CC BY
15УДК 614.842
ТАРАНЦЕВ Александр Алексеевич
Доктор технических наук, профессор
Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко РАН,
Санкт-Петербург, Россия
E-mail: info@iptran.ru
ИЩЕНКО Андрей Дмитриевич
Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: andiko@mail.ru
ХОЛОСТОВ Александр Львович Доктор технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: a.holostov@academygps.ru
DOI 10.25257/FE.2019.2.30-40
ТАРАНЦЕВ Андрей Александрович Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: dask_cradle@mail.ru
ГОРОХОВ Алексей Павлович Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: gorlexa40@gmail.com
ПРОБЛЕМА ПОДАВЛЕНИЯ ПОЖАРА НА УДАЛЁННЫХ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТАХ В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Рассмотрена проблема тушения пожаров на объектах в Арктической зоне и на Крайнем Севере в условиях экстремально низких температур. Показано, что существует эффективный способ подавления пожара - продувка объёма низкотемпературным наружным воздухом. Приведены результаты компьютерного эксперимента и демонстрационного натурного эксперимента, подтверждающие эффект подавления пожара.
Ключевые слова: Арктическая зона, Крайний Север, теплоизолированный модуль, пожарная безопасность, продувка наружным воздухом.
Развитие России неразрывно связано с освоением Арктической зоны и районов Крайнего Севера (рис. 1), Северного морского пути (рис. 2), а также необходимостью защиты на этих территориях
интересов нашей страны. Предполагается создание объектов с использованием теплоизолированных модулей как для персонала, так и в качестве складских помещений (рис. 3).
Рисунок 1. Ресурсы районов Крайнего Севера и Арктической зоны РФ: - Дальний Север; - Средний Север; ■ - Ближний Север; $ - леса; М - промысловые животные; 1,9 - индекс стоимости жизни; ■ - каменный уголь; щ - бурый уголь; АЛ - нефть и горючие газы; А - железные руды; Н - никелевые руды; А - алюминивое сырьё; - медные руды; о - оловянные руды; О - золото; и - слюда; Г - графит;
г - апатиты; П] - поваренная соль; 1=1 - строительный камень; - алмазы; ЦЭ - площадь, млн км2 |—и г 1- щ население, млн чел.
30
© Таранцев А. А., Ищенко А. Д., Холостов А. Л., Таранцев А., А., Горохов А. П., 2019
Рисунок 2. Северный морской путь и его инфраструктура:
--Северный морской путь (СМП);........- новые виды транспорта; 0- морские порты;
железные дороги: ■=■=■=■ - существующие;----прогнозируемые;
нефтепроводы: == - существующие; === - прогнозируемые; месторождения: 0 - уникальные по запасам полезных компонентов; о -стратегически важные; О - особо важные для обеспечения ресурсной безопасности; - ареалы возможного создания арктических акватерриториально-производственных комплексов (АТПК); П - центры глубокой переработки природных ресурсов; МШ - центры судо- и машиностроения (ремонта)
Рисунок 3. Автономный объект на основе теплоизолированных модулей в Арктической зоне
с использованием вентиляторов. Эффект подавления пожара при этом обосновывается как теоретически [6], так и с помощью компьютерного эксперимента [5-7] по полевой модели пожара [8], а также показан Е. Н. Понимасовым [9] применительно к пожару класса В (патент на изобретение № 1349758).
теоретическое обоснование
Теоретическое обоснование базируется на законе Аррениуса [6], который выражает влияние температуры на скорость химической реакции, поэтому снижение скорости химической реакции, в том числе горения, при снижении температуры
с Тпож Д° Тх примет виД:
А 1С
= ехр
-к
(1)
Функционирование таких объектов характеризуется значительной удалённостью от населённых пунктов и баз снабжения, ограниченной транспортной доступностью и другими сложностями [1]. Кроме того, большая энергонасыщенность объёма модулей приводит к повышенному риску возникновения пожаров, тушение которых с применением обычных ог-нетушащих веществ [2-4] крайне затруднено в условиях экстремально низких температур (рис. 4).
