ПРИМЕНЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ СРЕДСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ОТ КРУПНЫХ ПОЖАРОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Алешков М. В., Безбородько М. Д.

ПРИМЕНЕНИЕ МОБИЛьНыХ СРЕДСТВ ПОЖАРОТУШЕНИя для защиты ОБЪЕКТОВ атомной ЭНЕРГЕТИКИ

от крупных пожаров в условиях экстремально

НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

В статье рассматривается проблематика тушения крупных пожаров на объектах атомной энергетики в условиях низких температур. Проведён статистический анализ, подтверждающий актуальность проблемы, представлены способы её решения. Разработан программный комплекс для ЭВМ, позволяющий произвести оценку работоспособности мобильных средств пожаротушения в условиях низких температур.

Ключевые слова: атомная электростанция, климатический район, пожарный автомобиль, насосно-рукавная система, отказ пожарной техники, оценка работоспособности, программный комплекс для ЭВМ.

Аномально холодная погода может стать причиной возникновения чрезвычайных ситуаций различного характера. Прежде всего, это выход из строя объектов, генерирующих электрическую энергию и тепло, что может привести к тому, что жильё и хозяйственные объекты останутся без электричества и отопления. Но наиболее тяжелые последствия могут возникнуть, когда при экстремально низких температурах происходит пожар. Особую опасность представляют атомные электростанции, где пожар, если он своевременно не локализован и не ликвидирован, может иметь чрезвычайно катастрофические последствия.

Следует иметь в виду, что значительная часть территории России находится в холодных климатических районах - это более 85 % территории страны. На этой территории проживают почти 35 % населения, находятся основные ресурсные

запасы и расположены более 57 % критически важных объектов энергетики (см. рис. 1). Для этих территорий характерен суровый климат, особенно в зимний период года.

Важно отметить, что из десяти российских атомных электростанций три расположены в холодных климатических районах (Билибинская АЭС, Кольская АЭС, Белоярская АЭС). К 2020 году, с учётом планируемого строительства, в холодных климатических районах страны будет размещаться до 47 % объектов атомной энергетики, что делает актуальной проблему их защищённости от крупных пожаров при экстремально низких температурах окружающей среды.

16 % Умеренно тёплый

27 % Умеренный

18 % Умеренно холодный

32 % Холодный

Очень холодный

Рисунок 1. Распределение объектов энергетики по климатическим районам

57 % критически важных объектов энергетики

Многообразие климатических районов на территории России определяет и различные условия деятельности пожарных подразделений. Особенно ярко эти различия проявляются в зимний период года, когда эффективность деятельности пожарных подразделений зависит не только от уровня подготовки личного состава и оснащённости техникой, но и от влияния климатических факторов. Для сравнения условий работы подразделений, находящихся в разных климатических районах, был проведён статистический анализ пожаров на территории России [1].

Определено, что общее количество пожаров в России, начиная с 1995 года, имеет тенденцию к снижению. Однако снижение количества пожаров в различные периоды года неравномерно. Так, средняя интенсивность снижения количества пожаров зимой на 42 % меньше, чем весной, и на 21 % меньше, чем летом и осенью.

Ежемесячное количество пожаров в течение года отличается незначительно, разница зимних и летних пожаров составляет в среднем до 20 %. Совершенно иная картина с количеством погибших на пожарах: в зимние месяцы погибает людей на 65-70 % больше, чем в летний период года. При небольшой разнице в количестве пожаров такая ситуация указывает на снижение эффективности деятельности пожарных подразделений в зимний период года.

Для более детального изучения обстановки с пожарами был проведён статистический анализ всех крупных пожаров на территории России за 27 лет (1985-2011 гг.).

Количество крупных пожаров в России не превышает 0,05 % от общего количества пожаров, при этом ущерб от них достигает 40 % всего ущерба, причиняемого пожарами.

В качестве основных критериев оценки обстановки с крупными пожарами

Рисунок2. Количество крупных пожаров в разных климатических районах России в расчёте на 100 тысяч человек: —— - летний период; О-О-О - зимний период

были рассмотрены: количество пожаров, время года, климатический район, время тушения пожара, температура окружающей среды при тушении.

