автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Методика расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама

На правах рукописи

Доан Вьет Мань

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВРЕМЕНИ БЛОКИРОВАНИЯ ПУТЕЙ ЭВАКУАЦИИ ТОКСИЧНЫМИ ПРОДУКТАМИ ГОРЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ ГЭС ВЬЕТНАМА

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Москва-2011

005001523

На правах рукописи

Доан Вьет Мань

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВРЕМЕНИ БЛОКИРОВАНИЯ ПУТЕЙ ЭВАКУАЦИИ ТОКСИЧНЫМИ ПРОДУКТАМИ ГОРЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЯХ ГЭС ВЬЕТНАМА

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре инженерной теплофизики и гидравлики

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Пузач С.В.

доктор технических наук, профессор Поляков Ю.А.

доктор технических наук, профессор Корольченко А.Я.

Ведущая организация: Московский энергетический

институт (технический университет)

Зашита состоится 30 ноября 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан 25 октября 2011 г., исх. № 69-6-7.

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

Телефон для справок: (495) 617-27-55. Ученый секретарь

диссертационного совета х? ур /р

к.т.н., доцент (х^^^Чс ^ С.А. Швырков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Обеспечение пожарной безопасности объектов энергетики должно опираться на прогнозирование динамики опасных факторов пожара (ОФП). Это связано с переходом в России и в Республике Вьетнам к гибкому объектно-ориентированному противопожарному нормированию.

По статистике бюро судебно-медицинских экспертиз в 80 % случаев причинами смерти людей на пожарах явилось отравление продуктами горения.

В последние годы во Вьетнаме произошло много крупных пожаров на гидроэлектростанциях (ГЭС), приведших к гибели людей и причинивших большой материальный ущерб. Так за период с 2000 г. по 2010 г. на ГЭС (Хоа Бинь, Тхас Ба, Винь Цон и др.) произошли 28 крупных пожаров, из которых 19 (67,9 %) - в производственных зданиях.

Производственные здания ГЭС состоят из машинных залов, имеющих большой объем (8000-100000 м3) и высоту (15-35 м), турбинных агрегатов, подагрегатного пространства и кабельных тоннелей. Необходимое время эвакуации из производственных зданий, равное 80% от времени блокирования путей эвакуации ОФП, несмотря на большие объемы машинных залов, сравнительно небольшое (5-8 мин.), в то время как расчетное время эвакуации с учетом людей, находящихся на уровнях производственного здания ГЭС ниже уровня пола машинного зала, является относительно большим (порядка 10-15 мин.). Поэтому безопасная эвакуация людей невозможна без прогнозирования токсикологической обстановки на пожаре.

В соответствии со статьей 94 Федерального закона № 123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (во Вьетнаме также используются российские нормы) оценка пожарного риска в производственных зданиях ГЭС должна предусматривать построение полей ОФП для различных сценариев его развития и оценку последствий воздействия ОФП на людей.

Объемно-планировочные решения производственных зданий ГЭС Вьетнама должны обеспечивать безопасную эвакуацию людей при пожаре. Для решения этой задачи необходимо уметь рассчитать динамику изменения концентраций токсичных продуктов горения при пожаре в помещениях, а также на путях эвакуации.

Существенный вклад в понимание токсикологической обстановки и обеспечение безопасной эвакуации людей внесли Кошмаров Ю.А.,

Молчадский И.С., Матюшин A.B., Поляков Ю.А., Пузач C.B., Холщевников В .В., Chow W. К., Tanaka Т., You Fei и др.

Количество выделяющихся токсичных газов определяется химическим составом и концентрацией газообразных продуктов газификации твёрдых и жидких горючих веществ и материалов, а также термогазодинамическими условиями пожара. В настоящее время эта проблема не решена с теоретической и с экспериментальной точек зрения из-за сложности физико-химических условий протекания процессов газификации и горения, а также неопределенности химического состава современных строительных материалов.

Сложность прогнозирования токсикологической обстановки при пожаре и разработки метода расчета концентрационных полей токсичных газов заключается в многофакторности и нелинейности задачи, так как математическое моделирование тепломассообмена при пожаре представляет собой крайне сложную, в полном виде не решенную до конца не изученную проблему. Термогазодинамическая картина пожара является существенно нестационарной и трехмерной и сопровождается изменением химического состава газовой среды помещения.

Поэтому разработка методики расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения, позволяющей достоверно определить время блокирования путей эвакуации токсичными газами с целью обеспечения безопасности людей при пожаре в производственном здании ГЭС и разработать эффективные мероприятия для спасения людей во время эвакуации без средств индивидуальной защиты, а также при использовании портативных фильтрующих самоспасателей, является актуальной научной и практической задачей.

Объектом исследования в диссертации являются тепломассообменные процессы, протекающие при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама, которые являются основой для выполнения расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения.

Предметом исследования является определение времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама для обеспечения безопасной эвакуации людей.

Для достижения постановленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

- провести анализ литературных источников по прогнозированию токсикологической обстановки на пожарах в зданиях и сооружениях объектов энергетики, а также по воздействию токсичных газов на организм человека для выбора и обоснования величин критических значений концентраций токсичных газов и токсодоз;

- разработать математические модели различного уровня сложности для прогнозирования токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама;

- разработать методику расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения с использованием полевого метода прогнозирования динамики ОФП в производственных зданиях ГЭС;

- провести численные эксперименты по изучению особенностей токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС при типовых объемно-планировочных и конструктивных решениях в течение времени эвакуации;

- разработать научно-обоснованные рекомендации по расчету критической продолжительности пожара по токсичным газам и необходимого времени эвакуации людей без средств индивидуальной защиты, а также при использовании самоспасателей, с учётом объёмно-планировочных и конструктивных решений производственных зданий.

Методы исследования. Основными методами исследования являлись методы газодинамики и тепломассообмена, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые предложена методика обоснования условий проведения мелкомасштабных экспериментов по определению показателей токсичности продуктов горения с целью их адекватности условиям пожара в крупномасштабных помещениях;

- впервые предложена методика расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама с использованием математических моделей различного уровня сложности при учете особенностей испытаний материалов на токсичность и широкого спектра токсичных газов;

- получены новые теоретические данные по особенностям динамики полей токсичных продуктов горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС;

- впервые дано научное обоснование определения времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама;

- разработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору характеристик портативных самоспасателей, используемых при эвакуации на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась использованием апробированных физико-математических методов анализа, а также численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Предложенные математические модели имеют достаточно точное для инженерных методов расчета совпадение с экспериментальными (полномасштабными) и теоретическими данными, приведенными в литературных источниках.

Практическая значимость работы заключается в совершенствовании научной основы обеспечения безопасной эвакуации людей при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама. Полученные данные по токсикологической обстановке и предложенные методики расчета динамики ОФП позволяют более надежно, чем существующие, определить необходимое время эвакуации людей, а также выбрать параметры самоспасателей для обеспечения безопасной эвакуации людей и эффективности противопожарных мероприятий в производственных зданиях.

Результаты диссертации могут быть внедрены в российские и вьетнамские государственные строительные стандарты, а также в образовательный процесс высших учебных заведений по дисциплине государственного образовательного стандарта СД.11 «Прогнозирование опасных факторов пожара» по направлению полготовки «656500 - Безопасность жизнедеятельности».

Материалы диссертации реализованы при:

а) разработке противопожарных мероприятий на ГЭС Хоа Бинь;

б) разработке нормативных документов по пожарной безопасности ГЭС Вьетнама для ГУПО Вьетнама;

в) разработке дисциплины «Прогнозирование опасных факторов пожара» в Институте пожарной безопасности Вьетнама;

г) разработке фондовых лекций, проведении лекционных, лабораторных и практических занятий со слушателями и курсантами Академии ГПС МЧС России по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара» по темам №6 «Основные положения зонного моделирования пожара» и №8 «Основы дифференциального метода прогнозирования ОФП».

