Моделирование систем наружного противопожарного водоснабжения для оценки достаточности водоотдачи при тушении крупных пожаров на предприятиях нефтехимической промышленности

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ НАРУЖНОГО ПРОТИВОПОЖАРНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ДОСТАТОЧНОСТИ ВОДООТДАЧИ ПРИ ТУШЕНИИ КРУПНЫХ ПОЖАРОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Н.Ю. Пивоваров.

Главное управление МЧС России по Новосибирской области. А.А. Таранцев, доктор технических наук, профессор. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Изложены проблемы оценки и обеспечения достаточности водоснабжения при тушении крупных пожаров на предприятиях нефтехимической промышленности. Рассмотрено применение численных методов моделирования систем наружного противопожарного водоснабжения для оценки и обеспечения достаточности водоснабжения при тушении крупных пожаров на предприятиях нефтехимической промышленности.

Ключевые слова: система наружного противопожарного водоснабжения, тушение пожаров, моделирование, водоотдача, пожарный гидрант, планирование

MODELING SYSTEMS OF EXTERNAL FIRE-PREVENTION WATER SUPPLY FOR ASSESSING THE SUFFICIENCY WATER LOSS IN EXTINGUISHING FIRES AT THE ENTERPRISES OF PETROCHEMICAL INDUSTRY

N. Y. Pivovarov. Central administrative board of EMERCOM of Russia on Novosibirsk. A.A. Tarantsev. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

Problems of an estimation and support of sufficiency of water supply at extinguishing of large fires at the factories of the petrochemical industry. Application of numerical methods of modeling of systems of external fire-prevention water supply for an estimation and support of sufficiency of water supply at extinguishing of large fires at the factories of the petrochemical industry.

Keywords: system of external fire-prevention water supply, extinguishing of fires, modeling, water return, a fire hydrant, planning

По статистическим данным Межгосударственного совета стран СНГ по промышленной безопасности за 2012 г., на предприятиях нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в Российской Федерации произошло 18 аварий с экономическим ущербом 238 860 тыс. дол. США и количеством травмированных -14 человек (в том числе два со смертельным исходом) [1]. Аварии, связанные с взрывом технологического оборудования (ТО) и технологических установок (ТУ), на данных предприятиях в большинстве случаев сопровождаются возникновением крупных пожаров, для ликвидации которых требуется большое количество пожарной техники, личного состава Государственной противопожарной службы и огнетушащих веществ (ОТВ) (рис. 1).

Рис. 1. Авария в г. Буденновске на нефтехимическом предприятии крупнейшей российской частной нефтяной компании ОАО «ЛУКОЙЛ» - «Ставролене»

Основным ОТВ при тушении пожаров на предприятиях нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности является воздушно-механическая пена (ВМП) средней кратности, подаваемая на поверхность горючей жидкости [2]. Однако для получения ВМП и защиты не горящего ТО и ТУ требуется большое количество воды, основными источниками которой являются естественные и искусственные пожарные водоемы (ПВ) и системы наружного противопожарного водоснабжения (НППВ). При разработке документов предварительного планирования действий по тушению пожаров на данные предприятия, в них рассчитываются основные показатели, характеризующие условия возможной локализации и дальнейшей ликвидации возможного пожара, одним из которых является расход огнетушащего вещества. Одним из основных условий локализации пожара является следующее [2]:

0,ф ^ Qmp,

где Qф- фактический расход ОТВ; Qmp - требуемый расход ОТВ.

Требуемый расход ОТВ (Qmp) рассчитывается по формуле [2]:

Qmp !тр'Пт >

где Imp - требуемая интенсивность подачи огнетушащего вещества, л/(с • м2), л/(с • м), л/(с • м3), данная величина находится по справочным данным [3]; nm - параметр тушения, на который осуществляется подача огнетушащего вещества (Sm, Vm, Pm), величины параметров тушения, в зависимости от геометрической формы пожара, рассчитываются по известным формулам, которые можно найти в любом учебнике пожарной тактики.

