УПРАВЛЕНИЕ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТОЙ МОДУЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В РАЙОНАХ С ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 614.842, 69.034 DOI 10.25257/FE.2020.1.16-21

ТАРАНЦЕВ Александр Алексеевич ХОЛОСТОВ Александр Львович

Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, доцент

Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко РАН, Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия

Санкт-Петербург, Россия E-mail: a.holostov@academygps.ru

E-mail: info@iptran.ru

ТАРАНЦЕВ Андрей Александрович ИЩЕНКО Андрей Дмитриевич Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия

Кандидат технических наук, доцент E-mail: dask_cradle@mail.ru

Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: adinko@mail.ru

УПРАВЛЕНИЕ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТОЙ

МОДУЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В РАЙОНАХ С ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ

Рассмотрена проблема тушения пожаров на энергетических и иных объектах модульного типа в Арктической зоне и на Крайнем Севере в условиях экстремально низких температур. Показана возможность эффективного подавления пожара в теплоизолированных энергонасыщенных модулях продувкой их объёма низкотемпературным наружным воздухом. Представлены элементы системы управления тушением пожара в модулях.

Ключевые слова: Арктическая зона, Крайний Север, энергообъект, теплоизолированный модуль, система управления тушением пожара, продувка наружным воздухом.

Одним из основных направлений развития нашей страны является освоение Крайнего Севера (КС) и Арктической зоны (АЗ), богатых полезными ископаемыми и обеспечивающих развитие Северного морского пути. Это следует из «Основ государственной политики РФ в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу», а также Указов Президента Российской Федерации «О сухопутных территориях Арктической зоны Российской Федерации» и «О государственной комиссии по вопросам развития Арктики». Ввиду сложных климатических условий, обусловленных экстремально низкой температурой, архитектура объектов в АЗ и на КС предполагает использование теплоизолированных модулей (рис. 1), а вопросы устойчивого энергоснабжения являются жизненно важными.

Модульные конструкции являются важной составляющей энергообъектов (наряду с энергоустановками, кабельными сетями, электрогенераторами, складами топлива, запасного оборудования и др.) и служат для размещения диспетчерских пунктов и пультовых (рис. 2), а также проживания персонала (рис. 3).

Возникновение пожара в энергонасыщенных модулях в условиях экстремально низких температур, характерных для АЗ и КС, сопровождается как риском для жизни и здоровья персонала, материальным ущербом, так и срывом выполнения задач, стоящих перед объектом.

В настоящее время значительное внимание уделяется вопросам безопасности объектов, функционирующих в условиях низких температур [1]. Существуют отдельные технические решения [2, 3], позволяющие использовать температурно-акти-вированную воду и обеспечивающие эффективное тушение пожаров при данных климатических условиях. Несмотря на явные преимущества, предлагаемые такими решениями, их применение целесообразно только для отдельных случаев.

Кроме того, для Арктики рассматривались вопросы применения первичных средств пожаротушения [4].

Тем не менее, проводить тушение пожара в таких условиях крайне сложно (рис. 4) ввиду ограниченного применения воды и огнетушащих веществ на её основе.

Особенностью объектов в АЗ и на КС является высокая энергонасыщенность объёмов их модулей.

© Таранцев А. А., Ищенко А. Д., Холостов А. Л., Таранцев А. А., 2020

д

Рисунок 2. Примеры модульных энергообъектов в Арктической зоне: а - дизельная станция; б - пультовая; в - стационарная электростанция; г - плавучая электростанция; д - котельная

Для сравнения целесообразно сопоставить энергонасыщенность объёма теплоизолированного модуля (рис. 3) на 6 человек с аналогичным объектом (например, гостиничным номером, квартирой), рассчитанным на такое же количество человек, для двух случаев - нормальное функционирование и пожар.

Энергонасыщенность Э определим как отношение потребляемой мощности Р к объёму помещения V:

Э = P/V. (1)

Согласно СП 257.1325800.2016 «Здания гостиниц. Правила проектирования», на одного человека положено > 6 м2, поэтому площадь помещения (с учётом санитарно-бытовых условий) должна быть

> 40 м2. При высоте 2,5 м общий объём составит V > 100 м3. Согласно таблице 7.1 ГОСТ 19431-84. «Энергетика и электрификация. Термины и определения», на аналогичное обитаемое помещение (квартира, номер общежития) для обычных климатических условий потребляемая электрическая мощность должна составлять не более 10 кВт (с учётом электроплит), что соответствует энергонасыщенности Э = 10/100 < 0,1 кВт/м3.