Для решения указанной проблемы был предложен способ подавления пожара путём продувки объёма низкотемпературным окружающим воздухом [5]
где Кпож, Ух - скорости реакции горения при пожаре и продувке холодным воздухом; Е - энергия активации, отнесённая к постоянной Больцмана; к > 0 - безразмерный коэффициент ослабления реакции, оцениваемый по выражению
Т к = -71
(2)
где Тпож, Тх - температура при пожаре и продувке холодным воздухом.
"Л,
>
¿а.
VI
Л 10
\
\
Средняя месячная температура января (°С)
-42 -38 -34 -30 -26 -22 -18 -14 -10 -6 -2 "
1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I I
ниже -40 -36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 выше
Рисунок 4. Январские изотермы на территории Российской Федерайии (2014 г.)
Величина Тх оценивается из выражения 71 1 + КТ„п„Т„1
_ пож в
71 " 1+к
(3)
где К = ОгСг(ОвСв)-1 - отношение произведения массового расхода Ог, кг/с, продуктов горения на их теплоёмкость Сг, Дж/(кг-К), к произведению массового расхода Ов, кг/с, внешнего низкотемпературного воздуха на его теплоёмкость Св, Дж/(кг-К); Тв -температура внешнего низкотемпературного воздуха, К.
Например, при Тпож = 1000 К, Тв = 233 К (-40 °С) и К = 0,12 из формулы (3) получается:
т>233
1+0,12 1000/233 1+0,12
-315,2 к ->^х=42,2 "с,
что уже безопасно для людей и оборудования. Из формулы (2) находим коэффициент ослабления скорости реакции горения: к = 1000/315,2-1=2,2 и ехр(-2,2) ~ 0,11, что свидетельствует о значительном замедлении горения и снижении выделения тепловой мощности.
компьютерный эксперимент
Б
олее точное обоснование было получено в ходе компьютерного эксперимента по
полевой модели пожара [8], что полностью подтвердило эффекты тушения, срыва пламени и удаления продуктов горения [5, 7] (рис. 5).
При моделировании рассматривался складской модуль (КФПО-Ф5.2) с категорией пожароопас-ности В1 при удельной теплоте сгорания пожарной нагрузки 200 кВт/м2 и площади пожара 10 м2.
При компьютерном эксперименте, результаты которого представлены на графиках рисунков 6—11, нужно было оценить возможность устойчивого подавления пожара в центре модуля (см. рис. 5) при различных температурах t вдуваемого наружного воздуха (см. рис. 6-8) и при различных задержках тпр начала продувки (см. рис. 9-11) в зависимости от скоростей V.
Результаты компьютерного эксперимента вполне согласуются с физикой процессов и свидетельствуют о том, что при температурах наружного воздуха ^ < -20 °С устойчивое подавление пожара достигается при V >10 м/с, причём температура t внутри модуля может достигать отрицательных значений. Чем теплее окружающий воздух, тем бо'льшие скорости продувки V необходимы. Задержка начала продувки тпр, как видно на рисунках 9-11, не очень критична для общего эффекта подавления пожара, но влияет на пиковые значения температуры tmяx. Например, при ^ар = -40 °С, V = 10 м/с и задержке начала продувки с 60 до 120 с пиковая температура ^ в центре модуля может повыситься с 370 до 500 °С, т. е. на 20 %.
