Диссертация (Экспериментально-теоретический подход к расчету времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях гидроэлектростанций)

Министерство Российской Федерациипо делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациями ликвидации последствий стихийных бедствийАкадемия Государственной противопожарной службыНа правах рукописиАкперов Руслан ГянджавиевичЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОДК РАСЧЕТУ ВРЕМЕНИ БЛОКИРОВАНИЯ ПУТЕЙ ЭВАКУАЦИИТОКСИЧНЫМИ ПРОДУКТАМИ ГОРЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙСпециальность: 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность»(технические науки, отрасль энергетика)ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:заслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук, профессорПузач Сергей ВикторовичМосква – 20182ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ5ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОПАСНОСТИ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ ГЭС141.1 Особенности пожарной опасности производственных зданий ГЭС141.2 Строительные материалы и горючая нагрузка ГЭС211.3 Анализ опасности токсичных газов при пожаре в производственныхзданиях ГЭС271.4 Современные методы оценки токсичности продуктов горения381.5 Упрощенный метод расчета необходимого времени эвакуации людейпри пожаре431.6 Методы расчета динамики распространения опасныхфакторов пожара471.7 Выводы по первой главе50ГЛАВА 2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИЙ ТОКСИЧНЫХГАЗОВ НА ПУТЯХ ЭВАКУАЦИИ ПРИ ПОЖАРЕВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ ГЭС512.1 Интегральная модель пожара в помещении512.2 Интегральная модель развития пожара в условно герметичномпомещении562.3 Зонная модель пожара в помещении582.3.1 Особенности и упрощения термогазодинамической картины пожара582.3.2 Зона конвективной колонки612.3.3 Зона нагретого задымленного припотолочного слоя632.3.4 Условия однозначности и метод численного решения652.4 Возможность применения результатов маломасштабныхэкспериментов к полномасштабному помещению672.5 Методика расчета распространения токсичных газов при пожарев производственных зданиях ГЭС732.6 Выводы по второй главе763ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВПРИ ИХ ТЕРМИЧЕСКОМ РАЗЛОЖЕНИИ773.1 Постановка задачи экспериментального определения зависимостиплотноститоксичногогазаоттемпературывмаломасштабнойэкспериментальной установке773.2 Совершенствование стандартного метода испытаний на токсичностьпродуктов горения793.3 Описание экспериментальной установки933.4 Методика проведения экспериментов953.5 Экспериментальное обоснование точки отбора газовой смеси в объемекамеры963.6 Выводы по третьей главе99ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕНИ БЛОКИРОВАНИЯ ПУТЕЙЭВАКУАЦИИ ТОКСИЧНЫМИ ПРОДУКТАМИ ГОРЕНИЯ ВПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ ГЭС НА ПРИМЕРЕМОНООКСИДА УГЛЕРОДА1014.1 Исходные данные для математического моделированияраспространения токсичных газов при пожаре в производственныхзданиях ГЭС1014.2 Результаты экспериментальных исследований по определениюосновных характеристик образования и распространения монооксидауглерода и их анализ1024.2.1 Удельный коэффициент образования монооксида углерода1024.2.2 Удельная массовая скорость газификации горючих материалов1064.2.3 Зависимость среднеобъемной плотности монооксида углерода отсреднеобъемной температуры1084.3 Общий анализ результатов экспериментов1104.4 Постановка задачи и исходные данные для проведения численныхэкспериментов по исследованию зависимости среднеобъемной плотности4монооксида углерода от среднеобъемной температуры при пожарев производственном здании ГЭС1114.5 Результаты численных и натурных экспериментов по исследованиюзависимостисреднеобъемнойплотностимонооксидауглеродаотсреднеобъемной температуры при пожаре в производственном зданииГЭС и их анализ1164.6 Методика расчета времени блокирования путей эвакуациитоксичными продуктами горения1304.7 Практические рекомендации по расчету времени блокирования путейэвакуации токсичными продуктами горения при пожаре для людей безсредств индивидуальной защиты с учетом объемно-планировочныхи конструктивных особенностей производственных зданий ГЭС1314.8 Выводы по четвертой главе132ЗАКЛЮЧЕНИЕ134СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ136ПРИЛОЖЕНИЕ А Акты внедрения результатовдиссертационной работы150ПРИЛОЖЕНИЕ Б Патент Российской Федерации на полезную модель«Установка для определения пожарной опасности конденсированныхматериалов при их термическом разложении»1555ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования.

