CC BY
6Методы и алгоритмы процесса принятия решении во время тушения пожаров попутного нефтяного газа
да
о
см
I-«. О!
О Ш
т
X
<
т о х
X
Годовников Андрей Иванович
заместитель начальника (по учебной работе) - начальник учебного отдела ФАУ ДПО «Учебный центр ФПС по ХМАО-Югре», [email protected]
Пожары на объектах энергетики чаще всего возникают в замкнутых и полузамкнутых технологических объемах кабельных тоннелей. Особенностями пожаров на таких объектах является быстрое их развитие, ограниченное пространство и труднодоступность для осуществления действий по локализованию и тушения личным составом пожарно-спасательных подразделений, ограниченная видимость, высокая температура (до 8000С), вероятность возникновения повторного возгорания после прекращения процесса горения, а также токсичность продуктов сгорания. Применение новых типов кабелей низкой горючести по разным причинам не получило должного распространения, поэтому количество таких пожаров не снижается.
В результате обзора и анализа известных математических моделей развития и тушения пожаров показал, что при постановке задачи тушения пожара инертным газом необходимо сначала выбрать конкретную модель - интегральную, зональную или полевую, позже использовать трехмерные уравнения тепломассообмена. От трехмерных уравнений методом опосредования за поперечным сечением потока воздуха необходимо переходить к одномерному случаю, что дает возможность исследовать численным методом процессы инертиза-ции кабельных туннелей различными газами с учетом их поглощения стенками канала, осуществить перерасчет концентрации инертного газа в связи с его потерями по длине канала на концентрацию кислорода, учесть сжатие и расширение воздуха при больших температурах, выражая плотность через температуру, разработать модель горения твердого топлива при пиролизе и переходе углерода из связанного в свободное газообразное состояние с последующим его проникновением в поток воздуха и вступлением в химическую реакцию, исследовать численным методом динамику развития пожара и его тушения инертными газами с последующей рециркуляцией продуктов сгорания в замкнутом контуре. Ключевые слова: высотные здания, пожар, тушение, продукт сгорания, локализация.
Газовая среда в каналах различного назначения является открытой термодинамической системой, которая обменивается массой и энергией с внешней средой и стенками канала.
Известны многочисленные исследования тепломассообмена при пожарах в помещениях как малого, так и большого объема. Современные модели расчета параметров тепломассообмена в помещениях можно разделить на три группы: интегральные, зонные и полевые. В интегральных моделях поисковыми параметрами являются среднеобъемные величины давления, плотности, температуры и концентрации кислорода, токсичных продуктов горения и дыма. В этом случае математическая модель представлена в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений нестационарного переноса массы (только во времени) и энергии всего помещения в целом [1].
Зонные модели несколько отличаются от интегральных моделей тем, что рассматривается несколько зон (две или три), в которых параметры среднеобъемные для каждой зоны с условиями стыковки на границах зон. Зонные модели позволяют учитывать те процессы, которые происходят, например, не только в зоне горения, но и за ее пределами. Зонные модели являются более сложными по сравнению с интегральными моделями, поскольку учитывают большее число обычных дифференциальных уравнений, кратных числу зон [2].
Аналитическое решение системы уравнений в интегральной или в зонной модели можно получить только в отдельных упрощенных случаях.
Наиболее полное описание процессов тепломассообмена при пожарах в помещениях дают полевые или, как их называют, дифференциальные модели. Так, одномерная полевая модель позволяет исследовать давление, плотность, температуру, концентрации газов в одном направлении, например, вдоль кабельного тоннеля. Двухмерная модель позволяет исследовать эти параметры в какой-либо плоскости, например
в вертикальном, а трехмерная модель дает описание полей скорости, давления, температуры и концентрации газов в любой точке помещения по высоте и по ширине. Несмотря на то трехмерные или даже двухмерные модели, несмотря на существенный прогресс в быстродействии современных ЭВМ, требуют больших затрат времени и при решении многовариантных задач являются малоэффективными [3].
