Способ орошения несущих конструкций с контролем температуры нагрева на базе пожарных роботов
METHOD FOR SPRAYING LOAD-BEARING STRUCTURES WITH HEATING TEMPERATURE CONTROL BASED ON FIREFIGHTING ROBOTS

Изобретение относится к области пожаротушения и касается ликвидации аварий, возникающих при проливах горючих жидкостей, сопровождающихся пожаром, приводящих к разрушению капитальных сооружений.
Известны способы ликвидации аварий при разливах горючих жидкостей, в которых используется охлаждение орошением несущих конструкций лафетными стволами с программным управлением для предотвращения их разрушения, см., например, патент RU 2684743 «Способ тушения пожаров на крупных резервуарах с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями».
Известные способы имеют ограниченное применение, т.к. связаны непосредственно с конкретной конструкцией – резервуаром, в которой зона орошения – это внутренние поверхности  резервуара, орошение производится одновременной подачей охлаждающих струй по всей стенке резервуара по окружности. Для других объектов, например разнесенных конструкций удлиненной формы, требуется локальное охлаждение конструкции в месте воздействия на нее пожара.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ охлаждения металлических конструкций ферм покрытий машинных залов струями воды, подаваемыми пожарными роботами. Известное устройство, см. монографию «Пожарные роботы и ствольная техника в пожарной автоматике и пожарной охране», изд. Пожнаука, М., 2013 г., гл.4.3. «Защита объектов энергетики АЭС, ТЭЦ, ГРЭС», представляет собой роботизированную установку пожаротушения (РУП), содержащую стационарные пожарные роботы с эл. дисковыми затворами, установленные на пожарном трубопроводе по периметру машинного зала, таким образом, чтобы каждая точка металлических конструкций ферм была в зоне досягаемости двух струй, блоки питания с устройствами ввода-вывода сигналов управления, сетевой контроллер, устройство управления РУП с программой управления струей по заданной траектории, блок коммутации, компьютер с дисплеем, пульты дистанционного управления (ПДУ) и пост подключения ПДУ, термокабели, смонтированные на металлических конструкциях ферм.
Признаком, являющимся общим с предлагаемым способом, является орошение конструкций ферм покрытий машинного зала пожарными роботами, размещёнными по периметру резервуара, не менее 2 водяных струй, применение термокабелей, смонтированных на металлических конструкциях ферм.
Недостатки этого способа заключаются в высокой инерционности способа, связанного с прогревом ферм покрытий до температуры уставки термокабелей, когда процесс нагрева конструкций уже динамично развивается к границе опасной зоны; по этой же причине – в значительном увеличении времени начала орошения, которое  должно быть минимизировано ввиду скоротечности нагрева конструкции; в отсутствии информации о месте нагрева несущих конструкций, в результате этого орошению подлежит вся ферма, при этом орошению с одинаковой установленной интенсивностью орошения подлежат как не нагретые зоны, так и зоны, подверженные интенсивному воздействию теплового излучения и тепловых потоков, что значительно снижает эффективность орошения; в отсутствии информации о критической температуре нагрева, T>300°, которая является определяющим фактором, влияющим на стойкость несущих конструкций и угрозой их разрушения.
В связи с указанными недостатками, техническая задача, решаемая с помощью изобретения, заключается в создании способа орошения ферм покрытий машинных залов АЭС и ТЭЦ путём повышения эффективности процесса орошения при одновременном изменении известной технологии и устройств, применяемых для её реализации.
Технический результат, который может быть получен, - орошение ферм покрытий машинных залов АЭС и ТЭЦ с эффективным охлаждением ферм покрытий и контролем температуры нагрева несущих конструкций.