Основные результаты работы были доложены на:

- восемнадцатой и девятнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» - СБ-2009, СБ-2010 (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2009,2010 гг.);

- XVII школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (г. Жуковский, 2009);

- на объединенном заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, пожарной безопасности технологических процессов, физики, процессов горения, пожарной автоматики, пожарной безопасности в строительстве, пожарной тактики и службы Академии ГПС МЧС России.

На защиту выносятся:

- методика обоснования условий проведения мелкомасштабных экспериментов по определению показателей токсичности продуктов горения с целью их адекватности условиям пожара в крупномасштабных помещениях;

- методика определения времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения с использованием математических моделей различного уровня сложности при учете особенностей испытаний материалов на токсичность и широкого спектра токсичных газов;

- результаты сопоставления расчетных и экспериментальных значений концентраций токсичных продуктов горения в условиях пожара в модельных помещениях;

- результаты численных экспериментов по особенностям динамики полей токсичных продуктов горения в модельных производственных зданиях ГЭС;

- научно-обоснованные рекомендации по обеспечению выполнения условия безопасной эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама при пожаре.

Публикации: по результатам диссертационного исследования автором опубликовано 15 научных работ (в том числе в пяти изданиях, рекомендованных ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 184 страницах текста, включает в себя 40 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 87 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проанализированы объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна работы и ее практическая значимость, положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание работы.

В первой главе диссертации проведен обзор и анализ литературных источников, посвященных особенностям пожарной опасности производственных зданий ГЭС Вьетнама и расчетным методам определения необходимого времени эвакуации людей.

Список ГЭС Вьетнама представлен в табл. 1. Схема основных помещений производственного здания приведена на рис. 1. В табл. 2 показаны характеристики основных помещений по объемно-планировочным решениям и пожарной нагрузке.

В производственных зданиях используются строительные и отделочные материалы, точный химический состав которых практически неизвестен.

Таблица 1

Количество ГЭС во Вьетнаме

№ п/п Наименование гидроэлектростанции Количество гидроагрегатов, шт. Мощность, МВт

1 Хоа Бинь 8 1920

2 Тхас Ба 3 108

3 Винь Цон 2 66

4 Лалу 4 720

5 Хинь река 2 70

6 ЧиАн 4 400

7 Тхас Мо 2 150

8 ДаНьим 4 160

9 Хам Тхуан 2 300

10 Дами 2 175

Рис. 1. Основные помещения производственного здания ГЭС

Таблица 2

Характеристика основных помещений производственных зданий ГЭС

№ Основные помещения Характеристика помещения Горючие материалы

1 Машинный зал Протяженное пространство, развитое по вертикали и горизонтали: объем 8000100000 м3, высота 15-35 м (атриумное пространство) - горючие жидкости (турбинное масло, этиловый спирт, бензин и т.д.); - горючие газы (ацетилен, водород); - твердые горючие материалы упаковка, древесина и т.д.).

2 Кабельные тоннели Протяженное пространство, развитое по горизонтали: длина 50-250 м - твердые горючие материалы (кабели); - горючая жидкость (турбинное масло)

3 Турбинные агрегаты - - горючая жидкость (турбинное масло)

4 Подагрегатное пространство Протяженное пространство, развитое по горизонтали: длина 50-250 м - горючая жидкость (турбинное масло); - твердые горючие материалы (кабели)

Выполнен анализ химического состава и токсичности продуктов горения горючих веществ и материалов, находящихся в производственных зданиях. Выделены наиболее опасные и часто встречающиеся на пожарах токсичные

газы. Показано, что при прогнозировании токсикологической обстановки на пожаре необходимо в общем случае уметь определять концентрации следующих токсичных газов: оксид углерода (СО); диоксид углерода (СО); циановодород (НОТ); акролеин (СН2=СН-СНО); хлористый водород (НС1); фосген (СОС12); сероводород (ЦБ); оксид азота (1Ч02); диоксид серы (802); бромистый водород (НВг); аммиак (Ш3) и фтористый водород (Ш7).

Рассмотрены принципы оценки токсичности продуктов горения. Предложены величины критических величин плотностей и токсодоз для токсичных газов.

Рассмотрены математические модели определения токсичности продуктов горения. Проведен обзор методов расчета концентраций токсичных газов в помещениях и на путях эвакуации при пожаре в зданиях и сооружениях.

На основании обзора литературных источников сделаны основные выводы:

- при проектировании производственных зданий ГЭС Вьетнама проблемы безопасной эвакуации людей при пожаре являются наиболее острыми;

отсутствуют надежные теоретические методы прогнозирования токсикологической обстановки на пожарах в зданиях и сооружениях;

- существующие системы противопожарной защиты и методики определения величины пожарного риска в производственных зданиях ГЭС Вьетнама не учитывают основные особенности токсикологической обстановки при пожаре, что является недооценкой пожарной опасности и приводит к повышению вероятности гибели людей;

- определение показателей токсичности в мелкомасштабных экспериментальных установках требует определения критериев подобия концентрационных полей токсичных газов и кислорода, а также температуры (комбинированность воздействия на организм человека) внутри экспериментального объема и реального полномасштабного помещения;

- практические рекомендации по способам и средствам защиты людей от токсичных газов во время их эвакуации при пожаре (например, портативные самоспасатели) не учитывают современный научный уровень математического моделирования динамики ОФП и требуют научного обоснования для конкретных объемно-планировочных и конструктивных решений производственных зданий ГЭС.

В выводах по первой главе также сформулирована цель диссертации и дана постановка задач исследования.

Во второй главе диссертации представлены разработанные методы и методики расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными газами при пожаре в производственных зданиях ГЭС.

Представлена полевая (дифференциальная) модель (Пузач C.B., 2005), дополненная уравнениями законов сохранения массы токсичных газов, характерных для пожаров на ГЭС. Описаны основные особенности и упрощения термогазодинамической картины пожара, основные уравнения, дополнительные соотношения, условия однозначности, метод численного решения и методика расчета.

Обобщенное дифференциальное уравнение имеет вид:

— (p<D)+div(pwí>)= div(rgradO )+S г (i)

где т - время, с; р - плотность газовой смеси, кг/м3; w - скорость газовой смеси, м/с; Ф - зависимая переменная (энтальпия газовой смеси, проекции скорости на координатные оси, концентрации компонентов газовой смеси (Ог, СО, С02, N2 и другие продукты горения и газификации горючего материала), оптическая плотность дыма, кинетическая энергия турбулентности и скорость ее диссипации); Г - коэффициент диффузии для Ф; S -источниковый член.

Лучистый теплоперенос определяется с помощью метода моментов. Радиационная составляющая источникового члена в уравнении энергии равна:

3

д21 дг1 дг1 дх2 + 8у2 + 8z2

(2)

где I- интенсивность излучения (Вт/м2), находящаяся из решения уравнения:

Jdx1 +дуг+8ггу

Р

= Зи(/-/Д (3)

где х, у, 2 - координаты вдоль длины, ширины и высоты помещения соответственно, м; р - интегральный коэффициент ослабления излучения, 1/м; и - интегральный коэффициент излучения, 1/м; 1Ь = аТ4 - интенсивность излучения абсолютно черного тела, Вт/м2; а - постоянная излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2-К4); Г - температура, К.

Локальные значения коэффициентов излучения и поглощения радиационной энергии определяются с помощью локальных величин оптической плотности дыма.

Климатические условия Вьетнама учитываются в начальных условиях (Г0=25-50°С) и величине тепловыделения (повышенная влажность).

Используется модифицированная зонная модель (Пузач C.B., Абакумов Е.С., 2007). Приведены основные уравнения, дополнительные соотношения, условия однозначности, метод численного решения и методика расчета с использованием зонной модели.

