СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОМПЛЕКСНОГО ОБЪЁМНОГО ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ В ГЕРМЕТИЧНЫХ ОБИТАЕМЫХ ОБЪЕКТАХ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПОДВОДНЫХ ЛОДКАХ
METHOD AND DEVICE FOR INTEGRATED VOLUMETRIC FIRE EXTINGUISHING IN AIR-TIGHT MANNED OBJECTS, MAINLY SUBMARINES

Изобретение относится к области средств обеспечения пожаробезопасности и пожарозащищенности подводных лодок и других герметичных обитаемых объектов, в том числе, командных пунктов, салонов самолетов, производственных лабораторных и складских помещений и т.п.
Известны способы и системы, обеспечивающие тушение пожара путем подачи в зону горения распыленной воды, пены, порошка, галогеноуглеводородных составов хладонов и инертного газа (см. справочник «Пожарная безопасность. Взрывобезопасность» / Под ред. Баратова А.Н. М.: «Химия», 1987), которые имеют свои достоинства и недостатки.
В последнее время в мире активно используются системы объемного пожаротушения, использующие способ уменьшения процентного содержания кислорода в защищаемом помещении путем разбавления при подаче в него азота или инертных газов. Прекращение горения обеспечивается при значениях концентрации кислорода, как правило, ниже 15% об. При этом способе огнегаситель не привносит химически опасных веществ в газовоздушную среду подводной лодки (ПЛ) и не образует в результате тушения токсичных соединений (https://ru.wikipedia.org/wiki) и (http://elkomspec.ru/azotnoe-pozharotushenie).
Известен способ тушения пожара в закрытых специализированных объектах и система для его осуществления (патент РФ на ИЗ №2283674, 2004 г.), существо которого состоит в упреждении возникновения пожара и, в случае его развития, разбавлении газовой среды внутри герметичного объекта или группы герметичных объектов инертным газом азотом для снижения содержания кислорода менее 15% при сохранении парциального давления кислорода не менее 12 кПа и скорости повышения давления газовой среды в герметичном объекте не более 8 кПа/с, не превышая при этом абсолютное давление в герметичном объекте более 0,4 МПа. Данный способ не применим на ПЛ, поскольку часть оборудования ПЛ рассчитана на работу в условиях повышенного давления до 0,142-0,162 МПа и при превышении давления выйдет из строя, а скорость повышения давления 8 кПа/с может негативно воздействовать на функциональное состояние членов экипажа. Кроме того, известно, что не все корабельные материалы прекращают горение при достижении 15% об. концентрации кислорода, а значит для достижения эффекта пожаротушения придется дополнительно подавать азот, еще более повышая давление в помещении ПЛ. В то же время снижение давления в помещении приведет к гипоксии.
Известен способ тушения пожара с применением тонкораспыленной воды (ТРВ) (Решетов А.П., Бондарь А.А. Аналитический обзор и совершенствование противопожарной защиты автоматическими установками пожаротушения на водном транспорте // Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах: материалы науч. - практ. конф. СПб.: СПб университет ГПС МЧС России, УСЦ «Вытегра», 2011). В качестве огнетушащего вещества в установках ТРВ применяется дистиллированная вода. Основной механизм тушения для воды - охлаждение. При попадании в область возгорания вода вскипает. Благодаря очень высокой удельной теплоте парообразования - 2256 кДж/кг - при кипении воды идет эффективный отбор тепла из зоны горения, что может привести к полному прекращению реакции горения. Кроме того, при испарении воды в зоне горения образуется пар - инертный газ, который на время препятствует газообмену продуктов горения с кислородом, а также участвует в снижении концентрации кислорода вблизи зоны горения. Таким образом, вода помимо охлаждения реализует еще два механизма тушения: изоляцию и, в незначительной степени, разбавление. Благодаря использованию в качестве огнетушащего вещества воды, подаваемой под высоким давлением, и получению капель водяного тумана величиной менее 150 микрон, защищаемый объем помещения быстро, в течение нескольких секунд, заполняется мелкодисперсным аэрозолем, сокращая при этом концентрацию кислорода, снижая температуру очага горения и изолируя его.
