CC BY
10МЕТОДЫ ПРОЕКТНОЙ ОЦЕНКИ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КОНТЕЙНЕРНЫХ ТЕРМИНАЛОВ НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОЖАРА В КОНТЕЙНЕРЕ
A.В. Микушов;
B.П. Крейтор, кандидат технических наук, профессор. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Приведены методы проектной оценки системы обеспечения пожарной безопасности контейнерных терминалов по различным критериям оценки эффективности системы, основанные на результатах, полученных при моделирования пожара груза в контейнере.
Ключевые слова: температурный режим, пожар, контейнер, модель, плотность теплового потока, горючая нагрузка
METHODS OF PROJECT EVALUATION OF FIRE FIGHTING SYSTEM OF CONTAINER TERMINALS BASED ON THE DIFFERENTIAL MODEL TEMPERATURE REGIME BURNING IN THE CONTAINER
A.V. Mikushov; V.P. Kreytor.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
Methods of project evaluation system to ensure the fire safety of container terminals by different criteria assessing the effectiveness of the system, based on the results obtained from the simulation of fire in a cargo container.
Keywords: temperature condition, fire, container, model, density of a thermal stream, combustible loading
Эффективность является ключевым свойством технической системы, поскольку достижение максимальной эффективности является целью проектанта.
В то же время оценка этого свойства порождает серьезные методические и технические трудности. Определение поведения еще не созданной системы всегда имеет характер прогноза, который не может быть абсолютно достоверным. Кроме того, формирование оценок эффективности является субъективным процессом, зависящим от качеств информационной модели, которой может оперировать проектант, в работе автора - модели развития пожара в контейнере.
Критерии оценки эффективности подразделяются на [1]:
- моноаспектные и полиаспектные;
- целостные и структурированные;
- статические и динамические;
- детерминированные и рандомизированные;
- экономические и внеэкономические;
- аналитические и алгоритмические.
Оценка эффективности функционирования в среде, когда результат поведения системы зависит от действия этой среды, может быть найден с помощью аппарата теории
игр. Особенно успешно этот аппарат может быть использован в случае конфликтных ситуаций при проектировании объектов или систем.
В соответствии с РД 31.3.05-97 [2] до строительства порта или прибрежных сооружений, таких как контейнерный терминал, должно быть рассмотрено не менее двух проектов. При этом заказчик может обратиться как в одну, так и в несколько проектных организаций для разработки конкурентоспособных проектов. Выбор, который сделает заказчик, будет основан на эффективности того или иного проекта. Проектные организации будут являться по отношению друг к другу конкурентами (игроками), а соответственно возникает конфликтная среда, основанная на неизвестности выбора проектных решений конкурентом.
Предположим, что концепцию системы обеспечения пожарной безопасности контейнерного терминала можно реализовать в виде N конструктивно-технологических типов. В зависимости от действия конкурентов могут возникнуть М условий эксплуатации. Каждому конструктивно-технологическому типу системы сопоставим вектор параметров системы «СОПБ» - X, а каждой совокупности условий эксплуатации - вектор внешней среды Щ-. Эффективность эксплуатации г типа СОПБ в Ц условиях оценивается как Эц. Тогда возникнет матрица оценок (1) и проблема выбора варианта решения при предположениях о возможности реализации варианта условий эксплуатации:
(1)
Эффективность эксплуатации зависит от выбора, который сделают авторы и конкурент (внешняя среда по отношению к данной системе).
Для математического анализа конфликтной ситуации необходимо построение ее упрощенной модели, называемой игрой [3].
Для приложений в проектировании терминалов наибольший интерес представляют матричные игры. Конечные игры наиболее удобно задавать с помощью платежных матриц. Примером такой платежной матрицы является матрица (1). Ее элементы Эц можно интерпретировать как выигрыш первого игрока при выборе г стратегии при условии выбора вторым игроком ц стратегии.
Стратегии первого игрока, за которого играет лицо, принимающее решение (в данном случае проектант), могут быть различными, в зависимости от выбранного критерия эффективности 2.
На основании свойства оптимальных стратегий в теории игр известно, что если игрок I выбирает / стратегию с вероятностью (то есть / строку в платежной матрице), а игрок II Ц стратегию (то естьЦ столбец в платежной матрице), то всегда соблюдается неравенство [4]:
э- . ■ V,- _ .. _ .я,. ■ Л-;, > V; Ц=1, ...,
п
где у>0 - значение, цена игры для платежной матрицы Э с положительными элементами. При этом также очевидно соблюдаются соотношения:
¡-1
/-1
то есть какая-то стратегия игроками I и II выбирается обязательно.