Предложено определение критической продолжительности пожара проводить по следующим критериям на уровне рабочей зоны:

- плотность г'-го газа достигает критического значения (р,- = р1Кр) (критерий 1);

- показатель токсичности равен критическому значению (#LC = 1) (критерий 2);

где

н I Phcn ! 349,65/Г0-р0; | рнс, | рШх | рш

Pc02 AlCN.ABn 349,65 /Т0- /Эо2дВП РнС1,АВП Ашг.АВП PhF.ABII

| А:нг=сн-сно | Рсоа2 | Ри2$ | Рж2 | А ог | Рш,

РСН2=СН-СН0.АВП ЛюС12АВП Л^Э.АВП РШг.АВП Ло2,АВП Рш,,АВП '

- величина дозы 1-го газа равна критическому значению (ЬС, = ЬС/,кр) (критерий 3);

- величина дозы смеси газов на уровне рабочей зоны равна ее критическому значению (ЬС = ЬСдвп) (критерий 4).

Предложен инженерный метод расчета массовых концентраций токсичных газов в случае приближения стационарной одномерной диффузии токсичных газов.

Рассмотрен протяженный канал постоянного поперечного сечения длиной Ь, заполненный газо-воздушной смесью. На одной границе канала при х = 0 (вход, отверстие емкости (помещение, где происходит пожар), заполненной смесью) задана массовая концентрация г'-го токсичного газа^ = Х\ = 1. На второй границе при х = Ь (выход из коридора) ~Х1 =Хг.

Получена аналитически формула для распределения массовых концентраций токсикантов по длине протяженного коридора (кабельного тоннеля в случае ГЭС):

х,=(х1 + -в-У " * ^ +1^'V - -А- Г4л I - И, А ~ + Щ ) На " И/ ' К)

где X, - локальная массовая концентрация 1-го токсичного газа; х -координата вдоль длины канала, м; х = х!Ь - безразмерная координата; ца, ц, - молекулярные массы воздуха и г'-го газа.

Для начальной стадии пожара, когда проемы работают только на выброс газов наружу и коэффициент теплопотерь является постоянной величиной, существует аналитическое решение для зависимости парциальной плотности токсичного газа от времени. В этом случае можно получить формулу для величины токсодозы, полученной человеком без защиты органов дыхания:

где ЬО - токсодоза, кг-с/м3; х - время, с; рпор - пороговая плотность, кг/м3; А, В - размерные параметры.

Приведена методика расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными газами при пожаре в производственных зданиях ГЭС, которая включает в себя следующие этапы: сбор исходных данных; выбор сценариев развития пожара; выбор математической модели расчета динамики ОФП; выбор метода численного решения дифференциальных уравнений; проведение расчетов на ЭВМ; анализ результатов расчёта динамики ОФП.

По динамике ОФП определяются критические продолжительности пожара по отдельным токсичным газам. Необходимое время эвакуации равно:

(6)

где С, <, х-, , х- - критические продолжительности пожара по потери видимости, температуре, токсичным продуктам горения, кислороду и тепловому потоку, с.

В выводах по второй главе даны рекомендации по использованию предложенных математических моделей для определения времени блокирования путей эвакуации токсичными газами при пожаре в производственных зданиях ГЭС.

В третьей главе выполнено исследование достоверности определения показателей токсичности веществ и материалов в мелкомасштабной установке с целью уточнения исходных данных по расчету концентрационных полей токсичных газов.

Рассмотрены две характерные схемы термогазодинамической картины пожара в условиях мелкомасштабного объема и три схемы - в полномасштабном помещении (табл. 2).

Приведены основные уравнения законов сохранения для каждой из схем. Показано, что во всех рассмотренных пяти схемах плотность токсичного газа может быть описана следующей зависимостью:

* к 1

Р«=К'д>> (7)

гДе Рг,/ ~ характерная плотность токсичного газа, кг/м , ££ - низшая рабочая теплота сгорания, Дж/кг; К1- коэффициент пропорциональности в г-ой схеме проведения эксперимента, Дж/м3; Ь - удельный коэффициент выделения токсичного газа.

Величины К1 для каждой из схем, полученные аналитическим способом, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Формулы для определения величин К(

№ схемы Характеристика термогазодинамической картины пожара Кь Дж/м3

1 «Квазистационарные» условия пожара в мелкомасштабном помещении; использование вытяжной вентиляции г З^-ЮР^-Г.) 1 (1-Ф) тср

2 Нестационарные условия пожара; мелкомасштабный герметичный объем г 2,540?(ГСР-ГВ) 0-Й) т.

3 Конвективная колонка; «квазистационарные» условия пожара к У 7-105 3 (1-х)

4 Малая проемность (открытые проемы работают только на выброс смеси газов наружу); нестационарные условия пожара у 3,5-1С?(Гср-Гв) 4 О-Ф) тс?

5 «Квазистационарные» условия пожара; механическое дымоудаление из припотолочного слоя г _3,5-1СРГ2-ГВ О-Ф) т2

Рассматривали горючие жидкости (турбинное масло ТП-22 и бензин А-76) в качестве тестовых горючих веществ и «кабельный подвал/лоток». Однако, анализ данных табл. 3 показал, что коэффициент пропорциональности ^ не зависит от вида и агрегатного состояния горючего материала.

Исследовалось комбинированное воздействие трех опасных факторов пожара - повышенной температуры, повышенной концентрации оксида углерода и пониженной концентрации кислорода.

Отношение рассматриваемых объемов крупномасштабных помещений к объемам мелкомасштабных экспериментальных установок составляло

Му - 5-103—2-104 и, соответственно, отношение линейных размеров было равно М, «17-27.

На рис. 2 представлены зависимости коэффициентов пропорциональности К( между характерной плотностью оксида углерода и отношением Х/2НР от характерной температуры газовой среды. Из рис. 2 видно, что до величины температуры, меньшей 70°С, зависимости коэффициентов К, от температуры, полученные для схем № 1, 2 и 4, совпадают с погрешностью, не превышающей 25%. В схеме №3 характерная температура на выходе из пламенной зоны равна Гпл = 481,3 К и всегда больше 70°С.

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Кг Ю-5, Дж/м3

1 1 1 ♦

- 1 ♦ | | |

!

д"с

хь

Д ПА

/Р

т , °с

100 200

300

400

500

600

700

800 900

1000

Рис. 2. Зависимости коэффициентов пропорциональности между характерной плотностью оксида углерода и отношением 1/(2нР от характерной температуры: Д - К\\ К2; о - Къ (при ф = 0,3); • - Къ (<р = 0,6); □ -

Зависимости коэффициентов К, от характерной температуры в случае схем №1, 2 и 4 при различной величине коэффициента теплопотерь ф=0,6 и 9=0,4 приведены на рис. 3. Из рис. 3 и табл. 3 видно, что коэффициент теплопотерь является необходимым критерием равенства характерных концентраций токсичных газов в мелкомасштабной экспериментальной установке и реальном помещении.

АИО"5, Дж/м3

2.0 -г

0.5

1.0

1.5

0.0

f, °С

О

20

40

60

80

100

Рис. 3. Зависимости коэффициентов пропорциональности между характерной плотностью оксида углерода и отношением 1/2„р от характерной температуры при различной величине коэффициента теплопотерь: при ф = 0,6: Д - К^ 0 - Кг; К4; при ф = 0,4: ж- Ки ♦ - К2\ Я- К4

В выводах по третьей главе отмечена научная и практическая новизна и значимость полученных результатов.

В четвертой главе представлены исходные данные и результаты численных экспериментов по прогнозированию динамики ОФП в модельном производственном здании ГЭС.

Для иллюстрации термогазодинамической картины пожара на рис. 4 представлены поля температур и массовых концентраций НС1 в продольном сечении производственного здания через 420 с от начала пожара в кабельной галерее.

Обнаружено, что первым ОФП, достигшим своего критического значения в машинном зале, является повышенная концентрация хлористого водорода.

о 10 20 ЗО 40 SO во

х, m

а)

х, m

б)

Рис. 4. Поля температур (а) и массовых концентраций HCl (ff) через 420 с от начала горения в кабельной галерее: 1 - машинный зал; 2 - кабельная галерея; 3 - технологические отверстия

Зависимости коэффициентов пропорциональности K¡ между характерной плотностью оксида углерода и отношением L/ßHp (см. (7)), полученные для всех рассмотренных схем, а также с использованием интегральной и полевой моделей расчета тепломассообмена при пожаре в производственном здании ГЭС, от характерной температуры газовой среды приведены на рис. 5.

