СИСТЕМА ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ НА КРУПНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ С ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИМИСЯ И ГОРЮЧИМИ ЖИДКОСТЯМИ (ВАРИАНТЫ)
FIRE EXTINGUISHING SYSTEM ON LARGE TANKS WITH HIGHLY FLAMMABLE AND COMBUSTIBLE LIQUIDS (VARIANTS)

3
Изобретение относится к нефтехимической промышленности и касается ликвидации аварий, возникающих на резервуарах емкостью от 5 до 260 тыс.м с легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ) и горючими жидкостями (ГЖ), результатом которых является пожар горючих жидкостей.
Известны системы ликвидации аварийных разливов сжиженного природного газа или сжиженного углеводородного газа путем обработки поверхности сжиженного газа водовоздушной пеной - патенты RU №2552968 С1, 2015 г., RU №2552972 С1, 2015 г.
Известные системы, предназначенные для купирования разливов сжиженного природного газа или сжиженного углеводородного газа, нецелесообразны для тушения пожаров на крупных резервуарах ЛВЖ и ГЖ по причине вида используемого огнетушащего средства (ОС) - комбинированной пены, представляющей собой смесь двух пен различной кратности: Кп = 10-15 и Кп = 80-100, сложной в технологии их раздельного получения в 2-х пеногенераторах различной конструкции и последующего смешения этих пен, обладающих различной кинетической энергией, в общий поток комбинированной пенной струи. Только таким сложным способом обеспечивается получение требуемых параметров по кратности пены порядка Кп = 40 и дальности полета пенных струй на расстояние 30-50 м и более.
Известно устройство для защиты резервуаров с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями от взрыва и при пожаре, содержащее узел ввода огнетушащего вещества с выходом в резервуар на одном конце и с крышкой на другом и насадок для подачи огнетушащего вещества, дополнительно содержащее один или более насадок для подачи огнетушащих веществ, закрепленных горизонтально на одной или двух сторонах узла ввода под углом, выбранным из условия направленности струй огнетушащих веществ по стенке резервуара; оси насадок, закрепленных на противоположных сторонах узла ввода, расположены в параллельных горизонтальных плоскостях; узел ввода выполнен из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики верхнего пояса резервуара, а крыша резервуара, крышка узла ввода и ее крепление к узлу выполнены из материала с разрушающими характеристиками ниже разрушающих характеристик стенок узла ввода и верхнего пояса резервуара - патент RU №2334532 С2, 2008 г.
Недостатки наиболее близкого аналога заключаются в применении одновременно расходных компонентов в виде порошка и нейтральных газов, а также в монтаже на конструкции резервуара дополнительных систем и устройств, которые должны обладать огромным ресурсом надежности, что является одной из главных проблем всех стационарных пожарно-технических устройств.
В связи с указанными недостатками, техническая задача, решаемая с помощью изобретения, заключается в создании системы тушения пожаров на крупных резервуарах с ЛВЖ и ГЖ путем повышения эффективности процесса тушения при одновременном упрощении известной технологии и устройств, применяемых для ее реализации.
2
Эта задача решена в системе тушения пожаров на крупных резервуарах с легсовоспламеняющимися и горючими жидкостями, включающая в себя N≥2 управляемых стволов пеногенераторов, размещенных по периметру резервуара, в которой стволы пеногенераторов расположены под углом минус 2-10 градусов к горизонтальной поверхности горючей жидкости, у основания факела пламени пожара, при использовании однородной водовоздушной пены кратностью Кп, равной 30±10, дальностью подачи пенной струи L, большей или равной радиусу R резервуара, интенсивностью I подачи пены, равной 0,1-0,15 л/ м⋅с, при этом управляемую пенную струю подают в горизонтальной плоскости с углом поворота оси ствола на ±45 градусов и в вертикальной плоскости с углом поворота оси ствола на ±(5-10) градусов.
Конкретные случаи использования предполагают применение стволов пеногенераторов с дальностью подачи пены 30-50 м и расходом 30-60 л/с, а также - использование пожарных пеноподъемников.
На фиг. 1 представлена иллюстрация тушения пожара, осуществляемого в соответствии с нормативными рекомендациями, на фиг. 2, 3 - иллюстрации тушения пожара по представленному изобретению, на фиг. 4, 5 - иллюстрации тушения пожара с земли или небольших передвижных платформ.
