СПОСОБ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ НА КРУПНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ С ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИМИСЯ И ГОРЮЧИМИ ЖИДКОСТЯМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF EXTINGUISHING FIRES ON LARGE TANKS WITH FLAMMABLE AND COMBUSTIBLE LIQUIDS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
2
Известна система тушения пожаров на крупных резервуарах с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, включающая в себя N≥2 управляемых стволов пеногенераторов, размещенных по периметру резервуара, стволы пеногенераторов при этом расположены под углом минус 2-10 градусов к горизонтальной поверхности горючей жидкости, у основания факела пламени пожара используется однородная водовоздушная пена 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, а 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 - RU 2651784 С2, 2018 г.
Недостаток применения известного способа состоит в том, что стволы в процессе тушения пожара перемещают пенные струи по поверхности горящей жидкости с помощью электропривода. Но на резервуары с ЛВЖ-ГЖ допускается устанавливать любые устройства только во взрывозащищенном, пожаробезопасном исполнении.
Это связано с тем, что вокруг резервуаров с ЛВЖ-ГЖ всегда может образоваться пожаровзрывоопасная смесь паров горючей жидкости с воздухом, поэтому в конструкции автоматических систем пожаротушения допускается использовать системы, устройства и агрегаты только в пожаробезопасном и во взрывозащищенном исполнении, что приводит к повышению цены этих узлов системы в 3-4 раза.
Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ защиты резервуаров с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями от взрыва и при пожаре путем подачи из узла ввода сверху на внутреннюю стенку резервуара по меньшей мере двух струй огнетушащего вещества, которое подают горизонтальными струями по стенке резервуара в одну сторону или одновременно по часовой и против часовой стрелки, чтобы оси струй не пересекались, при этом огнетушащее вещество подают с напором, обеспечивающим образование на стенке резервуара кольца из огнетушащего вещества, причем в качестве огнетушащего вещества используют пену низкой кратности или воду - RU 2334532 С2, 2008 г.
Недостаток прототипа тот же, что и вышеприведенного аналога, т.е. недостаточная пожаробезопасность и взрывозащищенность при высокой цене всех узлов и систем.
В связи с указанными недостатками, техническая задача, решаемая с помощью изобретения, заключается в создании системы тушения пожаров на крупных резервуарах с ЛВЖ-ГЖ путем повышения эффективности процесса тушения при одновременном упрощении известной технологии и устройств, применяемых для ее реализации. Эффективность процесса тушения здесь заключается также в сокращении времени тушения и уменьшении требуемого количества пенообразователя. Экономический эффект изобретения связан со значительным удешевлением всей системы тушения.
Вышеуказанные эффекты реализованы в способе тушения пожаров на крупных резервуарах с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, при котором из устройств тушения сверху резервуара на внутреннюю его стенку подают одновременно и синхронно несколько струй огнетушащей пены горизонтально по стенке резервуара в одну сторону с напором, обеспечивающим образование около стенки резервуара кольцевого слоя огнетушащей пены, причем, несколько струй огнетушащей пены образуют соответствующее количество колец пены на поверхности горящей жидкости за счет изменения угла поворота устройств тушения для каждой струи, количество струй огнетушащей пены соответствует количеству N устройств тушения, радиусы колец непрерывно уменьшаются до полного их сокращения в центре резервуара, при этом весь процесс тушения пожара разбит на несколько этапов К=R/B, где: К - количество этапов тушения, R - радиус резервуара, В - ширина полосы протушивания, а количество N устройств тушения вычисляется по формуле: N=Qтp/Qc, где: Qтр - требуемый расход на тушение данного пожара в л/с, Qc - расход данного типа устройства тушения, в л/с.
Частные случаи использования способа предполагают, во-первых, подачу огнетушащей пены кратностью Кп=30±10 и, во-вторых, диапазон синхронных углов поворота устройств тушения для струй огнетушащей пены на каждом этапе тушения равным от 30 до 90 град.