Применительно к теплоизолированному модулю (рис. 3), внутренний объём которого примерно равен 9 м3, отметим, что для поддержания в нём температуры порядка 18 °С в условиях АЗ или КС (температура ниже -40 °С и ветры, провоцирующие повышенные теплопотери) потребуется не менее 10 кВт. Добавив к этому бытовые электроприборы,

Фасад 1-2

+2,700 +2,900 +2,350^

0,500 0,000 к. -1,400

1

Фасад Б-А

Рисунок 3. Теплоизолированный модуль арктического исполнения на 6 человек

V

(2)

где 5п - площадь пожара, м2; д - удельная теплота сгорания пожарной нагрузки, кВт/м2.

Для помещений в зданиях, например, подкласса Ф 1.2 д ~ 200 кВт/м2 [5], следовательно, из (2) получим:

Э _ ^„200 10

Для теплоизолированного модуля:

Рисунок 4. Результат применения воды при тушении пожара в условиях низких температур

получим минимум Р ~ 12 кВт. Согласно (1) Э = 12/9 ~ ~ 1,33 кВт/м3.

Даже такая экспресс-оценка свидетельствует, что в условиях штатного функционирования энергонасыщенность теплоизолированных модулей в АЗ и на КС будет, как минимум, на порядок выше, чем у аналогичных помещений для такого же количества персонала. А это, в свою очередь, обусловливает повышенный риск возникновения пожара.

Для аварийного случая - пожара, выражение (1) можно представить в виде:

Таким образом, при пожаре энергонасыщенность модуля будет более, чем в 22 раза больше, чем для аналогичного помещения. Кроме того, ввиду быстрого развития пожара в ограниченном объёме происходит более стремительная скорость роста площади пожара 5п в модуле [5]. Для помещений подклассов Ф 5.1 и Ф 5.2 соотношение Эм/Э0 будет ещё большим.

В связи с этим, проблема тушения пожара в энергонасыщенных модулях объектов (в том числе энергообъектов) в АЗ и на КС требует решения двух задач: разработки новых способов тушения и системы управления тушением.

Как показано в работах [6, 7] и экспериментально обосновано ранее в [8], воздействие на зону горения низкотемпературным (наружным) воздухом приводит к двойному эффекту - срыву пламени и охлаждению зоны горения с последующим его прекращением. Этот эффект теоретически основывается на законе С. Аррениуса [9], из которого следует, что скорости реакции Wx и Wп0ж при температурах соответственно Г (после охлаждения) и Тшж (исходной) соотносятся как

ИС

W

= ехр

(3)

где Е - энергия активации Еа, отнесённая к универсальной газовой постоянной R = 8,314 Дж/моль/К.

Что касается собственно энергии активации Еа, то, как следует из справочной литературы, её значения находятся в широком диапазоне - от 30 до 200 кДж/моль и более. В этой связи параметр Е также может иметь разброс от 3600 до 24000 К-1.

Величина Тх, в свою очередь, может быть оценена из выражения:

1+ктттл-1 + к

(4)

где K = ССг^Св)-1 - отношение произведения массового расхода ¿г, кг/с, продуктов горения на их теплоёмкость С, Дж/кг/К, к произведению массового

расхода ¿в, кг/с, внешнего низкотемпературного воздуха на его теплоёмкость Св, Дж/кг/К; Тв - температура внешнего воздуха, К.

Например, при Т = 1 000 К, Т = 233 К

г Г ' Г пож ' в

(-40 °С) и К = 0,12 из (4) получаем:

71 = 233

1 + 0,12 1000/233 1 + 0,12

315,2K->f = 42,2°С,

что уже безопасно для людей и оборудования. Полагая Е ~ 10 000 К-1 и Т = 1 000 К, из (3) находим:

VK

W

= ехр

10<

1

315,2 1000

2,8 10

что свидетельствует о фактическом прекращении горения и отсутствии выделения тепловой мощности и подтверждает возможность подавления пожара.

Эффект продувки горящего объёма модуля (2,5x2,5x20 м, q = 200 кВт/м2) также полностью подтверждён и компьютерным экспериментом с использованием полевой модели пожара [10]. Более подробно динамика изменения температуры в различных частях модуля при его продувке, а также результаты модельного натурного эксперимента приведены в работе [7].

