Моделирование водоотдачи кольцевых сетей наружного противопожарного водопровода

Н. Ю. ПИВОВАРОВ, начальник караула, Главное управление МЧС России по Новосибирской области

УДК 614.8

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДООТДАЧИ КОЛЬЦЕВЫХ СЕТЕЙ НАРУЖНОГО ПРОТИВОПОЖАРНОГО ВОДОПРОВОДА

Изложены проблемы обеспечения достаточности водоснабжения при тушении крупных пожаров на объектах. Показано, что на основе уравнений гидравлического баланса можно определять расходы в кольцевой сети при различном числе задействованных гидрантов и с учетом перепадов высот на местности. Рассмотрена возможность решения систем уравнений гидравлического баланса с использованием современных компьютерных систем. Проведено сравнение водоотдачи кольцевых сетей наружного противопожарного водопровода, определенной по известным справочникам и на основе компьютерного моделирования. Показано, что справочники дают завышенные значения водоотдачи, что негативно сказывается на процессе тушения реальных пожаров. Приведен пример расчета для реальной кольцевой сети Санкт-Петербурга. Сформулированы предложения по объективным оценкам водоотдачи при составлении планов тушения пожаров.

Ключевые слова: сеть наружного противопожарного водопровода; тушение крупных пожаров; моделирование водоотдачи; пожарный гидрант; планирование.

При составлении планов тушения пожаров (ПТП) [1] на объектах, входящих в соответствующие перечни гарнизонов пожарной охраны, определяется достаточность водоснабжения при ожидаемых схемах развертывания сил и средств пожарной охраны. Подачу воды в случае пожара планируется осуществлять, как правило, от пожарных гидрантов (далее — ПГ) сетей наружного противопожарного водопровода (далее — НППВ) [2]. Водоотдача этих сетей определяется по справочникам руководителя тушения пожара (РТП) [3], исходя из вида сети (тупиковая или кольцевая), диаметра трубопровода й и давления в сетир (табл. 1).

Таблица 1. Водоотдача кольцевых сетей НППВ

Напор в сети, м вод. ст. Водоотдача сети QK, л/с, при диаметре трубы d, мм

100 150 200 250 300 350

10 25 55 65 85 115 130

20 30 70 90 115 170 195

30 40 80 110 145 205 235

40 45 95 130 185 235 280

50 50 105 145 200 265 325

60 52 110 163 225 290 380

70 58 130 182 255 330 440

80 64 140 205 287 370 500

© Пивоваров Н. Ю., Таранцев А. А., 2014

Как показано в работе [4], в ходе тушения некоторых пожаров по повышенному номеру возникают ситуации, когда фактическая водоотдача сети НППВ недостаточна, хотя согласно табл. 1 [3] и ПТП данная сеть должна обеспечивать требуемый расход воды. Это резко осложняет тушение пожара и приводит к необходимости изыскивать альтернативные водоисточники, вызывать дополнительные силы и средства и т. п. В работе [4] показано также, что такая ситуация возможна из-за игнорирования ряда дополнительных факторов, влияющих на водоотдачу сети НППВ, при составлении ПТП (количества и взаимного расположения задействованных ПГ, рельефа местности, возможностей насосных станций). Применительно к тупиковым сетям НППВ дан уточненный метод оценки их водоотдачи. Для каждой сети предложено также составлять паспорт водоотдачи при различных вариантах расстановки пожарных автомобилей на ПГ.

В настоящей работе представляется целесообразным рассмотреть вопросы моделирования водоотдачи Qк кольцевых сетей НППВ с учетом различных вариантов задействования ПГ.

