Методы обоснования резервов проектируемых гидравлических систем при подключении устройств пожаротушения

Выпуск 4(17), 2015

ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 614.8:69

МЕТОДЫ ОБОСНОВАНИЯ РЕЗЕРВОВ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ УСТРОЙСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ

С.А. Сазонова

В статье рассмотрены методы обоснования резервов при проектировании гидравлических систем в случае подключения системы пожаротушения и анализ функционирования в аварийных режимах. Методы обоснования резервов для декомпозиции задач проектирования базируются на двух подходах, один из которых является чисто «феноменологическим», а второй можно назвать «статистическим». Предложено в математических моделях потокораспределения при проектировании резервов мощности гидравлических систем принимать устройства пожаротушения за абонентские подсистемы с интенсивным потреблением целевого продукта.

Ключевые слова: системы пожаротушения, пожарная безопасность, математическое моделирование, абонентские подсистемы, гидравлические системы, резервирование, проектирование.

Введение. На практике может возникнуть проблема обеспечения требуемой мощности для устройств пожаротушения, подключаемых к системам городского водоснабжения. Существующие продолжительное время системы водоснабжения могут не обеспечить в случае возникновения пожара требуемый значительный и интенсивный расход воды в случае подключения устройств пожаротушения в узле сложной гидравлической системы (ГС), ближайшему к месту возгорания. Для преодоления возникшей проблемы потребуется провести реконструкцию существующих гидравлических систем, сформировав полноценный аварийный резерв, в том числе с целью обеспечения пожаротушения. На стадии проектирования обосновать резерв мощности представляется более простым, чем на стадии эксплуатации.

Задача обоснования резерва мощности любой ГС включает две подзадачи: структурное резервирование [1] и транспортное [2] (параметрическое) резервирование. К приемам структурного резервирования относятся кольцевание, установка перемычек, секционирование, дублирование отдельных участков, источников и т.д., которые достаточно хорошо известны и широко используются в практике проектирования и эксплуатации трубопроводных систем. Задача транспортного резерви-

рования - увеличение диаметров линий при неизменной конфигурации сети.

Методы обоснования резервов проектируемых гидравлических систем. Составной частью методов обоснования резервов при проектировании ГС должен стать анализ функционирования системы в аварийных и экстремальных (в случае подключения устройств пожаротушения) режимах. Основные трудности этих исследований состоят в том, что функционирование ГС описывается случайным нестационарным многомерным процессом. Это означает, что в задачах синтеза надежности оптимальное резервирование должно рассматриваться как управляемый случайный процесс [3]. В настоящее время по данному направлению применяются два подхода, один из которых является чисто «феноменологическим», а второй содержит элементы вероятностного анализа и поэтому его можно назвать «статистическим». Предлагаемые названия хотя и условны, но в то же время достаточно объективно отражают их сущность.

Статистический подход базируется на том, что различные стороны функционирования ГС отражаются в математических моделях, основой которых является построение потока в расчетной сети. Частично эти особенности можно учесть, задавая специальным образом структуру сети и параметры дуг. Но иногда приходится видоизменять не

22

Вестник Воронежского института ГПС МЧС России

только сеть, но и ограничения или критерии выбора потока. Семейство таких моделей называется «потоковыми» моделями и порождается несколькими, хорошо изученными стандартными задачами, к которым относятся, в частности, задачи о максимальном потоке, о потоке минимальной стоимости и о максимальном потоке минимальной стоимости [4].

Оценка надежности функционирования трубопроводных систем предусматривает построение вероятностных распределений векторов-потоков в сетях, соответствующих множеству возможных состояний этих сетей. Эти состояния возникают в результате колебаний спроса у потребителей и поставок целевого продукта (ЦП) в сеть; отказов элементов, а также восстановлений их мощности при ликвидации последствий отказов. Вектор-поток в сети для данного состояния принято называть режимом. Значительное сокращение объема вычислений при статистическом подходе достигается за счет идеи проводить анализ не состояний системы, а ее режимов, и в дальнейшем только их базисов.

Вычислительная процедура построения распределений (а, следовательно, и сам метод) включает следующие этапы [5]:

- формирование вероятностных моделей случайных процессов изменения состояния объектов и системы во времени;

- формирование модели для расчета режима функционирования системы (то есть производительности всех объектов) при авариях и при экстренном подключении крупных потребителей;

- исследование устойчивости режимов на множестве состояний системы и выделение на этой основе представительной ограниченной совокупности стационарных режимов;

- имитация поведения системы на множестве не просмотренных состояний по методу статистических испытаний (Монте-Карло).