Экспериментальные данные, представленные на рис. 5, взяты из работ Молчадского И.С. (данные получены на пиролитической приставке к хроматографу в случае термодеструкции пенополиуретанов «Сиспур SH» и ППУ-309, 2005) и Fei You (горение медных кабелей в оплетке внутри смежных помещений с максимальными габаритными размерами 7x4x4 м, 2003). Однако в экспериментах Молчадского И.С. приведены значения только локальных плотностей и температур, а также отсутствуют среднеобъемные значения. Поэтому тестирование полученных теоретических зависимостей на этих опытных данных является оценочным.

Практический интерес для задачи обеспечения безопасной эвакуации людей представляет область температур газовой смеси, не превышающих критического значения для человека, равного 70°С (рис. 5, б). При превышении вышеуказанной температуры человек гибнет, в первую очередь, от теплового ожога.

Кг10'5, Дж/м3

т\ °с

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Кг Ю-5, Дж/м3

а)

Г, °С

б)

Рис. 5. Зависимости коэффициента пропорциональности К, между характерной плотностью оксида углерода и отношением Z/g„p от характерной

температуры а) Т'= Он-ЮОО °С яб)Т* = 2СМ-100°С: 1 - Ки К4, К5 (при ср = 0); 2 - Ки Кл, К5 (<р = 0,3); 3 - Ки К5 (ф = 0,6); 4 - К2 (ф = 0,3); 5 - полевая модель; 6 - интегральная модель; Д - Кз (при х = 0,3); ♦ - Къ (при % = 0,6); эксперименты: □, 0 - Молчадский И.С. (2005); о - Fei You (2003)

Проведенный анализ численных экспериментов показал, что при рассматриваемых исходных данных схема №2, используемая для определения показателя токсичности при стандартных испытаниях, недооценивает пожарную опасность горючего вещества в реальном крупномасштабном помещении. Поэтому предложено при расчете критических продолжительностей пожара по токсичным продуктам горения данные по выделению токсичных газов, взятые из баз данных, полученных по результатам стандартных испытаний, использовать с поправочным коэффициентом Кь:

(8)

где

к2 к2 к2

к,

поправочный коэффициент; Ьс

удельный коэффициент выделения токсичного газа, полученный в условиях стандартных испытаний, кг/кг.

Численные эксперименты показали, что влияние коэффициента на критическую продолжительность пожара по токсикантам существенно. Так, например, при пожаре в кабельной галерее критическая продолжительность пожара по СО увеличивается в диапазоне изменения свободного объема галереи от 24 до 3600 м3 в 1,12-1,15 раза при горении кабелей и в 1,66 раза при горении машинного масла.

т со

1кр

1.5

0.5

! ; !

\

\ \ х со=1 1 | т-кр А

/

1

__

1 < 1

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

Рис. б. Зависимость отношения критических продолжительностей пожара, полученных с использованием двух различных критериев, от относительной площади пролива

При пожаре пролива машинного масла в кабельном тоннеле при разгерметизации маслопровода, проходящего внутри тоннеля, зависимость отношения критических продолжительностей пожара, полученных с использованием двух различных критериев, от относительной площади пролива приведена на рис. 6.

Обозначения на рис. 6: т:^00 - критическая продолжительность пожара по СО, с; Р = ^ - относительная площадь пролива; - площадь пролива, м2; т,фС0 = (ткрсо) 1/(ткрсо)3 - отношение критических продолжительностей пожара, полученных с использованием двух различных критериев 1 (по плотности) и 3 (по токсодозе) соответственно.

Из рис. 6 видно, что использование критерия 1 при малой площади пролива, когда Г < 0,0038 (0,38 %), приводит к завышению критической продолжительности пожара в 1,13-2,86 раза, т.е. существенной недооценке безопасности людей.

Результаты диссертационного исследования показывают, что методика определения времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения требует существенных уточнений:

- при сборе исходных данных по выделению токсичных газов необходимо учитывать поправочный коэффициент К^,

- при анализе результатов расчета динамики ОФП критическая продолжительность пожара определяется по минимальной величине критических продолжительностей, полученных с использованием всех предложенных 4-х критериев.

При определении необходимого времени эвакуации людей при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама необходимо учитывать следующие основные особенности динамики ОФП, не учитываемые в современных нормативных методиках расчета:

- широкий спектр токсичных газов;

- условия проведения экспериментов по получению удельных коэффициентов выделения токсичных газов и показателей токсичности веществ и материалов, находящихся в производственном здании ГЭС;

- критическая продолжительность пожара по каждому токсичному газу определяется по минимальной величине критических продолжительностей, полученных с использованием всех предложенных 4-х критериев.

Полученные результаты можно представить в виде условной схемы (рис. 7).

5 характерных схем термогазодинамики пожара в помещениях

схема №4 I-.- схема №5 ■

Р и/ -

кабельная галерея технологические отверстия

коэффициент пропорциональности ^ \

К ¡-I (коэффициент теплопотерь, характерная температура, начальная температура)

характерная плотность токсичного газа

Р^-^'ТГ

I - удельный коэффициент выделения токсичного газа - теплота сгорания

Рис. 7. Условная схема определения характерно плотности токсичного газа

В выводах по четвертой главе отмечена научная и практическая новизна и значимость полученных результатов для расчета необходимого времени эвакуации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Необходимое время эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама определяется минимальным временем блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения, а не потерей видимости. При определении необходимого времени эвакуации людей при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама необходимо учитывать следующие основные особенности динамики ОФП, не учитываемые в современных методиках расчета:

- широкий спектр токсичных газов;

- условия проведения экспериментов по получению удельных коэффициентов выделения токсичных газов и показателей токсичности веществ и материалов, находящихся в производственном здании ГЭС;

- критическая продолжительность пожара по каждому токсичному газу определяется по минимальной величине критических продолжительностей, полученных с использованием всех предложенных 4-х критериев.

2. Разработанная методика расчета необходимого времени эвакуации имеет удовлетворительную точность по сравнению с экспериментальными данными и позволяет выполнить достоверный прогноз динамики ОФП и определить необходимое время безопасной эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама с учетом широкого спектра выделяющихся токсичных газов и условий получения коэффициентов удельного выделения токсичных- газов. Методика позволяет определить параметры самоспасателей с целью обеспечения безопасной эвакуации людей и эффективности проведения противопожарных мероприятий.

3. Определение показателя токсичности на мелкомасштабных экспериментальных установках по данным химического анализа требует обработки результатов измерений в виде двух зависимостей: среднеобъемной плотности токсичного газа от температуры и среднеобъемной плотности кислорода от температуры.

Выше указанные зависимости позволяют оценить адекватность определения показателя токсичности совместного воздействия опасных факторов пожара реальным полномасштабным условиям пожара в помещении.

4. Коэффициент пропорциональности АГ,- между характерной плотностью токсичного газа и отношением ¿/{2НР слабо зависит от свойств горючего материала, размеров помещения и площади открытой поверхности горючего материала и является, в первом приближении, функцией трех параметров, характеризующих термодинамическую картину пожара: характерная температура пожара, начальная температура в помещении и коэффициент теплопотерь из рассматриваемого газового объема в ограждающие конструкции.

5. Показатель токсичности, полученный в мелкомасштабной установке, будет близким величине, соответствующей условиям протекания пожара в крупномасштабном помещении, в случае равенства коэффициентов теплопотерь в мелкомасштабной установке и крупномасштабном реальном помещении при существенно отличающихся термогазодинамических условиях: свободное развитие пожара или в условиях работы системы дымоудаления; герметичное помещение или помещение с малой или большой величинами проемности; твердые или жидкие горючие вещества и материалы.