В результате статистической обработки 4 026 описаний крупных пожаров были получены следующие данные. На зимний период года за рассматриваемый период пришлось 1 393 крупных пожара, что составляет почти 35 % от всех пожаров. Среднее время тушения крупного пожара зимой составляет 4,8 часа, летом - 3,6 часа, весной и осенью - 3 часа. Наибольшее количество крупных пожаров зимой происходит в холодных климатических районах -62 % от общего их количества.

Учитывая неравномерность распределения населения России по разным климатическим районам, с целью объективной оценки ситуации был введён критерий учёта крупных пожаров по регионально-климатическому фактору, который определяется как

Кпк =100000-^

рк N

чел

и показывает, какое количество крупных пожаров приходится на 100 тысяч человек, проживающих в рассматриваемом климатическом районе за определённый период времени (см. рис. 2).

При одинаковом количестве населения в очень холодном климатическом районе в 20 раз чаще фиксировались крупные пожары, чем в климатических районах с умеренным климатом, что позволяет говорить о значительном влиянии природно-климатических факторов на оперативную обстановку. Это подтверждается при определении среднего времени тушения крупных пожаров (см. рис. 3).

Среднее время тушения всех пожаров - 48 минут. Среднее время тушения крупных пожаров в зимний период составляет 286 минут (4,8 часа). Далее, по мере снижения температуры, при которой ту-

500

400

300

200

100

Все Пожары -20..-30-30..-40 -40...-50 Ниже пожары зимой -50

Температура Т, °С

Рисунок 3. Среднее время тушения пожаров на территории России в период 1985-94 гг. в зависимости от температуры окружающей среды

шились пожары, среднее время тушения увеличивается. Максимальное своё значение - 453 минуты (7,5 часов) - оно достигает при температурах ниже -50 °С.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что оперативная обстановка по тушению крупных пожаров зависит от климатических условий, в которых работают пожарные подразделения [2].

Мобильные средства пожаротушения (далее МСП), эксплуатирующиеся в сложных погодных условиях, могут выйти из строя из-за негативного влияния низких температур. Особенно ярко эта проблема проявилась при тушении пожара на Белоярской АЭС в 1978 году, который произошёл в машинном зале станции и развивался при экстремально низких температурах окружающей среды (-46,7 °С). В ходе тушения пожара замерзали рабочие и магистральные рукавные линии. Выходили из строя пожарные автомобили. Резко ощущалась нехватка огнетушащих веществ для локализации пожара. Обстановка на пожаре была близка к потере контроля над ситуацией и развитию худшего сценария.

х, мин

0

Годы наблюдения

„ 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996..

-10

-20

-30

-40

-50

-60

70

..2006

С! = -64,4° С

Т, °С

Рисунок 4. Массив отказов мобильных средств пожаротушения из-за низких температур при тушении крупных пожаров в России за период 1985-96 гг., в 2006 г.

Опыт тушения этого пожара свидетельствует о необходимости предварительного планирования сил и средств с учётом худшего варианта развития ситуации. Однако и до настоящего времени отсутствуют методы оценки эффективности МСП в условиях низких температур. Это не позволяет произвести реальную оценку защищённости объектов энергетики от пожаров, которые при экстремально низких температурах способны обрести крупные размеры.

С учётом этого были рассмотрены силы и средства оперативных служб пожаротушения, обеспечивающие защиту объектов энергетики. С помощью системного подхода исследована взаимосвязь элементов, которые формируют систему защиты этих объектов: «пожарный специалист - мобильные средства пожаротушения - объект защиты - пожар -окружающая среда». Наиболее значимым элементом в этой системе являются МСП, которые реализуют основное условие локализации и ликвидации пожара, заключающееся в подаче огнетушащих

веществ в количествах не менее требуемого для тушения.

При благоприятных погодных условиях выполнение этого требования зависит от тактического потенциала подразделений и эффективности задействования сил и средств пожаротушения. Для нас представляется важным оценить, как это требование будет выполняться при экстремально низких температурах окружающей среды, то есть при появлении нового фактора воздействия на элементы системы [3].

Был проведён анализ работоспособности МСП и определены наиболее уязвимые элементы для воздействия низких температур. С этой целью рассмотрено функциональное назначение основных пожарных автомобилей как наиболее часто применяемых МСП. Базой для реализации основных функций является насосно-рукавная система пожарного автомобиля (далее НРС ПА), которая состоит из следующих элементов: «водоисточник -всасывающая линия - пожарный автомобиль - напорная рукавная линия». От работоспособности рассматриваемой

системы во многом зависит как тактический потенциал подразделений, так и весь ход тушения пожара в целом.