3
3
Для повышения фактической интенсивности подачи пены на тушение и для снижения потерь пены от разрушения в процессе, тушение начинается с создания по периметру резервуара первоначального пристеночного кольца слоя пены толщиной 25-50 см и шириной от 3-4 метра - для резервуаров до 30-40000 м и шириной 6-8 м - для резервуаров 50-100000 м и более.
Постепенно все струи пены синхронно перемещаются, стягиваются к центру резервуара, увеличивая ширину пенного кольца вокруг пламени пожара и сокращая площадь горения в центральной части резервуара до полного его тушения на всей площади горения.
Тушение пожара по предлагаемому способу позволяет управлять фактической интенсивностью подачи пены и, что еще важнее - управлять процессом формирования потерь пены в ходе тушения пожара. Известно, что эффективность тушения пропорциональна интенсивности подачи огнетушащего средства (ОС) и обратно пропорциональна доле потерь ОС в процессе тушения пожара.
Способ поясняется фиг. 1, где показана схема тушения по предлагаемому способу для К=7, т.е. семи этапов тушения. Здесь показано количество устройств тушения N=6, т.е. шесть лафетных стволов 1.
Для РВС разных диаметров количество этапов К и количество N устройств тушения может быть различным.
3
2
Для РВС 10000 м с диаметром резервуара Dp=28,5 м, площадь пожара Fп=638 м; радиус резервуара R=14,25 м, ширина полосы протушивания В=2 м. Тогда количество этапов К=14,25/2=7,125 - 7 этапов.
2
Количество устройств тушения N=Qтp/Qc, где требуемый для тушения секундный расход раствора пенообразующей жидкости Qтp=Fп*Iн, где нормативная интенсивность подачи раствора Iн=0,1 л/м*с, a Qc=30 л/с (например, для лафетных стволов типа ЛС-С30). Тогда N=Qтр/Qc=638*0,1/30=2,1266, принимаем N=2 шт.
3
2
Для РВС 100000 м диаметр резервуара Dp=86 м, площадь пожара Fп=5806 м, радиус резервуара R=43 м, ширина полосы протушивания В=6 м. Тогда количество этапов N=43/6=7,5 - 7 этапов.
2
Количество устройств тушения N=Qтp/Qc, где требуемый для тушения пожара секундный расход раствора пенообразующей жидкости равен Qтp=Fп*Iн, где Iн=0,1 л/м*с. Тогда Qтр=Fп*Iн=5806*0,1=580,6 л/с. А количество устройств тушения N=Qтp/Qc=580,6/60=9,6767, где Qc=60 л/с - секундный расход по раствору пенообразующей жидкости (например, для лафетных стволов типа ЛС-С60). Примем требуемое количество устройств тушения равным 10.
Первый этап - тушение синхронной подачей пены изо всех устройств тушения горизонтально по стенке резервуара в одну сторону с напором без изменения угла поворота устройств тушения (лафетных стволов) с первоначальным их положением -30 градусов по касательной к борту резервуара. При этом около стенки резервуара образуется кольцевой слой огнетушащей пены с указанной шириной полосы протушивания (для двух вариантов, рассмотренных выше - это 2 м и 6 м).
Второй этап - тушение синхронной подачей струй пены изо всех устройств тушения в пограничную с пламенем зону первичного пенного слоя путем изменения угла поворота каждого ствола на 10 град.
Последующие пять этапов аналогичны второму. Полный поворот каждого лафетного ствола в процессе тушения пожара равен 60 град., что в сумме с первоначальным их положением - 30 градусов, достигает 90 град. - направления в центр резервуара, т.е. полного тушения пожара.
Продолжительность каждого этапа тушения и скорость поворота стволов вокруг собственной оси (т.е. скорость перемещения пенной струи по поверхности резервуара), соответствуют расчетным параметрам процесса тушения, получаемым из аналитического расчета процесса тушения и задаются механизмом гидропривода системы поворота лафетных стволов.
3
3
2
2
В Таблице приведены расчетные значения времени тушения пожара на каждой его стадии для всех типоразмеров резервуаров: от РВС 10000 м и до РВС 100000 м, для 2-х значений интенсивности подачи пены по расходу пенообразующего раствора: для нормативного значения, порядка 0,1 л/м*с и рекомендуемого по предлагаемому способу тушения, порядка 0,2 л/м*с, принятого нами условно за оптимальную.