В результате их выполнения устанавливаются ряды стационарного распределения производительности объектов и показатели использования производственной мощности. Далее определяются объемные показатели функционирования системы на плановом интервале времени.

Феноменологический подход основан на всестороннем анализе путей снабжения одного или группы потребителей, под которыми подразумевается последовательность линейных элементов, доставляющих транспортируемую среду в данную точку [6]. Вероятность Rj безотказного снабжения узла j вычисляется через надежности путей его снабжения от источников или от резервированной (закольцованной) части системы. Для пути nj, состоящего из к элементов,

к

* о,о=Пй“

и=1

применяются и более сложные зависимости для подсчета вероятности безотказного снабжения, учитывающие особенности конкретных ГС, напри-

мер, степень секционирования, температурный режим, параметры наружного воздуха и т.д.

В рамках этого подхода требуется знать фактическую картину путей снабжения, то есть потокораспределение в системе, а в конечном итоге необходимо выполнить анализ аварийных режимов работы ГС. Его результаты (расчетные значения Rj) сопоставляются с нормативными и устанавливается перечень потребителей требующий разработки мероприятий по резервированию. Таким образом цель оптимального синтеза с учетом надежности состоит в поиске мероприятий по резервированию, требующих минимальных затрат для обеспечения нормативного уровня надежности (хотя возможна постановка и двойственной задачи).

Из вышеизложенного видно, что основой обоих подходов являются имитационные расчеты анализа возможных аварийных состояний исследуемого объекта при отказах отдельных элементов. В статистическом подходе удается сократить объем вычислений, поскольку применяются выборочные испытания и обосновывается представительность этих выборок. Очевидно и то, что феноменологический подход перегружен в плане объема вычислений, поскольку приходится выделять пути снабжения для отдельно взятого потребителя в каждом конкретном варианте отказа. К сожалению, детальное сопоставление рассматриваемых подходов выполнить невозможно, так как их апробация проводилась на системах различного класса. Например, в [3] статистический подход реализован применительно к магистральным трубопроводам, что касается феноменологического подхода, то в большинстве работ, например в [6], авторы ограничиваются лишь постановкой задачи.

Между тем по алгоритмам реализации обоих подходов несложно установить, что гидравлические испытания аварийных режимов (то есть анализ потокораспределения при отключении отказавшего элемента) выполняются без учета гидравлики потребителей. Для магистральных систем, у которых потребителями считаются распределительные ГС, такое допущение, казалось бы, правомерно, поскольку граничные условия в узлах их присоединения (через регулирующие устройства с заданными характеристиками) можно считать известными, (граничные условия второго рода [7]) и то только в пределах характеристики регулятора.

Для распределительных ГС, как известно, абонентские подсистемы (АП) могут подключаться без каких-либо регуляторов. В этом случае анализ аварийных ситуаций без учета трубопроводов АП, строго говоря, некорректен. Рассмотрим причину отмеченного обстоятельства подробнее.

Для этого будем придерживаться традиционной декомпозиции задачи проектирования, которая (согласно [6]) включает два основных этапа. Целью первого является оптимальный синтез (по критериям экономичности) структуры системы, метрических параметров ее элементов и аппаратурного оформления. На втором этапе уже для

23

Выпуск 4(17), 2015

конкретного варианта формируются мероприятия по резервированию с целью обеспечения требуемого уровня надежности. Расчет АП и их привязка к распределительной сети обычно считается второстепенной задачей, не имеющей отношения ни к первому, ни ко второму этапу задачи проектирования. Иными словами, полагается, что структура и состав АП могут быть получены автономно и уже после того, как будет спроектирована сама распределительная система. С такой декомпозицией задачи проектирования нельзя согласиться.

Очевидно, что гидравлическое сопротивление АП для реального потребителя имеет вполне конкретное значение, изменяющееся, даже при установке регулирующих устройств (для промышленных предприятий), в достаточно узком диапазоне, за исключением случаев экстремального потребления ЦП на пожаротушение. Для коммунально-бытовых потребителей (при отсутствии регуляторов) его практически можно считать постоянным.