6. Обеспечение безопасной эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама требует разработки дополнительных организационно-технических противопожарных мероприятий (например, использование самоспасателей), основанных на предварительном прогнозировании токсикологической обстановки при пожаре.

Научные публикации по теме диссертации Работы в журналах, рекомендованных ВАК Минобразования и науки для публикации основных научных результатов:

1. Пузач C.B., Смагин A.B., Доан Вьет Мань К вопросу обеспечения безопасности людей при возникновении пожаров в ресторанах, барах и ночных клубах // Наркология. - 2009. - № 10 (94). - С. 93-96.

2. Пузач C.B., Смагин A.B., Доан Вьет Мань Оценка распространения токсичных газов по коридорам зданий и сооружений при пожаре // Промышленное и гражданское строительство. - 2010. - № 2. - С. 22-23.

3. Пузач C.B., Доан Вьет Мань К определению показателя токсичности продуктов горении жидкости в помещении // Тепловые процессы в технике. -2011. - Т. 3, № 1. - С. 12-19.

4. Доан Вьет Мань, Пузач C.B., Пузач В.Г. К определению показателя токсичности продуктов горения горючих веществ и материалов в помещении // Пожаровзрывобезопасность. - 2011. - Т. 20, №4. - С. 4-13.

5. Доан Вьет Мань, Пузач C.B. К определению показателя токсичности при стабилизированном горении жидкости в помещении // Инженерно-физический журнал. - 2011. - Т. 84, №4. - С. 841-849.

Остальные публикации:

6. Пузач C.B., Смагин A.B., Доан Вьет Мань, Лебедченко О.С. Оценка токсикологической обстановки при возникновении пожара в салоне самолета и помещениях аэропортов // Тепловые процессы в технике. - 2009. - Т. 1, № 12.-С. 531-535.

7. Пузач C.B., Смагин A.B., Доан Вьет Мань Оценка защищенности человека на пожаре от воздействия токсичных газов // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2009. - №1. - С. 2837.

8. Доан Вьет Мань, Пузач C.B., Смагин A.B., Лебедченко О.С. Выделение токсичных газов при пожарах в зданиях и сооружениях // Материалы восемнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» -СБ-2009. - М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2009. - с. 134-136.

9. Доан Вьет Мань, Пузач C.B., Смагин A.B., Лебедченко О.С. Математическое моделирование токсикологической обстановки при возникновении пожаров на объектах аэрокосмического комплекса // Труды XVII школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. - г. Жуковский: Издательский дом МЭИ, 2009. - с. 425-428

10. Пузач C.B., Смагин A.B., Доан Вьет Мань, Лебедченко О.С., Полевода И.И., Полоз Д.А., Осяев В.А., Кузьмицкий В.А. Роль динамики опасных факторов пожара в патогенезе отравления человека на пожаре // Вестник Командно-инженерного института Республики Беларусь. - 2010. № 1(11).-С. 4-10.

11. Пузач C.B., Смагин A.B., Доан Вьет Мань Некоторые особенности обеспечения пожарной безопасности людей, находящихся в зданиях, в состоянии алкогольного опьянения // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2010. - №1. - С. 52-56.

12. Доан Вьет Мань, Пузач C.B. О достоверности определения показателя токсичности продуктов горения в мелкомасштабной экспериментальной установке // Материалы восемнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» - СБ-2010. - М.: Академия ГТ1С МЧС РФ, 2010. - с. 188-189.

13. Доан Вьет Мань, Пузач C.B. Оценка токсикологической обстановки при пожаре в производственном зале ГЭС // Материалы восемнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» - СБ-2010. - М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2010. - с. 190.

14. Доан Вьет Мань, Пузач C.B. Методика оценки токсилогической дозы, полученной человеком при горении жидкости в машинном зале ГЭС // Материалы восемнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» - СБ-2010. - М.: Академия ГПС МЧС РФ, 2010. - с. 191.

15. Доан Вьет Мань Влияние токсичных газов при пожаре на организм человека // Пожарная безопасность. Институт пожарной безопасности МОБ СРВ. - 2011. - №. 21. - С. 33-34.

Подписано в печать 24.10.2011 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная.

_Тираж 100 экз. Заказ № 286_

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

Введение.

Глава 1. Обзор литературных источников по определению времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

1.1. Особенности пожарной опасности производственных зданий

ГЭС Вьетнама.

1.2. Токсичность продуктов горения горючей нагрузки и современных строительных материалов.

1.3. Принципы оценки токсичности продуктов горения.

1.4. Математические модели определения токсичности продуктов горения.

1.5. Методы расчета динамики концентраций токсичных газов при пожаре в зданиях и сооружениях.

1.6. Современные средства защиты органов дыхания-и зрения фильтрующего типа.

1.7. Выводы по первой главе и постановка задач исследования.78>

Глава 2. Методы расчета динамики изменения концентраций токсичных газов на путях эвакуации при пожаре в производственных зданиях ГЭС.

2.1. Полевая модель.

2.1.1. Основные особенности и упрощения термогазодинамической картины пожара.

2.1.2. Основные уравнения.

2.1.3. Дополнительные соотношения.

2.1.4. Условия однозначности.

2.1.5. Метод численного решения.

2.2. Зонная модель.

2.2.1. Особенности и упрощения термогазодинамической картины пожара.

2.2.2. Зона конвективной колонки.

2.2.3. Зона нагретого задымленного припотолочного слоя.

2.2.4. Условия однозначности и метод численного решения.

2.3. Интегральная модель.

2.4. Инженерные методы расчета массовых концентраций токсичных газов.

2.5. Определение критической продолжительности пожара по токсичным газам.

2.6. Методика определения времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

2.7. Выводы по второй главе.

Глава 3. Теоретическое исследование достоверности определения показателей токсичности веществ и материалов в мелкомасштабной установке.

3.1. Сравнительный анализ опасности токсичных газов при пожаре с использованием аналитических решений.

3.2. Постановка задачи оценки достоверности определения показателя токсичности в мелкомасштабных экспериментальных установках.

3.3. Математические модели определения плотности токсичного газа в мелкомасштабном объеме.

3.4. Математические модели определения плотности токсичного газа в полномасштабном помещении.

3.5. Исходные данные для численных экспериментов.

3.6. Результаты численных экспериментов и их анализ.

3.7. Выводы по третьей главе.

Глава 4. Численное исследование времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС.

4.1. Постановка задачи и исходные данные для численных экспериментов.

4.2. Результаты численных экспериментов.

4.3. К выбору критерия определения критической продолжительности пожара.

4.4. Уточнение методики определения времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

В связи с переходом многих стран мира к гибкому объектно-ориентированному противопожарному нормированию обеспечения пожарной безопасности объектов энергетики, математическое моделирование пожаров становится определяющим звеном при решении различных задач пожарной безопасности. Федеральное законодательство, в частности, Федеральные законы «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [1] и «О техническом регулировании» [25] обеспечивают законодательную базу реализации на практике принципа гибкого нормирования.

В последние годы во Вьетнаме произошло много крупных пожаров на гидроэлектростанциях (ГЭС), приведших к гибели людей и причинивших большой материальный ущерб. Так за период с 2000 г. по 2010 г. на ГЭС (Хоа Бинь, Тхас Ба, Винь Цон и др.) произошли 28 крупных пожаров, из которых 19 (67,9 %) — в производственных зданиях.

По статистике бюро судебно-медицинских экспертиз [23] в 80 % случаев причинами смерти людей на пожарах явилось отравление продуктами горения. Кроме того, в трупной крови 85 % обследованных лиц, погибших при пожарах, обнаружен не только карбоксигемоглобин, но и нитрил акриловой кислоты, цианиды, хлорные соединения и другие токсиканты в концентрациях, опасных для жизни и здоровья человека [23].