В экономике России задача развитияэнергетики является стратегической, а пожарная безопасность объектовэнергетики и работающего на них персонала – актуальной и жизненнонеобходимой.Запериодс2009по2015гг.напредприятияхэнергетикизарегистрировано 2762 пожара, из которых 61 пожар в зданиях энергоблокатепловой и гидравлической электростанции (ГЭС). В результате пожаровпогибло 32 человека, а также 100 человек было травмировано.

При этом прямойматериальный ущерб составил 420377 тыс. руб.Более чем в 70 % случаев, согласно статистике [95, 109–115], причинамигибели людей на пожарах является отравление продуктами горения. Поэтомув связи с расширением области использования материалов на основеполимеров, горение и тление которых сопровождается выделением большогоколичества токсичных продуктов горения, математическое моделированиераспространениятоксичныхпродуктовгоренияприпожаренаГЭСи разработка эффективных противопожарных профилактических мероприятийстановится всё более актуальной задачей.Объемно-планировочные и конструктивные решения производственныхзданий ГЭС должны обеспечивать безопасную эвакуацию людей при пожаре.Для решения данной задачи необходимо уметь достоверно рассчитыватьдинамику изменения концентраций токсичных продуктов горения при пожарев помещениях ГЭС и на путях эвакуации.Моделирование распространения токсичных продуктов горения припожаре на ГЭС опирается на прогнозирование динамики опасных факторовпожара (ОФП).

В настоящее время математические модели расчета динамикиОФП (в том числе и концентраций токсичных продуктов горения) в помещениидостаточно развиты для решения практических задач пожарной безопасности [26].6Однакоисходныеданные(базатиповойпожарнойнагрузки)по выделению токсичных продуктов горения, используемые при расчете ОФП,получены в 1970–2000 гг. и не учитывают новые вещества и материалы(в особенности полимерные), активно используемые для отделки путейэвакуации.Объем выделяющихся продуктов горения определяется химическимсоставом твердых и жидких горючих веществ и материалов, а такжетермогазодинамическими условиями пожара.Удельныекоэффициентывыделениятоксичныхгазовпринятыпостоянными и не зависящими от термогазодинамической картины развитияпожара (концентрация кислорода, температура и т. д.).

Кроме того, в различныхбазах данных вышеуказанные коэффициенты значительно отличаются другот друга, а сведения о теплофизических и химических показателях для многихсовременных материалов отсутствуют.Величинывудельныхмаломасштабныхкоэффициентовэкспериментальныхвыделенияустановках.полученыОднакоиз-заневозможности полного выполнения положений теории подобия при переходеот маломасштабной модели к натурному помещению отсутствует научноеобоснование равенства удельных коэффициентов выделения в помещенияхс существенно отличающимися размерами.Таким образом, разработка экспериментально-теоретической моделирасчетараспространениятоксичныхпродуктовгорения,учитывающеймасштабный фактор и позволяющей определить время блокирования путейэвакуации токсичными продуктами горения в целях обеспечения безопаснойэвакуации людей из производственных зданий ГЭС, является актуальнойнаучной и практической задачей.Степень разработанности темы исследования.

Значительный вкладвпониманиетермогазодинамическойкартиныпожараиобеспечениебезопасной эвакуации людей из помещений внесли Ю.А. Кошмаров,7Ю.А. Поляков, С.В. Пузач, В.И. Присадков, В.М. Есин, W. K. Chow, T. Tanaka,S. Yamada, K. Matsuyama, G.D. Lougheed и др.В разработку научных основ теории горения полимеров, токсическоговоздействия продуктов горения на организм человека, методов испытанийи контроля пожароопасных и токсических свойств веществ и материаловвнесли А.А. Берлин, П.Г.