Естественно, что при реализации обоих этапов в расчетной схеме фигурируют только элементы распределительной системы, а в энергоузлах (ЭУ) ее связи с АП фиксируются граничные условия (первого рода): номинальное потребление (на первом этапе) и «лимитированное» (пониженное) потребление (на втором этапе). Тем самым как бы «негласно» полагается, что АП в состоянии приспосабливаться к режимам функционирования распределительной системы (в том числе и аварийным). Таким образом, возникает конфликт между реальными возможностями и потребностью в регулирующих способностях абонентов, тем более если требуется разово и интенсивно потребить ЦП в случае пожаротушения. Устройства пожаротушения следует рассматривать в математических моделях потокораспределения [9, 10] при проектировании резервов мощности гидравлических систем [1, 2] как АП с экстремальным потреблением ЦП. Предложенный в этих работах научный подход базируется на применении энергетического эквиваленти-рования [7].

Конфликт между реальными возможностями и потребностью в регулирующих способностях абонентов практически не ощутим при повышенном потенциале ЦП на входе в потребитель, поскольку увеличение гидравлического сопротивления возможно до бесконечности только за счет регулирующих устройств приборов, потребляющих ЦП. В аварийных режимах, как правило, сопровождаемых понижением потенциала, требуется уменьшение гидравлического сопротивления АП, однако их регулирующие способности (то есть резерв уменьшения сопротивления) либо крайне ограничен, либо вообще отсутствует. Таким образом, вполне вероятна ситуация, что рассчитанная автономно (уже после реализации этапа резервирования) структура АП будет обладать таким гидравлическим сопротивлением, которое не обеспечит транспортировку даже «лимитированного» объема ЦП до приборов

его потребления с учетом свободного напора истечения, несмотря на то, что сама распределительная система вполне «справляется» с задачей доставки среды до узла подключения потребителя. Так, например вычислительный эксперимент, проведенный в работе [8], показал, что в некоторых случаях аварийные ситуации могут приводить к падению давления в отдельных ЭУ практически вплоть до барометрического. Так что компенсировать подобные «провалы» задаваясь условиями обеспечения даже лимитированного уровня потребления в аварийных режимах, исключительно за счет резервов распределительной системы, маловероятно и уже во всяком случае нецелесообразно с точки зрения экономичности.

Из вышеизложенного следует, что очередность выполнения этапов синтеза самой распределительной системы сохраняется, однако к процедуре резервирования можно приступать лишь после того, как будет сформирован состав АП (в том числе сформирована АП систем пожаротушения с интенсивным потреблением ЦП) или хотя бы найден эквивалент ее гидравлического сопротивления, значение которого должно учитываться при имитационных расчетах аварийных режимов. Последнее не сложно выполнить, опираясь на принципы функционального эквивалентирования, рассмотренные в [7, 12]. Здесь следует отметить, что, формируя гидравлический эквивалент АП по параметрам еще нерезервированной распределительной системы, заведомо обеспечивается его пониженное гидравлическое сопротивление, если планируется реализация нагруженного резервирования. Тогда это сопротивление будет строго обеспечивать пропуск лимитированного потока через АП в аварийном режиме, поскольку это проверяется имитационными расчетами, а требуемое его увеличение в номинальном режиме легко обеспечивается регулирующей способностью потребителя.

На практике помимо обоснования резерва, потребуется решать комплекс прикладных задач оперативного управления [11, 12], позволяющих оперативно принимать решения в случае экстренных изменений режимов функционирования ГС при подключении к ним систем пожаротушения. В рамках комплексных задач можно рассматривать экологические [13, 14], неизбежно возникающие после возникновения аварий на объектах защиты. Решение перечисленного ряда задач будет способствовать предотвращению аварийных ситуаций на объектах защиты и обеспечивать их надежность и безопасность [15], в том числе информационную [16, 17] при мониторинге технического состояния ГС по данным манометрической съемки.

Выводы:

1. Рассмотрены методы обоснования резервов при проектировании гидравлических систем в случае подключения системы пожаротушения и анализ функционирования в аварийных режимах.

24

Вестник Воронежского института ГПС МЧС России

2. Предложено в математических моделях потокораспределения [9, 10] при проектировании структурного [1] и транспортного [2] резервов мощности гидравлических систем принимать подБиблиографический список

1. Сазонова С.А. Структурное резервирование систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 12. - С. 179-183.

2. Сазонова С.А. Транспортное резервирование систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 2. - С. 99-101.

3. Сухарев М.Г. Модели надежности магистральных трубопроводов / М.Г. Сухарев и др. // В кн. Надежность систем энергетики и их оборудования: в 4т., т.3. Надежность систем газо- и нефтеснабжения. Кн.1 под ред. М.Г. Сухарева. - М.: Недра, 1994. - C. 4578.

4. Васильева Е.М., Левит Б.Ю., Лившиц В.Н.

Нелинейные транспортные задачи на сетях / Е.М. Васильева, Б.Ю. Левит, В.Н. Лившиц. - М.: Финансы и статистика, 1981. -104 с.