2
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе орошения ферм покрытий машинного зала путем подачи струй воды из пожарных роботов, расположенных по периметру машинного зала, сканирующие струи воды подают на участки поверхностей несущих конструкций, находящиеся в зоне конвективной колонки, образуемой тепловым потоком, определяемые блоком распознавания нагретых зон по информации от ИК-датчиков, установленных на пожарных роботах, номинальный расход которых должен быть не менее 20 л/с, при этом общий расход может регулироваться введением временных интервалов с отключением подачи, но должен составлять не менее 10 л/с, а средняя интенсивность орошения должна быть не менее 0,06 л/с*м; на участке несущих конструкций повышенной температуры T>100°, определяемой при срабатывании термокабеля, интенсивность орошения увеличивают за счет непрерывной работы РУП полным расходом; на участке несущих конструкций с критической температурой T>300°, определяемой блоком распознавания нагретых зон, устройство управления выдает сигнал оператору круглосуточного дежурства (руководителю тушения пожара) о необходимости введения дополнительных средств для ликвидации угрозы разрушения на аварийном участке.
2
Признаки предлагаемого способа, отличительные от признаков способа по прототипу: пожарные роботы подают воду сканирующими струями сразу после появления тепловой конвективной колонки в зоне несущих конструкций непосредственно на участок, подвергаемый тепловому воздействию конвективной колонки, а не по всей поверхности конструкции, струи подают на фермы покрытия с номинальным расходом не менее 20 л/с, с возможностью регулирования общего расхода периодическим отключением подачи, но не менее 10 л/с, со средней интенсивностью орошения не менее 0,06л/с*м, на участке несущих конструкций повышенной температурой T>100°, определяемой по месту срабатывания термокабеля, интенсивность орошения увеличивают за счет непрерывной работы РУП полным расходом, на участке несущих конструкций с критической температурой T>300°, определяемой блоком распознавания нагретых зон, устройство управления выдает сигнал оператору круглосуточного дежурства (руководителю тушения пожара) о необходимости введения дополнительных средств для ликвидации угрозы разрушения на аварийном участке.
Охлаждение несущих конструкций сразу после начала пожара – при появлении тепловой конвективной колонки в зоне несущих конструкций – позволяет предотвратить их интенсивный разогрев в самом начале и обеспечить в дальнейшем их несущую способность. Подача сканирующих струй воды из пожарных роботов, расположенных по периметру машинного зала, не по всей поверхности конструкции фермы покрытия, а на участки, подвергаемые воздействию теплового излучения и тепловых потоков, позволяет производить орошение с наибольшей эффективностью. Также подача воды с увеличенной интенсивностью орошения на участках несущих конструкций с повышенной температурой T>100°, которая является определяющим фактором, влияющим на стойкость несущих конструкций, позволяет предотвратить разрушение покрытия ферм машинного зала в целом. Применение расчетно-обоснованных параметров по интенсивности орошения и возможность регулирования расхода позволяют экономно использовать ресурсы водоснабжения. Введение контроля нагрева несущих конструкций позволяет своевременно и адресно производить орошение для охлаждения конструкций, а по информации о критической температуре вводить дополнительные средства на аварийных участках.
Авторам не известны способы орошения ферм покрытий машинных залов АЭС и ТЭЦ с отличительными признаками в соответствии с заявляемыми техническими решениями.
Изобретение отвечает требованиям новизны и положительного эффекта, а также критерию “существенные отличия”.
На фиг. 1 представлен механизм прогрева ферм покрытий и их охлаждение струями воды,  на фиг. 2 -  план-схема с картами орошения РУП, на фиг. 3 - общий вид стационарного пожарного робота, на фиг. 4 - схема электрогидравлическая.