При моделировании водоотдачи будем использовать следующие общепринятые допущения:

1. Жидкость несжимаемая. Потери давления Ар между соседними г-м и у'-м задействованными ПГ подчиняются закону Дарси - Вейсбаха [5]:

Ар = Ад2 + р^Д^.,.;

где А — коэффициент сопротивления, кг/м7;

д. — расход воды от ,-го к ]-му задействованному ПГ, м3/с;

АН. — перепад высот между г-м и]-м задействованными ПГ (если г-й гидрант ниже ]-го, то АН,, > 0, в противном случае — АН. < 0), м; р — плотность перекачиваемой жидкости (для воды р « 1000 кг/м3);

g—ускорение свободного падения; g = 9,81 м/с2. Величина А учитывает линейные и местные гидравлические потери и определяется из выражения [4]:

А = 0,5р£

Елк + Е

м к

к = 1

где п — количество отрезков трубопровода, образующих рассматриваемый участок; Елк, Емк — коэффициент линейного сопротивления и сумма коэффициентов местных сопротивлений на к-м отрезке трубопровода; Гк — площадь проходного сечения трубопровода на к-м отрезке, м2.

Значения Емк определяются по справочникам (например, [6]). Коэффициент линейного сопротивления Елк может быть найден из выражения

Елк = ХЬ/й,

где Ь, й — длина и диаметр трубопровода на к-м отрезке, м;

X — коэффициент, зависящий от шероховатости стенок трубы и числа Рейнольдса, который может быть оценен также по формуле Альтшуля:

X« 0,11 (Кэ /й)0

Кэ — абсолютная эквивалентная шероховатость стенок для труб из различных материалов [6]. 2. Напорно-расходная характеристика насоса имеет вид [7]:

р = Рн - Ан б + рgАН,

гдер, б — давление и расход воды на выходе из насоса;

рн, Ан—гидравлические характеристики насоса; АН — перепад высот между местом расположения насоса и вводом в кольцевую сеть. 3. Водоотдача из .-го ПГ б, может быть оценена по выражению

Я] = д, ± д,к = (р, /Апг,)0

где д,к—расход от]-го задействованного ПГ к к-му; р., б, — давление и расход на выходе из]-го ПГ; Апг]. — коэффициент сопротивления]-го ПГ. На основе выражений (1)-(6) составляется система нелинейных (квадратичных) алгебраических уравнений, решение которых численными методами позволяет определить расходы {б,} из задействованных ПГ сети НППВ. Следует заметить, что может быть получено сразу несколько решений. Из них

Рис. 1. Фрагмент карты Санкт-Петербурга с нанесенными ПГ, которые могут быть задействованы при тушении 6-этажного паркинга (выделен красным) и защиты соседних зданий

\ \

02 бз

423

е2 Яг

Рис. 2. Гидравлические схемы задействования ПГ кольцевой сети НППВ: а — 1 ПГ; б—2 ПГ; в — 3 ПГ; г — 4 ПГ; д, е — 5ПГ

?23

а а а а

необходимо отобрать то, у которого значения ^у} положительные.

Искомая водоотдача кольцевой сети НППВ Qк определяется как сумма расходов из N задействованных ПГ:

Q к = £ QJ

У = 1

Если величина Qк превышает требуемый расход на тушение пожара, то считается, что водоотдача кольцевой сети НППВ достаточна. В противном случае необходимо предпринять такие меры, как повышение давления в сети, оборудование дополнительных водоисточников, подвоз воды и т. п.

Следует обратить внимание на то, что рассчитанная с помощью изложенного метода водоотдача отличается от табличных значений [3] в меньшую (!) сторону, что создает опасный прецедент. Другими словами, составление ПТП с использованием таблиц справочника [3] может привести к ошибочному (!) выводу о достаточности водоснабжения на объекте.

На практике может оказаться, что водоотдача кольцевой сети НППВ недостаточна со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями.