В работе [4] проведен анализ современного состояния математического моделирования тепломассообмена в сложных термогазодинамических условиях и дан краткий обзор математических моделей расчета термогазодинамики пожара. Разработана пространственная и интегральная модели пожара, а также процедура численного решения замкнутых систем дифференциальных уравнений [5].
Представлены результаты расчетов и их сопоставление с экспериментальными данными. Предложены методики определения фактических пределов огнестойкости строительных конструкций на основе пространственной модели. Приведены примеры численного исследования закономерностей тепломассообмена при пожаре в помещениях со сложной геометрией (коридоры, многоэтажные здания, многофункциональные комплексы, пространство метрополитена и т.д.).
Как отмечается [6], примененные допущения и упрощения реальной термогазодинамической картины во всех типах математических моделей приводят к значительному снижению точности расчета параметров тепломассообмена и требуют установления адекватности натурным объектам.
К тому же в ряде работ рассматриваются процессы тепломассообмена при пожаре и не рассматриваются процессы ее тушение различными средствами. Так, в ряде работ предлагается для расчета только огнетушащая концентрация, например, порошка [4], распыленной воды или концентрации кислорода [7]. При этом не указывается время их воздействия на зону горения для полного гашения, не исследуется эффективность воздействия на очаг применяемым конкретным средством пожаротушения.
Не уделяется достаточного внимания самому процессу горения, когда происходит пиролиз, при котором выделяются газообразные продукты, которые затем вступают в химическую реакцию с кислородом.
При разогревании участка кабельной прокладки до высоких температур, горючие материалы в конструкции кабелей подвергаются пиролизу. Горючие газы, образующиеся в процессе пиролиза, сгорают с выделением тепла, часть которого идет на разогрев и пиролиз прилегающей к источнику возгорания участка кабельной прокладки, что вызывает дальнейшее распространение горения по длине кабелей.
Для описания процесса развития и затухания пожара в работе [8] приведена эмпирическая зависимость интенсивности источника тепловыделения в зоне горения в безразмерном виде
Ч =(т! О3'6 ехр(-3,6г/ Тт) (1)
где т - время с момента возникновения пожара, мин.; тт - время выхода на максимум температуры пожара по данным экспериментов, мин.
Формула (1) дает возможность определить относительную интенсивность выгорания твердого материала с момента возникновения и развития пожара при ее регулировании вентиляцией (ПРВ) или при регулировании пожарного нагрузки (ПРН), то есть во всех случаях.
Эта функция должна входить в правую часть уравнений тепломассопереноса в зоне горения при выборе интегральной или зонной модели.
Предложены, как уже отмечалось ранее, математические модели пожаров и динамики изменения температур на различных объектах или основанные на интегральных, то есть среднеобъ-емных параметрах, или на статических методах тепловых балансов, или не учитывают прочной связи температуры с кислородом. При этом тепловое источник задается в виде эмпирической зависимости его от времени (1) без перемещения в пространстве [9]. Тем самым полученные результаты теории сводятся к эмпиризма.
Вместе с тем экспериментальные данные, особенно крупномасштабных пожаров [10,11], говорят о том, что существует прочная связь содержания кислорода с температурой продуктов сгорания, и тепловой источник, по сути, является функцией от этих параметров, отражая как процессы пиролиза твердых горючих материалов, так и процессы горения с перемещением зоны горения со скоростью, которая зависит от пожарной нагрузки. В связи с этим в работе [12] предложена функция интенсивности тепловыделения (кВт/м3), учитывающая перемещение пожара в виде Ъ С
ц = Х"0нс — - /и]
Л 0 (2)
где х - коэффициент неполноты сгорания твердого материала; и0 - начальная массовая скорость поступления продуктов пиролиза в поток воздуха, кг/(м с); Нс - теплота сгорания летучих веществ, кДж/кг; Ь - ширина поверхности термического разложения, м; Б - площадь поперечного сечения канала, м2; С - концентрация кислорода в зоне горения, %; С0 - концентрация кислорода в воздухе, подаваемого в зону горения, %; к - константа скорости реакции при пиролизе, 1/с; ш -скорость перемещения очага горения, м/с; х -имеющаяся расстояние от места возникновения пожара, м; и - скорость движения воздуха, м/с; т -время с момента возникновения пожара, сек.