Для оценки наиболее уязвимых элементов системы были изучены описания тушения крупных пожаров в России за период с 1985 по 1996 гг. Сформирован массив данных об отказах и неисправностях, происходящих с МСП под влиянием низких температур (см. рис. 4).

Всего было исследовано 993 крупных зимних пожара. Отказы произошли при тушении 129 пожаров (13 %) МСП из-за воздействия низких температур воздуха. Как правило, в результате отказа возникала проблема с подачей огнетуша-щих веществ. Тушение пожара осложнялось, пожар обретал крупные размеры.

В результате статистической обработки собранных материалов установлено, что наиболее уязвимыми элементами для воздействия низких температур являются пожарный автомобиль - 42,6 % отказов, напорная рукавная линия - 37,2 % отказов (см. рис. 5).

где t¡ - температура воды на рассматриваемом участке рукавной линии, °С; Н. -напор потока на этом участке, м; г. - внутренний радиус рассматриваемого участка, м; Ужп - объёмный расход воды, м3/с.

Расчёт производился как по длине участка магистральной линии, так и по длине участков рабочих линий. Граничные условия для участка магистральной линии были следующими:

t

Н

т 0; X Хо, „ ~ ^оо' _ Н00, — г00,

у ии' V

ло ло

Хо

^п = ^ + ВЫ; х = + £ ; гп„ = г ;

00 0 " > л-о 0 кр 00 нач'

Н00 _ Чнас

20 )

Всасывающая линия

1111 ь 11\ \ | с ^^—

Пожарный автомобиль

Водоисточник

7

Напорная рукавная линия

где Ннас - напор на насосе, м; 5 - гидравлическое сопротивление напорного рукава длиной 20 м; 2 - перепад высот, м. Для участков рабочей линии:

Рисунок 5. Элементы насосно-рукавной системы пожарного автомобиля, подвергающиеся негативному воздействию низких температур

т Л0 рбч' у Ч+тр Кип

Т 0; Хт Х0 + £пйч; .. h+mi,

н

Хл

=н

-= г  г = г '

¡+тр у '00' 00 нач'

Для оценки параметров работы рукавных линий в режиме обледенения была составлена математическая модель. Дифференциальные уравнения баланса тепла и дифференциальное уравнение гидравлики составляют систему из трёх уравнений. Чтобы использовать эту систему, дифференциальные уравнения были заменены разностными:

Н К=А-У*+В-УЖ + С,

где А, В, С - опытные коэффициенты; ¿рбч - длина рабочей линии, м.

Для расчёта на ЭВМ была разработана программа, которая позволяет для любой НРС ПА оценить, как будет происходить обледенение напорной рукавной линии и, в зависимости от этого, с какой

интенсивностью будет уменьшаться количество огнетушащих веществ, подаваемых на тушение.

На следующем этапе был разработан метод оценки эффективности МСП в условиях низких температур. Для этого предложен алгоритм оценки тактического потенциала подразделений пожарной охраны гарнизона по подаче огнетушащих веществ в условиях низких температур.

Известно, что для локализации и ликвидации пожара необходимо выполнение целого ряда факторов, связанных с выбором правильного решающего направления, уровнем подготовки личного состава подразделений, адекватными управленческими решениями руководителя тушения пожара. Но наиболее значимым и необходимым фактором является сосредоточение достаточного количества сил и средств для обеспечения подачи огнетушащих веществ в количествах больших, чем требуется для локализации пожара (ф л/с).

Реализацию этого фактора обеспечивают силы и средства пожарной охраны через применение МПС. Из этого следует, что тактический потенциал подразделений пожарной охраны гарнизона по подаче огнетушащих веществ будет определяться фактическими возможностями подачи огнетушащих веществ на тушение пожара.