Преобразуем систему (2), разделив неравенства на положительную величину V, и обозначив = — ■ получаем систему неравенств:
П,
(2)
где
ш т
1 = 1
¿= т
Первый игрок стремиться максимизировать цену игры V (или, вполне аналогично, минимизировать 1/у), что позволит сформировать линейную целевую функцию в виде:
(3)
Решение экстремальной задачи (2), (3) позволяет найти оптимальную стратегию для игрока I.
Игрок II стремиться минимизировать математическое ожидание выигрыша игрока I, и его критерием будет:
= тапт? = тап^= тап ^Г у^
/=1
(4)
а система ограничений:
- У: - ■■ - -Я =-. ' * 1; 7=1, ...,
т
(5)
Все теоретико-игровые задачи, сводимые к задаче линейного программирования, всегда имеют допустимое решение [3].
Обозначим наименьший из всех элементов Эу (которые все являются строго положительными) как:
¿Е = ПЛП 1ШИ Эц
Пусть = —, %2. = О* — ! = 0 . Очевидно, что данный набор переменных
представляет собой допустимое решение задачи линейного программирования, так как все переменные неотрицательны, и они удовлетворяют условиям (2). Целевая функция (3) всегда ограничена снизу в силу положительности переменных и неотрицательности коэффициентов при них.
Задачи (4), (5) являются двойственной к задаче (2), (3). Теорема двойственности для задач линейного программирования состоит в том, что решение прямой задачи существует тогда и только тогда, когда существует решение двойственной ей задачи. В этом случае обе
задачи имеют одно и то же значение. Следовательно, решение прямой задачи автоматически дает решение и двойственной задачи, так что одновременно можно определить оптимальные стратегии обоих игроков [3].
Сущность такой методики, применительно к проектной оценки эффективности системы обеспечения пожарной безопасности контейнерных терминалов, основывается на предположении о выборе проектантом некоторых проектных решений при неизвестных условиях эксплуатации (внешней среды Wj).
Интерпретацией этих условий, действующих на процесс функционирования системы обеспечения пожарной безопасности контейнерного терминала, может являться ситуация возникновения пожара в контейнере.
Моделирование пожара в контейнере позволит обеспечить достаточно качественную информацию об условиях эксплуатации (внешней среды), от чего зависит формирование оценок эффективности системы.
Полевой метод моделирования пожара является наиболее универсальным из существующих детерминистических методов, он основан на решении уравнений в частных производных, выражающих фундаментальные законы сохранения в каждой точке расчетной области [5].
Для построения модели температурного режима в контейнере использован программный комплекс FDS (Fire Dynamic Simulator) [6].
Была построена компьютерная трехмерная модель контейнера с внутренними размерами 2330х2350х11988 мм, в масштабе 1:200 мм. В качестве пожарной нагрузки был задан груз, расположенный в контейнере. Рассмотрены три варианта пожарной нагрузки -оргстекло, древесноволокнистые плиты (ДВП) и хлопок. Степень наполняемости пожарной нагрузки в контейнере:
- 1/3 по высоте по всей площади контейнера для оргстекла;
- 1/3 по высоте по всей площади контейнера для ДВП;
- 1/2 по высоте по всей площади контейнера для хлопка.
Для проведения расчета были выделены основные характеристики горючих материалов, которые представлены в табл. 1 [6].
Таблица 1. Характеристики оргстекла, ДВП и хлопка
Топливо Hf, МДж/кг Dm, Нпм2/кг L02, кг/кг Lc02, кг/кг Lco, кг/кг Hf, МДж/кг X Y Z Ys, кг/кг Yco, кг/кг
Оргстекло 26,4 78 2,09 1,8 0,127 26,4 4,8 13,4 2,1 0,009 0,127
ДВП 18,1 130 1,15 0,69 0,022 18,1 1,5 13,8 3,4 0,015 0,022
Хлопок 16,7 0,6 1,15 0,58 0,005 16,7 1,2 15,1 3,6 0,000 0,005
При моделировании на контейнер наложена сетка с шагом 100 мм и заданы координаты расположения точек расчетной области по осям X, У, 2. Графическое расположение точек представлено на рис. 1.
По заданным данным программой проведен расчет распределения температур и плотности тепловых потоков для каждого из рассматриваемых видов пожарной нагрузки. На выходе получены модели в виде графов температуры и плотности тепловых потоков в каждой из исследуемых точек.
На примере контейнера с грузом в виде штабелей ДВП на рис. 2, 3 представлены графики изменения температуры во времени для каждой точки, а также проиллюстрирован процесс горения груза.