Здесь время связано с расстоянием и скоростью движения воздуха зависимостью т = х/и.
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю 7
М О
да
о
см
I-«. О!
О Ш
т
X
<
т о х
X
Произведение ш скорости перемещения очага горения на время представляет собой, по сути, переменную длину зоны горения, которая будет все время увеличиваться, пока не будет достигнут конца укладки горючих материалов х = I, равной пожарном нагрузке.
Таким образом, предложенная в работе [13] формула (2), В отличие от эмпирической зависимости (1), учитывает как скорость разложения продуктов пиролиза, так и их сгорание с учетом перемещения пожара на участке канала х и
X < М7Т формула (2) входит в правые части уравнения переноса тепла со знаком «+» и в уравнения переноса кислорода со знаком «-», поскольку, чем больше выделяется тепла, тем меньше будет концентрация кислорода.
Несмотря на то и формула (2) имеет свои недостатки, поскольку не учитывает процесса зарождения горения и дает максимум в начальное время, что требует дополнительных исследований.
Полевая модель тепломассообмена при пожаре вдоль канала в работе [9] описывается системой уравнений
дС дС ,лд2С — + п— = 1.)——
дт
дТ
дх
дх'
-дС0/(НсРк)
(3)
дТ 8гТ аП — + ч— = а\ —Г+'--т\1 ™ - Т)+а1{рсА
л ] л 2 л п \ ст / 1 *' р'
дт дх дх 2рс л
(4)
где Т - температура, К; Тст - температура стенок канала, К; а1 - коэффициент температуропроводности воздуха, м2/с. П - периметр поперечного сечения канала, м; й - коэффициент турбулентной диффузии кислорода в потоке воздуха, м2/с; р - плотность воздуха, кг/м3; рк - плотность кислорода, кг/м3; а - коэффициент теплоотдачи потока воздуха стенкам канала, Вт/(м2К); ср - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кгК); х - переменная расстояние вдоль канала, м.
Обычно такая система уравнений (3) и (4) или одно уравнение теплопереноса (4) решается аналитически в упрощенном виде или численно при постоянной скорости потока воздуха и постоянной его плотности. Несмотря на то скорость воздуха при большой температуре будет сильно увеличиваться, а плотность - уменьшаться. Поэтому при решении таких уравнений необходимо учитывать сжатие и расширение воздуха.
Анализ уравнения переноса (3) показывает, что в нем не учитываются изменения концентрации кислорода в связи с поглощением инертного газа стенками при его подаче в кабельный тоннель.
Поэтому сначала необходимо рассматривать перенос вдоль канала инертного газа (Ы2 или СО2) с учетом его поглощения стенками канала, сравнивать полученные результаты расчета с
экспериментальными данными, находить коэффициент поглощения а позже пересчитать на концентрацию кислорода. Поскольку вдоль канала концентрация инертного газа будет уменьшаться, то концентрация кислорода будет увеличиваться благодаря газообмену с окружающей средой, что содержит ту его концентрацию, которая была до пожара. Поэтому уравнение (3) необходимо дополнить еще одним слагаемым в правой части и представить его в виде
дС дС _д2С ,„ _ „ .
— + и— = т + г(С0 - С) - дС0 /(НсРк)
дт их дх (5)
где Y - коэффициент газообмена в связи с поглощением инертного газа при его подаче на большие расстояния, 1/с.
Этот эффект не учитывается, однако при подаче на большие расстояния инертного газа его концентрация возле очага горения будет недостаточной для тушения пожара, поскольку концентрация кислорода частично восстановится.
