CC BY
16Соковнин А. И., Роенко В. В., Ищенко А. Д.
ОСАЖДЕНИЕ ДЫМА НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ ТЕМПЕРАТУРНО-АКТИВИРОВАННОЙ ВОДОЙ
В статье проанализированы существующие способы дымоудаления и дымоосаждения при тушении пожаров на объектах энергетики. Предложен способ и принципиальная схема устройства для осаждения дыма с помощью технологии температурно-активированной воды.
Ключевые слова: пожар, условия недостаточной видимости, дымоудаление, дымоосаждение, тактическое вентилирование, объект энергетики.
В 2009 году правительством Российской Федерации была утверждена «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года», в которой одним из главных стратегических ориентиров развития страны определена энергетическая безопасность. Энергетическая безопасность - это состояние защищённости страны, её граждан, общества, государства и экономики от угроз надёжному топливо- и энергообеспечению, которые определяются внешними (геополитическими, макроэкономическими, конъюнктурными) факторами, а также состоянием и функционированием энергетического сектора страны.
Объекты энергетики являются взаимосвязанной сложной системой, цель которой не только производство электроэнергии, но и её доставка потребителю. В России действуют 69 региональных энергосистем, которые в свою очередь образуют 7 объединённых энергосистем: Востока, Сибири, Урала, Средней Волги, Юга, Центра и Северо-Запада. Все энергосистемы соединены межсистемными высоковольтными линиями, работают в параллельном режиме и образуют в совокупности Единую энергетическую систему России, которая обеспечивает теплом и электроэнергией большую часть страны, кроме отдельных технологически изолированных регионов (Республика Саха (Якутия), Чукотский автономный округ, Камчатская, Сахалинская области). Единая энергетическая система позволяет перераспределять электроэнергию между региональными энергосистемами при возникновении дефицита, тем самым, с одной сто-
роны, повышая устойчивость системы, с другой - увеличивая нагрузку на другие региональные системы.
ПОЖАРЫ И АВАРИИ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ
Возникновение нештатной ситуации в пиковые нагрузки на отдельном объекте энергетики может привести к аварийной работе системы различных уровней. Так, например, 25 мая 2005 года в результате возгорания на подстанции «Чагино» произошла крупная авария в энергосистеме. В результате без электроэнергии остались целые районы на территории Москвы и Московской, Тверской, Рязанской, Калужской областей. Данная авария показала, как незначительное событие при совокупности других факторов (износ оборудования, действия персонала, уровень потребления электроэнергии, температура окружающей среды) может нарушить работу объединённых энергосистем.
Пожар на объекте энергетики приводит к нештатной, аварийной работе и несёт в себе потенциальную угрозу для энергетического сектора страны в целом, поэтому вопрос борьбы с пожарами является очень важным для рассматриваемых объектов. Рост энергопотребления при недостаточном вводе новых энергетических мощностей на фоне сильного износа энергетического оборудования и слабый контроль со стороны обслуживающего персонала за состоянием электрооборудования являются основными предпосылками возникновения аварий и пожаров. В сложившейся ситуации перед пожарной охраной возникают первоочередные задачи по обеспечению безопасности людей, повышению эффективности тушения пожаров и уменьшению последствий чрезвычайных ситуаций.
Во время тушения пожаров на объектах энергетики, при образовании задымлённой зоны одним из значимых опасных факторов
пожара является потеря видимости в дыму, так как данные объекты характеризуются сложной планировкой, большими объёмами помещений, повышенными источниками опасности (работающее технологическое оборудование, высокое напряжение). При проведении разведки звеном ГДЗС в задымлённой зоне существует высокая вероятность получить электротравму из-за непосредственного соприкосновения с токоведущими частями или попадания под действие тока утечки (при подаче огнетуша-щего вещества на оборудование под напряжением). В методических рекомендациях «Тактика тушения электроустановок, находящихся под напряжением» (ВНИИПО, 1986 г.) и в «Типовой инструкции по тушению пожаров на электроустановках под напряжением до 10 кВ» (Росэнергоатом, 2015 г.) установлены дальности видимости, при которых запрещается тушить электроустановки под напряжением. Например, на атомных электростанциях запрещается тушить электроустановки при видимости менее 5 м, а на других объектах энергетики - менее 10 м. Таким образом, дальность видимости в задымлённой зоне на объектах энергетики является важным условием для обеспечения безопасной работы пожарных.