г, °с
215
65,0 40,0 15,0 а - 10,0 - 35,0
г, °с 120
105
90,0
75,0
60,0
45,0
30,0
15,0
0,00
а - 15,0
- 30,0
(, °С 215
15,0 а - 10,0 - 35,0
Рисунок 5. Результаты компьютерного моделирования подавления пожара класса А продувкой модуля (2,2x2,2x20 м) низкотемпературным наружным воздухом (^ = -40 °С) со скоростью V = 10 м/с начиная с 50-й секунды пожара (тпр = 50 с):
а - начало возгорания, т = 0; б - подача низкотемпературного воздуха, -40 °С, со скоростью 10 м/с на 65-й секунде пожара; в - подавление пожара - срыв пламени низкотемпературным потоком на 130-й секунде пожара
2,2 м
0
а
2,2 м
0
б
2,2 м
0
в
Левая сторона
Центр
Правая сторона
V, м/с
t, °С 180
t, °С 160
"Г-1-Г
50 100 150 т, с
1 50 И 1 1 ' 100 150 т, с
чу00 150
50 И 1
7 \ 100 150 1 1 1 ,
1 50
t, °С 300
t, °С 300 —
200
t °С 160 -
50 ■ 0
| тт»п м»
100 150 Т,
/1
7
5о ^ИЛТН^ИИ? т,'с
10
Рисунок 6. Результаты моделирования динамики температуры I, °С, в верхней части модуля при продувке наружным воздухом температурой -40 °С (тпр = 60 с) с различными скоростями V в определённый промежуток времени т, с:
I °С
4
20
0
0
I °С
I °С
300
6
0
0
0
т, с
t. °С
Ь °С
8
200
50
50
0
0
0
t. °С
Г. °С
0
0
Центр
Правая сторона
V, м/с
~г-1-Г
50 100 150 т с
i °с ^
300
100
Ь, °С
100 ■
20 ■
0 50
I
100
I
150
I °С 180
t, °С К
300 -
200 -
100
I °С • 180 -
"Г-1-г
50 100 150 Т с
"Г—I-1-"
50 100 150 т, с
I °С
200 150 100 50 0
100 50 -0
100 150
10
—Г
50
к
100 ±-
150 _1_
150100 ■ 50 0
/1
7 1 к^уУшь
16
50 100 150
Рисунок 7. Результаты моделирования динамики температуры I, °С, в верхней части модуля при продувке наружным воздухом температурой -20 °С (тпр = 60 с) с различными скоростями V в определённый промежуток времени т, с:
(. °С
4
200
0
0
т, с
6
20
0
0
Г. °С
Ь °С
300
0
т, с
т, с
Г. °С
Г. °С
t. °С
200
50
0
т, с
0
Левая сторона
Центр
Правая сторона
V, м/с
t °С 160 -
ь, °С
300 -
200
100 150
>
т, с
с °С 180 -
100 -
I °С 180
^ °С
100 -
Т
50
г, °С М
180
120-
60
50 100 150
t, °с 180
50 100 150
I °С 180
50 100 150
10
1 Г
50 100 150
I °С
50 100 150
50 100 150
16
Рисунок 8. Результаты моделирования динамики температуры ^ °С, в верхней части модуля при продувке наружным воздухом температурой 0 °С (тпр = 60 с) с различными скоростями V в определённый промежуток времени т, с:
4
20
0
0
6
0
0
0
т, с
Г. °С
300
120
120
60
60
0
0
т, с
0
т, с
Е. °С
300
В0
80
0
0
0
т, с
т, с
т, с
Центр
Правая сторона
г, °С 180
"1-1-Г
50 100 150
I °С
300
200
100 —
1
50
160
100 150
г, °С 200
"1-Г—I-1-Г
100 200
300 200 -100 -0
Г, °С 200150
"1—I—I—I—I—Г
100 200 т, с
"1-Г—I-1-1-Г
100 200 т, с
Рисунок 9. Результаты моделирования динамики температуры I, °С, в верхней части модуля при продувке наружным воздухом температурой -40 °С со скоростью V = 4 м/с при различном времени начала продувки тпр = 60 с и тпр = 120 с: --время начала продувки;--критическая температура 70 °С
Левая сторона
Центр
Правая сторона
Ь °С А 160 -
80
100 150
г, °с 200
150
"1-1-г
50 100 150
I °С
300
100
"1-1-г
50 100 150
Рисунок 10. Результаты моделирования динамики температуры I, °С, в верхней части модуля при продувке наружным воздухом температурой -40 °С со скоростью V = 6 м/с при различном времени тпр начала продувки:
80
0
20
0
т, с
0
т, с
I °С
50
0
0
т, с
(. °С
300
200
30
0
0
0
т, с
200
50
50
0
т, с
0
т, с
Левая сторона
Центр
и, °с
7
7 1 1 100 150 1 1 1 ,,
1 50 К
-г I 200 300 II 1 1 1 >
100
г, °с 400 300200100 0
и
7 1 50 ■ЧЩЩМЩ] 1* ВТ, с
t °С 200
300
Рисунок 11. Результаты моделирования динамики температуры £ °С, в верхней части модуля при продувке наружным воздухом температурой -40 °С со скоростью V = 10 м/с при различном времени т начала продувки:
■ - время начала продувки;