Демидов, B.C. Иличкин, А.Я. Корольченко, Д.В.Трушкин, Н.Н. Семенов, В.А. Симонов, Л.М. Шафран, П.П. Щеглов и др.Однако в настоящее время эти проблемы полностью не решеныс теоретической и экспериментальной точек зрения из-за сложности физикохимических условий протекания процессов газификации и горения, а такженеопределенностихимическогосоставасовременныхстроительныхматериалов.Научно-обоснованныеметодикирасчетаудельныхкоэффициентоввыделения токсичных газов с учетом конкретных термогазодинамическихусловий пожара (температура, концентрация кислорода и т. д.) отсутствуют.Таким образом, необходимы теоретические и экспериментальныеисследования величин концентраций токсичных газов и температуры в смесяхпродуктовгоренияивоздуха,образующихсявмаломасштабнойэкспериментальной установке, и рассмотрения возможности распространенияполученных результатов на реальное полномасштабное помещение.Объектом исследования в диссертации являются тепломассообменныепроцессы, протекающие при пожаре в производственных зданиях ГЭС, которыеявляются основой для выполнения расчета времени блокирования путейэвакуации токсичными продуктами горения.Предметом исследования является время блокирования путей эвакуациитоксичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС.Цельюисследованияявляетсяразработкаэкспериментально-теоретической модели расчета времени блокирования путей эвакуациитоксичнымипродуктамигорениявпроизводственныхзданияхГЭС,8учитывающей масштабный фактор, на основе совершенствования стандартнойметодики определения токсичности продуктов горения.Для достижения постановленной цели в работе необходимо решитьследующие основные задачи:– провести анализ литературных источников по прогнозированиюконцентраций продуктов горения на пожарах в зданиях ГЭС, по воздействиютоксичных газов на организм человека, по методам испытаний веществ иматериалов на токсичность продуктов горения;– создать усовершенствованную по сравнению со стандартным методомоценки токсичности продуктов горения маломасштабную экспериментальнуюустановку для определения пожарной опасности веществ и материалов при ихтермическом разложении, используемых в ГЭС, по условно герметичной схеме;– разработать модификации интегральной и зонной математическихмоделей,учитывающиемасштабныйфакторииспользующиеэкспериментальные зависимости плотности токсичных газов от температурыв условно герметичной схеме, для расчета времени блокирования путейэвакуации токсичными продуктами горения на пожаре в производственныхзданиях ГЭС;– разработать методику расчета времени блокирования путей эвакуациитоксичными продуктами горения с использованием модифицированныхинтегральных и зонных моделей;– разработать научно обоснованные рекомендации по расчету времениблокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения с учетомреальной пожарной нагрузки, объемно-планировочных и конструктивныхособенностей производственных зданий ГЭС.Научная новизна работы заключается в следующем:– предложено усовершенствование стандартной схемы испытанийна токсичность, позволяющее в дополнение к измерениям концентрацийтоксичных газов и кислорода измерять скорость газификации горючегоматериалаиудельныйкоэффициентобразованиятоксичныхгазов,9необходимые при расчете времени блокирования путей эвакуации токсичнымипродуктами горения;–разработанымодификацииинтегральнойизонноймоделей,используемых при расчете времени блокирования путей эвакуации токсичнымипродуктами горения, в которых с учетом масштабного фактора используютсяэкспериментальные зависимости плотности токсичного газа от температуры безрешения дифференциального уравнения закона сохранения массы токсичногогаза;–пополученызависимостиновыеэкспериментальныеплотностимонооксидаитеоретическиеуглеродаотданныесреднеобъемнойтемпературы, величинам удельной скорости газификации и удельногокоэффициента образования монооксида углерода для древесины (сосна),трансформаторного масла и оболочек кабелей в условно герметичном объеме,необходимые при расчете времени блокирования путей эвакуации токсичнымипродуктами горения.Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:– научном обосновании использования в математической модели расчетавремени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горенияв производственных зданиях ГЭС экспериментальных зависимостей плотноститоксичного газа от температуры, полученных в маломасштабной установке,с учетом масштабного фактора и особенностей термогазодинамическойкартины пожара в полномасштабном помещении;– совершенствовании научных основ обеспечения безопасной эвакуациилюдей при пожаре в производственных зданиях ГЭС;– создании экспериментальной установки для определения пожарнойопасностивеществиматериаловприихтермическомразложении,применяющихся в строительстве, на основе оценки по данным химическогоанализасиспытаний,использованиемчтоусовершенствованнойпозволит расширитьметодикибазу данныхпо свойствам современных строительных материалов;проведениягорючейнагрузки10– создании методики расчета времени блокирования путей эвакуациитоксичными продуктами горения на основе модифицированных интегральнойи зонной моделей, используемых для расчета пожарных рисков.Методологияиметодыисследования.Методологическуюи теоретическую основы диссертационных исследований составили трудыученых в области тепломассообмена и прогнозирования ОФП, а также научныеразработки, посвященные методам испытаний на токсичность продуктовгорения.Основными методами исследования являются методы газодинамикиитепломассообмена,экспериментальныеметодытепломассообмена,численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методыобработки и анализа результатов теоретических и экспериментальныхисследований.Реализация работы.