Для оценки условий видимости необходимо проанализировать данные о пожарах на объектах энергетики. Анализируя статистические данные о пожарах на объектах энергетики с 2009 по 2014 годы, можно выделить основные группы горючих материалов (см. рис. 1) [1]. Почти в половине данных пожаров участвуют изоляционные материалы токове-дущих частей. Следует отметить немалое количество пожаров с горючими жидкостями.
Теплоизоляционный гидроизоляцонный материал
Строительные материалы Отходы производства (мусор) Горючая жидкость
Прочие материалы 7,96 %
Деревянные, ^^^^нтмия бумажные изделия
Изоляционные материалы токоведущих частей
Рисунок 1. Распределение пожаров по горючим материалам с 2009 по 2014 гг. на объектах энергетики
Чаще всего эти пожары влекут значительный экономический ущерб, так как горючие жидкости на объектах энергетики используются в больших объёмах в машинных залах в виде турбинного масла и в трансформаторах, где их количество оценивается тоннами.
Изоляционные материалы и горючие жидкости характеризуются высокой массовой скоростью выгорания и дымообразующей способностью. Среднее время подачи первых стволов на данных объектах, согласно статистическим данным с 2009 по 2014 г., составило 13,5 минут с момента обнаружения пожара [1]. При возгорании в машинном зале время снижения видимости до критических значений составляет от 1,5 до 3,5 минут [2]. Учитывая, что машинные залы - самые большие по объёму помещения, в сравнительно небольших производственных помещениях критическое значение по потери видимости будет достигаться еще быстрее. Поэтому можно с уверенностью говорить, что к моменту подачи первых стволов пожарные будут работать в условиях недостаточной видимости и при повышенных температурах в помещении.
СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ДЫМОМ, ИХ ОСОБЕННОСТИ И НЕДОСТАТКИ
Противодымная защита на объектах энергетики предназначена для предотвращения распространения продуктов горения из одних помещений в другие, повышения давления воздуха в определённых зонах, обеспечивающего непроникновение дыма. Современные противодымные системы стационарны. На этапе проектирования невозможно учесть все варианты развития пожара и необходимость удаления дыма из помещений. Интенсивный газообмен в результате работы противодымной защиты приводит к быстрому развитию пожара, поэтому после завершения эвакуации персонала для устранения опасности распространения пожара следует отключать систему противодымной защиты.
Для улучшения условий работы пожарные используют способ дымоудаления, который получил название тактическая вентиляция.
Тактическая вентиляция - это комплекс мероприятий по управлению газообменом на пожаре с использованием специальных технических средств и принципов для снижения
вероятности воздействия опасных факторов пожара, гибели и травматизма людей и создания приемлемых условий ликвидации горения или последствий чрезвычайной ситуации [3].
Преимущества тактической вентиляции в том, что пожарные могут сами определить место, где необходимо создать избыточное давление, и произвести дымоудаление. За счёт использования переносимых вентиляторов данный способ удаления дыма стал мобильным.
Задачи, решаемые тактической вентиляцией, достаточно широки, так как данный способ предусматривает замену продуктов горения на свежий воздух, тем самым снижая температуру и улучшая видимость. Однако применение тактической вентиляции на месте пожара сопровождается сложностью её организации и рядом ограничений. Необходимо создать вытяжной проём определённого размера рядом с зоной горения для выхода продуктов горения, а также целостный вытяжной канал для движения газовых сред. На объектах энергетики не всегда существует возможность выполнить данные требования. Например, при горении турбинного масла или изоляции токоведущих частей в машинном зале создание целостного канала для удаления продуктов горения затруднено из-за большого объёма помещения и сложной планировки, вследствие чего невозможно точно определить, как будут удаляться продукты горения. Также следует отметить, что приток дополнительного воздуха приведёт к интенсификации горения и увеличению площади пожара, что особенно опасно для объектов с большой горючей нагрузкой (машинные залы, кабельные галереи, туннели). Потребуются дополнительные силы и средства для подавления развития пожара, что в случае нехватки личного состава делает нецелесообразным применение тактического вентилирования.