Процесс практического тушения реальных пожаров, как правило, разделяется на два последовательных этапа: первый - покрытие всей свободной поверхности горючей жидкости относительно тонким слоем пены, снижающим интенсивность горения пожара или разбивающим пожар на множество отдельных горящих очагов; второй - наращивание требуемой толщины елея пены, полностью снижающей концентрацию горючих паров над слоем пены ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (горения) паров данной горючей жидкости. При нормативно рекомендуемом способе тушения пожаров ГЖ на крупных резервуарах с применением неподвижных и неуправляемых пеногенераторов ГПС 600 с Кп = 100 и длиной пенной струи порядка 6-8 м, площадь механического покрытия поверхности горения жидкости пеной достигает не более 50-75% и дальнейшего растекания пены не происходит, а коэффициент разрушения пены достигает 90-95%, что проиллюстрировано фиг. 1. Здесь показано пламя во время остановки пены, после чего пожар вновь распространяется на всю поверхность резервуара. Это объясняется тем, что пена кратностью 100 почти не обладает жидкотекучестью, т.е. способностью к растеканию. А ее теплоемкость и огнестойкость в 2,5 раза меньше, чем у пены с Кп = 40 и в 5 раз меньше, чем у пены с Кп = 20. Поэтому при таких параметрах стволов ГПС 600 и пены с Кп = 100 тушение пожара ГЖ на больших резервуарах становится принципиально технически невозможным, что подтверждено многолетней практикой пожаротушения.
Поэтому по новой технологии, разработанной авторами на основе фундаментальных параметров тушения, известных из практики, экспериментов и теоретических расчетов тушения этого вида пожаров, рекомендуется применение более эффективной однородной водовоздушной пены кратностью Кп = 30±10. Такая пена обладает гораздо большей удельной теплоемкостью (в 2-3 раза больше, чем пена кратностью Кп = 100) и соответственно лучшей охлаждающей способностью поверхностного слоя горящей жидкости, что является одной из доминирующих характеристик при тушении этого вида пожаров. Кроме того, такая пена, обладая гораздо более высокой жидкотекучестью и огнестойкостью, по сравнению с пеной Кп = 100, позволяет быстрее покрыть первичным слоем всю поверхность горящей жидкости. Оба этих обстоятельства позволяют значительно, в 3-4 раза, снизить долю потерь пены и интенсивность ее потерь от разрушения в процессе тушения пожара, и в 2-3 раза повысить интенсивность растекания пены по поверхности горящей жидкости, усиливая, тем самым, помимо охлаждающего механизма тушения, еще и экранирующий и изолирующий механизмы тушения. Это показано на фиг. 2 (вид на резервуар прямо) и фиг. 3 (вид сверху). На фигурах видны струи пены из управляемых стволов пеноподъемника, покрывающие быстро всю площадь резервуара за счет дальности их подачи и постоянного смещения вдоль поверхности и вглубь резервуара.
В предлагаемой системе тушения пожаров на крупных резервуарах в качестве пеногенераторов возможно использование пеногенераторов нового типа высокой производительности, обеспечивающих полное покрытие всей поверхности горящей жидкости слоем пены за 1-2 мин и эффективное тушение пожара за 5-10 мин на резервуарах любого объема. Такой эффект достигается за счет резкого снижения потерь пены от ее разрушения в процессе тушения пожара: всего до 40-50% и даже меньше.
Пеногенератор «Пурга» способен реализовать требуемый параметр кратности пены Кп = 30±10, а также - дальность подачи пенных струй на 30-50 м и больше и возможность управления направлением их подачи, что позволяет в 5-10 раз повысить скорость тушения пожара, сократив время его тушения до нормативных значений порядка 10-15 мин, а также - сократить удельные и суммарные расходы огнетушащих средств (ОС) на процесс тушения пожара, доведя их до нормативных расходов и нормативных запасов (порядка 3-кратных) на всех объектах хранения ЛВЖ - ГЖ.
Однако этот пеногенератор является достаточно дорогим и сложным по конструкции. Применение в изобретении однородной водовоздушной пены позволяет использовать другие пеногенераторы, более простые по конструкции и стоимость которых значительно ниже, например, типа ЛС-С40У, ЛСД-С40У, производства ЭФЭР и другие.
3
Параметры процесса тушения пожаров горючих жидкостей по предлагаемой технологии для всего типо-ряда резервуаров типа РВС от 5000 до 260000 м приведены в таблице.
В таблице приняты следующие обозначения: Vрез - емкость резервуара, Dрез - диаметр резервуара, Нрез - высота борта резервуара, F - площадь поверхности жидкости, Ррез - периметр резервуара, Qt - секундный расход ОС на тушение, Nct - количество стволов, в скобках указан номинальный секундный расход ствола, Qo - расход воды на охлаждение борта, Qcв - суммарный расход воды, Nнс - число насосных станций, Vпо - суммарный расход пенообразователя.
3
Рассмотрим пример расчета основных параметров процесса эффективного тушения пожара по предлагаемой новой технологии для приведенного в таблице варианта Vрез = 20 тыс.м .
Интенсивность подачи пены, рекомендуемая для минимизации потерь от ее разрушения в процессе тушения с кратностью Кп = 40, лежащая в интервале значений
2
2
Iп рек = 0,14-0,15 л/ м⋅с, равна 0,145 л/ м⋅с.