Производственные здания ГЭС состоят из машинных залов, имеющих большой объем (8000-100000 м ) и высоту (15-35 м), турбинных агрегатов, по-дагрегатного пространства и кабельных тоннелей. Необходимое время эвакуации из производственных зданий, равное 80% от времени блокирования путей эвакуации ОФП, несмотря на большие объемы машинных залов, сравнительно небольшое (5-8 мин.), в то время как расчетное время эвакуации с учетом людей, находящихся на уровнях производственного здания ГЭС ниже уровня пола машинного зала, является относительно большим (порядка 10-15 мин.). Поэтому безопасная эвакуация людей невозможна без прогнозирования токсикологической обстановки на пожаре.

Объемно-планировочные решения производственных зданий ГЭС Вьетнама должны обеспечивать безопасную эвакуацию людей при пожаре. Для решения этой задачи необходимо уметь рассчитать динамику изменения концентраций токсичных продуктов горения при пожаре в помещениях зданий и сооружений, а также на путях эвакуации.

Количество выделяющихся токсичных газов определяется химическим составом и концентрацией газообразных продуктов газификации твёрдых и жидких горючих веществ и материалов, а также термогазодинамическими условиями пожара. В настоящее время эта проблема не решена с теоретической и с экспериментальной точек зрения из-за сложности физико-химических условий протекания процессов газификации и горения, а также неопределенности химического состава современных строительных материалов.

В соответствии с ФЗ № 123 «Техническим регламентом о требованиях пожарной безопасности» [1] определены следующие ОФП:

- пламя и искры;

- тепловой поток (нет в ГОСТ 12.1.004-91* [22]);

- повышенная температура окружающей среды;

- повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения (СО, НС1, С02 по [22]; СО, С02, НС1, НС1Ч, СОС12, N02, Н28 по [21]);

- пониженная концентрация кислорода;

- снижение видимости в дыму.

Однако в нормативных документах не учтено:

- наличие мелкодисперсных твердых частиц, вдыхание которых может привести к потере ориентации, сознания и последующему удушью;

- другие токсичные продукты горения и термического разложения (акролеин, оксид серы, бензол, формальдегид и т.д.).

Сложность прогнозирования токсикологической обстановки при пожаре и разработки метода расчета концентрационных полей токсичных газов заключается в многофакторности и нелинейности задачи, так как математическое моделирование тепломассообмена при пожаре представляет собой крайне сложную, в полном виде не решенную до конца не изученную проблему [16, 26-28]. Термогазодинамическая картина пожара является существенно нестационарной и трехмерной и сопровождается изменением химического состава газовой среды помещения.

Существенный вклад в понимание токсикологической обстановки и обеспечение безопасной эвакуации людей внесли Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С., Матюшин A.B., Поляков Ю.А., Пузач C.B., Холщевников В.В., Chow W. К., Tanaka Т., You Fei и др.

Разработка базы данных по удельному выделению токсичных газов при пожарах в зданиях и сооружениях является актуальной проблемой [16, 24], решение которой позволит использовать современные методы расчета динамики ОФП для достоверного прогнозирования токсикологической обстановки при пожаре.

Математическое моделирование выделения и распространения токсичных газов позволяет определить критическую продолжительность пожара по токсичным газам и разработать эффективные мероприятия для спасения во время эвакуации жизни и здоровья людей без средств индивидуальной защиты, а также при использовании портативных фильтрующих самоспасателей (ПФСС) (в том числе без дополнительной защиты от монооксида углерода) с учётом объёмно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, что является актуальной задачей с научной и практической точек зрения.

На практике требования к ПФСС регламентированы статьей 123 ФЗ № 123 [1] и являются достаточно «жесткими», так необходима обязательная защита от окиси углерода. Производство и использование самоспасателей с высоким уровнем защиты от монооксида углерода связано с серьезными трудностями технико-экономического и эксплуатационного характера.

Однако, в ряде литературных источников [13-16, 24] экспериментально и теоретически показано, что массовые концентрации СО не достигают предельно допустимых значений за все время эвакуации или достигают после наступления температурой критической величины в помещении. Поэтому прогнозирование токсикологической обстановки на пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама позволит научно обосновать степень защиты от СО и других высокотоксичных газов.

В данной работе на основе разработанных физико-математических методов прогнозирования токсикологической обстановки на пожарах проведено теоретическое исследование токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама, позволяющее достоверно определить время блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения с целью обеспечения безопасности людей.

Объектом исследования в диссертации являются тепломассообменные процессы, протекающие при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама, которые являются основой для выполнения расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения.

Предметом исследования является определение времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама для обеспечения безопасной эвакуации людей.

Для достижения постановленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

- провести анализ литературных источников по прогнозированию токсикологической обстановки на пожарах в зданиях и сооружениях объектов энергетики, а также по воздействию токсичных газов на организм человека для выбора и обоснования величин критических значений концентраций токсичных газов и токсодоз;

- разработать математические модели различного уровня сложности для прогнозирования токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама;

- разработать методику расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения с использованием полевого метода прогнозирования динамики ОФП в производственных зданиях ГЭС;

- провести численные эксперименты по изучению особенностей токсикологической обстановки на пожарах в производственных зданиях ГЭС при'типовых объёмно-планировочных и конструктивных решениях в течение времени эвакуации;

- разработать научно-обоснованные рекомендации по расчету критической продолжительности пожара по токсичным газам и необходимого времени эвакуации людей без средств индивидуальной защиты, а также при использовании самоспасателей с учётом объёмно-планировочных и конструктивных решений производственных зданий.

Методы исследования. Основными методами исследования являются методы газодинамики и тепломассообмена, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые предложена методика обоснования условий проведения мелкомасштабных экспериментов по определению показателей токсичности продуктов горения с целью их адекватности условиям пожара в крупномасштабных помещениях;

- впервые предложена методика расчета времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама с использованием математических моделей различного уровня сложности при учете особенностей испытаний материалов на токсичность и широкого спектра токсичных газов;

- получены новые теоретические данные по особенностям динамики полей токсичных продуктов горения при пожаре в производственных зданиях ГЭС;

- впервые дано научное обоснование определения времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения в производственных зданиях ГЭС Вьетнама;

- разработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору характеристик портативных самоспасателей, используемых при эвакуации на пожарах в производственных зданиях ГЭС Вьетнама.

Достоверность. Полученные данные об опасных факторах пожара, рассчитаны с использованием апробированных физико-математических методов анализа, а также численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Предложенные математические модели имеют достаточно точное для инженерных методов расчета совпадение с экспериментальными (полномасштабными) и теоретическими данными, приведенными в литературных источниках.

Практическое значение работы заключается в совершенствовании научной основы обеспечения безопасной эвакуации людей при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама. Полученные данные по токсикологической обстановке и предложенные методики расчета динамики ОФП позволяют более надежно, чем существующие определить необходимое время эвакуации людей, а также выбрать параметры само спасателей для обеспечения безопасной эвакуации людей и эффективности противопожарных мероприятий в производственных зданиях.

Результаты диссертации могут быть внедрены в российские и вьетнамские государственные строительные стандарты, а также в образовательный процесс высших учебных заведений по дисциплине государственного образовательного стандарта СД.11 «Прогнозирование опасных факторов пожара» по направлению полготовки «656500 - Безопасность жизнедеятельности».

Апробация работы:

Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на восемнадцатой и девятнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» - СБ-2009, СБ-2010 (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2009, 2010 гг.); XVII школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (г. Жуковский, 2009); на объединенном заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, пожарной безопасности технологических процессов, физики, процессов горения, пожарной; автоматики, пожарной - безопасности=в строительстве, пожарной тактики и службы Академии ГПС МЧС России.

Материалы диссертации реализованы при: а) разработке противопожарных мероприятий на ГЭС Хоа Бинь; б) разработке нормативных документов по пожарной безопасности ГЭС Вьетнама для ГУПО Вьетнама; / в)>разработке-дисциплины «Прогнозирование опасных, факторов!пожара» в Институте пожарной безопасности Вьетнама; г) разработке фондовых лекций, проведении лекционных, лабораторных и практических занятий со слушателями и курсантами Академии ГПС МЧС России по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара» по темам №6 «Основные положения зонного моделирования пожара» и №8 «Основы дифференциального метода прогнозирования ОФИ». Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 185 страниц, в том числе 40 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 87 наименований и приложения.