Вышеописанный эффект подавления пожара в теплоизолированном модуле автономного объекта (рис. 1) в условиях экстремально низких температур технически может быть реализован системой, представленной на рисунке 5.

1 2

5

1

Рисунок 5. Элементы системы управления подавлением пожара в модулях посредством продувки низкотемпературным воздухом: 1 - теплоизолированный модуль; 2 - пожарная нагрузка; 3 - пожар в модуле; 4 - пожарный извещатель; 5 - вентилятор; 6 - канал передачи данных о пожаре; 7 - канал приёма информации о пожаре; 8 - диспетчерский пункт; 9 - пожарно-спасательная часть; 10 - канал управления и координации действий по тушению пожара

3

При возникновении в модуле 1 возгорания пожарной нагрузки 2 срабатывают пожарные извещате-ли 4, в результате чего вскрываются торцевые люки модуля, и вентилятор 5 нагнетает низкотемпературный воздух в аварийный модуль. При этом зона горения охлаждается до отрицательных температур, способствующих прекращению горения, а продукты горения удаляются наружу через противоположный люк. Одновременно по каналам 6 и 7 информация передаётся в диспетчерский пункт 8, а оттуда - в объектовую пожарно-спасательную часть 9. Прибывший караул ликвидирует пожар в модуле в соответствии с требованиями Боевого устава, руководствуясь положениями пожарной тактики с учётом условий окружающей среды и поддерживая связь с диспетчерским пунктом.

При этом обеспечиваются максимально безопасные условия для действия пожарных в модуле и максимально сберегающее тушение для оборудования модуля, поскольку отсутствует такой

сопутствующий опасный фактор пожара, как воздействие жидких, порошковых и других огнетушащих веществ. К тому же время продувки не лимитируется запасом огнетушащих веществ (так как поступает неограниченное количество низкотемпературного воздуха), а ограничивается лишь фактом тушения или ресурсом работы системы вентиляции.

В результате проведённого исследования можно утверждать, что обеспечение пожарной безопасности модульных объектов в АЗ и на КС в условиях экстремально низких температур, основанное на эффекте продувки горящего объёма модуля окружающим низкотемпературным воздухом, является перспективным, физически и технически обоснованным. Применение данного эффекта при пожарах классов А, В и Е, характерных для энергетических объектов в АЗ, позволит осуществлять максимально сберегающее тушение в условиях высокой автономности объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Akimov V. A, Sokolov Yu. I. Risks of emergencies in Russia's Arctic zone [Электронный ресурс] // Issues of Risk Analysis. Scientific and Practical Journal. 2010. Vol. 7, no. 4. Режим доступа: https:// www.dex.ru/par_en/abstracts_of_journal/pdf/PAR_7_4_en.pdf (дата обращения 10.12.2019).

2. 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.

3. 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.

4. Душкин А. Л., Ловчинский С. Е., Рязанцев Н. Н. Первичные средства пожаротушения для Арктики // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25, № 5. С. 66-74. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.05.66-74

5. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование ОФП в помещении. М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.

6. 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), т. 4. С. 202-207.

7. ТаранцевА.А,ИщенкоА. Д.,ХолостовА.Л., ТаранцевА.А, Горохов А. П. О проблеме подавления пожара на удалённых автономных объектах в условиях экстремально низких температур // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2019. № 2. С. 30-40. 001: 10.25257/РБ.2019.2.30-40

8. Понимасов Е. Н. Пособие по повышению живучести авиационной техники на аэродромах в чрезвычайных ситуациях. М.: Молодая гвардия, 2001. 205 с.

9. Штиллер В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика. М.: Мир, 2000. 176 с.

10. Таранцев А. А., Холостов А. Л., Таранцев А. А., Кушпиль И. В. О новом подходе к тушению пожаров в условиях низких температур [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2018. Вып. 1 (77). С. 72-80. Режим доступа: ИН^:// elibrary.ru/item.asp?id=35411848 (дата обращения 10.12.2019). 001: 10.25257/ТТБ.2018.1.77.72-80

Материал поступил в редакцию 11 февраля 2020 года.