Следовательно, на пожарах, где организация дымоудаления нецелесообразна или невозможна по различным причинам, пожарным придётся работать в условиях недостаточной видимости, в зоне непригодной для дыхания среды и при повышенных температурах. Экипировка (специальная одежда, средства индивидуальной защиты органов дыхания и зрения) защищает пожарного от последних двух факторов. А как сделать воздух более чистым, когда нет возможности разбавить и удалить продук-
ты горения? Альтернатива дымоудалению -это осаждение дыма.
В данном направлении существуют разработки, патенты в разных областях производств, основанные на различных принципах действия. В производствах, где используется воздухоочистительное оборудование, рассматривают различные дисперсные системы в газовой среде, в том числе дымы, под одним понятием «аэрозоли».
Аэрозоли - это дисперсные системы с газообразной дисперсной средой и твёрдой (дым, пыль) или жидкой (туман) дисперсной фазой.
Оборудование для улавливания аэрозолей классифицируют по особенностям процесса отделения твёрдых частиц от газовой фазы: оборудование для улавливания пыли сухим способом, к которому относятся циклоны, пылеосадительные камеры, вихревые циклоны, жалюзийные и ротационные пылеуловители, электрофильтры, фильтры; оборудование для улавливания аэрозоля мокрым способом, к которым относят скрубберы Вен-тури, форсуночные скрубберы [4].
Каждый тип оборудования предназначен для осаждения определённых аэрозолей. Основным параметром, влияющим на возможность улавливать аэрозоль тем или иным оборудованием, является размер частиц. Например, оборудование, действие которого основано на инерционном принципе (резкое изменение направления движения газового потока), эффективно улавливает частицы размером от 20 мкм. Но в дымах частицы представляют собой сложные агрегаты с разнообразной формой и размерами в интервале от 0,1 до 5 мкм [5]. Соответственно, для улавливания такого аэрозоля необходима предварительная коагуляция. Для этого в промышленности используют аппараты мокрой очистки, принцип действия которых схож, несмотря на разнообразные конструктивные решения. Аэрозоль поглощается распылённой водой, которую затем улавливают на различных элементах аппарата (стенки, полки, сетки, перегородки и т. п.). Используемые в промышленности аппараты мокрой очистки могут улавливать аэрозоль с дисперсностью дыма, но из-за больших габаритных размеров и массы они не применимы в пожарной охране.
Ускорить процесс коагуляции аэрозоля можно не только за счёт ввода распылённой воды, но и за счёт увеличения вероятности
столкновения между частицами под действием акустических волн.
На основании анализа процесса коагуляции под действием акустических волн можно выделить две его стадии. В начале частицы принимают участие в колебательном движении и следуют за движением газа между пучностями и узлами колебания звука. В результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения они слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения. Причём в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться [4]. В процессе осаждения аэрозолей важен вопрос времени, за которое достигается необходимый эффект. В запатентованном способе осаждения дыма С. В. Остаха указано, что за 30 секунд в озвученном объёме осаждается 96 % частиц дыма [6]. Данный результат показывает, что осаждение дыма путём акустического воздействия позволяет достаточно быстро и эффективно очистить воздух. Но применение метода коагуляции дыма под воздействием звуковых волн при тушении пожара затруднительно. Так как при изменении объёма озвучивания будет изменяться акустический эффект воздействия. Также нужно учесть, что воздействию звука будут подвергаться пожарные, что осложнит их работу. Необходимый уровень звукового давления для эффективной коагуляции 20-200 Н/м2, что является болевым порогом человека [7]. Такой уровень звукового давления сделает работу пожарных во время использования данного метода осаждения невозможной.