5. Ставровский Е.Р. Проектирование, перспективное развитие и управление больших трубопроводных систем с учетом надежностных факторов / Е.Р. Ставровский и др. - В кн. Надежность систем энергетики и их оборудования: в 4т., т.3. Надежность систем газо- и нефтеснабжения. кн.1 под ред. М.Г. Сухарева.-М.: Недра, 1994. - С. 259-409.

6. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей / А.П. Меренков, В.Я. Хасилев. - М.: Наука, 1985. - 278 с.

7. Квасов И. С. Анализ и параметрический синтез трубопроводных гидравлических систем на основе функционального эквивалентирования: автореф. дис. доктора технических наук: 05.13.16 / И.С. Квасов. - Воронеж, 1998. - 30 с.

8. Сазонова С.А, Манохин В.Я. Оценка надежности систем газоснабжения при проведении вычислительных экспериментов с ординарными отказами линейных элементов / С.А. Сазонова, В.Я. Манохин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурностроительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. - 2015. - № 1. - С. 138-147.

9. Сазонова С.А. Моделирование неустановившегося и установившегося потокораспределения систем теплоснабжения / С.А. Сазонова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2013. - № 1 (10). - С. 55-60.

10. Сазонова С.А Модели оценки возмущенного состояния системы теплоснабжения / С.А. Сазонова // Инженерная физика. - 2010. - № 3 - С. 45-46.

11. Сазонова С.А Комплекс прикладных задач оперативного управления, обеспечивающих безопасность функционирования гидравлических систем / С.А. Сазонова // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. - № 2 (15). - С. 37-41.

12. Сазонова С.А. Решение прикладных задач управления функционированием системами теплоснабжения / С.А. Сазонова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2013. - № 2 (11). - С. 59-63.

13. Золотарев В.Л., Манохин В.Я., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Прогнозирование влияния выбросов аварийно химически опасных веществ на людей и

ключаемые устройства пожаротушения за абонентские подсистемы с интенсивным потреблением целевого продукта.

References

1. Sazonova S.A. Struktumoe rezervirovanie sistem teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2010. - T. 6. - № 12. - S. 179-183.

2. Sazonova S.A. Transportnoe rezervirovanie sistem teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2011. - T. 7. - № 2. - S. 99-101.

3. Suharev M.G. Modeli nadezhnosti magistral'nyh truboprovodov / M.G. Suharev i dr. // V kn. Nadezhnost' sistem jenergetiki i ih oborudovanija: v 4t., t.3. Nadezhnost' sistem gazo- i neftesnabzhenija. Kn.1 pod red. M.G. Suhareva. - M.: Nedra, 1994. - C. 45-78.

4. Vasil’eva E.M., Levit B.Ju., Livshic V.N. Nelinejnye transportnye zadachi na setjah / E.M. Vasil'e-va, B.Ju. Levit, V.N. Livshic. - M.: Finansy i statistika, 1981. -104 s.

5. Stavrovskij E.R Proektirovanie, perspektiv-noe razvitie i upravlenie bol'shih truboprovodnyh sistem s uchetom nadezhnostnyh faktorov / E.R. Stavrovskij i dr. -V kn. Nadezhnost' sistem jenergetiki i ih oborudovanija: v 4t., t.3. Nadezhnost' sistem gazo- i neftesnabzhenija. kn.1 pod red. M.G. Suhareva.- M.: Nedra, 1994. - S. 259-409.

6. Merenkov A.P., Hasilev V.Ja Teorija gidravlicheskih cepej / A.P. Merenkov, V.Ja. Hasilev. -M.: Nauka, 1985. - 278 s.

7. Kvasov I.S. Analiz i parametricheskij sintez truboprovodnyh gidravlicheskih sistem na osnove funkcional'nogo jekvivalentirovanija: avtoref. dis. doktora tehnicheskih nauk: 05.13.16 / I.S. Kvasov. - Voronezh, 1998. - 30 c.

8. Sazonova S.A, Manohin V.Ja. Ocenka nadezhnosti sistem gazosnabzhenija pri provedenii vychislitel'nyh jeksperimentov s ordinarnymi otkazami linejnyh jelementov / S.A. Sazonova, V.Ja. Manohin // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Vysokie tehnologii. Jekologija. - 2015. - № 1. - S. 138-147.

9. Sazonova S.A. Modelirovanie

neustanovivshegosja i ustanovivshegosja

potokoraspredelenija sistem teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. - 2013. - № 1 (10). - S. 55-60.