Aleksander TARANTSEV

Grand Doctor in Engineering, Professor

Solomenko Institute of Transport Problems of the Russian

Academy of Sciences, Saint Petersburg, Russia

E-mail: info@iptran.ru

Andrei ISHCHENKO

PhD in Engineering, Associate Professor

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

E-mail: adinko@mail.ru

Aleksander KHOLOSTOV

Grand Doctor in Engineering, Associate Professor

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

E-mail: a.holostov@academygps.ru

Andrei TARANTSEV

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: dask cradle@mail.ru

FIRE PROTECTION MANAGEMENT FOR MODULAR FACILITIES IN EXTREMELY LOW TEMPERATURE AREAS

ABSTRACT

Purpose. Most facilities, including power objects, operating at low temperatures, have a modular structure. Fire extinguishing at such facilities poses difficulties due to high power ratio of these facilities and limited use of water-based extinguishing agents. In order to ensure fire safety of modular facilities in the context of extremely low temperatures, it is proposed to use quenching based on the effect of purging the module burning volume with ambient low-temperature air.

Methods. The rationale for the proposed solutions is theoretically based on the law of S. Arrhenius.

Findings. A fire suppression control system configuration in modules by purging with low-temperature air is developed.

Research application field. The results obtained can be used to ensure fire safety of modular type facilities, including power objects, operating at low temperatures.

Conclusions. The proposed solution is promising, physically and technically sound. The application of this effect for class A, B, and E fires, that are typical for power facilities in the Arctic zone, will allow for maximum conserving fire extinguishing in conditions of high facilities autonomy or slow down the development of fire before the arrival of fire departments.

Key words: the Arctic zone, Far North, power facility, heat-insulated module, low temperature, fire, purging with environmental air.

REFERENCES

1. Akimov V.A., Sokolov Yu.I. Risks of emergencies in Russia's Arctic zone. Issues of Risk Analysis. Scientific and Practical Journal. 2010, vol. 7, no. 4, p. 21. Available at: www.dex.ru/par_en/abstracts_ of_journal/pdf/PAR_7_4_en.pdf (accessed December 10, 2019).

2. 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 chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya (Fire and Emergencies: Prevention, Elimination). 2014, no. 3, pp. 37-45 (in Russ.).

3. Aleshkov M.V. Peculiarities extinguishing large scale fires on the territory on the Russian Federation under the external effect of hazardous natural phenomena. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2013, vol. 22, no. 5, pp. 52-57 (in Russ.).

4. Dushkin A.L., Lovchinskiy S.Y., Ryazantsev N.N. Fist-aid fire equipment for Arctic region. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2016, vol. 25, no. 5, pp. 66-74 (in Russ.) DOI: 10.18322/PVB.2016.25.05.66-74

5. Koshmarov Yu.A. Prognozirovaniye opasnykh faktorov pozhara [Prediction of fire hazards]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2000, 118 p.

6. 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 (Marine Intellectual Technologies). 2018, no. 4 (42), pp. 202-207 (in Russ.).

7. Tarantsev A.A., Ischenko A.D., Holostov A.L., Tarantsev A.A., Gorokhov A.P. The problem of fire suppression at remote autonomous facilities at extremely low temperaturies. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya (Fire and Emergencies: Prevention, Elimination). 2019, no. 2, pp. 30-40 (in Russ.). DOI: 10.25257/FE.2019.2.30-40

8. Ponimasov E.N. Posobiye po povysheniyu zjivuchesti aviatsionnoj tekhniki na aerodromakh v chrezvychaijnykh situtsijakh [Manual to improve the survivability of aircraft at airfields in emergency situations]. Moscow, Molodaya gvardiya Publ., 2001. 205 p.

9. Shtiller V. Uravnenie Arreniusa i neravnovesnaya kinetika [Arrhenius equation and non-equilibrium kinetics]. Moscow, Mir Publ., 2000. 176 p.

10. Tarantsev A.A., Holostov A.L., Kushpil I.V., Tarantsev A.A. A new approach to fire fighting at low temperatures on energy facilities. Tehnologii tehnosfernoy bezopasnosti (Technology of Technosphere Safety). 2018, vol. 1 (77), pp. 72-80. Available at: https://elibrary. ru/item.asp?id=35411848 (accessed December 28, 2019) (in Russ.). DOI: 10.25257/TTS.2018.1.77.72-80

© Tarantsev A., Ishchenko A., Kholostov A., Tarantsev A., 2020

21