С учётом работы подразделений в условиях низких температур предложен

Qф л/с

Рисунок 6. Совмещённый график тушения пожара:

1 - требуемый расход для тушения пожара (<2т);

2 - фактический расход огнетушащих веществ

при штатных условиях работы;

3 - фактический расход огнетушащих веществ в условиях обледенения рукавных линий НРС ПА

алгоритм оценки фактической подачи огнетушащих веществ (фф). Так, фактическая подача НРС ПА, работающих в штатном режиме, будет определяться как

с?ф =Та ,

/=1

где - расход воды через НРС ПА, л/с.

Необходимо учесть подачу НРС ПА, вынужденных работать в режиме обледенения:

*р.обл

^р.обл ^ /

У=1

храб

Км

где траб - время, в течение которого работает НРС ПА, с; £?н. - расход воды в НРС ПА, работающей в режиме обледенения в момент начала работы, л/с.

Тогда общее фактически подаваемое количество огнетушащих веществ в единицу времени будет определяться как

'р.обл (

'=1 ^ о

Преобразовав выражение с учётом скорости изменения расхода воды в НРС ПА, работающих в режиме обледенения, получена зависимость для оценки общего фактического расхода огнетушащих веществ, подаваемых на тушение пожара в условиях низких температур:

«рли р.обл Р^

<?Ф = 1<?1+1 I К-фЛаб)

'=1 М V. О

ёх,

где ф - скорость изменения расхода воды в рукавной линии.

Далее необходимо проверить гипотезу.

[С?ф > С?тр - положительный результат тушения 1 С?ф < С?тр - отрицательный результат тушения

т

т

т

т

(Йг Расчет интенсивности падения температур 1 = 1 Ы2ш\

Внутренней диаметр рукава [77 мм Тнп рукава Прорезиненый Наружный диаметр рукава, мм : 52 Теплопроводность стенок рукава Вт*М''град 0,30063

Температура воздуха -50 °С Температура воды в водоеме °С Подогрев воды в насосе 0 °С Подогрев воды иа генераторе 0 °с

Расход жидкости 7Д л/с Скорость ветра 1,5 м/с Напор на иасосе 57 м

Результаты расчетов: Участок магистральной лпнпп где вода охлаждается до 0 ° С, м : 94.41 Участок магистральной линии до начала обледенения, м : 155,99

V У | Расчет ]

Рисунок 7. Скриншоты программного комплекса для оценки эффективности мобильных средств пожаротушения при низких температурах

В случае отрицательного результата необходимо на этапе предварительного планирования сил и средств учесть этот фактор и привлечь для тушения пожара на начальном этапе дополнительные пожарные подразделения. Возможно решение этой задачи и другим способом -за счёт применения пожарной техники, приспособленной для работы в условиях низких температур [4, 5].

Полученные результаты представим в виде совмещённого графика тушения пожара (см. рис. 6).

Для оценки эффективности МСП в условиях низких температур был разработан программный комплекс (см. рис. 7).

В основу этого комплекса положены: системы уравнений, описывающие работу рукавных линий в режиме обледенения, и метод оценки тактического потенциала подразделений пожарной охраны по подаче огнетушащих веществ в условиях низких температур. Используя данный программный комплекс, представляется возможным произвести оценку защищённости объектов энергетики от крупных пожаров при экстремальных погодных условиях.

Были исследованы наиболее сложные варианты тушения пожаров на АЭС. Рассматривались варианты возникновения пожаров в труднодоступных помещениях,

статистика работоспособности насосно-рукавных систем пожарных автомобилей для наиболее сложных вариантов тушения АЭс

Климатический район НРС ПА, работающие в штатном режиме НРС ПА, вынужденные работать в режиме обледенения

Всего В процентах Всего В процентах

Очень холодный 5 16 27 84

Холодный 6 19 26 81

Умеренно холодный 13 41 19 59

Умеренный 15 47 17 53

на кровле машинных залов, тушения пожаров с использованием удалённых водоисточников и подачей воды по магистральным линиям длиной свыше 200 метров и подъёме линий на высоту до 33 метров.

Эти варианты анализировались применительно к погодным условиям разных климатических районов страны. Для каждого климатического района было рассмотрены 9 вариантов тушения, на которых задействовались 32 НРС ПА. Результаты анализа представлены в таблице.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что при возникновении сложного варианта развития пожара на атомной электростанции в условиях

ЛИТЕРАТУРА

1. Пожары и пожарная безопасность: Статистические сборники за 1985-2011 гг. - М.: ВНИИПО, 1986-2012.