Рис. 1. Модель контейнера с грузом и расположение термических пар
О
о
н й
Л
^
н й Л <и С
<и н
1000 800 600 400 200 0
точка 27 точка 26 точка 23 точка 22 точка 19 точка 18
0 100 200 300 400 500 600 700
время 1:, сек
Рис. 2. Изменение температуры пожара в контейнере с ДВП
Рис. 3. Распределение плотности тепловых потоков во времени при пожаре ДВП в контейнере:
а) 120 сек.; б) 240 сек.; в) 360 сек.; г) 600 сек.
Анализ результатов расчетов для каждого вида пожарной нагрузки показал, что при заданной скорости распространения пожара рост среднеобъемной температуры начинается с третьей минуты пожара и продолжается до 10 минуты, после чего из-за снижения концентрации кислорода в контейнере температура начинает снижаться. Наиболее высокая температура пожара зафиксирована в контейнере с хлопком, и наименьшая температура -с оргстеклом. В очаге пожара наиболее интенсивней рост температуры происходит при горении ДВП, но на седьмой минуте он схож по горению с хлопком.
Увеличение плотности теплового потока начинается уже с первой минуты пожара. Наиболее интенсивно происходит изменение плотности теплового потока при горении ДВП в очаге пожара, а над очагом - при горении хлопка. Максимальные температуры и плотность, а также моменты их достижения показаны в табл. 2. Во всех рассмотренных примерах видно, что изменение температуры и плотности происходит над поверхностью горючей нагрузки, а в контрольных точках, расположенных под поверхностью, температура и плотность не изменяется и равна 20 оС и 0,42 кВт/м2 соответственно. Графики изменения температуры и плотности тепловых потоков при горении различных грузов представлены на рис. 4, 5.
900
600
и 700
м- -п 600
а
^500
400
ЕЪ
и 300
У Б 200
100
0
а
■ Х-*
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
время Г, сек
№0
еоо
Г 1
о /00
ы-
а 600
р,
™
и
3 41
#
300
1 100
100
б
С
л г
2 к
- ш ш ^^ и
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 время Т, сек
800 V 700 а боо
Рн
р 500
а
3 400 а.
; 300
§ 200 Н
100 о
в
1
/
/
/
'ДВП -Оргстекло Хлопок
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 время Т, сек
Рис. 4. Температурный режим горения различного груза в контейнере: а) в очаге пожара; б) над очагом пожара; в) в дальней точке на торцевой стенке контейнера
Результаты расчетов представлены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты расчета
Наименование груза 1 0С 1тах5 ^ Отах, кW/m2 Т^ах,; сек ТОтах, сек
ДВП 885 54 560 560
Оргстекло 460 16,8 590 550
Хлопок 920 52 510 520
Рис. 5. Изменение плотности теплового потока различного груза в контейнере: а) в очаге пожара; б) над очагом пожара; в) в дальней точке на торцевой стенке контейнера
Результаты, полученные при моделировании пожара в контейнере, можно использовать при подстановке их численных значений в предложенную модель оценки эффективности системы обеспечения пожарной безопасности. Эти значения будут являться параметрами воздействия на систему внешней среды Щ-.
Изложенные общие принципы построения модели оценки эффективности в конфликтной среде являются концепцией для дальнейшего развития системы выбора проектных решений системы обеспечения пожарной безопасности контейнерных терминалов. Благодаря предложенной методике можно оптимально подобрать мероприятия по совершенствованию средств противопожарной защиты судов-контейнеровозов, контейнерных терминалов, средств борьбы с пожарами, планирования боевых действий пожарных подразделений при пожаре, по оценке фактических пределов огнестойкости конструкций контейнеров, проведения пожарно-технических экспертиз и других целей.
Литература
1. Системный анализ и принятие решений: учеб. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2006. 390 с.
2. РД 31.3.05-97. Нормы технологического проектирования морских портов. Доступ из информ.-правовой системы «Гарант».
3. Гайкович А.И. Теория проектирования водоизмещения кораблей и судов. Т. 2: Анализ и синтез системы «Корабль». СПб.: НИЦ МОРИНТЕХ, 2014.
4. Лесин В.В., Лисовец Ю.П. Основы методов оптимизации. М.: МАИ, 1998.
5. Применение полевого метода математического моделирования пожаров в помещениях: метод. рекомендации. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003.
6. Карькин И.Н. Работа в программном комплексе Б1геСа1. Библиотека реакций и поверхностей горения в Руго81ш. Ред. 3. 2014.