10. Sazonova S.A. Modeli ocenki vozmushhennogo sostojanija sistemy teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Inzhenernaja fizika. - 2010. - № 3 - S. 45-46.

11. Sazonova S.A. Kompleks prikladnyh zadach operativnogo upravlenija, obespechivajushhih bezopasnost' funkcionirovanija gidravlicheskih sistem /

S.A. Sazonova // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii. - 2015. - № 2 (15). - S. 37-41.

12. Sazonova S.A. Reshenie prikladnyh zadach

upravlenija funkcionirovaniem sistemami

teplosnabzhenija / S.A. Sazonova // Nauchnyj zhurnal. Inzhenernye sistemy i sooruzhenija. - 2013. - № 2 (11). -S. 59-63.

13. Zolotarev V.L., Manohin V.Ja., Nikolenko S.D., Sazonova S.A. Prognozirovanie vlijanija vybrosov avarijno himicheski opasnyh veshhestv na ljudej i jekologiju s programmnoj realizaciej / V.L. Zolotarev,

25

Выпуск 4(17), 2015

экологию с программной реализацией / В.Л. Золотарев, В.Я. Манохин, С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. - 2015. - № 1. - С. 8-16.

14. Николенко С.Д. К вопросу экологической безопасности автомобильных дорог / С.Д. Николенко // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. - 2008. - № 1. - С. 141-145.

15. Колотушкин В.В., Николенко С.Д. Безопасность жизнедеятельности при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений : учеб. пособ. / В.В. Коло-тушкин, С.Д. Николенко. - Воронеж: ВГАСУ, 2014. -194 с.

16. Барковская С.В., Жидко Е.А., Попова Л.Г.

Высокие интеллектуальные технологии интегрированного менеджмента XXI века / С.В. Барковская, Е.А. Жидко, Л.Г. Попова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. -№ 9. - С. 28-32.

17. Жидко Е.А., Попова Л.Г. Методологические основы обеспечения информационной безопасности инновационных объектов / Е.А. Жидко, Л.Г. Попова // Информация и безопасность. - 2012. - Т. 15. - № 3. - С. 369-376.

V.Ja. Manohin, S.D. Nikolenko, S.A. Sazonova // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Vysokie tehnologii. Jekologija. - 2015. - № 1. - S. 8-16.

14. Nikolenko S.D. K voprosu jekologicheskoj bezo-

pasnosti avtomobil'nyh dorog / S.D. Nikolenko // Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Serija: Fiziko-

himicheskie problemy i vysokie tehnologii stroitel'nogo materialovedenija. - 2008. - № 1. - S. 141-145.

15. Kolotushkin V.V., Nikolenko S.D. Bezopas-nost' zhiznedejatel'nosti pri stroitel'stve i jeksplua-tacii zdanij i sooruzhenij : ucheb. posob. / V.V. Kolotushkin, S.D. Nikolenko. - Voronezh: VGASU, 2014. - 194 s.

16. Barkovskaja S.V., Zhidko E.A., Popova L.G. Vysokie intellektual'nye tehnologii integrirovannogo menedzhmenta HHI veka / S.V. Barkovskaja, E.A. Zhidko, L.G. Popova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehni-cheskogo universiteta. - 2010. -T. 6. - № 9. - S. 28-32.

17. Zhidko E.A., Popova L.G. Metodologi-cheskie osnovy obespechenija informacionnoj bezopasnosti innovacionnyh obektov / E.A. Zhidko, L.G. Popova // Informacija i bezopasnost'. - 2012. - T. 15. - № 3. - S. 369-376.

METHODS OF JUSTIFICATION PROVISION DESIGNED HYDRAULIC SYSTEM WHEN CONNECTING DEVICES FIRE

The article describes the methods of substantiation of reserves in the design of hydraulic systems when connected extinguishing systems and analysis of operation in emergency conditions. Methods of study allowance for decomposition design problems are based on two approaches, one of which is purely a "phenomenological", and the second can be called «statistical». It proposed mathematical models of flow distribution in the design of hydraulic power reserves to make fire-fighting device for subscriber sub-intensive consumption of the target product.

Keywords: fire suppression systems, fire safety, mathematical modeling, user sub-system, hydraulic system redundancy design.

Сазонова Светлана Анатольевна,

доцент, к.т.н.,

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,

Россия, Воронеж;

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru

Sazonova S.A.,

Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof.,

Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Voronezh,

e-mail: Sazonovappb @vgasu. vrn. ru

26

© Сазонова С.А., 2015 г.