автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация противопожарной защиты объектов управления атомной электростанцией на основе модульных установок локального газового пожаротушения

На правах рукописи

Буй Суан Хоа

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ НА ОСНОВЕ МОДУЛЬНЫХ УСТАНОВОК ЛОКАЛЬНОГО ГАЗОВОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ

Специальность: 05.13.06 "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами" (технические науки, отрасль - промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 АВГ 2013

Москва-2013 005532144

005532144

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре пожарной автоматики.

Научный руководитель: Буцынская Татьяна Анатольевна

кандидат технических наук, доцент старший научный сотрудник Академии ГПС МЧС России Официальные оппоненты: Таранцев Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор, профессор Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России Костарев Николай Павлович кандидат технических наук, доцент ведущий сотрудник ОАО "Российские космические системы" Ведущая организация: ОАО "Российский концерн по производству

электрической и тепловой энергии на атомных станциях" (технологический филиал, г. Москва)

Защита состоится "25" сентября 2013 г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д.205.002.01 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 4, зал Совета.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.

Автореферат разослан 2 августа 2013 г.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в Академию ГПС МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок (495) 683-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, доцент С.Ю. Бутузо;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень проработанности проблемы

Атомная электростанция (АЭС) является критически важным объектом, возникновение пожара на котором может привести к экологической катастрофе, большому социальному и материальному ущербу в результате гибели людей, уничтожению и повреждению материальных ценностей, сооружений, оборудования, а также снижению выработки электроэнергии.

Особенно опасен пожар на объектах управления, которые являются элементами автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) и безопасностью функционирования АЭС. В помещениях АСУТП находятся шкафы с электронной и электротехнической аппаратурой, нарушение работоспособности которой вследствие аварии и пожара может привести к огромному прямому и косвенному ущербу. В данных помещениях существуют определенные сложности в обнаружении и тушении пожара, связанные с особенностью функционирования АЭС, а также конструкцией и дислокацией шкафов сигнализации и управления.

Наиболее эффективными для обеспечения пожарной безопасности объектов АЭС являются современные автоматизированные системы противопожарной защиты (АСПЗ). В последние годы происходит интенсивная разработка и внедрение в АСПЗ новой пожарной техники, в том числе установок пожаротушения, использующих новые виды огнетушащих веществ

и способы пожаротушения. Широко известны ученые и специалисты, внесшие значительный вклад в развитие теоретических и практических основ противопожарной защиты АЭС: А.К. Микеев, Н.Г. Топольский, Н.Л. Сальников, Д.И. Пуцев, А.Н.Членов и др. Вместе с тем, развитие технического прогресса требует непрерывного адекватного научного обеспечения развития пожарной автоматики.

В свете развития атомной электроэнергетики в мире в непростых условиях последних лет остро стоит вопрос повышения их безопасности. В республике Вьетнам принято решение о строительстве в ближайшие годы ря-

да АЭС при активном содействии России. Поэтому проведение научных исследований по повышению пожарной безопасности АЭС является перспективным и актуальным как для России, так и для Вьетнама в рамках реализуемого между ними международного сотрудничества.

Основной научной задачей диссертации является проведение исследований и разработок по созданию и применению новых средств и систем локального обнаружения и тушения пожара на объектах управления АЭС. Такие системы позволяют ликвидировать пожар на ранней стадии его развития, когда опасность причинения ущерба минимальна.

Целью диссертационной работы является совершенствование автоматизированной системы противопожарной защиты объектов управления АЭС на основе модульных установок локального газового пожаротушения.

Достижение этой цели позволит на основе научно обоснованной технической разработки обеспечить решение важной для экономики задачи - повысить уровень пожарной безопасности АЭС.

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Анализ современного состояния противопожарной защиты объектов управления АЭС и формирование задач её совершенствования.

2. Теоретическая оценка результативности применения локальных средств газового пожаротушения на объектах АЭС.

3. Структурно-логический анализ и выбор метода повышения качества функционирования модульной установки локального газового пожаротушения.

4. Разработка предложений по совершенствованию автоматизации системы противопожарной защиты АЭС с модульными установками локального газового пожаротушения.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой "Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2012 года", а также планами научно-исследовательских работ Академии ГПС МЧС России на 2011-2012 гг.

Объектом исследования являются автоматизированные системы противопожарной защиты промышленных объектов, а предметом исследования - автоматизация противопожарной защиты объектов управления АЭС на основе модульных установок локального газового пожаротушения.

Основные методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы методы теории вероятностей и математической статистики, структурно-логический анализ, методы математического моделирования.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели процесса обнаружения и тушения пожара, характеризующие влияние временных характеристик обнаружения и тушения пожара на качество функционирования автоматической установки пожаротушения (АУПТ).

Данные модели учитывают варианты возникновения очага пожара в свободном пространстве с круговым развитием по площади, а также в ограниченном замкнутом пространстве с вертикальным развитием по объёму.

2. Получены на основе разработанной методики минимальные значения мгновенной плотности вероятности обнаружения точечных дымовых и тепловых автоматических пожарных извещателей для различных условий обнаружения, которые могут быть использованы в научных исследованиях и инженерных расчётах при оценке качества функционирования систем пожарной сигнализации и автоматических установок пожаротушения.

3. Предложено и научно обосновано введение комплексного показателя качества функционирования автоматической установки пожаротушения, характеризующего вероятность, с которой установка решает поставленную задачу — тушение пожара за заданный промежуток времени при условии её исправности на момент включения.

4. По критерию максимума сформированного показателя качества с использованием метода структурно-логического моделирования определены перспективные варианты установок локального газового пожаротушения шкафов управления с комбинированным запуском и информационным каналом о срабатывании.

Практическая ценность и значимость работы заключается в следующем:

1. Предложено и обосновано применение модульной установки газового пожаротушения группы шкафов управления с линейным и кольцевым резервированием.

2. Разработана модульная структура АСПЗ объектов АЭС на основе установок локального газового пожаротушения, защищенная двумя патентами на полезную модель РФ.

3. Разработаны предложения по совершенствованию технического обеспечения АСПЗ на основе программно-технического комплекса российского производства.

4. Разработана обобщенная методика испытаний автономных установок локального газового пожаротушения в составе автоматизированной системы противопожарной защиты объектов АЭС.

Основные результаты работы отражены в опубликованных статьях и докладах на всероссийских и международных научно-практических конференциях.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы:

- в научных исследованиях Академии ГПС МЧС России по совершенствованию систем производственной и пожарной автоматики критически важных промышленных объектов;

- в учебном процессе Академии ГПС МЧС России при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по специальности "Пожарная безопасность", а также в Институте пожарной безопасности Вьетнама при создании новой учебной дисциплины "Автоматизированная система противопожарной защиты электростанций";

- при проектировании систем противопожарной защиты строящихся атомных и гидроэлектростанций, а также при формировании требований по повышению эффективности применения установок пожаротушения на потенциально опасных объектах Социалистической Республики Вьетнам.

На защиту выносятся:

1. Математические модели процесса обнаружения и тушения пожара, учитывающие условия возникновения очага пожара в свободном пространстве с круговым развитием по площади, а также в ограниченном замкнутом пространстве с вертикальным развитием по объёму, учитывающие влияние временных характеристик обнаружения и тушении пожара на качество функционирования автоматической установки пожаротушения.

2. Результаты оценки минимальных значений мгновенной плотности вероятности обнаружения точечных дымовых и тепловых автоматических пожарных извещателей, полученные на основе разработанной методики.

3. Комплексный показатель качества функционирования автоматической установки пожаротушения, определяющий вероятность тушения пожара исправной установкой за заданный промежуток времени, а также методика его определения на основе структурно-логического моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет применения для решения поставленных задач апробированных математических методов; значительного объёма выборок для статистических исследований, использования достоверных результатов исследований и испытаний других авторов.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на 5 научно-практических конференциях: "Системы безопасности" -Москва, Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, 2011, 2012 гг.; Научно-практической конференции "Молодые учёные о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в первой половине XXI века" - Санкт-Петербург.: Санкт - Петербургский университет ГПС МЧС России, 17.10.2011 г.; Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Проблемы техносферной безопасности", Москва, Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, 2012, 2013 гг.

Публикации

По тематике диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 10 статей, 8 которых из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 12 докладов на конференциях, получено два патента РФ на полезную модель, 4 работы опубликованы без соавторов.

В работах опубликованных в соавторстве в изданиях из перечня ВАК лично автором предложено и обосновано: показана важная роль сотрудничества России и Вьетнама в развитии атомной энергетики, использующей новые технологии обеспечения безопасности [1]; предложен подход к построению вероятностной модели обнаружения и тушения пожара, распространяющегося по поверхности [2]; получены выражения для вероятности тушения пожара с круговым развитием по площади, в ограниченном замкнутом пространстве с вертикальным развитием по объёму, а также проведены оценки минимальных значений мгновенной плотности вероятности обнаружения пожара точечными дымовыми и тепловыми автоматическими пожарными извещателями [3]; показана важность учёта параметров надежности установок пожаротушения при комплексной оценке качества их функционирования [4, 5]; представлены разработанные предложения по совершенствованию технического обеспечения АСПЗ промышленных объектов [6, 7, 8].

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы (140 наименований) и трех приложений. Общий объём диссертации составляет 168 страниц машинописного текста, включая 16 таблицы и 29 рисунков. Приложения занимают 27 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе "Современное состояние противопожарной защиты объектов управления атомной электростанцией и задачи её совершенствования" определены современные требования к системе пожаротушения в составе автоматизированной системы противопожарной защиты АЭС, показана пожарная опасность объектов АЭС, оборудованных электронной

и электротехнической аппаратурой управления технологическим процессом, проведен анализ автоматических средств пожаротушения объектов с электронным и электротехническим оборудованием и сформулированы задачи диссертации.

Для обоснования актуальности проводимых исследований рассмотрены состояние и задачи развития атомной отрасли экономики республики Вьетнам.

В республике Вьетнам принято решение о строительстве ряда АЭС. Строительство первого блока первой атомной станции при активном участии России начнётся в 2014 году. Внешний вид проектируемой АЭС представлен на рис.1. Важным для строящихся во Вьетнаме АЭС является повышение их безопасности, прежде всего пожарной. Проведение исследований и разработок в данном направлении является перспективным и актуальным как для России, так и Вьетнама в рамках реализуемого между ними международного сотрудничества.

Рис. 1. Проектируемая АЭС Вьетнама

Современные автоматизированные системы противопожарной защиты являются наиболее эффективными для обеспечения пожарной безопасности объектов АЭС. В последние годы на основе технического прогресса наблюдается интенсивная разработка и внедрение в АСПЗ новой пожарной техники, в том числе установок пожаротушения, использующих новые виды огнетушащих веществ и способы пожаротушения. При этом практически важным является объединение всех средств пожарной автоматики в единую автоматизированную систему, которая обеспечивает решение задач противопожарной защиты объектов АЭС.

Одним из наиболее потенциально пожароопасных объектов являются объекты контроля, сигнализации и управления АСУТП энергоблоков АЭС. В помещениях АСУТП находятся шкафы с электронной и электротехнической аппаратурой, нарушение работоспособности которой вследствие аварии и пожара может привести к огромному прямому и косвенному ущербу. В данных помещениях имеются существенные сложности в обнаружении и тушении пожара. Это связано с тем, что возникновение и развитие таких пожаров в целом обусловлено конструкцией и дислокацией шкафов сигнализации и управления. Все это усложняет выбор эффективной системы пожаротушения.

Проведенный анализ убедительно показал, что для обнаружения и тушения очагов загорания в шкафах управления (ШУ) наиболее предпочтительными являются модульные установки локального газового пожаротушения (УЛГПТ). Это связано с тем, что технически и экономически целесообразно обеспечить прежде всего тушение шкафов с электронным оборудованием, а не всего объёма помещения в котором они установлены. Подача газового огнетушащего вещества непосредственно в шкаф, в котором обнаружено загорание и располагаются основные источники зажигания, позволяет избежать потерь времени на доставку огнетушащего газа в очаг горения, что приводит к уменьшению масштабов возможного ущерба.

Автономные установки, обнаруживающие очаг загорания по выделению избыточного тепла и тушащие очаг путем подачи огнетушащего газа по термочувствительной трубке, обладают высокой эффективностью тушения при относительно невысокой стоимости. Вместе с тем, данные

установки имеют ряд существенных недостатков, связанных со способом обнаружения пожара, запуска установки и её функциональной надежностью.

Решение задачи совершенствования АСПЗ на основе установок локального газового пожаротушения должно включать теоретическое исследование эффективности процесса обнаружения и тушения пожара в ШУ, а также разработку методов повышения качества функционирования УЛГПТ.

Во втором разделе "Теоретический анализ методов повышения качества противопожарной защиты объектов управления АЭС на основе установок локального газового пожаротушения" получена теоретическая оценка результативности применения локальных средств газового пожаротушения на объектах АЭС, проведен структурно-логический анализ методов повышения качества функционирования модульной установки локального газового пожаротушения и представлены перспективные варианты её построения.

Разработаны вероятностные модели обнаружения и тушения пожара при его возникновении и распространении в различных условиях, а также определены значения мгновенной плотности вероятности обнаружения пожара различными автоматическими средствами.

Вероятность ликвидации пожара за время /т< /р для кругового распространения пожара:

Рт«т<1 р)=|Д/т)с1/т.

О

Я'т) =

8о

ъ ~ ь2

—+а 2--с+/,

2а I 4а

О,

при/т >с; при?т <с.

а = к1иу;

[1/с];

Ь = 2КхкУЬ з+1;

с = А>Кр2/32+/3, [с],

где /р — разрешающее время", при котором развитие очага пожара не приводит к образованию существенного материального или иного ущерба; К\ - коэффициент интенсивности тушения; Ур - скорость развития пожара, м/с; 1„ - время обнаружения, с; /3 — время задержки тушения, с;

/0 — время обнаружения; g0 _ мгновенная плотность вероятности обнаружения пожара.

Для частного случая линейного распространения пожара: 'р

ЛОт</р)= |Л/Т)с1/Т =

\л-К К V

1_е , при^зО + ^ЯфГр);

[О, при^ <Г,(1 + Л:,*фГр),

где /3 - период задержки активного пожаротушения, с; К\ - коэффициент пропорциональности; - коэффициент формы пожара; Ур - скорость распространения пожара, м/с.

Вероятность Рт(/т < /„) ликвидации пожара при вертикальном развитии в ограниченном объёме ШУ за время /т< :

Л(/т < /„) = |/0т)с1/т =

'зО+^ш^Г)

!_е ^ При^>/з(1 + 5шГрКт);

О, при/7.</3(1 + 5иКрКт),

где - плошадь поперечного сечения ШУ; Кт - коэффициент эффективности тушения (с/м3); Ур. - линейная скорость распространения вверх пожара, имеющего площадь, равную площади горизонтального сечения шкафа, м/с.

Анализ разработанных вероятностных моделей процесса обнаружения и тушения пожара показывает, что минимизация вероятности существенного ущерба может быть достигнута для заданной пожарной нагрузки за счёт повышения вероятности обнаружения пожара, а также уменьшения времени задержки организации его тушения.

Время задержки <3 может быть существенно уменьшено благодаря применению автоматических установок пожаротушения. Для минимизации времени обнаружения целесообразно использовать дымовые пожарные извещатели.

Для проведения конкретных аналитических оценок с использованием разработанных моделей определены количественные значения мгновенной (элементарной) плотности вероятности обнаружения, которая является основной характеристикой вероятности обнаружения очага пожара извещателем конкретного вида.

Перспективным вариантом определения результативности АУПТ может быть оценка по комплексному показателю, который характеризует способность АУПТ выполнить свое целевое назначение по тушению пожара. Проведенный статистический анализ реальной обстановки с функционированием пожарной автоматики на объектах России, в том числе АЭС, показывает, что вероятности необнаружения пожара, отказа, отсутствие тушения пожара в результате работы АУПТ имеют сопоставимые значения и должны учитываться при общей оценке качества функционирования УЛГПТ.

Предложено введение комплексного показателя качества, характеризующего вероятность, с которой система пожаротушения решает поставленную задачу - тушение пожара за заданный промежуток времени t при условии её исправности на момент включения. Таким образом, показатель качества K(t) есть

K(t) = F{Pnp(t), PTn(t), PU<)}, где P„p(t) - вероятность обнаружения пожара за заданный период времени t и включения в средств пожаротушения; Pm(t) - вероятность тушения пожара АУПТ; A<,(i) - вероятность отсутствия отказа АУПТ за заданный промежуток времени.

В результате проведенного анализа показано, что при оценке комплексного показателя качества может быть использован метод структурно-логического моделирования, основанный на общем логико-вероятностном методе системного анализа, и созданный для его реализации программный комплекс ACM СЗМА ("Арбитр").

Результаты расчётов комплексного показателя качества конкретных вариантов технической реализации УЛГПТ с использованием серийно выпускаемых модульных установок газового пожаротушения приведены в табл.1.

Таблица 1

Вариант построения УЛГПТ Расчётное значение вероятности качественного функционирования Расчётное значение риска (некачественного функционирования)

1. Установка с автоматическим автономным запуском и ручным управлением 0,946164154927 0,053835845073

2. Установка по п. 1 с информационным выходом в АСПЗ 0,99693387225 0,00306612775

3. Установка по п. 2 с дополнительным устройством обнаружения пожара и автоматическим запуском с помощью прибора управления 0,99966173383 0,00033826617

4. Установка по п. 2 с резервированием установкой по п. 1. 0,999834020897 0,000165979103

Проведенные расчёты показали, что:

- применение УЛГПТ в составе АСПЗ дает существенный эффект в увеличении комплексного показателя качества;

- применение дополнительного устройства обнаружения пожара в ШУ с помощью дымовых пожарных извещателей и автоматического управления значительно увеличивает комплексный показатель качества за счет более раннего обнаружения и эффективного тушения, а также даёт дополнительные возможности управления пожарной автоматикой на защищаемом объекте (выключением электропитания, оповещением, дымо-удалением и т.д.);

- резервирование УЛГПТ позволяет значительно увеличить комплексный показатель качества, сохраняя возможности централизованного в составе АСПЗ реагирования на возникшую чрезвычайную ситуацию.

Предложена схема построения УЛГПТ для защиты группы ШУ с использованием "кольцевого" или "линейного" резервирования, представленная на рис. 2.

б)

Рис. 2. Линейное (а) и кольцевое (б) резервирование УЛГПТ ШУ

Применение конкретного варианта резервирования определяется структурой размещения шкафов, а также максимальным расстоянием между ними, вызванным ограничением длины трубки-детектора. Применение предложенной схемы обеспечивает увеличение уровня противопожарной защиты ШУ, унификацию оборудования, сохранение преимуществ интеграции автономной УЛГПТ в АСПЗ.

В третьем разделе "Автоматизации системы противопожарной зашиты АЭС с использованием модульных установок локального газового пожаротушения" рассмотрено формирование технического и кадрового обеспечения, необходимого для совершенствования АСПЗ АЭС, а также представлена разработанная методика испытаний установок локального газового пожаротушения в составе автоматизированной системы противопожарной защиты объектов управления АЭС.

Высокая эффективность автоматизированной системы управления противопожарной защитой определяется составом технических средств и структурой её построения. С учётом принятой концепции модульного построения с применением средств локального обнаружения и тушения пожара разработана структурная схема противопожарной защиты помещений и технологического оборудования АСУТП в составе АСПЗ АЭС, представленная на рис. 3. Предложены состав комплекса технических средств и составлено описание технического обеспечения АСПЗ.

Рассмотрена возможность применения для построения АСПЗ АЭС российского программно-технического комплекса "Торнадо". Проведенный анализ показал, что его внедрение как на строящихся, так и на реконструируемых объектах не только улучшает их технико-экономические показатели за счёт реализации более сложных и современных законов управления, наглядности и полноты предоставления информации, но и повышает уровень безопасности в результате диагностики средств АСУТП и технологического оборудования, своевременного обнаружения их предава-рийного состояния и аварии, приводящих к возникновению пожаро- и взрывоопасной ситуации. Технические возможности программно-технического комплекса "Торнадо" позволяют расширить функции АСУТП по обеспечению производственной и пожарной безопасности, а также создавать отдельные специализированные АСУ для решения задач обеспечения пожаровзрывобезопасности.

Рассмотрены задачи подготовки кадров, которые обеспечивают условия для формирования и эффективного функционирования не только АСПЗ АЭС, но и всей атомной отрасли экономики Вьетнама.

Рис. 3. Структурная схема автоматизированной системы противопожарной защиты АЭС 1 - пожарная часть; 2 - подсистема оповещения и управления эвакуацией; 3 - модуль контроля и управления; 4, 12 - пожарные извещатели; 5 -прибор приемно-контрольный пожарный; 6 - АРМ оператора; 7 - контроллер модулей пожарной сигнализации и пожаротушения; 8 - подсистема видеонаблюдения; 9 - оповещатели; 10 - насосная пожаротушения; 11 - прибор управления газовым пожаротушением; 13 - установки локального газового пожаротушения.

Разработана обобщенная методика по определению работоспособности вновь разрабатываемых или модернизируемых автоматических установок локального газового пожаротушения.

Особенностью методики являются испытания по определению огне-тушащей способности установки, обеспечивающие проверку эффективности объёмного пожаротушения для противопожарной защиты приборных шкафов с различной степенью негерметичности, а также проверку возможности её функционирования в составе автоматизированной системы противопожарной защиты объектов АЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Одной из важнейших задач обеспечения безопасности АЭС является противопожарная защита объектов управления энергетических блоков. В помещениях АСУТП находятся шкафы с электронной и электротехнической аппаратурой, нарушение работоспособности которой вследствие аварии и пожара может привести к огромному прямому и косвенному ущербу.

Для обнаружения и тушения очагов загорания в шкафах управления целесообразно применение модульных установок локального газового пожаротушения. Подача огнетушащего вещества непосредственно в шкаф, в котором обнаружено загорание и располагаются основные источники зажигания, приводит к уменьшению возможного ущерба.

2. Разработанные вероятностные модели процесса обнаружения и тушения для линейного и кругового по площади развития пожара, а также в ограниченном замкнутом пространстве с вертикальным развитием по объёму показывают, что минимизация вероятности существенного ущерба может быть достигнута для заданной пожарной нагрузки за счёт повышения вероятности обнаружения пожара, а также уменьшения времени задержки его тушения.

Для оценки эффективности систем пожарной сигнализации и автоматических установок пожаротушения на основе разработанных моделей получены минимальные значения мгновенной плотности вероятности обнаружения точечных дымовых и тепловых автоматических пожарных из-вещателей.

3. Введённый комплексный показатель качества учитывает вероятностные характеристики тушения пожара, а также надёжность функционирования установки пожаротушения. Он определяет вероятность, с которой система пожаротушения решает поставленную задачу — тушение пожара за заданный промежуток времени / при условии её исправности на момент включения.

4. Для оценки комплексного показателя качества предложено применять технологию автоматизированного структурно-логического моделирования, использующую логико-вероятностный метод и универсальный графический аппарат - схемы функциональной целостности.

Проведенные расчёты комплексного показателя качества конкретных вариантов технической реализации УЛГПТ с использованием серийно выпускаемых модульных установок газового пожаротушения позволили определить направления повышения их эффективности.

Предложена схема построения УЛГПТ для защиты группы шкафов управления с использованием "кольцевого" или "линейного" резервирования. Применение предложенной схемы обеспечивает увеличение уровня противопожарной защиты ШУ, унификацию оборудования, сохранение преимуществ интеграции автономной УЛГПТ в АСПЗ.

5. С учётом принятой концепции модульного построения АСПЗ АЭС с применением средств локального обнаружения и тушения пожара разработана структурная схема противопожарной защиты помещений и технологического оборудования АСУТП. Предложены состав комплекса технических средств и составлено описание технического обеспечения АСПЗ.

Показано, что применение программно-технического комплекса российской разработки "Торнадо" для формирования АСУПЗ как на строящихся, так и на реконструируемых объектах позволит не только улучшить их технико-экономические показатели за счет реализации более сложных и современных законов управления, наглядности и полноты предоставления информации, но и повысить уровень безопасности в результате диагностики средств АСУТП и технологического оборудования, своевременного обнаружения их предаварийного состояния и аварии, приводящих к возникновению пожаро- и взрывоопасной ситуации.

6. Особенностью разработанной обобщенной методики по определению работоспособности вновь разрабатываемых или модернизируемых УЛГПТ является то, что она включает испытания по определению огнету-шащей способности установки, обеспечивающие проверку эффективности объёмного пожаротушения для противопожарной защиты приборных шкафов с различной степенью негерметичности, а также проверку возможности её функционирования в составе автоматизированной системы противопожарной защиты объектов АЭС.

Таким образом, проведенные исследования и разработки обеспечивают достижение цели диссертационной работы - совершенствование автоматизированной системы противопожарной защиты объектов управления АЭС на основе модульных установок локального газового пожаротушения и позволяют на этой основе решить важную для экономики задачу — повысить уровень пожарной безопасности АЭС.

Основное содержание диссертации и результаты исследования отражены в следующих публикациях автора:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации

1. Буй Суан Хоа. Основные направления развития атомной энергетики Вьетнама [Электронный ресурс] / Членов А.Н., Буй Суан Хоа // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. - 2012. -Вып. № 1 (41). - 4 с. - Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb.

2. Буй Суан Хоа. Вероятностная модель обнаружения и тушения пожара на промышленном предприятии [Электронный ресурс] / Федоров В.Ю., Буцынская Т.А., Буй Суан Хоа // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. - 2012. - Вып. 2 (42). - 6 с. - Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb.

3. Буй Суан Хоа. О построении вероятностной модели обнаружения и тушения пожара на объектах атомной электростанции [Электронный ресурс] / Членов А.Н., Буцынская Т.А., Буй Суан Хоа // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. - 2013. - Вып. 1 (47). - Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb.

4. Буй Суан Хоа. Оценка надёжности автоматической установки пожаротушения на этапе проектирования / Бабурин В.В., Буй Суан Хоа // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2013. -№: 1.-С. 14-17.

5. Буй Суан Хоа. Комплексная оценка качества функционирования установок автоматического пожаротушения на атомных электростанциях [Электронный ресурс] / Членов А.Н., Буцынская Т.А., Буй Суан Хоа // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. - 2013. -Вып. № 3 (49). - Режим доступа: http:// ipb.mos.ru/ttb.

6. Буй Суан Хоа. Применение программно-технического комплекса "Торнадо" для противопожарной защиты объектов электроэнергетики [Электронный ресурс] / Членов А.Н., Федоров A.B., Буй Суан Хоа, Лебедева М.И. // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. -2012. - Вып. № 3 (43). - Режим доступа: http:// ipb.mos.ru/ttb.

7. Буй Суан Хоа. Микропроцессоры с функциональностью промышленных компьютеров для технического обеспечения автоматизированных систем пожаровзрывобезопасности на объектах энергетики / Федоров A.B., Членов А.Н., Семериков A.B., Буй Суан Хоа [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. - 2012. - Вып. № 3 (43). - Режим доступа: http:// ipb.mos.ru/ttb.

8. Буй Суан Хоа. О сокращении временных задержек в АСУ противопожарной защитой объекта [Электронный ресурс] /Буцынская Т.А., Федоров В.Ю., Буй Суан Хоа. // Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. - Вып. 5 (39). - 2011. - 4 с. - Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb.

Патенты

9. Автоматизированная система противопожарной защиты: МПК GOB 13/00 Патент РФ на полезную модель № 116670 от 07.02 2012 г. Опубликовано 6 27.05.2012 г. Бюл. № 15 / Членов А.Н., Буцынская Т.А., Федоров В.Ю., Буй Суан Хоа.

10. Автоматизированная система противопожарной защиты. Патент РФ на полезную модель. Заявка № 2012151893 от 4.12.12 МПК GOB 13/00 Решение ФИПС о выдаче патента от 21.02.1913 г. / Членов А.Н., Федоров A.B., Буцынская Т.А., Семериков A.B., Лебедева М.И., Буй Суан Хоа.

Статьи, научные доклады

11. Буй Суан Хоа. Вероятностная модель тушения пожара в ограниченном объёме / Буцынская Т.А., Буй Суан Хоа / Матер. 21-й науч.-техн. конф. "Системы безопасности - 2012". - М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С. 206-208.

12. Буй Суан Хоа. Минимизация временных задержек срабатывания пожарной автоматики / Матер. 21-й науч.-техн. конф. "Системы безопасности - 2012". - М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С. 205, 206.

13. Буй Суан Хоа. Применение автоматических установок газового пожаротушения для защиты объектов с электронной и электротехнической аппаратурой // Матер, науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов "Проблемы техносферной безопасности". - М.: Академия ГПС МЧС России, 2013.-С. 122-124.

14. Буй Суан Хоа. Задачи повышения эффективности систем противопожарной защиты критически важных промышленных объектов / Буцынская Т.А., Шакирова А.Ф., Буй Суан Хоа, Федоров В.Ю. // Матер, науч.-практ. конф. - Ташкент: Высшая техническая школа пожарной безопасности МВД Республики Узбекистан, 2011. - С. 38, 39.

14. Do Ngoc Can, Bui Xuan Hoa. Application of probabilistic model in the field of automatic fire protection alarm in industrial facilities // Fire Engineering Magazine -UFFP. - No. 36 (July/2012). - Pp. 39-41.

15. Bui Xuan Hoa. Automated system for Fire protection assurance in industrial facilities / Butcinskaya T.A., Bui Xuan Hoa // Fire Engineering Magazine - UFFP. - No. 46 (May/2013). - Pp. 30-31.

Буй Суан Хоа

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ НА ОСНОВЕ МОДУЛЬНЫХ УСТАНОВОК ЛОКАЛЬНОГО ГАЗОВОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать_,_.2013 г. Формат бумаги 60<90 1/16

Тираж 70 экз. Заказ №

Академия ГПС МЧС России 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

2.2. Структурно-логический анализ методов повышения качества функционирования модульной установки локального газового пожаротушения................................................66

2.2.1. Комплексная оценка качества функционирования установок автоматического пожаротушения

на объектах АЭС .......................................................................66

2.2.2. Выбор метода оценки качества функционирования установки локального газового пожаротушения...................72

2.2.3. Сравнительный анализ вариантов построения установки локального газового пожаротушения шкафов

с электронным и электротехническим оборудованием.........76

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2.......................................................................83

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДУЛЬНЫХ УСТАНОВОК ЛОКАЛЬНОГО ГАЗОВОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ......................................................................................87

3.1. Техническое обеспечение автоматизированной

системы противопожарной защиты..................................................87

3.1.1. Модульная структура автоматизированной

системы противопожарной защиты.........................................87

3.1.2. Применение программно-технических комплексов для формирования автоматизированной

системы противопожарной защиты.........................................94

3.2. Кадровое обеспечение автоматизированной

системы противопожарной защиты АЭС Вьетнама.....................105

3.3. Обобщенная методика испытаний установок локального газового пожаротушения в составе автоматизированной системы противопожарной защиты объектов управления АЭС . 108

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3 ....................................................................119

Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Анализ современного состояния противопожарной защиты объектов управления АЭС и формирование задач её совершенствования.

2. Теоретическая оценка результативности применения локальных средств газового пожаротушения на объектах АЭС.

3. Структурно-логический анализ и выбор метода повышения качества функционирования модульной установки локального газового пожаротушения.

4. Разработка предложений по совершенствованию автоматизации системы противопожарной защиты АЭС с модульными установками локального газового пожаротушения.

Работа выполнена в соответствии с Федеральными целевыми программами "Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2012 года", "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года" [1.3], а также планами научно-исследовательских работ Академии ГПС МЧС России на 2011-2012 гг. [4.10].

Основные методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы методы теории вероятностей и математической статистики, структурно-логический анализ, методы математического моделирования.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели процесса обнаружения и тушения пожара, характеризующие влияние временных характеристик обнаружения и тушении пожара на качество функционирования АУПТ.

Данные модели учитывают варианты возникновения очага пожара в свободном пространстве круговым развитием по площади, а также в ограниченном замкнутом пространстве с вертикальным развитием по объёму.

Основные результаты работы отражены в опубликованных статьях и докладах на всероссийских и международных научно-практических конференциях.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы:

- в научных исследованиях Академии ГПС МЧС России по совершенствованию систем производственной и пожарной автоматики критически важных промышленных объектов;

- в учебном процессе Академии ГПС МЧС России при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по специальности "Пожарная безопасность";

- в практической деятельности проектных организаций по формированию системы безопасности строящихся АЭС Республики Вьетнам.

На защиту выносятся:

1. Математические модели процесса обнаружения и тушения пожара, учитывающие условия возникновения очага пожара в свободном пространстве с круговым развитием по площади, а также в ограниченном замкнутом пространстве с вертикальным развитием по объёму, учитывающие влияние временных характеристик обнаружения и тушении пожара на качество функционирования автоматической установки пожаротушения.

2. Результаты оценки минимальных значений мгновенной плотности вероятности обнаружения точечных дымовых и тепловых автоматических пожарных извещателей, полученные на основе разработанной методики.

3. Комплексный показатель качества функционирования автоматической установки пожаротушения, определяющий вероятность тушения пожара исправной установкой за заданный промежуток времени, а также методика его определения на основе структурно-логического моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций,

приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет применения для решения поставленных задач апробированных математических методов; значительного объёма выборок для статистических исследований, использования достоверных результатов исследований и испытаний других авторов.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих 5 научно-практических конференциях:

- "Системы безопасности" - Москва, Академия государственной противопожарной службы МЧС России, 2011, 2012 гг.

- "Молодые ученые о системе обеспечения безопасности в условиях природных и техногенных чрезвычайных ситуаций в первой половине XXI века" - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 17.10.2011 г.

- "Проблемы техносферной безопасности", Москва, Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, 2012,2013 гг.

Публикации

По тематике диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 10 статей, 8 из которых из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 12 докладов на конференциях, получено 2 патента РФ на полезную модель. 4 работы опубликовано без соавторов.

В работах, опубликованных в соавторстве в изданиях из перечня ВАК, лично автором предложено и обосновано:

В работе [3.5] показана важная роль сотрудничества России и Вьетнама в развитии атомной энергетики, использующем новые технологии обеспечения безопасности.

В работе [3.12] предложен подход к построению вероятностной модели обнаружения и тушения пожара, распространяющегося линейно по поверхности.

В работе [3.22] и получены выражения для вероятности тушения пожара с круговым развитием по площади, в ограниченном замкнутом пространстве с вертикальным развитием по объёму, а также проведены оценки минимальных значений мгновенной плотности вероятности обнаружения пожара точечными дымовыми и тепловыми автоматическими пожарными извещателями.

В работах [3.21, 3.27] показана важность учета параметров надежности установок пожаротушения при комплексной оценке качества их функционирования.

В работах [3.6, 3.7, 3.24] представлены разработанные предложения по совершенствованию технического обеспечения АСПЗ промышленных объектов.

В остальных опубликованных в соавторстве работах присутствует единое и не делимое единство.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (140 наименований) и трех приложений. Общий объём диссертации составляет 168 страницы машинописного текста, включая 13 таблиц и 29 рисунков. Приложения занимают 26 страниц.

с 01.01.2009 г. Кроме того, 17.6.2010 г. Премьер-министр Вьетнама издал приказ об основных направлениях развития атомной электроэнергетики Вьетнама до 2030 г. Целью сформированной стратегии является последовательное строительство развивающейся атомной электроэнергетики, обеспечение безопасного управления атомными электростанциями и их эффективной эксплуатации. При этом предусматривается увеличение доли участия национальной индустрии в реализации проектов АЭС и рост самостоятельности при их проектировании, строительстве, монтаже, эксплуатации и обслуживании. Конкретные планы строительства АЭС предусматривают [3.5]:

- до 2015 г. - строительство первой АЭС;

- до 2020 г. - завершение строительства первого блока АЭС "Фыокзинь", а до 2021 г. - второго блока;

- до 2030 г. - завершение строительства других АЭС.

В результате атомная электроэнергетика должна стать одной из важных составных частей национальной энергетики.

Перечень, мощность и график ввода АЭС приведены в табл. 1.1.

В 2010 г. во Вьетнаме были проведены международные семинары по атомной электроэнергетике. На четвертом международном семинаре, который состоялся в Ханое, директор вьетнамского Института атомной энергии Выонг Ху Тан отметил, что Россия выбрана в качестве партнера по строительству первой во Вьетнаме АЭС. В рамках этого семинары, директор главного управления радиоактивной и атомной безопасности Нго Данг Ньан подтвердил, что в проекте строящейся АЭС "Фыокзинь" будут использованы современные безопасные технологии России.

Первая атомная станция во Вьетнаме должна приступить к работе в 2020 году. Строительство первого блока начнётся в 2014-2015 годах. Инвестором строительства АЭС станет вьетнамская государственная энергетическая монополия "Electricity of Vietnam" (EVN). Компания EVN) может привлечь финансирование на строительство первой атомной стан-

ции стране за счёт выпуска государственных облигаций на внутренний и международный рынки. Об этом сообщил 27 мая руководитель подразделения EVN, занимающегося вопросами инвестиций в проект, Фан Минь Туан, которого цитирует издание "Lao Dong". По информации газеты, СРВ должна будет профинансировать 15-20% стоимости строительства станции. Вместе с тем, Вьетнам рассчитывает на финансирование от России, которая выступит поставщиком реакторной технологии.

Таблица 1.1

Наименование Мощность {МВт) Год ввода в эксплуатацию

АЭС Фыокзинь - блок 1 1000 2020

АЭС Фыокзинь - блок 2 1000 2021

АЭС Виньхай - блок 1 1000 2021

АЭС Виньхай - блок 2 1000 2022

АЭС Фыокзинь - блок 3 1000 2023

АЭС Фыокзинь - блок 4 1000 2024

АЭС Виньхай - блок 3 1000 2024

АЭС Виньхай - блок 4 1000 2025

АЭС среднего региона 1 и 2 2x1000 2026

АЭС среднего региона 3 1300-1500 2027

АЭС среднего региона 4 1300-1500 2028

АЭС среднего региона 5 1300-1500 2029

АЭС среднего региона 6 1300-1500 2030

Суммарная мощность 15000-16000

Разработаны модели АЭС для строительства во Вьетнаме, представленные на рис. 1.1.

Главное условие конкурентоспособности на мировом рынке строительства АЭС - сооружение атомной электростанции с реактором так называемого "третьего поколения". Такие АЭС имеют следующие основные особенности:

- стандартный проект, подготовленный к ускоренному лицензированию;

- сокращенные сроки и стоимость строительства;

- простая и надежная конструкция, устойчивая к возможным ошибкам оператора;

- высокий коэффициент использования установленной мощности и срок эксплуатации до 60 лет;

- защита против аварии с расплавлением активной зоны;

- минимальное воздействие на окружающую среду;

- высокое выгорание топлива и низкое количество радиоактивных отходов.

Этим требованиям полностью соответствуют российские эволюционные реакторы - ВВЭР-1000 (проекты АЭС-91 и АЭС-92), ВВЭР-640.

При разработке российских реакторов 3-го поколения использован опыт проектирования, строительства и эксплуатации предыдущего поколения ВВЭР, а также обеспечены стандартизированные проекты, упрощающие лицензирование, уменьшающие стоимость и сроки строительства.

Значительно улучшены экономические характеристики АЭС нового поколения. Снижена топливная составляющая в себестоимости электроэнергии за счет повышения выгорания топлива до 55-60 МВт сут/кг снижены операционные затраты благодаря повышению коэффициента использования установленной мощности до 90 %, появилась возможность сократить сроки сооружения АЭС до 4 лет.

Развитие реакторов третьего поколения (поколение 111+) предполагает дальнейшее усовершенствования конструкции с целью обеспечения её безопасности и экономичности [2.18].

^ >1 ■ <

Важным для строящихся во Вьетнаме АЭС является повышение их безопасности, прежде всего пожарной, на основе АСУ, использующих новейшие достижения научно-технического прогресса [2.7-2.9, 3.1].

Известно, что затраты на создание различных систем безопасности современных АЭС составляет около трети её стоимости. К ним относятся системы, обеспечивающие безопасность производства электроэнергии, а также функционирования АЭС как крупного критически важного объекта.

Безопасность и эффективность производства электроэнергии обеспечивается [3.48-3.50]:

- множественными барьерами на пути утечки радиоактивных веществ;

- пассивными и активными системами безопасности;

- новейшими АСУТП, автоматически корректирующими работу

АЭС;

более простыми конструкциями, облегчающими управление реактором и исключающими ошибки персонала;

- более эффективным использованием топлива и меньшим количеством отходов [3.3].

Одной из наиболее важных задач является обеспечение пожарной безопасности АЭС [1.1, 1.2, 2.10, 2.23, ЗЛО, 3.11, 3.50, 3.53, 3.54]. Её решение складывается в результате создания организационно-технической системы управления, в основе которой находится АСУ противопожарной защиты (АСУПЗ). Особенностями проектирования и создания АСУПЗ АЭС республики Вьетнам являются:

- возможность учёта опыта строительства и эксплуатации АЭС в Российской Федерации для повышения их безопасности;

- возможность использования новейших мировых достижений в области обеспечения пожарной безопасности.

Современная система пожаротушения АЭС [1.36, 2.1] должна быть снабжена элементами контроля срабатывания исполнительных механизмов.

Вид огнетушащего вещества (пена, газ, порошок, вода и др.) для конкретных помещений и технологического оборудования объектов АЭС должен быть обоснован по действующим требованиям.

Проектные показатели надёжности рассчитываются с учётом требований приоритета по резервированию оборудования пожаротушения. Обеспечивается резервирование всех основных элементов СПТ (пожарные насосы, резервуары с огнетушащими веществами, подводящие и питающие трубопроводы, узлы управления, цепи электропитания и т.д.) [3.59, 4.6].

Выбор метода тушения (локальный, объёмный, комбинированный) производится с учётом вида и характеристик технологического оборудования, особенностей объёмно-планировочных решений защищаемых помещений, наличия и характера распространения конвективных воздушных потоков и др.

Функционирование средств пожаротушения на объектах АЭС может осуществляться автоматически по сигналам системы сигнализации, авто-матизированно по командам персонала объекта и самостоятельно по алгоритмам, установленным в модульных локальных установках с одновременным формированием информации о срабатывании оператору АСПЗ.

Стационарно установленные лафетные стволы могут работать в двух режимах: самонаведения от датчиков, включаемых по командам от системы сигнализации, позволяющих задавать траекторию движения ствола, и управления оператором.

Роботизированные установки пожаротушения включают подвижные лафетные устройства и роботы-разведчики, управляемые как автономно, так и по командам оператора с пульта, входящего в состав этой установки.

В последние годы на основе технического прогресса наблюдается интенсивная разработка и внедрение в АСПЗ новой пожарной техники. Для АЭС одним из наиболее перспективных направлений развития системы противопожарной защиты является создание новых средств и систем обнаружения и тушения пожара на промышленных объектах, позволяющих ликвидировать пожар на ранней стадии его развития, когда опасность причинения ущерба минимальна [2.6, 2.12, 2.15, 2.20, 3.16, 3.29, 3.36, 3.41, 3.44-3.47,3.51,3.56-3.62].

1.3. Пожарная опасность объектов АЭС, оборудованных электронной и электротехнической аппаратурой управления технологическим процессом

В настоящее время, как в России, так и за рубежом, растет степень оснащения различных объектов электронной и электротехнической аппаратурой. К такого рода объектам на атомных электрических станциях относятся прежде всего помещения со шкафами управления технологическими процессами.

С точки зрения пожарной опасности эти объекты характеризуются рядом общих черт, а именно [3.36-3.39]:

- электронное и электротехническое оборудование, установленное в шкафах, имеет высокую стоимость;

- косвенные убытки, вызванные сбоем в работе электронного оборудования, могут во много раз превышать стоимость самого оборудования;

Рис. 1.3. Причины пожара электроустановок

Таблица 1.3

Количество пожаров Причины пожара

85 Ошибки персонала

58 Электрические повреждения

50 Нарушение технологической операции

47 Перегрев материала

43 Сварка и резка

50 Нарушение технологической операции

20 Самовозгорание

12 Конструктивные ошибки или брак при изготовлении

9 Взрыв

1 Гроза

В помещени