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОСАЖДЕНИЯ ДЫМА С ПОМОЩЬЮ ТЕМПЕРАТУРНО-АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ
Способ осаждения дыма в условиях тушения пожара на объектах энергетики, несмотря на сложность его использования, можно реализовать при помощи технологии температурно-активированной воды (ТАВ). Данная технология позволяет получить капли воды, сопоставимые с размерами частиц дыма. Из проведённых исследований известно, что капли ТАВ, образовавшиеся при взрыв-
ном вскипании, принимают бимодальное распределение по размерам капель. Первая группа капель принимает размеры 0,1-0,3 мкм, а вторая группа капель 6-8 мкм [8]. Предлагается техническое решение, основанное на использовании технологии получения ТАВ. Оценить применимость устройства осаждения аэрозолей с помощью ТАВ с целью очищения воздуха от продуктов горения в процессе тушения пожара можно по двум основным критериям: мобильность установки и эффективность осаждения дыма. Мобильность определяется возможностью переноски устройства силами одного звена ГДЗС. Эффективность осаждения дыма при условии, что пожарные работают в дыхательных аппаратах, целесообразно оценивать по изменению видимости в задымленном помещении до очистки воздуха и после. На рисунке 2 изображена принципиальная схема технологии ТАВ для осаждения дыма.
Принцип работы предлагаемого устройства осаждения аэрозолей ТАВ: недогретая вода (100-300 °С, 2-20 МПа) по рукаву 4
Линия всасывания аэрозоля
Рисунок 2. Принципиальная схема устройства для осаждения аэрозолей:
1 - лопасти вентилятора; 2 - опора вала; 3 - рабочее колесо; 4 - рукав; 5 - вал; 6 - ввод недогретой воды (175 °С, 2 МПа); 7 - сетка; 8 - очищенный воздух; 9 - сетка
подаётся через полость вала 5 к рабочему колесу 3, где на концах полых трубок находятся отверстия. При выходе из насадок распылителей происходит взрывное вскипание воды. Реактивная реакция струи вращает вал с лопастями вентилятора 1 и сетками 7. За счёт вращения лопастей вентилятора аэрозоль всасывается в данное устройство, где происходит взаимодействие аэрозоля с парокапельной смесью. Затем смесь аэрозоля и ТАВ осаждается на сетках. Продукты осаждения отбрасываются на периферию сетки - происходит самоочищение сетки, продукты осаждения стекают в поддон. Очищенный воздух выходит через прорези в основании устройства.
Для более детальной проработки технического решения по использованию технологии ТАВ необходимо провести исследования для выявления закономерностей взаимодействия дыма с каплями ТАВ. Предполагается, что за счёт бимодального распределения по размерам капли ТАВ смогут стать не только центрами коагуляции, но и коагулироваться на частицах дыма. Способствовать процессу конденсации будет значительное содержание пара (до 30 % от массы недогретой воды до взрывного вскипания). Предполагается, что суммарный эффект от коагуляции и конденсации в аппарате позволит получить достаточно крупный аэрозоль для инерционного улавли-
вания на сетках и ударно-инерционного улавливания о зеркало жидкости в поддоне. Предлагаемый способ осаждения дыма с помощью технологии ТАВ поможет улучшить видимость в задымлённом помещении.
Мобильность устройства позволяет в краткие сроки установить его в необходимое место. Устройство не нагнетает дополнительный воздух в помещение, тем самым его работа не будет способствовать развитию пожара, а напротив, за счёт ТАВ произойдёт снижение температуры и интенсивности горения. Осаждение дыма позволит улучшить видимость, что поможет адекватно оценивать опасность при тушении пожара. Обеспечение видимости позволит пожарным вовремя заметить опасность. Это поможет уменьшить риск получения травм и быстрее локализовать и ликвидировать пожар.
Для подтверждения эффективности применения предложенного способа и устройства осаждения дыма с помощью технологии ТАВ необходимо провести ряд натурных экспериментов. Требуется определить степень очистки воздуха от дыма, полученного при горении наиболее распространённой горючей нагрузки (изоляция токоведущих частей, горючие жидкости) для объектов энергетики, а также определить расходные характеристики устройства (скорость очистки воздуха).
ЛИТЕРАТУРА
1. Пожары и пожарная безопасность в 2011, 2014 годах: статистические сборники. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2011, 2015.
2. Микеев А. К. Противопожарная защита АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 432 с.
3. Методические рекомендации руководителю тушения пожара по организации и проведению тактической вентиляции зданий и сооружений при тушении и ликвидации последствий ЧС на территории города Москвы (проект). - М., 2014. - 78 с.
4. Хмелев В. Н., Шалунов А. В., Шалунова К. В., Цыганок С. Н, Барсуков Р. В., Сливин А. Н. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей: монография. - Бийск, 2010. - 228 с.