Пожарная безопасность атомных электростанций особенно актуальна после ряда крупных пожаров и аварий. Характерной особенностью АЭС является то, что пожар, если он быстро не ликвидирован, может иметь катастрофические последствия. Тушение пожара в пожароопасных помещениях АЭС имеет свои особенности: так, при тушении пожаров в машинных залах первоочередной задачей является защита ограждающих конструкций и ферм покрытия маслобаков от воздействия тепловых потоков орошением их струями воды. Необходимо отметить, что использование металлических конструкций чрезвычайно эффективно для монтажа большепролетных сооружений. Вместе с тем, при пожаре эти конструкции интенсивно нагреваются, вследствие чего уже в начальной стадии пожара под действием весовых нагрузок происходит их обрушение на значительных площадях. В соответствии с действующей нормативной документацией в машинных залах АЭС следует предусматривать охлаждение металлических ферм от стационарно установленных лафетных стволов, размещенных на отметке обслуживания турбин. При этом система орошения ферм струями воды из лафетных стволов должна обеспечивать возможность орошения каждой точки фермы двумя струями, см. ВСН 01-87 "Противопожарные нормы проектирования атомных станций". Опыт крупных аварий и пожаров на АЭС отчетливо выявил необходимость применения дистанционно управляемых аппаратов и устройств для предотвращения и тушения пожаров и загораний, в частности, пожарных роботов и роботизированных установок пожаротушения на их основе.
2
2
2
2
Для расчета основных параметров орошения рассмотрим на фиг.1 механизм прогрева ферм покрытий и их охлаждение струями воды. На фиг. 1а представлен график с результатами расчетов динамики изменения температур в функции времени (в минутах) в наиболее опасном сечении фермы при горении масла на отметке обслуживания турбины. Расчеты проведены для случаев, когда площадь пожара составляет 35, 50 и 80 м(на фиг.1а – 1, 2, 3 соответственно), при этом предполагалось, что ось очага горения проходит через центр фермы (наиболее опасный случай взаимного расположения очага горения и фермы). Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования поведения металлических конструкций при пожаре показывают, что при нормативном уровне статических нагрузок нагрев фермы свыше 500° приводит к их деформации, потере прочности и, как следствие, - обрушению. Поэтому факт достижения любым элементом фермы температуры 500° принимается за предельное ее состояние по прогреву. Как видно из графика на фиг. 1а, предельное состояние фермы по прогреву (и, как следствие, - деформация и обрушение) при площадях очага горения 35, 50 и 80 м(на фиг.1а – 1, 2, 3 соответственно)наступает, соответственно, через 5, 9 и 16 мин от начала горения, см. журнал «Алгоритм безопасности» №3, 2011 г. «Системы пожаротушения для защиты машинных залов ТЭЦ, АЭС и ГЭС: проблемы и решения». Охлаждение конструкции ферм струями воды представляет собой простой по технической реализации и эффективный способ снижения их температуры. Исследованиями показано, что при низких температурах поверхности нагрева (отсутствии кипения) имеет место конвективное охлаждение ее стекающей пленкой жидкости. Начиная приблизительно с 70° увеличение температуры поверхности влечет увеличение интенсивности теплообмена до тех пор, пока существует пленка жидкости. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи наблюдается при интенсивном испарении воды, когда пленка только начинает разрушаться, обнажая участки сухой поверхности, то есть наступает своеобразный кризис процесса (диапазон 110-170°. Если при температурах поверхности ферм 100-200° капли воды при ударе о стенку смачивают ее, то при температурах выше 400° следует рассматривать систему "поверхность – паровая прослойка – жидкая капля", когда капля, сталкиваясь с поверхностью, пребывает в сфероидальном состоянии, которое характеризуется тем, что теплообмен между твердой и жидкой фазой осуществляется через паровую прослойку, образующуюся в результате испарения капли. В этом случае процесс испарения тепла от поверхности с высокой температурой отличается большой сложностью вследствие суммарного действия нескольких механизмов теплопереноса: теплоотдачи через тонкий паровой слой, отделяющий капли от поверхности, теплопроводности и излучения, конвекции пара у поверхности. На основе вышеизложенного следует сделать вывод, что