Процесс рециркуляции продуктов сгорания и влияние такого инертной среды на очаг горения в кабельных тоннелях частично исследовалась в диссертационной работе [4]. Решена аналитическая задача распределения продуктов сгорания в объеме кабельного тоннеля. При этом доказано, что дальность и продолжительность распространения дыма во время пожара может превысить значения этих параметров для температуры. Установлены условия воздушного распределения при рециркуляции продуктов сгорания по замкнутому контуру, через изолированную участок кабельного тоннеля с зоной горения и расположен вне тоннелем трубопровод, благодаря различным источникам тяги.
Обосновано место установки дополнительного источника тяги - вентилятора в контуре рециркуляции. При этом наиболее оптимальным местом установки вспомогательного вентилятора является участок трубопровода в непосредственной близости от изолирующей перемычки, установленной со стороны свежей струи обще туннельной вентиляции. Но в этой работе рассмотрен процесс непрерывного взаимодействия концентрации кислорода с температурой как в пределах очага пожара, так и за его пределами. Тушение методом рециркуляции ограничено объемами тушения и требует дополнительных исследований.
Исследованию тепломассообменных процессов при горении веществ и материалов в каналах, туннелях посвящено значительное количество научных работ как зарубежных, так и отечественных специалистов [4],[9]. При выполнении теоретических и экспериментальных исследований рассматривались процессы нагрева, воспламенения материалов, характерных для конкретного объекта, условия распространения пожара как в начальной, так и развитой стадиях горения. Полученные результаты исследований были поло-
жены в основу для выбора норм и способов подачи огнетушащих веществ [9]. Пожарным нагрузкой рассматривались электрические кабели (единичные или в пучках), древесина (деревянные затяжки крепления или костра), метан, уголь и др.
При исследовании тепломассообменных процессов использовались методы математического моделирования, полученные модели решались аналитически с помощью известных методов математической физики или численными методами конечных разностей при граничных условиях, соответствующих условиям этой задачи [14].
Таким образом, обзор и анализ известных математических моделей развития и тушения пожаров показал, что при постановке задачи тушения пожара инертным газом необходимо сначала выбрать конкретную модель - интегральную, зональную или полевую, позже использовать трехмерные уравнения тепломассообмена. От трехмерных уравнений методом опосредования за поперечным сечением потока воздуха необходимо переходить к одномерному случаю, что дает возможность:
- исследовать численным методом процессы инертизации кабельных туннелей различными газами с учетом их поглощения стенками канала;
- осуществить перерасчет концентрации инертного газа в связи с его потерями по длине канала на концентрацию кислорода;
- учесть сжатие и расширение воздуха при больших температурах, выражая плотность через температуру;
- разработать модель горения твердого топлива при пиролизе и переходе углерода из связанного в свободное газообразное состояние с последующим его проникновением в поток воздуха и вступлением в химическую реакцию;
- исследовать численным методом динамику развития пожара и его тушения инертными газами с последующей рециркуляцией продуктов сгорания в замкнутом контуре.
Литература
1. Воевода М.И., Кручинина М.В., Пельтек С.Е., Курилович С.А., Кручинин В.Н., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Володин В.А., Генералов В.М., Герасимов В.В., Князев Б.А. Использование оптических методов исследования крови в диагностике стадии заболевания при диффузной патологии печени. Архивъ внутренней медицины. 2012. № 4 (6). С. 46-54.
2. Ronchi, Enrico, and Daniel Nilsson. 2013. "Fire Evacuation in High-Rise Buildings: A Review of Human Behaviour and Modelling Research." Fire Science Reviews 2(1): 7. https://doi.org/10.1186/2193-0414-2-7.
3. Li, Tao, and Hui Li. 2012. "Study of the Intelligent Monitoring and Analysis System of High-Rise Building Fire Based on Expert System." In
Electrical, Information Engineering and Mechatronics 2011, eds. Xudong Wang, Fuzhong Wang, and Shaobo Zhong. London: Springer London, 377-82.