2. Алешков М. В., Двоенко О. В. Основные показатели тушения крупных пожаров в разных природно-климатических районах России // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2013. - № 1. - С. 4-8.

3. Алешков М. В. Особенности тушения крупных пожаров на территории Российской Федерации при внешнем воздействии опасных природных явлений // Пожаровзрывобезопасность. -2013. - № 5. - С. 59-64.

экстремально низких температур окружающей среды большинство насосно-рукавных систем пожарных автомобилей могут оказаться неработоспособными. При наиболее сложных вариантах развития пожаров на АЭС от 53 до 84 % насосно-рукавных систем пожарных автомобилей будут работать в режиме обледенения, что может привести к выходу НРС ПА из строя и не позволит обеспечить подачу огнетушащих веществ в количествах, достаточных для локализации пожаров. Из этого следует вывод, что значительная часть объектов атомной энергетики не защищена от опасности развития пожаров до крупных размеров при тушении в условиях низких температур.

4. Алешков М. В., Тайсумов Х. А. Термостойкая пена для профилактики и тушения пожаров при минусовых температурах [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - 2010. - Вып. 4 (32). - Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb

5. Алешков М. В., Копылов Н. П., Безбородь-ко М. Д, Цариченко С. Г. Формирование парка специальных машин для проведения операций повышенной сложности на критически важных объектах энергетики [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - 2012. -Вып. 3 (43). - Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb

Aleshkov M., Bezborodko M.

APPLICATION OF MOVABLE FIRE ExTINGUISHMENT MEANS FOR PROTECTING NUdEAR POWER PLANTS FROM LARGE FIRES UNDER ExTREMELY LOW TEMPERATURE CONDITIONS

Purpose. In cold climate areas in winter period the process of fire extinguishment gets complicated due to the impact of low temperatures on fire appliances. Fire development can get uncontrolled and can lead to dramatic consequences, especially at such crucially important facilities as nuclear power plants. The authors of the article analyze the difficulties in extinguishing fires and propose solutions for their evaluation and elimination.

Methods. The statistical analysis of fires and failures in the work of fire-fighting equipment is carried out. A mathematical model is created to estimate the parameters of fire engine pump and hose system in the icing mode. The experiments to assess the efficiency of fire-fighting equipment at low temperatures are made.

Findings. On the basis of experimental data processing, a mathematical model to evaluate the performance of fire engines in cold climate areas in winter period is developed. A software package

for assessing the protection of objects from large fires at low temperatures is created.

Research application field. Using the computer software the required number of forces and means of fire departments for fire suppression at low temperatures can be planned.

Conclusions. Nuclear power plants are not sufficiently protected from fires that may occur at low temperatures. It is necessary to take into account the possibility of fire equipment failure and to engage additional forces and means of fire service in fire protection as well as to use appliances capable of operating at extremely low temperatures.

Key words: nuclear power plant, climate area, fire engine, pump and hose system, failure of fire-fighting equipment, performance evaluation, computer software.

REFERENCES

1. Fires and fire safety. Statistical compendium, 19852011. Moscow, 1986-2012. (in Russ.).

2. Aleshkov M.V., Dvoenko O.V. Main indicators of extinguishing large fires in different climatic regions of Russia. Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashhenie, likvidacija, 2013, no. 1, pp. 4-8. (in Russ.).

3. Aleshkov M.V. Features of extinguishing large fires on the territory of the Russian Federation to the external impact of natural hazards. Pozharovzryvobezopasnost', 2013, no. 5, pp. 59-64. (in Russ.).

4. Aleshkov M.V., Taysumov H.A. Heat-resistant foam for the prevention and extinguishing of fires in sub-zero

temperatures. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: Internet-zhurnal, 2010, no. 4 (32), available at: http://ipb.mos.ru/ttb (accessed December 19, 2014). (in Russ.).

5. Aleshkov M.V., Kopylov N.P., Bezborodko M.D., Tcarichenko S.G. The formation of a park of special machines for operations of high complexity on the critical energy facilities. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: Internet-zhurnal, 2012, no. 3 (43), available at: http://ipb.mos.ru/ttb (accessed December 19, 2014). (in Russ.).

Mikhail Aleshkov MiKHAiL Bezborodko

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

Doctor of Technical Sciences, Professor

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia