е. Уф > /н. Исходя из практики тушения подобных пожаров в [7] даны следующие рекомендации по повышению интенсивности подачи раствора пенообразователя сверх нормативной в зависимости от времени свободного развития пожара:

• от 3 до 6 ч — в 1,5 раза;

• от 6 до 10 ч — в 2 раза;

• более 10 ч — в 2,5 раза.

Как видим, указанные рекомендации приведены только для интервалов времени свободного развития пожара, начиная с 3 ч. Для установления же значений данного параметра для промежуточных значений времени (4,5чи более) требуется расчет.

Для устранения указанного недостатка методом графической интерполяции были получены значения степени, определяющие, во сколько раз следует повысить интенсивность подачи пены относительно нормативной (исходной) для промежуточных значений времени свободного развития пожара. За исходное время свободного развития пожара принимается время, равное 3 ч. Были также рассчитаны соответствующие значения коэффициентов пропорциональности С (см. таблицу).

При времени свободного развития пожара, превышающем 3 ч, для достижения нормативного времени тушения тт = тн = 15 мин интенсивность необходимо увеличить относительно нормативной в соответствии с таблицей.

Если рассчитанную вышеуказанным способом интенсивность обозначить как требуемую /^, то условие достижения нормативного времени тушения тн = 15 мин при времени свободного развития пожара, превышающем 3 ч, можно представить в виде равенства / = /

Степень повышения интенсивности подачи пены сверх нормативной и значения коэффициента пропорциональности С в зависимости от времени свободного развития пожара с интервалом 1 ч

Время свободного развития пожара, ч Степень повышения интенсивности сверх нормативной Значение С Время свободного развития пожара, ч Степень повышения интенсивности сверх нормативной Значение С

3 1,00 26,3 12 2,20 68,2

4 1,18 32,6 13 2,28 70,9

5 1,34 38,6 14 2,34 73,1

6 1,50 43,8 15 2,38 74,4

7 1,64 48,7 16 2,42 75,7

8 1,78 53,6 17 2,46 77,1

9 1,90 57,7 18 2,48 77,8

10 2,00 61,2 19 2,50 78,5

11 2,10 64,7

Для оценки эффективности тушения пожара в качестве объективного показателя может быть использована величина Пэт [8]:

Пэ. т

1

Ч уд Т т

(5)

где Пэт — показатель эффективности тушения, показывающий, какую площадь пожара для данного конкретного случая можно потушить единицей массы огнетушащего средства за единицу времени, м2/(л-мин);

Чуд — удельный расход огнетушащего средства, л/м2.

Повышение эффективности тушения пожара Пэф (%) относительно нормативного значения можно найти по уравнению

П ф - П н

п.т э.т

П эф _ н

эф П н

100%,

(6)

где П ф

показатель эффективности тушения пожара при фактической интенсивности подачи огнетушащего средства, м2/(л-мин); Пэн т — показатель эффективности тушения пожара при достижении нормативных параметров его тушения, м2/(л-мин).

Приведенная выше методика позволяет определять все основные параметры тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах расчетным путем, а также планировать тушение подобных пожаров с определенной эффективностью.

2. Расчет нормативных параметров тушения пожаров нефтепродуктов

Рассмотрим основные особенности использования разработанной методики на примере тушения условного пожара бензина в резервуаре типа РВС-5000, с площадью зеркала горючего 5г = 408 м2, при времени свободного развития пожара 6 ч.

Целесообразность расчета основных нормативных параметров тушения любого пожара нефтепродуктов в резервуаре определяется прежде всего необходимостью использовать эти данные для планирования тушения подобного пожара с требуемой эффективностью.

Для достижения нормативного времени тушения пожара тт = тн = 15 мин при времени свободного развития пожара 6 ч интенсивность подачи огне-тушащего средства следует увеличить относительно нормативной в 1,5 раза (см. таблицу).

С учетом этого фактическая интенсивность подачи огнетушащего средства, равная требуемой, составит:

/ф = /тр = 1,5/н = 1,5 • 0,08 = 0,12 л/(с-м2).

Остальные параметры тушения пожара будут соответствовать нормативным значениям, так как являются производными от Утр:

• удельный расход огнетушащего средства:

Чу?д = Утр Тн = 0,12 • 15 • 60= 108 л/м2;

• общий расход огнетушащего средства по раствору пенообразователя:

6онбщ = Утрй = 0,12 • 408 = 48,96 * 49 л/с;

• общие затраты раствора пенообразователя для тушения пожара:

^онбщ = Чунд 5 г = 108 • 408 = 44064 л;

• нормативный показатель эффективности тушения пожара:

Пн =

1

1

Чн т 108•15

Ч уд 1 т

= 6,17 ■ 10-4 м2/(л-мин).

3. Планирование тушения пожаров нефтепродуктов

С учетом того что эффективность тушения любого пожара в резервуаре должна быть не ниже нормативной, при планировании тушения пожара нефтепродукта в резервуаре необходимо использовать расчетные нормативные параметры тушения подобного пожара.

Из вышесказанного ясно (см. п. 1), что для достижения нормативной эффективности тушения пожара бензина в резервуаре типа РВС-5000, с площадью зеркала горючей жидкости 5г = 408 м2, общий расход пены по раствору пенообразователя должен быть не менее бобщ = 49 л/с.

Один из вариантов, обеспечивающих подачу такого количества пены по раствору пенообразователя с учетом технических характеристик генераторов пены типа ГПС [7], — это задействовать два генератора пены типа ГПС-2000 при напоре 0,5 МПа (при этом для каждого ГПС-2000 расход составит ЧГПС-2ооо = 18,5 л/с) и два ГПС-600 при напоре

0,6 МПа (ЧгПС-600 = 6 л/с).