4. Dolgikh, А. (2018). Monitoring of introduction resources of the Kulunda arboretum and allocation of valuable gene pool for protective afforestation. World Ecology Journal, 8(1), 29-42. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2018.1.1. 003
5. Sung, Kun Hyuk, Hyun Ju Shin, Dabin Baek, and Hong Sun Ryou. 2017. "The Effect of Damper Leakage and Fire Size on the Performance of Smoke Control System in High-Rise Building." Journal of Mechanical Science and Technology 31(8): 4029-34. https://doi.org/10.1007/s12206-017-0750-8.
6. Кручинина М.В., Курилович С.А., Светлова И.О., Громов А.А., Генералов В.М., Бакиров Т.С. Диэлектрофорез эритроцитов: новые возможности в диагностике непрямых гипербилирубинемий // Бюллетень Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. 2009. Т. 29. № 3. С. 29-35.
7. Zinn, B T et al. 1974. "Fire Spread and Smoke Control in High-Rise Fires." Fire Technology 10(1): 35-53. https://doi.org/10.1007/BF02590511.
8. Ananenkov, A E et al. 2014. "Microwave Distance Sensor of Helicopter Fire-Fighting System." Russian Aeronautics (Iz VUZ) 57(4): 406-11. https://doi.org/10.3103/S1068799814040151.
9. Bond, Horatio. 1966. "Water for Fire Fighting in High-Rise Buildings." Fire Technology 2(2): 159-63. https://doi.org/10.1007/BF02588544.
10.Curd, E F, and C A Howard. 1996. "Services Access, Lifts and Escalators, Fire-Fighting Equipment, External Access to Buildings, Services Costs." In Introduction to Building Services, London: Macmillan Education UK, 102-25. https://doi.org/10.1007/978-1-349-13298-0_8.
11.Dolgikh, А. (2018). Monitoring of introduction resources of the Kulunda arboretum and allocation of valuable gene pool for protective afforestation. World Ecology Journal, 8(1), 29-42. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2018.1.1. 003
12.Isman, Kenneth E. 2017. "High Rise Buildings." In Standpipe Systems for Fire Protection, Cham: Springer International Publishing, 235-57. https://doi.org/10.1007/978-3-319-47750-3_10.
13.Keding, Liu. 2013. "An Optimization of Intelligent Fire Alarm System for High-Rise Building Based on ANASYS." In Intelligence Computation and Evolutionary Computation, ed. Zhenyu Du. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 415-21.
14.Qi, Yang. 2002. "A Study on the Reliability of Fire Water Supply System in High-Rise Buildings." Fire Technology 38(1): 71-79. https://doi.org/10.1023/A:1013432915911.
x x О го А С.
X
го m
о
ю 7
М О
to
Oi
о
CS
I-«. Ol
О Ш
m
X
Methods and algorithms of the decision-making process during fire extinguishing of associated petroleum gas
Godovnikov A.I.
Training center of the Federal Border Service of the KMAO-Ugra
Fires at power facilities most often occur in closed and semi-closed technological volumes of cable tunnels. The specific features of fires at such facilities are their rapid development, limited space and inaccessibility for localization and extinguishing actions by personnel of fire and rescue units, limited visibility, high temperature (up to 8000С), the likelihood of re-ignition after stopping the combustion process, as well as toxicity combustion products. The use of new types of low flammability cables has not been widely spread for various reasons, therefore the number of such fires is not reduced.
As a result of the review and analysis of known mathematical models of fire extinguishing, it showed that when setting the problem of extinguishing a fire with an inert gas, you must first choose a specific model - integral, zonal or field, and later use three-dimensional heat and mass transfer equations. From the three-dimensional equations by mediating the cross-section of the air flow, it is necessary to move to the one-dimensional case, which makes it possible to investigate the inertization of cable tunnels with different gases using a numerical method, taking into account their absorption by the channel walls, to recalculate the inert gas concentration due to its loss oxygen, take into account the compression and expansion of air at high temperatures, expressing the density through temperature, develop a model of solid fuel combustion during pyrolysis and carbon transition from bound to a free gaseous state with its subsequent penetration into the air stream and entering into a chemical reaction, investigate by numerical method the dynamics of fire development and its extinguishing with inert gases with subsequent recirculation of combustion products in a closed loop.
Keywords: high-rise buildings, fire, extinguishing, product of combustion, localization.
References
1. Voivode M.I., Kruchinina M.V., Peltek S.E., Kurilovich S.A.,
Kruchinin V.N., Spesivtsev E.V., Rykhlitsky S.V., Volodin V.A., Generalov V.M., Gerasimov V.V., Knyazev B.A. The use of optical methods for blood testing in the diagnosis of the stage of the disease with diffuse liver pathology. Archive of Internal Medicine. 2012. No. 4 (6). S. 46-54.
2. Ronchi, Enrico, and Daniel Nilsson. 2013. "Fire Evacuation in
High-Rise Buildings: A Review of Human Behavior and Modeling Research." Fire Science Reviews 2 (1): 7. https://doi.org/10.1186/2193-0414-2-7.
3. Li, Tao, and Hui Li. 2012. "Study of the Intelligent Monitoring
and Analysis System of High-Rise Building Fire Based on Expert System." In Electrical, Information Engineering and Mechatronics 2011, eds. Xudong Wang, Fuzhong Wang, and Shaobo Zhong. London: Springer London, 377-82.
4. Dolgikh, A. (2018). Monitoring of introduction resources of the
Kulunda arboretum and allocation of valuable gene pool for protective afforestation. World Ecology Journal, 8 (1), 29-42. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2018.1.1.003
5. Sung, Kun Hyuk, Hyun Ju Shin, Dabin Baek, and Hong Sun
Ryou. 2017. "The Effect of Damper Leakage and Fire Size on the Performance of Smoke Control System in High-Rise Building." Journal of Mechanical Science and Technology 31 (8): 4029-34. https://doi.org/10.1007/s12206-017-0750-8.
6. Kruchinina M.V., Kurilovich S.A., Svetlova I.O., Gromov A.A.,
Generalov V.M., Bakirov T.S. Erythrocyte dielectrophoresis: new opportunities in the diagnosis of indirect hyperbilirubinemia // Bulletin of the Siberian Branch of the Russian Academy of Medical Sciences. 2009. T. 29. No. 3. S. 29-35.
7. Zinn, B T et al. 1974. "Fire Spread and Smoke Control in High-
Rise Fires." Fire Technology 10 (1): 35-53. https://doi.org/10.1007/BF02590511.
8. Ananenkov, A E et al. 2014. "Microwave Distance Sensor of
Helicopter Fire-Fighting System." Russian Aeronautics (Iz VUZ) 57 (4): 406-11.
https://doi.org/10.3103/S1068799814040151.
9. Bond, Horatio. 1966. "Water for Fire Fighting in High-Rise Buildings." Fire Technology 2 (2): 159-63. https://doi.org/10.1007/BF02588544.
10. Curd, E F, and C A Howard. 1996. "Services Access, Lifts and Escalators, Fire-Fighting Equipment, External Access to Buildings, Services Costs." In Introduction to Building Services, London: Macmillan Education UK, 102-25. https://doi.org/10.1007/978-1-349-13298-0_8. Dolgikh, A. (2018). Monitoring of introduction resources of the Kulunda arboretum and allocation of valuable gene pool for protective afforestation. World Ecology Journal, 8 (1), 29-42. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2018.1.1.003 Isman, Kenneth E. 2017. "High Rise Buildings." In Standpipe Systems for Fire Protection, Cham: Springer International Publishing, 235-57. https://doi.org/10.1007/978-3-319-47750-3_10.
13. Keding, Liu. 2013. "An Optimization of Intelligent Fire Alarm System for High-Rise Building Based on ANASYS." In Intelligence Computation and Evolutionary Computation, ed. Zhenyu Du. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 415-21.
14. Qi, Yang. 2002. "A Study on the Reliability of Fire Water Supply System in High-Rise Buildings." Fire Technology 38 (1): 71-79. https://doi.org/10.1023/A:1013432915911.
11
12
<
m о x
X