При этом расчетный требуемый для тушения пожара секундный расход пенообразующей жидкости по раствору окажется равным:
Qт рек = Iп рек×F = 0,145×1667 = 241,7 л/с или примерно 240 л/с.
Требуемое количество стволов типа ЛС-60 рекомендуемой конструкции равно: Ncт = Qт рек/ Qт ном = 240/60 = 4 ствола (вместо требуемых 30-ти стволов типа ГПС 600).
Очевидно, что организационно и технически эту задачу решить станет значительно проще, особенно с привлечением на тушение пожара сил и средств пожарной охраны.
Суммарный секундный расход воды на охлаждение борта резервуара при тушении пожара Qo=Qoxл уд×Ррез = 0,5×143 = 72,5 л/с, где Ррез = 143 м, а Qoxл уд = 0,5 л/м.
Суммарный расход воды на тушение пожара Qcв = Qт рек + Qo = 240+72,5 = 312,5 л/с. Или, с учетом расхода самого пеннообразователя при fто = 6% по раствору,
Qпо = 240 × 6/100 = 14,4 л/с, тогда Qв туш = 240-14,4 = 225,6 л/с, а суммарный расход воды на нужды пожаротушения на данном пожаре - Qcв - примерно 225,6+72,5 = 298 л/с или примерно 300 л/с, т.е. расход воды трех пожарно-насосных станций ПНС-100.
2
2
При выбранной системе управляемой подачи пены на поверхность горючей жидкости стволами-пеногенераторами с дальностью подачи пенной струи порядка 45-50 м, и с площадью поверхности пятна пенной струи порядка 64 м при 4-х стволах одновременно, площадь суммарного начального пятна пены равна 64×4 = 256 м, а при скорости сканирования 2-6% и требуемом угле поворота ствола ±45 градусов время первичного покрытия зеркала горючей жидкости минимальной толщиной слоя пены составляет 40-60 с, т.е. примерно 1 мин.
2
При выбранной кратности пены Кп = 40 и выбранной интенсивности подачи ОС Iп рек = 0,145 л/ м⋅с, без учета потерь пены от разрушения и кратности пены в процессе тушения пожара, скорость роста слоя пены на поверхности горючей жидкости Vпс расч = Iп рек×Кп = 0,145×40 = 5,8 мм/с, что вполне удовлетворительно подтверждается при холодной имитации процесса тушения (подаче пены на поверхность ГЖ без процесса горения). Приняв условно требуемую толщину слоя пены на поверхности сырой нефти равным Н п тр = 0,5 м (для пен кратностью Кп = 30-10 она может быть уменьшена и до 20-25 см), время наращивания требуемой толщины слоя пены - t н сл = Н п тр/Vп сл расч = 500/5,8 = 86,2 с или примерно 1,44 мин.
Расчетно-теоретическое время тушения рассматриваемого пожара tт, равное времени покрытия зеркала горючей жидкости слоем пены минимальной толщины tпокр, плюс время наращивания требуемой толщины слоя пены tн.сл., tт = 1+1,44 = 2,44 или примерно 3 мин.
2
3
2
3
Но при тушении реальных пожаров вся проблема в доле потерь ОС в процессе тушения. А с учетом потерь ОС вследствие снижения фактической интенсивности подачи ОС в очаг пожара от испарения части подаваемого на тушение раствора на 50% и потерь от разрушения пены в процессе тушения пожара, достигающего 50% поданного количества и снижения ее кратности под воздействием разрушающих факторов на 50%, до Кпф = 20, фактическая скорость наращивания пенного слоя Vп сл ф снижается до Vп сл ф = Iф×Кп ф = 0,145×0,5×20 = 1,45 мм/с. Тогда время наращивания пенного слоя требуемой толщины возрастет до tн п сл ф = 500/1,45 = 345 с или примерно 5,75-6 мин. А время покрытия зеркала поверхности горючей жидкости первоначальным слоем пены также возрастает примерно в 3-4 раза, т.е. до 3-4-х мин. И, соответственно, суммарное время тушения пожара составит примерно 8-10 мин. Показатель эффективности тушения пожара на резервуаре получается равным: Пэт = Fп/Voc×tт, где Fп - площадь пожара (м), Voc - объем раствора пенообразователя, затраченный на тушение (л или м), a tт - время тушения пожара (с или мин). Пэт = 1667/144×10 = 1,16 (м/м мин).
Система тушения пожара осуществляется следующим образом.