Действительно, в этом случае

бобщ = 2чГПС-2000 + 2ч ГПС-600 =

= 2 • 18,5 + 2 • 6 = 49л/с.

Фактическая интенсивность подачи огнетушащего средства:

49 408

у ф =

^ = — = 0,12л/(с-м2).

Остальные параметры тушения пожара соответствуют нормативным значениям, поскольку они являются производными от фактической интенсивности (см. п. 1), равной требуемой:

Уф = Утр = 0,12 л/(с-м2); Ч фд = Ч унд = 108 л/м2;

бофбщ = бонбщ = 49 л/с; ^0фбщ = ^0нбщ = 44064л; Пфт = Пэнт = 6,17 • 10-4 м2/(л-мин).

4. Оценка эффективности тушения

пожаров нефтепродуктов в резервуарах

При наличии на объекте достаточного количества сил и средств с целью повышения эффективности тушения пожара РТП принял решение подать на тушение бензина в РВС-5000 четыре генератора пены типа ГПС-2000. Для обоснования подобного решения проведем расчет основных параметров тушения пожара, а также достигнутых при этом положительных результатов.

С учетом технической характеристики генераторов пены типа ГПС [7] расход раствора пенообразователя из каждого генератора ГПС-2000 при напоре 0,6 МПа составляет ЧГпС-2000 = 20 л/с.

Тогда общий расход раствора пенообразователя из всех поданных генераторов пены составит:

бобщ = п ЧГПС-2000 = 4 ■ 20 = 80 л/с.

При этом получим, что

Уф = бобщ /5 = 80/408 = 0,196 л/(с-м2).

Используя уравнение (4), определим время тушения пожара:

т т = С 1п

(

1 •

1 - У н

= 4,381п

2,3У

1 - 0,08 2,3 • 0,196

= 8,56 мин,

где 43,8 — значение коэффициента пропорциональности С, определенное по таблице при времени свободного развития пожара 6 ч. Удельный расход огнетушащего средства

Чфд = Уфт т = 0,196 • 8,56 • 60 = 100,7 л/м2.

Общие затраты раствора пенообразователя для тушения пожара

бофбщ = Ч фд 5 г = 100,7 • 408 = 41086л.

Значение показателя эффективности тушения пожара

П ф =

1

1

э т Чф т 100,7 • 8,56

уд т

= 11,6 • 10-4 м2/(л-мин).

Полученные фактические параметры тушения пожара, характеризующие значительное повышение

эффективности тушения пожара, позволяют обосновать решение РТП по использованию для тушения четырех генераторов пены типа ГПС-2000 с общей интенсивностью подачи огнетушащего средства, значительно превышающей расчетное значение, рекомендуемое в п. 1.

Так, например, для данного случая тушения пожара принятое решение РТП позволило: • повысить эффективность тушения пожара на:

100 =

Пэф =

11,6 • 10-4 - 6,17 • 10-

П ф - П н

э. т э. т

Пн

-1-4

100 =

6,17 • 10-

сократить время тушения пожара на: Дтн = тн - тт = 15 - 8,56 = 6,44 мин;

снизить общие затраты раствора пенообразователя на тушение пожара на:

Д^р = ^онбщ - ^общ = 44064 - 41086 = 2978 л;

спасти от уничтожения огнем бензина в объеме:

ДЖб = 0,005ДТн5г = 0,005 ■ 6,44 ■ 408 = 13,139 м3,

где 0,005 м/мин — линейная скорость выгорания бензина [7].

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что при тушении пожаров нефтепродуктов в резервуарах типа РВС практически целесообразно подавать огнетушащее средство с интенсивностью выше нормативной, исходя из существующих возможностей.

Выводы

1. На основании анализа и обобщения накопленных материалов по вопросу тушения пожаров в резервуарах типа РВС разработана методика для определения расчетным путем основных параметров тушения нефтепродуктов воздушно-механической пеной средней кратности.

2. Анализ пожаров нефтепродуктов с использованием разработанной методики показывает, что практически целесообразно повышать интенсивность подачи пенных средств сверх нормативных требуемых значений [7].

3. Практическое использование методики позволит планировать тушение пожаров нефтепродуктов в стальных вертикальных резервуарах с заданной эффективностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей. — М.: АН СССР, 1961. — 208 с.

2. Абдурагимов И. М., Андросов А. С., Исаева Л. К., Крылов Е. В. Процессы горения. — М. : ВИПТШ МВД СССР, 1984. — 270 с.

3. Котов А. А., Петров И. И., Реутт В. Ч. Применение высокократной пены при тушении пожаров. — М. : Изд-волит. по стр-ву, 1972. — 112 с.

4. Абдурагимов И. М., Говоров В. Ю., Макаров В. Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. — М. : ВИПТШ МВД СССР, 1980. — 228 с.

5. Справочное пособие по пожарной тактике. — М. : ВИПТШ МВД СССР, 1975. — 86 с.

6. Повзик Я. С. Справочник руководителя тушения пожара. — М. : ЗАО "Спецтехника", 2000. — 367 с.

7. Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках. — М.: ГУГПС МВД России, 2000.

8. Оценка эффективности и качества тушения ТГМ / И. М. Абдурагимов // Труды ВИПТШ МВД СССР. — М., 1978.

Материал поступил в редакцию 14 января 2010 г.

Электронный адрес авторов: nbrus@ultranet.ru.