Известны установки пожаротушения ТРВ, общие технические требования к ним и методы испытаний определяются в НБП 80-99 (Нормы НБП 80-99. Министерство внутренних дел Российской Федерации. Государственная противопожарная служба. Нормы пожарной безопасности. Модульные установки пожаротушения тонкораспыленной водой автоматические. Общие технические требования. Методы испытаний).
К преимуществам установок ТРВ можно отнести:
3
- количество подаваемой воды, при котором проявляется эффект пожаротушения, составляет порядка 0,3 л/м, что во много раз меньше, чем при применении других систем водяного пожаротушения;
- безопасность при воздействии ТРВ на людей и материальные ценности;
- высокая дымоосаждающая способность;
- пролонгированная огнетушащая активность. По окончании работы установки водяной туман висит в помещении еще в течение 10-15 минут и благодаря конвекционным потокам продолжает поступать в зоны с повышенной температурой;
- системы ТРВ могут быть независимы от электропитания, а в качестве движителя использовать сжатый воздух или другой газ.
Общие недостатки указанных способов заключаются в невозможности получения высокого диспергирования воды и в значительном расходе сжатого газа, составляющем 40-50% от массового расхода воды.
Ближайшим прототипом является способ пожаротушения с помощью газа и тонкораспыленной воды (патент WO 9309848, 1993 г.), согласно которому смесь распыленной воды или водяного тумана и газа подается в закрытое помещение, в котором нужно потушить пожар. Это решение имеет преимущества по сравнению с полностью газовой системой. Однако авторы не рассматривают последствия применения предлагаемого способа в виде гипоксического воздействия на экипаж и воздействия повышенного давления на оборудование и пути нормализации после применения, что не позволяет применять данный способ на ПЛ.
Задачей изобретения является повышение пожаробезопасности и пожарозащищенности подводных лодок и других герметичных обитаемых объектов с обеспечением режима защиты экипажа от гипоксического воздействия и воздействия повышенного давления на оборудование.
Поставленная задача решается способом и устройством комплексного объемного тушения пожаров в герметичных обитаемых объектах, преимущественно подводных лодках, согласно которому в помещение подводной лодки подается огнетушащая среда и газ, отличающимся тем, что осуществляют подачу смеси азота с аргоном или аргона в помещение для снижения концентрации кислорода одновременно двумя путями: самостоятельно и через устройство генерирования тонкораспыленной воды с пневматическим электронезависимым приводом, в котором подаваемый газ является одновременно рабочим газом и компонентом двухфазной водно-газовой смеси для образования тонкораспыленной воды, распыляемой в помещении подводной лодки в качестве огнегасителя, при этом порция смеси азота с аргоном или аргона, подаваемая в помещение самостоятельно и/или вместе с порцией газа, подаваемого через устройство генерирования тонкораспыленной воды, в совокупности не превышает порции, положенной для снижения содержания кислорода в помещении менее 10% об. при однократной подаче, а скорость роста давления и его абсолютное значение регулируются компрессором снятия давления и оно не должно превысить абсолютного давления 0,162 МПа, и далее в процессе пожаротушения при конечном содержании аргона выше 30% об. осуществляется безопасное снижение содержания кислорода в газовоздушной среде в помещении на уровне 10% об. при однократной подаче (Солдатов П.Ф. Физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения организма кислородом в экстремальных условиях: автореф. дис. доктора мед. наук. - М.: ИМБП РАН, 2006. 41 с.), а концентрация аргона в газовоздушной среде помещения после пожаротушения устанавливается выше 30% об., при том что концентрация кислорода при этом устанавливается на длительное время более 10 часов от 14% об. до 12% об. и кратковременно до 10% об. в условиях нормального или повышенного не более 0,162 МПа давления в помещении ПЛ.