Для наглядности данный подход продемонстрирован на примере реальной кольцевой сети НППВ Санкт-Петербурга по просп. Пархоменко [8] диаметром й =150 мм (рис. 1) при условии включения от 1 до 5 ПГ. Схемы показаны на рис. 2. Полагая, что используются насосы типа ОгцпёЮ СЯ, перепады высот незначительны (АН¡у ~ 0, что характерно для Санкт-Петербурга), а гидравлические сопротивления ПГ одинаковы, для различных вариантов задействования ПГ провели моделирование водоотдачи этой сети в среде МаШСаё* путем решения уравнений, представленных в табл. 2, с учетом расстояний (табл. 3). Результаты моделирования приведены в табл. 4. Как следует из полученных результатов, данные о водоотдаче кольцевой сети НППВ, при-

* Промежуточные данные, результаты и тексты программ не приводятся.

Таблица 2. Уравнения для моделирования водоотдачи кольцевой сети НППВ при задействовании нескольких ПГ

Схема

Исходные уравнения

Уравнения для расчетов

Рис. 2,а

Рис. 2,6

Рис. 2,в

Рис. 2,г

Рис. 2,д

Р0 - Р н1 - А н1 д01 + рg

Р1 = Апг

Р0= Рн1- Ан1(д01+ д02> + р.(Нн1- Н0) Р1 = Апг1(ди + д31)2 + рg(Нгl- Нд Р2 Р3:

Ро-Ро-

Р3- Р1= А31 д21 + р.

= Апг2

-Р1= А01 до1 + р.(Н1- Ю -Р2= А02 д02 + р.(Н2- Н0>

=Рн1- Ан1

- Р1 = А01 до1 + р.

- Р2= А02 д02 + р.

- Р3= А23 д23 + р.

- Р1= А41 д21 + р.

- Р3= А43 д43 + р.

=Рн1- Ан1

- Р1= А01 до1 + р.

- Р2= А02 д02 + р.

- Р3= А23 Я°3 + р.

- Р4= А14 д24 + р.

- Р4= А54 д24 + р.

- Р3= А53 д523 + р.

= Рн1 - Ан1

- Р1= А01 до1 + р.

- Р2= А02 д02 + р.

- Р3= А23 д23 + р.

- Р4= А14 д24 + р.

- Р4= А54 д24 + р.

- Р3= А63 дб3 + р.

- Р5= А65 дб5 + р.

р н 1 + р.(Н н1 - Н г ) - А пг( д01 + д21 ) + (А н1 А01 ) до1

р н2 + р.(Н н2 - Н г) - А пг( д01 + д21 ) + (А н2 А21 ) д21

61 = д01 + д21>0

бк =б1

Рн1 + р.(Нн1- Нг1) = Ан1(д01 + д02)2 + Апг1(д01 + д31)2 + А01 д° Рн1 + р.(Нн1 - Нг2) = Ан1(д01 + д02)2 + Апг2(д02 + д32)2 + А02 до2 Рн2 + р.(Нн2 - Нг1) = Ан2(д31 + д32)2 + Апг1(д01 + д31)2 + А31 4^1 Рн2 + р.(Нн2 - Нг2) = Ан2(д31 + д32)2 + Апг2(д02 + д32)2 + А32 д22

61 = д01 + д31>0

62 = д02 + д32>0

бк =б1+ б2

Рн1 + р.(Нн1- Нг1) = Ан1(д01 + д02)2 + Апг1(д01 + д41)2 + А01 д° Рн1 + р.(Нн1 - Нг2) = Ан1(д01 + д02)2 + Апг2(д02 - д23)2 + А02 д0O Рн2 + р.(Нн2 - Нг1) = Ан2(д41 + д43)2 + Апг1(д01 + д41)2 + А41 д° - Нг3) = Ан2(д41 + д43)2 + Апг3(д23 + д43)2 + А43 Ч°3

Рн2 + р.(Нн2

р.(Нг2 - Нг3) = Апг3(д23 + д43)2 - Апг2(д02 - д23)2 +А23 д23

61 = д01 + д41>0

62 = д02- д23>0

63 = д43 + д23>0

бк =б1+ б2 + б3

Рн1 + р.(Нн1- Нг1)= Ан1(д01 + д02) + Апг1(д01- ди) + А01 до1 Рн1 + р.(Нн1 - Нг2) = Ан1(д01 + д02)2 + Апг2(д02 - д23)2 + А02 дю Рн2 + р.(Нн2 - Нг3) = Ан2(д54 + д53)2 + Апг3(д23 + д53)2 + А53 423 Рн2 + р.(Нн2 - Нг4) = Ан2(д54 + д53)2 + Апг4(д14 + д54)2 + А54 Ч°4 р.(Нг1 - Нг4) = Апг4(д14 + д54)2 - Апг1(д01 - д14)2 + А14 д° р.(Нг2 - Нг3) = Апг3(д23 + д53)2 - Апг2(д02 - д23)2 + А23 д^

61 = до1- д14>0

62 = до2- д23>0

63 = д23 + д53>0

64 = д14 + д54>0

бк = б1 + б2 + б3 + б4

Рн1 + р.(Нн1 -Рн1 + р.(Нн1 -Рн2 + р.(Нн2 -Рн2 + р.(Нн2 -р.(Нг1 - Нг4) = р.(Нг2 - Нг3) = р.(Нг5 - Нг4) = б1 = д01 - д14 : д02 д23

63 = д23 + д63

64 = д14 + д54

65 = д65- д54

бк =б1+ б2

Нг1)=Ан1(до1 +

Нг2) = Ан1(д01 +

Нг3) = Ан2(д65 +

Нг5) = Ан2(д65 +

:Апг4(д14+ д54)2

:Апг3(д23 + д63)2

: Апг4(д14 + д54) >0 >0 >0 >0 >0

+ б3 + б4 + б5

д02) + Апг1(д01 д14) + А01 д0°1 д02) + Апг2(д02- д23) + А02 д0O д63)2 + Апг3(д63 + д23)2 + А63 д623

д63)2 + Апг5(д65- д54)2 + А65 д°5

- Апг1(д01 - д14) + А14 д14

- Апг2(д02 - д23) + А23 д23

- Апг5(д65 - д54) + А54 д54

Окончание табл. 2

Схема

Исходные уравнения

Уравнения для расчетов

Рис. 2,е

Р0= Ph1- 40l) + Pg

Pl = Апг1

P0 - P1 = A01 qi)1 + Pg

P6 - P1 = A61 + Pg

P6 - P5 = A65 ^65 + Pg

Ph1 + Pg(hH1- hr1) = AH1(?01 + ?02)2 + Anr1(?01 + %1)2 + A01 qm Pí1 + Pg(hH1 - hr2) = AH1(q01 + q02)2 + Anr2(q02 - q23)2 + A02 qí)2 Ph2 + Pg(hH2- hr1) = AH2(q65 + q61)2 + Anr1(q01 + q61)2 + A61 q^ Ph2 + Pg(hH2 - hr5) = AH2(q65 + q61)2 + Anr5(q65 - q54)2 + A65

Pg(hr3 - hr4) = Anr4(q34 + q54) Pg(hr2 - hr3) = Anr3(q23 - q34)2 " Pg(hr5 - hr4) = Anr4(q24 + q54)2

Q1 = q01 + q61>0

q2 = q02- q23>0 Q3 = q23- q34>0 Q4 = q34 + q54>0 q5 = q65- q54>0

QK = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5

Anr3(q23 Anr2(q02 Anr5(q65

q34) + A34 q34 q23) + A23 q23 q54) + A54 q54

Примечание. Л,-, Лт,- — высота г'-го узла сети и г'-го ПГ.

Таблица 3. Исходные данные для расчета водоотдачи кольцевой сети НППВ (см. рис. 1) при различном числе N задействованных ПГ

N Расстояние между насосами и ПГ, м Схема

1 ПГ-1-*-- т _____1781 %..........*Н1 .................................. ' -* Н2 Рис. 2,а: ПГ-1 — тчк. 1

2 1111 ______1781 ^ ПГ-2 <-—-. Н2 Рис. 2,6: ПГ-1 — тчк. 1 ПГ-2 — тчк. 2

3 -- ^ --- ^ ПГ-2 ч- ПГ-3 <- н2 J 260 915 Рис. 2,в: ПГ-1 — тчк. 1 ПГ-2 — тчк. 2 ПГ-3 — тчк. 3

4 ПГ-16 ПГ"1 " -- —........................... ¡Os......ПГ-2 <- ПГ-3 <- Н2 J 260 915 Рис. 2,г: ПГ-1 — тчк. 1 ПГ-2 — тчк. 2 ПГ-3 — тчк. 3 ПГ-16—тчк. 4

5 J^r ПГ-16 —188 > ПГ-15 ПГ-1 ^ ^^^^^^^^ /Qj^- ПГ-2 <- ПГ-3 <-> Н2 260 915 Рис. 2,д ПГ-1 — тчк. 1 ПГ-2 — тчк. 2 ПГ-3 — тчк. 3 ПГ-16—тчк. 4 ПГ-15 — тчк. 5

веденные в справочнике РТП [3], являются завышенными.

Выводы

1. Уточненная оценка водоотдачи кольцевой сети НППВ на основе моделирования расходов из задействованных ПГ показала, что в справочниках РТП могут быть даны завышенные значения. Этим и объясняются проблемы, возникающие из-за недо-

статочности водоснабжения при тушении некоторых крупных пожаров.

2. При составлении ПТП объектов, где задействованы ПГ кольцевых сетей НППВ, целесообразно проводить уточненное моделирование их водоотдачи на основе изложенного подхода.

3. Данный подход может быть положен в основу рекомендуемого приложения к СП 8.13130.

Таблица 4. Результаты расчетных оценок водоотдачи кольцевой сети НППВ при диаметре трубы 150 мм и различных вариантах задействования ПГ

Количество Водоотдача сети Qк, л/с, при заданном напоре, м вод. ст. Схема задейст-

ПГ N 10 20 30 40 50 60 70 80 вования ПГ

1 28 39 48 55 62 68 73 78 Рис. 2,а

11 16 20 23 25 28 30 32

2 25 36 44 51 57 62 67 72 Рис. 2,6

36 52 64 74 82 90 97 104

13 18 23 26 29 32 34 37

3 13 19 23 26 30 32 35 37 Рис. 2,в

17 24 29 33 37 41 44 47

43 61 75 85 96 105 113 121

10 15 18 21 24 26 28 29

10 15 19 22 24 26 28 30

4 12 16 20 23 26 28 30 32 Рис. 2,г

12 16 20 23 26 28 30 32

44 62 77 89 100 108 116 123

7 10 12 14 17 17 19 20

7 10 13 15 17 18 19 20

5 8 11 12 15 14 19 17 21 20 26 20 27 22 29 23 31 Рис. 2,д

11 15 19 21 26 27 29 31

44 62 77 88 106 109 118 125

По справочнику РТП [3] 55 70 80 95 105 110 130 140

Примечание. В строках приведены расходы Qj для каждого из ПГ.

4. В дальнейшем планируется провести моде- учетом повреждений различных участков трубопро-лирование водоотдачи кольцевых сетей НППВ с вода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические рекомендации по составлению планов и карточек тушения пожаров : утв. МЧС России 29.09.2010 г. — М., 2010. URL : www.6pch.ru (дата обращения: 01.09.2014 г.).

2. Иванов Е. Н. Противопожарное водоснабжение. —М. : Стройиздат, 1986.

3. ПовзикЯ. С. Справочник руководителя тушения пожара. —М. : ЗАО "Спецтехника", 2004.