Фактический расход огнетушащего вещества ^ф) определяется следующим образом [2]:

Qф = Nam' qcm >

где Ncm - количество технических приборов подачи огнетушащих веществ; qcm - расход прибора подачи огнетушащих веществ, л/с.

Для оценки обеспеченности объекта водой для тушения пожара величину Qф сравнивают с величиной водоотдачи водопроводной сети (ВС) Qec , используя данные табл. 1, которую можно найти в любом издании справочника руководителя тушения пожара [3].

Таблица 1. Водоотдача водопроводных сетей

Напор в ВС, м.вод.столба Вид ВС Водоотдача ВС, л/с, при диамет зе трубы, мм

100 150 200 250 300 350

10 Тупиковая 10 25 30 40 55 65

Кольцевая 25 55 65 85 115 130

20 Тупиковая 14 30 45 55 80 90

Кольцевая 30 70 90 115 170 195

30 Тупиковая 17 40 55 70 95 110

Кольцевая 40 80 110 145 205 235

40 Тупиковая 21 45 60 80 110 140

Кольцевая 45 95 130 185 235 280

50 Тупиковая 24 50 70 90 120 160

Кольцевая 50 105 145 200 265 325

60 Тупиковая 26 55 80 110 140 190

Кольцевая 52 110 163 225 290 380

70 Тупиковая 29 65 90 125 160 210

Кольцевая 58 130 182 255 330 440

80 Тупиковая 32 70 100 140 180 250

Кольцевая 64 140 205 287 370 500

Если 0ф<0вс, то считается, что объект обеспечен водой и возможный пожар может быть локализован и в дальнейшем ликвидирован. Если дф>двс, то предлагаются различные варианты решения проблемы недостатка воды.

Однако табл. 1 не дает полной информации для комплексной оценки водоотдачи ВС и не учитывает такие параметры, как количество задействованных пожарных гидрантов (111 ), удаленность ПГ от насосной станции (НС) и от соседних ПГ, перепады высот местности и напорно-расходные характеристики (НРХ) применяемых насосов. Для уточнения данных параметров предлагается использовать моделирование системы НППВ [4].

Для моделирования напорного течения в трубопроводе приняты следующие допущения [5]:

а) жидкость несжимаемая, обладающая плотностью р и кинематической вязкостью V;

б) потери давления из-за трения при течении подчинены закону Дарси-Вейсбаха:

Ар = Ад2,

где д - объемный расход; А - коэффициент гидравлического сопротивления.

Коэффициент гидравлического сопротивления учитывает линейные и местные гидравлические потери на участке трубопровода между отводами и в отводе и может быть определен из выражения:

п £ + £

А = 0,5р^ьл *м ,

1=1 ^

1

где п - количество отрезков трубопровода, образующих рассматриваемый участок; р - плотность перекачиваемой жидкости (/0воды ~ 1000 кг/м3); - коэффициент линейного сопротивления на 1-м отрезке трубопровода; - сумма коэффициентов местных

сопротивлений на /-м отрезке трубопровода; ^ - площадь проходного сечения трубопровода на г-м отрезке трубопровода, м2.

Коэффициент линейного сопротивления для круглых труб находится по выражению:

* Я

=—,

~ тг у 5 V '

а

где Ь, а - длина и диаметр трубопровод на г-м отрезке; X - коэффициент, зависящий от шероховатости стенок трубы и числа Рейнольдса, который может быть рассчитан по формуле Альтшуля:

( Кэ 1,25

а

Я« 0,11

V " У

где Кэ - абсолютная эквивалентная шероховатость стенок для труб из различных материалов;

в) известны НРХ источников жидкости (рис. 2). Для повышения напора воды в ВС в НС используются основной и резервный пожарные насосы. В качестве основного принят для расчетов насосный агрегат ОгииёЮ СЯ 150-3-2 со следующими характеристиками: 0=180 м3/ч; Н=80 м.в.ст.; N=30 кВт; п=2900 об/мин. В качестве резервного предусмотрен насосный агрегат с параметрами, аналогичными основному;

г) за основу моделирования были взяты системы уравнений баланса давлений, составленные с использованием закона Дарси-Вейсбаха (1) и характеристики центробежного насоса вида:

р(0) = Рн - А„0,

где р, 0 - текущее давление на выходе из насоса и расход насоса; рн, Ан - подача насоса и коэффициент сопротивления насоса;

д) источник и линия расположены на одинаковых уровнях, а линия представляет собой замкнутый горизонтальный в плане трубопровод с N отводами (кольцевую сеть).