5. Зайцев А. В. Размеры частиц дыма и корректность проведения огневых испытаний пожарных извещателей // Алгоритм безопасности. - 2014. - № 3. - С. 50-54.
6. Акимов М. Н., Звонов В. С., Остах С. В. Способ осаждения дыма. Патент РФ № 5064421/12 от 27.11.1996 г.
7. Антонникова А. А. Осаждение аэрозолей с помощью акустического излучения и дополнительной дисперсной фазы: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Томск: Национальный исследовательский Томский государственный университет, 2014. - 114 с.
8. Пряничников А. В., Роенко В. В., Бондарев Е. Б. Тушение проливов нефти и нефтепродуктов метастабильными парокапельными струями воды // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2015. - № 4. - С. 7-12.
Sokovnin A., Royenko V., Ishchenko A.
DEPOSITION SMOKE ON ENERGY FACILITIES BY TEMPERATURE-ACTIVATED WATER
ABSTRACT
Purpose. Fire extinguishment at power engineering facilities in insufficient visibility conditions presents a special hazard due to high firefighters' risks against injuries. An aerosol deposition method on the basis of temperature-activated water is offered in this article.
Methods. Comparison of aerosol deposition methods was carried out and substantiation of temperature-activated water application for smoke deposition to improve visibility at the fire place was given.
Findings. The aerosol deposition method which can be used to extinguish fires was offered. Further research relevance of the selected direction was justified.
Research application field. The obtained results and further research will allow to create the smoke deposition method for extinguishing fires to improve
visibility in smoke-filled premises at power engineering facilities.
Conclusions. To confirm the proposed method and the smoke deposition device efficiency it's necessary to conduct a number of field experiments. It's required to determine the air purification degree from smoke which has been generated during combustion process of the most common fuel load (live parts insulation, flammable liquids) for power engineering facilities and also to determine flow device features (air purification rate).
Key words: fire, insufficient visibility conditions, smoke removal, smoke deposition, tactical ventilation, power engineering facility.
REFERENCES
1. Fires and fire safety in 2011, 2014: Statistical collections. Moscow, VNIIPO of EMERCOM of Russia, 2011, 2015.
2. Mikeev A.K. Protivopozharnaia zashchita AES [Fire protection of nuclear power plants]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990. - 432 p.
3. Metodicheskie rekomendatsii rukovoditeliu tusheniia pozhara po organizatsii i provedeniiu takticheskoi ventiliatsii zdanii i sooruzhenii pri tushenii i likvidatsii posledstvii ChS na territorii goroda Moskvy (proekt) [Methodical recommendations to the head of the fire fighting organization and carrying out tactical ventilation of buildings and structures in the suppression and liquidation of consequences of emergency situations on the territory of Moscow city (the project)]. Moscow, GU of EMERCOM of Russia in Moscow, 2014. 78 p.
4. Khmelev V.N., Shalunov A.V., Shalunova K.V., Tsyganok S.N., Barsukov R.V., Slivin A.N. Ul'trazvukovaia koaguliatsiia aerozolei [Ultrasonic coagulation of aerosols]. Biysk, Altay GTU Publ., 2010. 228 p.
5. Zaitsev A.V. Size of smoke particles and correctness of carrying out of fire tests of smoke detectors. Algoritm bezopasnosti, 2014, no. 3, pp. 50-54. (in Russ.).
6. Akimov M.N., Zvonov V.S., Ostakh S.V. Sposob osazhdeniia dyma [Method of deposition of smoke. Patent of the Russian Federation No. 5064421/12 on November 27, 1996].
7. Antonnikova A.A. Osazhdenie aerozolei s pomoshch'iu akusticheskogo izlucheniia i dopolnitel'noi dispersnoi fazy [Deposition of aerosols by acoustic radiation and additional dispersed phase. Cand. fiz.-mat. sci. diss.]. Tomsk, Natsional'nyi issledovatel'skii Tomskii gosudarstvennyi universitet Publ., 1981. 114 p.
8. Pryanichnikov A.V. Royenko V.V., Bondarev E.B. Suppression of spills of oil and oil products metastable by a steam-dripping water jets. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia. 2015, no. 4, pp. 7-12. (in Russ.).
ArTEM S0K0VNiN VLADiMiR Royenko ANDREi iSHCHENKO
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