При этом устройство комплексного объемного пожаротушения, включающее баллоны с газом, соединенные магистральными трубопроводами и распределительными трубопроводами с газовыми форсунками для подачи через них смеси азота с аргоном или аргона в защищаемое помещение подводной лодки, дистанционно управляемую и ручную арматуру для управления подачей огнегасителя и контрольно-измерительные приборы, отличается тем, что в состав устройства входят генератор тонкораспыляемой воды, соединенный с распределительным трубопроводом для подачи на генератор части газа от подаваемого в защищаемое помещение подводной лодки, для создания в генераторе двухфазной газоводной смеси и для привода генератора, форсунки тонкораспыленной воды, размещенные в защищаемом помещении подводной лодки, служащие для распыления мелкодисперсной воды, а также компрессор и емкость (баллон) для снятия давления и узел для очистки компримируемой в баллон газовоздушной среды защищаемого помещения ПЛ.
Устройство включает баллоны с газом, магистральные и распределительные трубопроводы, форсунки газовые (распылители), дистанционно управляемую и ручную арматуру, контрольно-измерительные приборы, генератор тонкораспыляемой воды, соединенный с распределительным трубопроводом, и форсунки тонкораспыленной воды, размещенные в защищаемом помещении ПЛ, компрессор и емкость(баллон) для снятия давления и узел для очистки компримируемой в баллон газовоздушной среды.
Устройство работает следующим образом.
Газ азот или аргон или смесь аргона и азота находится в баллоне высокого давления под давлением до 40,53 МПа и после подачи управляющего сигнала от пульта общекорабельной системы (ОКС) для пуска системы комплексного объемного пожаротушения на дистанционно управляемую и ручную арматуру или открытие арматуры вручную газ подается из баллона под высоким давлением по магистральным трубопроводам и распределительным трубопроводам на форсунки газовые (распылители) и одновременно на устройство генерирования тонкораспыленной воды с собственным мерным резервуаром воды или подключенное к общекорабельной магистрали воды, в котором подаваемый газ смешивается с водой и играет роль рабочего газа (движителя) и он же выступает как компонент двухфазной водно-газовой смеси в пропорции до 50% на 50% по объему при рабочем давлении, и полученная таким образом смесь далее подается для образования тонкораспыленной воды на форсунки тонкораспыленной воды. При этом в защищаемом помещении постоянно контролируются контрольно-измерительными и управляющими приборами давление и концентрация кислорода, и в случае превышения уставок контроля приборами вырабатывается сигнал на дистанционно управляемую и ручную арматуру для прекращения подачи газа или подача газа прекращается вручную экипажем по показаниям приборов, или в случае их отказа или отключения подача газа прекращается после израсходования из баллона порции газа заранее установленного объема. Одновременно компрессор для снятия давления компримирует газовоздушную среду в емкость (баллон) через узел для очистки газовоздушной среды для нормализации давления в защищаемом помещении.
Подача азота с аргоном или аргона или другого инертного газа в помещение может производиться самостоятельно (помимо устройства ТРВ) через расположенные в нем форсунки подачи газа системы комплексного объемного пожаротушения.
Расчет порции воды, распыляемой в помещении, определяется объемом помещения, его конфигурацией, особенностями устройства и оборудования, его пожарной нагрузкой, а порция азота или другого инертного газа, подаваемая в помещение самостоятельно и вместе с порцией газа, подаваемого через устройство генерирования тонкораспыленной воды, не должна превышать порции, положенной для снижения содержания кислорода в помещении до 10% об. при однократной подаче.
Время подачи тонкораспыленной воды ограничено началом включения системы комплексного пожаротушения и окончанием распыления запаса однократной порции воды и находится в пределах единиц секунд.