Моделирование проводилось на примере реальной наружной кольцевой водопроводной сети Санкт-Петербурга по улице Пархоменко [6] диаметром 150 мм (рис. 3) при условиях включения одного, двух и трех ПГ.

Определяем коэффициент гидравлического сопротивления ПГ по формуле (2). При диаметре труб а=150 мм площадь сечения трубопровода:

„ П2 3,14 • 0,152 0 018 2

^ =-=-= 0,018 м .

44

Коэффициент местного сопротивления для подземного пожарного гидранта на наружной водопроводной сети (а=90°) по справочнику [7] £м=1,2.

Таким образом, коэффициент гидравлического сопротивления подземного пожарного гидранта при диаметре наружного водопровода 150 мм составляет:

п £ 12 А = 0,5рУ т ^мг = 0,5 1000—^— = 2 • 106 кг/м7

^ 0,0182

г ?

Определяем линейные потери на участке трубопровода по формуле (3). Коэффициент сопротивления трению на единице длины Я рассчитывается по формуле (4). Из таблицы V. 1 [8] для старых стальных сварных труб абсолютная эквивалентная шероховатость Кэ = 1.

( 1 10,25

Для трубы диаметром 150 мм - я = 0 11 -1 = 0 03. В общем виде

' I150 )

= 0,03L = 0,2L . Таким образом, подставив полученные значения в (2), получим формулу коэффициента сопротивления участка при диаметре трубопровода 150 мм:

А

участка

3,3105(6+L).

Для моделирования и расчета водоотдачи водопроводной сети коэффициенты сопротивления участков рассчитывались по формуле (5) с учетом реальных расстояний, указанных на схеме (рис. 3).

[МПа]

1.8-

0.4

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 НО 120 130 140 150 160

Q [мЧЧ

10

1 I 1 1 1 1 I 15 20

25

30

1 I 1 35

40

I I I I I I I I | 45 Q [л/С]

Рис. 2. Напорно-расходные характеристики насоса Grundfos CR 150-3-2

ПГ-16, К-150

ПГ-15,

Э К-ISO ПГ-14

ПГ-1; Л N>-___J88m «"'SO

К-150

У

Н1

\

"О-—.-___гвом

ПГ-2, К-150

пг.3

ПГ-13, К-150

Пг.

К•

Ч

1s0 nr-S,

f-tso

leoM

nS ^ 4

s° nr.?

к-150

465и

ПГ-12, K-150

o-

ПГ-8, К-150

JÄ nr.

> \ пг

ПГ-9, VIе"

К-150 Н2

\

Рис. 3. Схема расположения пожарных гидрантов на наружной водопроводной сети по ул. Пархоменко

11, К-150

Таблица 2. Моделирование водоотдачи наружной кольцевой ВС при условии включения 1, 2 и 3 ПГ

При решении систем уравнений из табл. 2 с помощью математического пакета МаШСаё14 при различных параметрах подачи насосов были получены значения, представленные в табл. 3. В качестве примера приводится результат расчета при максимальной подаче насосов:

- при включении одного ПГ результирующий расход 0 = ц01 + Ц21 = 0,099 м3/с = 99 л/с;

- при включении двух ПГ результирующий расход 0 = ц01 + Ц31 = 0,090 м3/с = 90 л/с; 02 = Ц02 + Ц32 = 0,030 м3/с = 30 л/с;

- при включении трех ПГ результирующий расход 01 = ц01 + Ц41 = 0,059 м3/с = 59 л/с; 02 = Ц02 - Ц23 = 0,035 м3/с = 35 л/с; 0 = Ц23 + Ц43 = 0,034 м3/с = 34 л/с.