критическая температура 70 °С
Г. °С
I °С
300
0
0
0
200
50
0
0
демонстрационный эксперимент
Аля окончательного подтверждения эффекта подавления пожара посредством продувки холодным воздухом был проведён демонстрационный эксперимент, который состоялся 30.01.2019 г. Пожар имитировался горением древесины, политой бензином (аналог класса пожара А+В). Горение пламени подавлялось подачей окружающего холодного
воздуха прибором «Буран» ДПЭ-15. Эксперимент осложнялся тем, что температура воздуха была недостаточно низкой и составляла -2 °С. В результате демонстрационного эксперимента имитировались несколько вариантов возгораний, которые подавлялись в течение нескольких секунд даже при некоторой специальной задержке подачи воздуха прибором. Таким образом был полностью подтверждён эффект подавления пламени (рис. 12), который
усиливается при более низких температурах. Результаты эксперимента пересекаются с исследованиями Е. Н. Понимасова и базируются на законе Аррениуса и компьютерном моделировании.
В работе подтверждён эффект подавления пожара в модуле объекта в Арктической зоне или на Крайнем Севере, находящегося в условиях экстремально низких температур, посредством продувки объёма модуля наружным воздухом без применения жидких огнетушащих веществ, газов и порошков. Это
свидетельствует о функциональной эффективности и безопасности данного способа для персонала и оборудования модуля.
В дальнейшем представляется целесообразным рассмотреть варианты расположения входного и выпускного люков модуля, подобрать нагнетающие вентиляторы, способные работать при экстремально низких температурах, разработать предложения по автоматической системе вскрытия люков и запуску вентилятора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гордиенко Д. М. Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазодобычи в арктическом бассейне [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2017. Вып. 1 (71), С. 53-61. Режим доступа: https://elibrary.ru/item. аБр?1а=29871077 (дата обращения 28.05.2019).
2. Алешков М. В., Безбородько М. Д., Ольховский И. А, Дво-енко О. В. История развития технических средств борьбы с пожарами в условиях низких температур // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25. №11. С. 77-83. 001: 10.18322/РУБ.2016.25.11.77-83
3. Алешков М. В., Безбородько М. Д. Применение мобильных средств пожаротушения для защиты объектов атомной энергетики от крупных пожаров в условиях экстремально низких температур // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2014. № 3. С. 37-45.
4. Алешков М. В. Особенности тушения крупных пожаров на территории Российской Федерации при внешнем воздействии опасных природных явлений // Пожаровзрывобезопасность. 2013. Т. 22, № 5. С. 59-64.
5. Таранцев А. А., Холостов А. Л., Таранцев А. А., Куш-пиль И. В. О новом подходе к тушению пожаров в условиях низких температур [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2018. №1 (77), 2018. С. 72-80. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=35411848 (дата обращения 28.05.2019). 001: 10.25257/ТТЭ.2018.1.77.72-80
6. Штиллер В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика. М.: Мир, 2000. 176 с.
7. Таранцев А. А, Ищенко А. Д., Таранцев А. А, Горохов А. П. О способе подавления пожара на объектах Северного морского пути, в том числе на энергообъектах // Морские интеллектуальные технологии. 2018, № 4 (42). С. 202-207.
8. Пузач С. В. Методы расчёта тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. 336 с.
9. Самохин А. А. Потушить? Это раз дунуть! // Техника - молодёжи. 2007. № 2. С. 2-4.
Материал поступил в редакцию 29 января 2019 года.