Итого: 317/60=5,28 мин - при нормативной интенсивности подачи пенообразующего раствора, 154/60=2,57 мин - при интенсивности подачи по способу.
2
2
Как следует из Таблицы, время полного тушения пожара на резервуарах любой емкости составляет всего порядка 5,3 мин (при нормативном времени тушения пожара на РВС 10000 порядка 10-15 мин, на более крупных резервуарах - еще больше). Это при расчете на нормативную интенсивность подачи пенообразующего раствора порядка 0,1 л/м*с. Но при расчете на тушение с оптимальной интенсивностью подачи раствора, равной порядка 0,2 л/м*с, оно может быть сокращено до 2,5-2,6 мин при условии соблюдения основных рекомендаций процесса тушения по предлагаемому способу.
Следует отметить, что наиболее эффективно применение огнетушащей пены кратностью Кп=30±10.
Заданная в способе постадийная, поочередная схема тушения позволяет управлять долей потерь пены (в сторону их непрерывного уменьшения) от разрушения пены в процессе тушения, что повышает эффективность процесса тушения пожара, отказ от системы обратной связи результата тушения пожара с требованиями по подаче пены на тушение упрощает управление процессом тушения.
2
Соблюдение предлагаемой технологии тушения пожаров ГЖ на крупных резервуарах позволяет не только обеспечить эффективное тушение пожара за короткое время, но и существенно снизить расход пенообразователя на процесс тушения. По действующим Нормативным документам удельный расход пенообразователя порядка 3,6 (5,4) л/м площади пожара. Соответственно, на тушение РВС 10000 необходимо порядка 2,6 (3,9) тонн пенообразователя (+обязательный запас, порядка 5,2 (7,8) тонн). А на РВС 100000, соответственно, 25 (37,5) тонн (+обязательный запас, порядка 50 (75) тонн). На тушение пожара на РВС 10000 по предлагаемому способу требуется всего порядка 1,36 тонны пенообразователя, а на РВС 100000 - порядка 12,6 тонны, т.е. почти ровно в 2 раза меньше, чем по действующим нормативам. И в силу высокой эффективности тушения пожара по предлагаемой технологии, можно отказаться или, по меньшей мере, вдвое сократить запас дополнительно требуемого пенообразователя, хранимый на всех объектах ТЭК России.
Известны устройства тушения пожаров - пожарные лафетные стволы - например, представленные в патентах RU 2372124 C1, RU 2375093 С1.
За наиболее близкий аналог изобретения можно принять стандартный лафетный ствол промышленного производства ЛС-С30 (С40, С60), предназначенный для тушения крупных пожаров и содержащий корпус, опору, соединительные головки на двух приемных патрубках корпуса, рукоятку, входной патрубок, колено, выходной патрубок, шпиндель и потокоформирующий конический насадок.
Этот ствол предназначен также для тушения пожаров на взрывоопасных объектах.
Недостаток всех аналогов состоит в том, что их применение требует электропривода, но, как было указано выше, вокруг резервуаров с ЛВЖ-ГЖ всегда может образоваться пожаровзрывоопасная смесь, поэтому в конструкции автоматических систем пожаротушения допускается использовать системы только в пожаробезопасном и во взрывозащищенном исполнении, что приводит к повышению цены этих узлов системы в 3-4 раза.
В связи с этим, техническая задача, решаемая с помощью изобретения, заключается в создании устройства тушения пожаров на крупных резервуарах с ЛВЖ-ГЖ путем повышения эффективности процесса тушения - сокращения времени тушения и уменьшения требуемого количества пенообразователя при одновременном упрощении известной технологии и устройств, применяемых для ее реализации, в повышении надежности и экономичности всей системы пожаротушения.
Для достижения полной пожаровзрывобезопасности всей системы пожаротушения предлагается заменить все электроприводы системы пожаротушения на гидроприводы. Причем, в качестве рабочего тела в гидросистеме управления процессом тушения предлагается использовать сам раствор пенообразующей жидкости.
Эта задача решена в устройстве тушения пожаров на крупных резервуарах с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, включающем в себя лафетный ствол со входным патрубком, содержащим фланец и стойку, и выходным патрубком с насадком, патрубки связаны шарнирным соединением. В устройство дополнительно введены: гидропривод с кронштейном для его жесткого крепления на стойке входного патрубка, зубчатый сектор с углом 60-80 град., жестко соединенный с выходным патрубком, и штуцер отбора пенообразующего раствора пенообразователя, закрепленный на стойке входного патрубка. Гидропривод содержит: главный цилиндр с поршнем, управляющим выдвижным штоком с зубчатой рейкой, центральной трубкой питания, выполненной с отверстиями в ее стенке и сообщающейся с каналом подачи пенообразующего раствора пенообразователя, а количество отверстий Р в стенке трубки питания равно К-1, где К - количество этапов тушения.
Изобретение, в своих частных вариантах, может быть дополнено признаками, конкретизирующими виды жесткого соединения элементов устройства, а также -выполнения гидропривода:
- жесткое соединение кронштейна гидропривода со стойкой лафетного ствола и зубчатого сектора с выходным патрубком осуществляется с помощью сварки или болтовым соединением;
- канал подачи пенообразующего раствора пенообразователя центральной трубки питания сообщается, через перекрывной клапан, со штуцером отбора пенообразователя;
- на выходе штуцера отбора пенообразующего раствора пенообразователя, в канале его подачи в центральную трубку питания, установлен фильтр;
- канал подачи пенообразующего раствора пенообразователя центральной трубки питания сообщается, через линию подвода пенообразователя, с промежуточным накопительным гидроцилиндром;
- при отрицательных температурах промежуточный накопительный гидроцилиндр заполняют тосолом.
На фиг. 2 приведена конструкция устройства тушения пожаров, на фиг. 3 - схема гидропривода.
Устройство по фиг. 2 содержит лафетный ствол 1 со входным патрубком 2, содержащим фланец 3 и стойку 4 и выходной патрубок 5 с насадком 6. Патрубки 2, 5 связаны шарнирным соединением 7.
Зубчатый сектор 8 с углом 60-80 град, жестко соединен, с помощью сварки или болтовым соединением, с выходным патрубком 5 лафетного ствола 1.
Штуцер 9 отбора пенообразующего раствора пенообразователя закреплен на стойке 4 входного патрубка 2.
Схема гидропривода, закрепляемого сваркой или болтовым соединением с помощью кронштейна 10 на стойке 4 входного патрубка 2, приведена на фиг. 3.
Гидропривод содержит главный цилиндр 11 с поршнем 12, управляющим выдвижным штоком 13 с зубчатой рейкой, центральной трубкой питания 14, выполненной с отверстиями 15 в ее стенке и сообщающейся с каналом 16 подачи пенообразующего раствора пенообразователя, который сообщается, через перекрывной клапан 17, со штуцером 9 отбора раствора пенообразователя.
Работа зубчатого сектора 8 происходит в диапазоне 60 град., а 10 град. - на «заход» зубчатого сектора 8 и 10 град. - на «выбег» рейки штока 13 и сектора 8 на стволе 1, т.е. гарантирующие рабочий ход запасы.
На выходе штуцера 9 отбора пенообразующего раствора пенообразователя, в канале 16 его подачи в центральную трубку питания 14, установлен фильтр 18 для фильтрации раствора пенообразующей жидкости от примеси твердых частиц размером более 0,5 мм.
Канал 16 подачи пенообразующего раствора пенообразователя центральной трубки питания 14 сообщается, через линию 19 подвода пенообразователя, с промежуточным накопительным гидроцилиндром 20.
Работа устройства представлена для семи этапов тушения и осуществляется следующим образом.
По сигналу «Пожар» от автономной системы сигнализации пожара в резервуаре, в насосной станции включаются насосы и раствор пенообразователя для генерации огнетушащей пены поступает в гидросистему системы автоматического пожаротушения (САПТ). Рабочее давление в системе порядка 5 атм.
Одновременно раствор пенообразователя поступает в промежуточный накопительный гидроцилиндр 20 объемом примерно 0,848 л. Время его заполнения порядка 108 секунд. В это время пена подается синхронно из неподвижных лафетных стволов на стенку резервуара (с внутренней его стороны) для создания первичного кольца пенного слоя шириной порядка 3-4 метров и толщиной слоя пены порядка 25 см.
В момент заполнения раствором промежуточного накопительного гидроцилиндра 20, на нем закрывается поплавковый дренажный клапан 21 для выпуска воздуха, и резко возрастает давление рабочей жидкости до 5 атм. Этим давлением открывается перекрывной клапан 17 на центральной трубке питания 14 главного цилиндра 11 и раствор попадает в центральную трубку питания 14 главного цилиндра 11. Через поперечное отверстие 15 малого диаметра, которых по трубке на равном расстоянии размещено шесть (для семи этапов тушения), раствор попадает под поршень 12 главного цилиндра 11. Под действием силы давления раствора под поршнем 12, он начинает перемещаться, одновременно выдвигая из главного цилиндра 11 управляющий выдвижной шток 13 зубчатой рейкой, находящейся в зацеплении с зубчатым сектором 8, который передает вращательный момент на выходной патрубок 5 лафетного ствола 1.
Второй этап. Выходной патрубок 5 с насадком 6 начинает медленно вращаться с заданной скоростью. При этом все устройства, размещенные сверху резервуара, начинают поворачиваться одновременно и синхронно.
Это стадия расширения пенного слоя внутрь резервуара - сжимающая, стягивающая слой пены вокруг зоны горения пожара. Она длится порядка 80 секунд, пока поршень 12 не продвинется и не откроет второе питающее отверстие 15 малого диаметра на центральной трубке питания 14.
Третий этап - это момент открытия второго питающего отверстия 15. Скорость притока рабочей жидкости под поршень 12 главного цилиндра 11 возрастет, увеличится скорость его перемещения и выдвижения задающего закон тушения штока 13 с зубчатой рейкой. Третий этап длится порядка 60 секунд.
Остальные четыре этапа проходят со все возрастающей скоростью движения поршня 12 и задающего штока 13, пока время тушения центрального участка пожара в самом центре резервуара не сократится до 5 секунд.
При пересечении всех пенных струй в центре резервуара пожар будет полностью потушен.
Управление тушением фактически осуществляется средством тушения -раствором пенообразующей жидкости для получения огнетушащей пены по заранее заданной программе. Продолжительность каждого этапа тушения и скорость поворота стволов 1, т.е. скорость перемещения пенных струй по поверхности горючей жидкости в резервуаре, соответствуют расчетным параметрам процесса тушения, получаемым из аналитического расчета процесса тушения, задаваемого механизмом гидропривода системы поворота стволов. А сама система гидропривода и управления процессом тушения обеспечивается за счет рабочего давления пенообразующего раствора в системе питания лафетных стволов с момента поступления сигнала о пожаре. Время фактического тушения пожара на каждом этапе сокращается пропорционально росту фактической интенсивности подачи ОС на каждом этапе тушения пожара и пропорционально снижению потерь пены от разрушения ее в процессе тушения.
В итоге расчетное время тушения уменьшается почти вдвое по сравнению с нормативным и практически не зависит от размеров резервуара, а удельный расход пенообразователя снижается в два раза по сравнению с нормативным.
Задание программы тушения средством тушения - раствором огнетушащей жидкости - связано, в частности, с расчетом диаметра отверстий 15 на центральной трубке питания 14, пример которого приведен ниже.
Зная расчетное время тушения на каждом этапе тушения и давление рабочей жидкости - раствора пенообразователя - определяют требуемый объем промежуточного накопительного гидроцилиндра 20, главного цилиндра 11 гидропривода и численные значения диаметров отверстий 15 на центральной трубке питания 14.
3
3
Объем промежуточного накопительного гидроцилиндра 20 - Vпц (см) будет равен Vпц=q×t1, где q - секундный расход рабочей жидкости через отверстие 14 - (см/с), а t1 - продолжительность 1-ого этапа тушения (с), полученное нами расчетным путем и равное 108 с (см. Таблицу).
2
3
3
Секундный расход подающего отверстия 15 - q1=f×x v, где f - площадь проходного сечения отверстия (мм), v - скорость потока рабочей жидкости. При скорости 10 м/с (1000 см/с) и диаметре dотв=1 мм, секундный расход равен: q1=0,00785×1000=7,85 см/с, т.е. требуемый объем промежуточного гидроцилиндра 20 - Vпц=7,85×108=848 см.
3
Или, задавшись объемом промежуточного гидроцилиндра 20 по конструктивным соображениям, равным 1 л, Vк=1 л (1000 см), определяем конструктивный диаметр первого задающего отверстия 15 на центральной трубке питания 14 -
Dк=(1,274Vк/v*t1)0,5=1,1 мм
3
Аналогично, зная продолжительность 2-ого этапа тушения пожара - t2, равное 205 с, получим расчетный объем главного цилиндра 11: Vгц=7,85*205=1609,25 см, или, приняв по конструктивным соображениям объем главного цилиндра равным 1,5 л, получим диаметр второго задающего отверстия 15 на центральной трубке питания 14 главного цилиндра 10 гидропривода:
Dгц=(1,274×1,5/v*t2)0,5=0,965 мм
Таким образом, расчетная формула для вычисления диаметров отверстий 15 на центральной трубке питания 14, задающих программу тушения пожара на каждом этапе тушения выглядит в общем виде так:
Di=√(4/3*Vi/ti*v), мм,
3
где: Vi - объем пространства под поршнем для i-oгo этапа тушения; (см);
ti - продолжительность i-ого этапа тушения, (с);
v - скорость потока рабочей жидкости через отверстие 15, (см/с).
Связь достижения эффекта ускорения тушения пожара с задающими отверстиями 15 заключается в следующем.
3
При рабочем давлении раствора пенообразователя в самой системе тушения 5 атм, скорость истечения жидкости из любого отверстия 15 - порядка 10, 12 см/с. Поэтому через каждое отверстие 15 диаметром 1 мм ежесекундно протекает 7,85 см/с раствора. А расположив подпитывающие отверстия 15 на центральной трубке питания 14 главного цилиндра 11, мы ускоряем наполнение объема под поршнем 12 раствором пенообразователя. А это, в свою очередь, ускоряет перемещение поршня 12 вдоль цилиндра 11 и выдвижение управляющего штока 13 с зубчатой рейкой вдоль зубчатого сектора 8, что приводит к ускоренному вращению насадков 6 выходных патрубков 5 лафетных стволов 1 и ускоренному тушению пожара.
Для обеспечения безотказной работы гидропривода при низких минусовых температурах и в регионах крайнего Севера, конструкция гидропривода предусматривает возможность заполнения промежуточного накопительного гидроцилиндра 20 промежуточным рабочим телом (или промежуточной рабочей жидкостью) типа тосол, например, «Тосол-Арктон-65». Этот состав широко применяется в системе охлаждения двигателя, обогрева кабины водителя и в системах гидроприводов большегрузных автомобилей типа КАМАЗ, БелАЗ и других в районах крайнего Севера с диапазоном рабочих температур от -65 до +90 град. С. Для управления процессом тушения пожара и практической реализации самой программы тушения пожара по-прежнему используется энергия давления и расход раствора пенообразующей жидкости. Она по-прежнему отбирается из ствола пеногенератора, но в самом гидроприводе циркулирует морозостойкий тосол.
Применение предлагаемой технологии тушения пожаров, представленной в виде способа и устройства для его осуществления, позволяет эффективно потушить пожар на резервуаре любой емкости за время, в четыре раза меньше нормативного. При этом удельные расходы пенообразователя и, соответственно, требуемые запасы его на объектах ТЭК, снижаются в два раза ниже нормативных.