По аналогичной методике были рассчитаны наружные кольцевые водопроводные сети диаметрами 100 мм и 200 мм из справочника [6] при количестве задействованных ПГ 1-3 и различных параметрах подачи насосов. Результаты расчетов сведены в табл. 3.

Таблица 3. Водоотдача наружных кольцевых ВС при количестве задействованных ПГ 1-3

Напор в ВС, м. вод. столба Количество задействованных ПГ Водоотдача ВС, л/с, при диаметре трубы, мм

100 150 200

10 1ПГ 21 35 50

2ПГ 20 5 32 11 38 14

3ПГ 16 10 9 21 13 12 22 15 14

20 1ПГ 30 49 71

2ПГ 28 7 45 15 53 20

3ПГ 23 15 12 30 18 17 31 21 20

30 1ПГ 37 61 86

2ПГ 34 8 56 18 65 24

3ПГ 28 18 15 36 22 21 38 26 25

40 1ПГ 42 70 100

2ПГ 40 10 64 21 75 28

3ПГ 32 20 17 45 25 24 44 30 29

50 1ПГ 47 78 112

2ПГ 44 11 72 24 84 31

3ПГ 36 23 19 47 28 27 49 34 33

60 1ПГ 52 86 122

2ПГ 49 12 79 26 92 34

3ПГ 39 25 21 51 31 29 54 37 36

70 1ПГ 56 92 132

2ПГ 53 13 85 28 99 37

3ПГ 42 27 23 55 33 32 58 40 39

80 1ПГ 60 99 141

2ПГ 56 14 90 30 106 40

3ПГ 45 29 25 59 35 34 62 43 42

Сравнивая полученные значения (табл. 3) с существующими табличными данными в справочниках руководителей тушения пожаров (табл. 2), нетрудно заметить, что значения водоотдачи наружных кольцевых водопроводных сетей диаметрами 100 мм, 150 мм, и 200 мм при включении двух и более пожарных гидрантов, полученные при использовании методики моделирования сетей наружного противопожарного водоснабжения, существенно отличаются от табличных данных, представленных в справочниках руководителей тушения пожаров. Это значит, что их использование может привести руководителя тушения пожара на практике к критической ошибке при расчете достаточности водоснабжения на крупном пожаре, и, следовательно, к крупным материальным потерям, а возможно, и человеческим жертвам, хотя теоретически водоотдачи должно хватить и на тушение, и на защиту. В качестве выводов могут быть предложены следующие рекомендации: - при составлении документов предварительного планирования на объекты, требующие на тушение и защиту больших расходов воды, применять уточненный расчет по предложенной методике;

- для каждой ВС рассчитать водоотдачу при различных вариантах задействования ПГ по предложенной методике и учитывать данные расчеты при ведении действий по тушению пожаров;

- при тушении пожаров на данных объектах с использованием гидрантов более одного, если случается критическая ситуация, связанная с нехваткой водоотдачи, разгружать ВС, используя ближайшие гидранты с соседней ВС.

Литература

1. Межгосударственный совет стран СНГ по промышленной безопасности: [сайт]. URL: http://www.mspbsng.org/stat_accident (дата обращения: 15.09.2013).

2. Решетов А.П., Башаричев А.В., Клюй В.В. Пожарная тактика: учеб. пособие. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2010.

3. Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. М.: Стройиздат, 1987.

4. Таранцев А.А., Пивоваров Н.Ю. Расчетная оценка водоотдачи тупиковых сетей наружного противопожарного водоснабжения // Пожаровзрывобезопасность. 2012. № 9 (21).

5. Груданова О.В., Таранцев А.А., Яркин В.В. О задачах напорного движения жидкости по горизонтальному трубопроводу с отводами // Вест. С.-Петерб. ин-та ГПС МЧС России. 2005. № 2 (9).

6. Белорусов В.Г., Михайловский А.А., Нечаев А.А. Справочник противопожарного водоснабжения г. Санкт-Петербурга. СПб., 2000.

7. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992.

8. Цыбин Л.А., Шанаев И.Ф. Гидравлика и насосы. М.: Высшая школа, 1976.