4.6. Выводы по четвертой главе

1. Определение показателя токсичности на мелкомасштабных экспериментальных установках по данным химического анализа требует обработки результатов измерений в виде двух зависимостей:

- среднеобъемная плотность токсичного газа от температуры;

- среднеобъемная плотность кислорода от температуры.

Вышеуказанные зависимости позволят оценить адекватность определения показателя токсичности совместного воздействия опасных факторов пожара реальным полномасштабным условиям пожара в помещении.

2. Коэффициент пропорциональности К, между характерной плотностью токсичного газа и отношением ЫО.нр слабо зависит от свойств горючего материала, размеров помещения и площади открытой поверхности горючего материала и является в первом приближении функцией трех параметров, характеризующих термодинамическую картину пожара: характерная температура пожара, начальная температура в помещении и коэффициент теплопотерь из рассматриваемого газового объема в ограждающие конструкции.

3. Показатель токсичности, полученный в мелкомасштабной установке, будет близким величине, соответствующей условиям протекания пожара в крупномасштабном помещении, в случае равенства коэффициентов теплопотерь в мелкомасштабной установке и крупномасштабном реальном помещении при существенно отличающихся термогазодинамических условиях:

- свободное развитие пожара или в условиях работы системы дымоуда-ления;

- герметичное помещение или помещение с малой или большой величинами проемности;

- твердые или жидкие горючие вещества и материалы.

4. Использование интегральной модели для прогнозирования величины показателя токсичности в машинном зале ГЭС при возгорании в кабельной галерее приводит к физически недостоверным результатам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Необходимое время эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама определяется минимальным временем блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения, а не потерей видимости. При определении необходимого времени эвакуации людей при пожаре в производственных зданиях ГЭС Вьетнама необходимо учитывать следующие основные особенности динамики ОФП, не учитываемые в современных методиках расчета:

- широкий спектр токсичных газов;

- условия проведения экспериментов по получению удельных коэффициентов выделения токсичных газов и показателей токсичности веществ и материалов, находящихся в производственном здании ГЭС.

- критическая продолжительность пожара по каждому токсичному газу определяется по минимальной величине критических продолжительностей, полученных с использованием всех предложенных 4-х критериев.

2. Разработанная методика расчета необходимого времени эвакуации имеет удовлетворительную точность по сравнению с экспериментальными данными и позволяет выполнить достоверный прогноз динамики ОФП и< определить необходимое время безопасной эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама с учетом широкого спектра выделяющихся токсичных газов и условий получения коэффициентов удельного выделения токсичных газов. Методика позволяет определить параметры самоспасателей с целью обеспечения безопасной эвакуации людей и эффективности проведения противопожарных мероприятий.

3. Определение показателя токсичности на мелкомасштабных экспериментальных установках по данным химического анализа требует обработки результатов измерений в виде двух зависимостей: среднеобъемная плотность токсичного газа от температуры и среднеобъемная плотность кислорода от температуры.

Вышеуказанные зависимости позволят оценить адекватность определения показателя токсичности совместного воздействия опасных факторов пожара реальным полномасштабным условиям пожара в помещении.

4. Коэффициент пропорциональности К1 между характерной плотностью токсичного газа и отношением Ь/(2н слабо зависит от свойств горючего материала, размеров помещения и площади открытой поверхности горючего материала и является в-первом приближении функцией трех параметров, характеризующих термодинамическую картину пожара: характерная температура пожара, начальная температура в помещении* и коэффициент теплопотерь из рассматриваемого газового объема в ограждающие конструкции.

5. Показатель токсичности, полученный в мелкомасштабной установке, будет близким величине, соответствующей условиям протекания пожара в крупномасштабном помещении, в случае равенства коэффициентов теплопотерь в мелкомасштабной установке и крупномасштабном реальном помещении при существенно отличающихся термогазодинамических условиях: свободное развитие пожара или в условиях работы системы дымоудаления; герметичное помещение или помещение с малой или большой величинами проемности; твердые или жидкие горючие вещества и материалы.

6. Обеспечение безопасной эвакуации людей из производственных зданий ГЭС Вьетнама требует разработки дополнительных организационно-технических противопожарных мероприятий (например, использование самоспасателей), основанных на предварительном прогнозировании токсикологической обстановки при пожаре.

1. ФЗ №123. «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - 156 с.

2. В. С. Levin, E.D. Kuligovski. Toxicology of Fire and Smoke. 1985.

3. J. R. Halls, B. Harwood. Smoke or burns which is deadlier? NFPA Journal. 1995. January / February, pp. 38-43.

4. American Society for Testing and Materials (ASTM). Annual Book of ASTM Standards. ASTM El76-04. Standard Terminology of Fire Standards. West Con-shohocken. PA. 2004.

5. В. C. Levin. New research avenues in toxicology: 7-gas N-gas model, toxicant suppressants and genetic toxicology. Toxicology. Vol. 115. 1996. pp. 89-106.

6. В. C. Levin, M. Paabo, C. Beily, S. E. Harris, J. L. Gurman. Toxicological effects of the interactions of fire gases and their use in toxic hazard assessment computer model. The Toxicologist. 1985. Vol. 5. p. 127.

7. American Society for Testing and Materials (ASTM). Annual Book of ASTM Standards. ASTM El678-02. Standard test method for measuring smoke toxicity for use in fire hazard analysis. West Conshohocken. PA. 2002.

8. National Fire Protection Association (NFPA). Standard test method for developing toxic potency data for use in fire hazard modeling. NFPA 269. NFPA National Fire Codes.Quincy. MA. 2003. pp. 269-1 269-18.

9. International Organization for Standardization (ISO). Determination of the lethal toxic potency of fire effluents. TS 92/SC3. ISO 13344: 1996.

10. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

11. Toxic Potency Measurements for Fire Hazard Analysis. NIST Special Publication 827. 1991.

12. Симоненко В. Б., Простакишин Г. П., Сарманаев С. X. Острые отравления: неотложная помощь. — М.: Экономика и информатика, 2008. 269 с.

13. Иличкин В. С. Токсичность продуктов горения полимерных материалов. Принципы и методы определения. М.: Химия, 1993. - 136 с.

14. Исаева Л. К. Пожары и окружающая среда. М.: 2001.

15. Исаева Л. К. Экологические последствия пожаров. Диссертация в виде научного доклада на соискание научной степени д.т.н. М.: АГПС МВД России, 2001.- 107 с.

16. Тараненко Н. А., Дорогова В. Б., Колычева И. В., Верзунов В. А. Оценка химического фактора при пожарах // Гигиена и санитария. 2004. - № 1. - С. 37-39.

17. Роберт Д. Трейтмен, Виллиам А. Бёргесс, Авраам Голд. Примеси вредных веществ в воздухе, с которыми встречаются пожарные. // Департамент научных исследований окружающей среды и здоровья. Гарвардская школа общественного здоровья. Бостон, МА 02115.

18. Щеглов П. П. Исследование состава газообразных продуктов термоокислительного разложения некоторых полимерных строительных материалов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. — М.: 1967. 124 с.

19. Свод правил. СП 11.13130.2009. Места дислокации подразделений пожарной охраны. Порядок и методика определения. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

20. ГОСТ 12.1.004-91* ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. М.: Госстандарт России, 1992. - 78 с.

21. Белешников И. JI. Судебно-медицинская оценка содержания цианидов в органах и тканях людей, погибших в условиях пожара // Дис. канд. мед. наук. Санкт-Петербург, 1996.

22. Федеральный закон «О техническом регулировании» (собрание законодательства Российской Федерации, 2002, №52 (ч.1) ст.5140).

23. Пузач C.B. Математическое моделирование' тепломассообмена" при- решении задач пожаровзрывобезопасности. М.: Академия1 ГПС МЧС России, 2003. - 150 с.

24. Пузач-C.B. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в,помещении и их применение при решении, практических задач пожаровзрывобезопасности. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. - 336 с.

25. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. М.: Академия ГПС МВД РОССИИ, 2000. - 118 с.

26. Молчадский И.С. Пожар в помещении. М.: ВНИИПО 2005. - 456 с.

27. Матюшин A.B. Исследование начальной стадии развития« пожара в помещении с целью обоснования необходимого времени эвакуации людей из торговых залов универмагов. Дис-я на соискание уч. степени к.т.н. Москва. 1982 г.-289 с.

28. World Health Organization, Geneva 1991.

29. Вредные вещества в окружающей среде. Элементы I-IV групп периодической системы и их неорганические соединения: Справ.-энц. изд. / Под ред. В.А. Филова и др. СПб.: НПО «Профессионал», 2005. - 462 с.

30. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена; М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

31. Патанкар С. Численные методы решения- задач- теплообмена и динамики жидкости. М;: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

32. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. 840 с.

33. Оцисик М-Н! Сложный,теплообмен:- М;: Мир, 1976.- 616 с.

34. Матвиенко Н.Н, Поташников П.Ф., Фёдоров I I.П. и др. Фильтрующие самоспасатели и защита от монооксида углерода; // Пожаровзрывобезопасность. 2006.-Т. 15, №5.-С. 48-51.

35. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. М.: Стройиздат, 1988. - 340 с:40; NFPA 92В. Standard for Smoke Management Systems in Mails, Atria, and Earge Spaces.-2005.

36. Щеглов П.П. Продукты разложения, и; горения полимеров при пожаре; М., ВИПТШ, 1981.- 70 с.

37. Химическая?"энциклопедия: Том 4. М.: Большая.российская энциклопедия. Москва, 1995 г. С. 19.

38. Химическая энциклопедия. Том 1. М.: Большая советская энциклопедия. Москва; 1988 г.-С .72.

39. Kimmerle G. // Smoke and Combustion Produkts, Prod. Combust. Westport, Conn., 1976. P. 236-283.

40. Smith S.R. //FireEng. J. 1985. V. 8, No 11. P. 1-2.

41. Данишевский C.JI., Комарова E.H. // Токсикология высокомол. соед. и хим. сырья, используемого для их синтеза: Мат. науч. конф. М.-Л., Химия, 1996. -С. 119-132.

42. Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е в 3-х т. Л.: Химия. 1977.

43. Измеров Н.Ф., Саноцкий И.В., Сидоров H.H. Параметры токсикометрии промышленных ядов при однократном воздействии. М., Медицина, 1975. -278 с.

44. Иличкин B.C., Яненко М.В., Эварестов П.А. // Гигиена и санитария. 1989. -С. 76-78.

45. Джон Г. Пери. Справочник инженера-химика. Том 1. Перевод с четвёртого английского издания под общей редакцией акад. Жаворонкова Н.М. и чл.-корр. АН СССР Романкова П.Г. М.: Химия, 1969. - 640 с.

46. Дружинин Г.А., Ганжара П.С., Чинченко Е.И. и др. // Специальная и клиническая физиология гипоксических состояний: Тез. докл. Киев, Здоровье.1979. С. 47-50.

47. Тиунов Л.А., Кустов В.В. Токсикология окиси углерода. М.: Медицина,1980.-288 с.

48. Кустов В.В., Тиунов Л.А., Васильев Г.А. Комбинированное действие промышленных ядов при однократном воздействии. М.: Медицина, 1977. -240 с.

49. Иевлев В.М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. М.: Наука, 1975. - 256 с.

50. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. - 840 с.

51. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 540 с.

52. Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге XXI века)? // Успехи физических наук. 1999. - Т. 169, № 4. - С. 420441.

53. Леонтьев А.И. Пути развития теории тепломассообмена // Известия РАН. Энергетика. 1996. - № 2. - С. 22-27.

54. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. - 720 с.

55. Spalding D.B. Older and newer approaches to the numerical modelling of turbulent combustion // 3-rd International Conference on Computers in Reciprocating Engines and Gas Turbines. London: IMochE, 1996. - p. 25-37.

56. Welch S., Rubini P. SOFIE: Simulation of Fires in Enclosures. User Guide. United Kingdom: Cranfield University. 1996. - 340 p.

57. Harold L. Kaplan, Gordon E. Hartzell. Modeling of Toxicological Effects of Fire Gases: II Incapacitation Effects of Narcotic Fire Gases // Journal of Fire Sciences. 1984. - Vol. 2.- pp. 286-305.

58. Самошин Д.А. Расчет времени эвакуации людей. Проблемы и перспективы // Пожаровзрывобезопасность. 2004. - №1. - С. 33-46.

59. НПБ 169 -01. Техника пожарная. Самоспасатели изолирующие для защиты органов дыхания и зрения людей при эвакуации из помещений во время пожара. Общие технические требования. Методы испытаний.

60. Процкий В.Ю. Повышение безопасности людей при пожарах в зданиях применением самоспасателей. Дис-я на соискание уч. степени к.т.н. Москва. 2004 г. 131 с.

61. Корольченко Д.А., Процкий В.Ю. Анализ показателей, характеризующих эффективность применения индивидуальных средств защиты (самоспасателей) при пожарах // Пожаровзрывобезопасность. — 2004. № 4. - С. 72-75.

62. НПБ 302-2001. Техника пожарная. Самоспасатели фильтрующие для защиты органов дыхания и зрения людей при эвакуации из помещений во время пожара. Общие технические требования. Методы испытаний.

63. The British Standard 7974. Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Published documents 0-7. BSI. 2001-2003.

64. Hartzell G. E., Priest D. N., Switzer W. G. Modeling of Toxicological Effects of Fire Gases: Ii. Mathematical Modeling of Intoxication of Rats by Carbon Monoxide and Hydrogen Cyanide // Journal of Fire Sciences. — 1985. — Vol. 3.- pp. 115128.

65. Pauluhn J. A. Retrospective Analysis of Predicted and Observed Smoke Lethal Toxic Potency Values // J. Fire Sciences. 1993. - Vol. 11, N2. - pp. 109-130.

66. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности. Приложение к приказу МЧС России от 30.06.2009 № 382.

67. Morikawa Т. Toxic Hazards of Acrolein and Carbon Monoxide During Combustion // Journal of Fire Sciences. 1984. - Vol. 2. - March-April. - pp. 142-152.

68. Milke J. A. Effectiveness of High-Capacity Smoke Exhaust in Large Spaces // Journal of Fire Protection Engineering. — 2003. — V. 13, May. — pp. 111-128.

69. Purser D. A. The Application of Exposure Concentration and Dose to Evaluation of the Effects of Irritants as Components of Fire Hazard. Hartford Enviromental Research. UK. 1999.

70. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах. Приложение к приказу МЧС России от 10.07.2009 № 404.

71. Нгуен Тхань Хай Методика расчета необходимого времени эвакуации людей при пожаре в машинных залах ГЭС Вьетнама в условиях работы системы дымоудаления // Дис. канд. тех. наук. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2010.-269 с.

72. You Fei, Zhou Jianjun, Zou Yanghui, Li Peide Preliminary Real-scale Experimental Studies on Cable Fires in Plenum // Journal of Fire Sciences. — 2003. — Vol. 21. November. - pp. 465-484.

73. Ильиных И.И. Гидроэлектростанции. -M.: Энергоатомиздат, 1988. — 248 с.

74. Саксон Р. Атриумные здания.- М.: Стройиздат, 1987. -135 с.

75. McGrattan К., Bryan К., Hostikka S., Floyd J. Fire Dynamic Simulator (version 5). Technical Guide. NIST Special Publication. 1019-5. 2008.

76. Могильнер А. И., Курдявко В. П., Скоморохов А. О., Швецов Д. М. О некоторых методах решения задач контроля и диагностики аварийных состояний ЯЭУ. Препринт ФЭИ-588, Обнинк, 1975.

77. Микеев А.К. Противопожарная защита АЭС. 1990. 432 с.