Alexander TARANTSEV
Grand Doctor in Engineering, Professor
Head of Laboratory of Solomenko Institute of Transport
Problems of the Russian Academy of Sciences,
St. Petersburg, Russia
E-mail: info@iptran.ru
Andrey ISHCHENKO
Ph.D. in Engineering
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: andiko@mail.ru
Alexander HOLOSTOV
Grand Doctor in Engineering, Associate Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: a.holostov@academygps.ru
Andrey TARANTSEV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: dask_cradle@mail.ru
Alexey GOROHOV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: gorlexa40@gmail.com
THE PROBLEM OF FIRE SUPPRESSION AT REMOTE AUTONOMOUS FACILITIES AT EXTREMELY LOW TEMPERATURES
abstract
Purpose. The article examines the problem of fire suppression at facilities in the Arctic and Far North at low temperatures.
Methods. In order to solve the defined problem we have proposed a method of fire suppression by means of ambient low-temperature air blowing with the use of cooling fans. Fire suppression effect is substantiated in theory as well as in computer experiment on field fire simulation. Theoretical grounds are based on Arrhenius Law describing decrease in chemical reaction rate at temperature reduction.
Findings. The results of computer simulation are given. The article describes an additional live experiment, the results of which are coordinated with the theoretical grounds based on Arrhenius equation and computer modelling.
Research application field. The obtained results can be applied in fire suppression at facilities in the Arctic and Far North at extremely low temperatures.
Conclusions. The article proves the possibility of using the given method for fire suppression at remote facilities at low temperatures. In further research it is advisable to consider the options for placing inlet and outlet access holes of the module, choose cooling fans capable of operating at extremely low temperatures, give proposals on an automated system of opening access holes and launching fans as well as on peculiarities of fire squads' actions.
Key words: the Arctic, Far North, heat-insulated module, fire safety, blowing with ambient air.
REFERENCES
1. Gordienko D.M. Problems of ensuring the fire safety of oil and gas production facilities in the Arctic basin. Tehnologii tehnosfernoy bezopasnosti: internet-zhurnal, 2017, vol. 1 (71), pp. 53-61, available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=29871077 (accessed May 28, 2019). (in Russ.).
2. Aleshkov M.V., Bezborodko M.D., Olkhovskiy I.A., Dvoenko O.V. History of the development of technical means to fight fire, adapted for work at low temperatures. Pozharovzryvobezopasnost, 2016, vol. 25, no. 11, pp. 77-83. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.77-83 (in Russ.).
3. Aleshkov M.V., Bezborodko M.D. Application of movable fire extinguishment means for protecting nuclear power plants from large fires under extremely low temperature conditions. Pozhary i chrezvychaynye situatsii:predotvrashchenie, likvidatsiia, 2014, no. 3, pp. 37-45. (in Russ.).
4. Aleshkov M.V. Peculiarities of extinguishing large-scale fires on the territory of the russian federation under the external effect of hazardous natural phenomena. Pozharovzryvobezopasnost, 2013, vol. 22, no. 5, pp. 59-64. (in Russ.).
5. Tarantsev A.A., Holostov A.L., Kushpil I.V. A new approach to fire fighting at low temperatures on energy facilities. Tehnologii
tehnosfernoy bezopasnosti: internet-zhurnal, 2018, no. 1 (77), pp.72-80, available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=35411848 (accessed May 28, 2019). DOI: 10.25257/TTS.2018.1.77.72-80 (in Russ.).
6. Shtiller V. Uravnenie Arreniusa i neravnovesnaya kinetika [Arrhenius equation and non-equilibrium kinetics]. Moscow, Mir Publ., 2000. 176 p.
7. Tarantsev A.A., Ishchenko A.D., Tarantsev A.A., Gorokhov A.P. A method of fire suppression at the facilities of the Northern sea route, including power objects. Morskie intellektualnye tehnologii, 2018, no. 4 (42), pp. 202-207. (in Russ.).
8. Puzach S.V. Metody raschyota teplomassoobmena pri pozhare v pomeshchenii i ih primenenie pri reshenii prakticheskikh zadach pozharovzryvobezopasnosti [Methods for calculating the heat and mass transfer in a fire at the premises and their application in solving practical problems of fire safety]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2005. 336 p.
9. Samohin A.A. Put out. It's one blow out. Tehnika - molodyozhi, 2007, no. 2, pp. 2-4. (in Russ.).
40
© Tarantsev A., Ishchenko A., Holostov A., Tarantsev A., Gorohov A., 2019