По сигналу о возникшем пожаре служба пожаротушения прибывает к объекту пожара через 2-3 мин устанавливает пожарные пеноподъемники по периметру резервуара (см. фиг. 2, 3), подсоединяет рабочие магистрали подачи ОС и начинает пенную атаку на резервуар. Это происходит обычно, на 4-й или 6-7-й мин с момента возгорания, т.е. когда пожар на резервуаре уже успевает выйти на режим стационарного горения - максимальный по интенсивности режим. После начала пенной атаки на 2-3 мин тушения интенсивность горения (и высота факела пламени) пожара постепенно начинает уменьшаться, а еще через 5-7 мин пожар прекращается полностью.
Такому ускоренному и эффективному методу тушения пожаров на резервуарах с ЛВЖ и ГЖ, кроме рассмотренных характеристик, способствует способ подачи пены в горящий резервуар. Это касается направлений струй пены. При подаче струи пены под углом расположения оси ствола пеногенератора минус 2-10 градусов к горизонту, контакт пены с горючей жидкостью позволяет до минимума снизить процент разрушения пены.
Последовательное перемещение оси ствола пеногенератора в горизонтальной плоскости на ±45 градусов и в вертикальной плоскости - на ±5-10 градусов обусловлено тем, что площадь пятна контакта струи пены с поверхностью ГЖ в разы меньше площади поверхности самой ГЖ. И чтобы обеспечить более полное и быстрое покрытие ее пеной по всей площади, струе придается свобода передвижения по поверхности жидкости в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Поворотом ствола в горизонтальной плоскости, примерно от борта до борта резервуара, т.е. как бы поперек оси пенной струи, и вдоль оси пенной струи, опуская или поднимая ствол в вертикальной плоскости на ±5-10 градусов.
Эти перемещения струи пены, совместно с ее жидкотекучестью при Кп = 30±10, и позволяет покрыть всю поверхность горючей жидкости первоначальным, тонким (до 5 см) слоем пены за первые 2-3 минуты с момента начала процесса тушения этих пожаров. А затем следует переход к наращиванию слоя пены до требуемой толщины - 20-25 см с использованием аналогичных перемещений струи пены по всей площади поверхности ГЖ в резервуаре.
Организации тушения пожаров на крупных резервуарах с земли или небольших передвижных платформ проиллюстрирована на фиг. 4, 5.
Переход на новую технологию тушения пожаров на резервуарах на пены пониженной кратности с рекомендуемыми параметрами пенных струй от стволов с высокой дальнобойностью до 45-50 м и высотой поднятия свободной пенной струи на 20-22 м позволяет внедрить еще более широкие тактические возможности тушения этого вида пожаров. Эти возможности заключаются в том, что при таких баллистических параметрах пенной струи возможна подача огнетушащей пены в зону горения резервуара без использования пеноподъемных устройств, а прямо от пожарных лафетных стволов с ручным или дистанционным управлением, расположенных на земле или небольших передвижных платформах с расстояния 5-15 м от борта резервуара.
Тушение с земли, проиллюстрированное фиг. 4 и 5, показывает начало процесса тушения и его завершение.
Общая физика процессов, происходящих при тушении пожаров с земли, аналогична описанной выше, но при подаче огнетушащей пены лафетными стволами с уровня земли коэффициент разрушения пены возрастает до 75%, поэтому для получения требуемого эффекта тушения интенсивность подачи ОС должна быть увеличена до 0,15-0,5 л/ м⋅с, а угол наклона ствола пеногенератора относительно земли установлен равным 60-80 градусов. Оптимальная кратность пены в этом случае равна 20.
2
Тогда угол падения навесной струи пены на поверхность горючей жидкости будет составлять 80-90 градусов, а высота подъема пенной струи составит более 20 м, т.е. выше борта резервуара. Но при этом за счет ухудшения условий подачи пены в очаг пожара (через борт резервуара) и увеличения интенсивности разрушения пены от подачи ее через весь факел пламени пожара почти вдвое возрастет время первичного покрытия поверхности горючей жидкости сплошным слоем пены, т.е. до 6-8 мин. И по этим же причинам, но еще больше, возрастет время наращивания требуемой толщины слоя пены, т.к. при таком способе подачи огнетушащей пены на поверхность горючей жидкости доля ее разрушения в процессе тушения возрастает до 80%, а фактическая кратность пены к концу процесса тушения снизится до значения Кп = 8. Соответственно, скорость роста пенного слоя до требуемой высоты (толщины) снизится и время наращивания требуемой толщины слоя пены возрастет примерно до 14 мин. Время тушения пожара при подаче управляемых пенных струй с земли станет равным примерно 22 мин, но эффект тушения достигается, как было указано, увеличением интенсивности подачи ОС до 0,15-0,5 л/ м⋅с.
Это время (22 мин) в полтора раза больше нормативного (15 мин), но такое увеличение времени тушения практически нетушимых пожаров на крупных резервуарах можно принять, т.к. при этом существенно упрощается подготовка к пенной атаке, включая отказ от пеноподъемников, что сокращает общее время тушения пожара.