подача струй воды на охлаждение металлических ферм покрытий в машинных залах АЭС должна начинаться с момента, когда температура поверхности ферм не превышает 100°, что обеспечит наиболее эффективный режим охлаждения. Подача воды на охлаждение ферм после их прогрева до высоких температур представляется менее эффективной, поскольку интенсивность теплосъема в этих условиях охлаждения низкая. В этой связи следует сделать вывод, что подача воды на охлаждение ферм покрытия из роботизированных установок пожаротушения должна осуществляться сразу после возникновения очага горения. На основании проведенных расчетов динамики изменения температур в различных сечениях металлических ферм при пожаре при диспергировании струй воды к нагретым металлическим поверхностям ферм с учетом коэффициентов теплоотдачи показывают, что достаточно эффективное охлаждение конструкций ферм струями воды, подаваемых ПР, будет обеспечено при амплитуде сканирования 10-12 м относительно центра фермы и периоду сканирования 1-1,5 мин. Приведенная площадь орошения конструкций при этом будет в пределах 60 м. На фиг. 1б представлены график с результатами расчетов динамики изменения температур в функции времени (в минутах) в наиболее опасном сечении фермы типового машинного зала при пожаре, вызванном разливом и воспламенением турбинного масла на площади 60 м, как с охлаждением, так и без охлаждения. Предполагалось, что очаг горения находится на отметке обслуживания турбины. Механизм  нагрева  фермы конвекционными  тепловыми потоками представлен на фиг. 1в схемой трехзонной модели пожара, в которой  I – зона конвективной струи (конвективная колонка); II – зона припотолочного нагретого газа; III  - зона холодного воздуха; IV – зона наружного воздуха (наружная атмосфера).
2
2
2
Охлаждение ПР осуществлялось по следующему режиму: амплитуда сканирования относительно центра 10 м при периоде 1 мин. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что без охлаждения фермы ее нагрев до критической температуры произойдет через 7,5 мин от начала пожара, см. фиг.1б, после чего последует деформация и обрушение покрытия. Охлаждение фермы с помощью ПР позволяет значительно снизить ее температуру, а, следовательно, обеспечить устойчивость конструкции в течении более чем 30 мин, см. фиг.1б. За это время пожарные подразделения смогут локализовать и потушить пожар. Для определения необходимой интенсивности орошения для охлаждения металлических конструкций воспользуемся расчетами охлаждения металлического экрана, орошаемого водой для защиты от теплового излучения пожарного-ствольщика. Расчеты выполнены НИИ Атомного энергетического машиностроения ВИТИ НИЯУ МИФИ, лежат в основе защитных экранов для пожарных лафетных стволов типа ЛС(Д)-С20(40,60,100)У, серийно выпускаемых ООО «Инженерный центр «ЭФЭР». Расчёт  подтверждает способность теплового экрана, орошаемого водой, снизить интенсивность теплового излучения при его штатной эксплуатации в условиях пожара. В расчете принята интенсивность теплового излучения для нагрева экрана до температуры 549°С. Для безопасности пожарного обеспечивается приемлемая температура самого экрана за счет его охлаждения водой с интенсивностью 0,008 л/с*м, при этом температура охлажденной поверхности экрана составит 52°С. Применяемый экран из полированной стали со степенью черноты экрана 0,26 ослабляет тепловое излучение в 3,6 раза. Принимая степень черноты приемника теплового излучения 0,94 для металлических конструкций машинного зала и учитывая потери, связанные с подачей воды и погрешностью наведения, расчетная интенсивность орошения будет не менее нормативной интенсивности 0,06 л/с*м, установленной требованиями СП 13.13130 для орошения ферм машзалов АЭС. Данный показатель интенсивности орошения примерно соответствует 1-й группе помещений по СП5.13.130, для которой принимается расход 10 л/с на минимально допустимой площади орошения 60 м. Для высокопролетных сооружений необходимы большие дальности струй, поэтому принимаются лафетные стволы с расходами не менее 20 л/с. Общий расход может регулироваться введением временных интервалов с отключением подачи, необходимых также для температурного контроля, но должен составлять не менее 10 л/с. Повышенный расход наряду со снижением скорости прохождения струи может использоваться для создания высокой интенсивности орошения на участках с критической температурой.
Предложенный способ орошения конструкций рассмотрим на план-схеме роботизированной установки пожаротушения, см. фиг. 2, где по периметру машинного зала показана расстановка пожарных роботов 4 с картами орошения несущих балок 5, с указанием рабочих зон орошения в горизонтальной плоскости 6 и рабочих границ траектории струй в вертикальной плоскости 7. общий вид пожарного робота, см. фиг. 3, пожарные роботы связаны инженерными коммуникациями, см. схему электрогидравлическую фиг. 4. Роботизированная установка пожаротушения (РУП), содержит стационарные пожарные роботы 4 с дисковыми затворами с электроприводом 8, установленные на пожарном трубопроводе 9 по периметру машинного зала таким образом, чтобы каждая точка металлических конструкций ферм была в зоне досягаемости двух струй, блоки питания с устройствами ввода-вывода сигналов управления 10, сетевой контроллер 11, устройство управления РУП 12 с программой управления струей по заданной траектории, блок коммутации 13, компьютер с дисплеем 14, пульты дистанционного управления (ПДУ) 15, и пост подключения ПДУ 16. На пожарных роботах 4 установлены ИК-датчики 17, которые соединены с блоком распознавания нагретых зон 18. На металлических конструкциях ферм смонтированные термокабели 13 с оконечными устройствами 20, соединенные с устройствами ввода-вывода сигналов управления 10. Блоки управления соединены цепями питания 220в 21, 24В – 22 и 5В -23, цепями управления RS485 – 24, дистанционного управления 25, внешними связями 26.
По сигналу о пожаре, при подтверждении сигнала оператором круглосуточного дежурства, управляющий сигнал направляется на устройство управления РУП 10, и  ПР 4 с использованием ИК-датчиков 17 производят мониторинг ферм покрытия машинного зала в зоне обнаружения очага пожара. При появлении нагретых зон с температурой Т<100° с учетом заранее введенного в программу оцифрованного местоположения несущих конструкций, блок  распознавания нагретых зон 18 передает информацию на устройство управления 12, которое подает команды на ближайшие ПР 4 по их наведению на выделенную зону нагрева. Открываются дисковые затворы 8, и пожарные роботы 4 производят охлаждение нагретых зон сканирующими струями воды. Через установленные интервалы времени подача воды останавливается, и производится температурный контроль. При появлении в контролируемой охлаждаемой зоне несущих конструкций участков с повышенной температурой T>100°, определяемой по месту срабатывания термокабеля 19, интенсивность орошения увеличивается за счет непрерывной работы РУП полным расходом. При появлении информации о критической температуре T>300° от блока  распознавания нагретых зон 18 по месту нахождения ферм покрытия, устройство управления 12 подает сигнал оператору круглосуточного дежурства (руководителю тушения пожара) о необходимости введения дополнительных средств для создания более высокой интенсивности орошения на аварийном участке.
Предлагаемый способ тушения пожара обеспечивает охлаждение несущих конструкций машинного зала с наибольшей эффективностью за счет:
- определения местоположения нагретых участков несущих конструкций и температурного контроля их состояния в процессе развития пожара;
- гибкого регулирования интенсивности орошения в зависимости от температуры нагрева конструкций.
Предлагаемый способ и устройство позволят:
- предотвратить обрушение несущих конструкций при нагреве от пожара;
- сократить затраты предприятий как на оборудование систем противопожарной защиты, так и на ликвидацию последствий пожара;
- предотвратить развитие чрезвычайных ситуаций;
- уменьшить риски и время действия поражающих факторов на личный состав аварийно-спасательных служб.