Время подачи порции азота или другого инертного газа, подаваемого в помещение самостоятельно и вместе с порцией газа, подаваемого через устройство генерирования тонкораспыленной воды, ограничено началом включения системы комплексного пожаротушения и окончанием запаса однократной порции азота или другого инертного газа и находится в пределах десятков секунд, что определяется предельной скоростью подачи, обусловленной ограничением скорости роста давления и снижения концентрации кислорода для обеспечения минимизации вреда экипажу и оборудованию при максимальном тушащем эффекте.
Описанный способ для максимальной эффективности и безопасности требует расчета режимов пожаротушения для помещения ПЛ с учетом его объема, конфигурации, особенностей устройства и оборудования, пожарной нагрузки, режимов функционирования и количества членов и режимов работы экипажа (Иванов А.О., Беляев В.Ф., Петров В.А. Разработка критериев степени гипоксического состояния человека при пребывании в условиях регулируемых гипоксических газовых сред. Материалы межотраслевой научно-практической конференции «Кораблестроение в 21 веке: состояние, проблемы, перспективы» ВОКОР - 2014, СПб, ВУНЦ ВМФ «ВМА», 21-22 октября 2014 г.).
Расчет режимов и параметров системы комплексного пожаротушения должен проводиться на этапе проектирования системы.
В случае способа комплексного пожаротушения эффект достигается за счет синергизма, включающего:
- охлаждение очага пожара при испарении тонкораспыленной воды на границе очага пожара после ее подачи в помещение в соответствии с уравнением Вант-Гоффа для скорости химической реакции:
V2=V1·х·γ·(Т2-Т1)/10, где γ - температурный коэффициент, принимающий значение от 2 до 4. Из этого уравнения следует, что при снижении температуры на 10°С скорость реакции падает в 2-4 раза. Такое снижение весьма существенно, особенно для цепных реакций, в том числе горения. Цепные реакции развиваются лавинообразно и также лавинообразно угасают. Поэтому резкое охлаждение зоны горения может привести к полному прекращению горения;
- изоляцию очага пожара тонкораспыленной водой от поступления кислорода в зону горения;
- разбавление газовоздушной среды с понижением процентного содержания кислорода в помещении ПЛ путем подачи ТРВ и азота или другого инертного газа. В нормальном состоянии в соответствии с требованиями к обитаемости в газовоздушной среде на ПЛ поддерживается содержание кислорода в 21% об. Кислород участвует в процессе горения, остальные компоненты газовоздушной среды горение не поддерживают, но участвуют в газообмене на границе раздела фаз, конкурируя с кислородом. Для прекращения горения достаточно снизить его концентрацию примерно до 12%.
При таком способе пожаротушения достигается:
- уменьшение риска негативного воздействия пожаротушения на экипаж и оборудование ввиду уменьшения вероятности непотушения пожара при первой подаче и необходимости подачи второй порции огнегасителя для увеличения плотности тонкораспыленной воды или снижения содержания кислорода ниже 10% об. и уменьшения роста давления в помещении ПЛ;
- эффективное дымоосаждение тонкораспыленной водой;
- длительное нахождение экипажа при содержании кислорода на уровне 12% об. при нормальном давлении без существенных последствий ввиду применения аргона, что позволяет сразу с подачей регулировать давление для предотвращения выхода оборудования из строя и повышения эффективности тушения;
- более эффективное распределение по объему помещения и доставка к очагу горения аэрозоля воды вследствие применение аргона в качестве компонента двухфазной водно-газовой смеси ввиду его высокого атомного веса и одноатомного строения молекулы, что приводит к увеличению импульса аэрозоля воды при распылении.
Технический результат заключается в следующем:
- повышена эффективность тушения пожара на подводных лодках;
- сокращено время пожаротушения;
- снижено количество дыма и вредных химических веществ в газовоздушной среде ПЛ, образующихся в результате горения и пожаротушения;
- минимизировано воздействие на экипаж факторов пожаротушения (изменения давления, изменения концентрации кислорода, изменения влажности);
- обеспечено сохранение основных режимов функционирования ПЛ и сохранение работоспособности оборудования ПЛ во время и после пожаротушения.