4. ТаранцевА. А., ПивоваровН. Ю. Расчетная оценка водоотдачи тупиковых сетей наружного противопожарного водоснабжения // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, №9. — С. 73-78.

5. Чугаев Р. Р. Гидравлика (техническая механика жидкости). — Изд. 4-е, перераб. и доп. — Л. : Энергоиздат, 1982.

6. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М. : Энергия, 1975.

7. Груданова О. В., Таранцев А. А. Аналитическое описание характеристик совместно работающих насосов // Вестник Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России. — 2006. — № 1(12)-2(13). — С. 62-68.

8. Белорусов В. Г., Михайловский А. А., Нечаев А. А., Чернышов С. В. Справочник противопожарного водоснабжения г. Санкт-Петербурга. — СПб. : Управление ГПС ГУВД СПб и ЛО, 2000.

Материал поступил в редакцию 11 сентября 2014 г.

MODELING WATER LOSS OF RING NETWORKS EXTERNAL FIRE WATER SUPPLY

PIVOVAROV N. Yu., Chief of Fire Guard, Main Department of Emercom of Russia in Novosibirsk Region

TARANTSEV A. A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Saint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia

ABSTRACT

There are presented the problems of ensuring the adequacy of water supply to extinguish large fires on site. On the basis of the hydraulic balance equations, it is possible to determine the cost of the ring with a different number of personnel involved hydrants and taking into account the height differences in the terrain. It is shown that the possibility of solving systems of equations of the hydraulic balance with the use of modern computer systems. Acomparison of water loss of the ring of external fire water supply, according to a certain well-known directories and on the basis of computer modeling is performed. It is shown that guides give overestimated values of water loss, which negatively affects to extinguish real fires. It is presented an example of a calculation for a real ring network in Saint Petersburg. There are formulated proposals for objective estimates of water loss in planning fighting fires.

Keywords: system of external fire-prevention water supply; extinguishing of large fires; modeling of water loss; fire hydrant; planning.

REFERENCES

1. Guidelines for the preparation of plans and cards fighting fires. Available at: www.6pch.ru (Accessed 1 September 2014) (in Russian).

2. Ivanov E. N. Protivopozharnoye snabzheniye [Fire water]. Moscow, Stroyizdat, 1986.

3. Povzik Ya. S. Spravochnik rukovoditelya tusheniyapozhara [Reference head of fire extinguishing]. Moscow, JSC "Spetstekhnika" Publ., 2004.

4. Tarantsev A. A., Pivovarov N. Yu. Raschetnaya otsenka vodootdachi tupikovykh setey naruzhnogo protivopozharnogo vodosnabzheniya [Design estimate of water runout in deadlock networks of an external fire-prevention water supply system]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 9, pp. 73-78.

5. Chugaev R. R. Gidravlika (tekhnicheskaya mekhanika zhidkosti) [Hydraulics (technical fluid mechanics)]. Ed. 4th, revised. and ext. Leningrad, Energoizdat, 1982.

6. Idelchik I. E. Spravochnikpo gidravlicheskim soprotivleniyam [Handbook of hydraulic resistance]. Moscow, Energiya Publ., 1975.

7. Grudanova O. V. Tarantsev A. A. Analiticheskoye opisaniye kharakteristik sovmestno rabotayushchikh nasosov [Analytical description of the characteristics of pumps working together]. Vestnik Sankt-Peter-burgskogo instituta GPS MChS Rossii — Herald of Saint Petersburg Institute of Emercom of Russia, 2006, no. 1(12)-2(13), pp. 62-68.

8. Belorusov V. G., Mikhaylovskiy A. A., Nechaev A. A., Chernyshov S. V. Spravochnik protivopozharnogo vodosnabzheniya g. Sankt-Peterburga [Directory of fire water supply in Saint Petersburg]. Saint Petersburg, Management GPS Internal Affairs of Saint Petersburg and Leningrad Region Publ., 2000.