автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Методы и оборудование для локализации и ликвидации пожаров в резервуарах и резервуарных парках

На правах рукописи

САМИЕВ РУСТАМ МАСКУРОВИЧ

2

Методы и оборудование для локализации и ликвидации пожаров в резервуарах и резервуарных парках.

Специальность 05 26 03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2007

оозото

003070141

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете на кафедре «Пожарная и промышленная безопасность»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Хафизов Фаниль Шамилевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Халимов Андалис Гарифович,

кандидат технических наук Сулейманов Фаиль Назмиевич

Ведущая организация

Муниципальный (государственный) научно-технический центр «Безопасность эксплуатации сложных технических систем»

Защита состоится 29 мая 2007 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212 289 05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан « /£ 7» апреля 2007 года.

Ученый секретарь совета

Закирничная М М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Резервуарные парки с вертикальными стальными резервуарами, которые получили большое распространение в нефтегазовом хозяйстве страны, относятся к пожаровзрывоопасным объектам Пожарная опасность этих объектов обуславливается тем, что во время производственных операций (слива, налива, хранения, отпуска и перекачки), связанных с большим количеством легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, возможны утечки и случайные разливы жидкостей, выделение их паров и образование взрывоопасных паровоздушных смесей Кроме того, всякое нарушение технологии производства и правил эксплуатации оборудования, несоблюдение правил противопожарного режима также может привести к взрыву и возникновению пожара на объекте Удаленность большинства объектов от населенных пунктов и пожарных частей, а также расположение пожароопасных объектов на территории с неразвитой инфраструктурой увеличивает промежуток свободного развития пожара, составляет в среднем 10-15 минут За этот период воздействия пламени, на конструкцию резервуара, наступает потеря несущей способности маршевых лестниц, выходят из строя узлы управления коренными задвижками и хлопушами, происходит разгерметизация фланцевых соединений, нарушается целостность конструкций резервуара, что приводит к обрушению конструкции и увеличению площади пожара

Анализ развития пожаров, в резервуарных парках со стальными вертикальными резервуарами показывает, что во всех случаях тушение пожаров в резервуарах осуществлялось передвижной пожарной техникой, так как стационарные установки, по причине попадания в зону поражающих факторов оказывались неработоспособными

Поэтому разработка альтернативной передвижной пожарной техники среднего звена, является актуальной, их внедрение позволит локализовать и ликвидировать пожар специалистами объекта, до приезда основных сил

Цель работы. Разработать метод локализации и ликвидации пожаров с использованием системы одновременной подачи воды и воздушно-механической пены средней кратности, на базе передвижной пожарной техники среднего звена

Задачи исследования:

1. Провести общий анализ возникновения и развития пожаров в резервуарных парках со стальными вертикальными резервуарами Выявить недостатки в системе пожаротушения резервуарного парка

2 Разработать метод локализации и ликвидации пожара в резервуаре и резервуарном парке при помощи передвижной пожарной техники среднего звена с системой одновременной подачи огнетушащих веществ

3 Разработать конструкцию системы одновременной подачи воды и воздушно-механической пены средней кратности, обеспечивающей нормативную интенсивность подачи огнетушащих веществ, от одной тактической единицы.

Научная новизна. Выявлена зависимость подачи пенообразователя в систему одновременной подачи огнегушащих веществ лафетного ствола от диаметра патрубка и перепада давления Разработана математическая модель расчета системы одновременной подачи воды и воздушно-механической пены средней кратности

Определены оптимальные геометрические размеры конструкции лафетного ствола с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, для защиты резервуарного парка и персонала объекта от пожара.

Практическая ценность. Предложен метод расчета системы одновременной подачи огнетушащих веществ в зависимости от требуемой производительности

Разработана конструкция системы одновременной подачи воды и воздушно-механической пены от одной тактической единицы, с

использованием мобильной пожарной техники среднего звена

Комбинированная передвижная пожарная установка с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, прошла сертификационные испытания в Академии государственной противопожарной службы МЧС России (г. Москва), промышленные испытания на предприятии ОАО «Башкирнефтепродукт» (г Уфа)

На защиту выносятся. Метод локализации и ликвидации пожаров с помощью системы одновременной подачи огнетушащих веществ в комплекте с передвижной пожарной техникой среднего звена

Метод расчета системы одновременной подачи огнетушащих веществ, в зависимости от производительности

Конструкция передвижной пожарной техники среднего звена с системой одновременной подачи огнетушащих веществ.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на IV международной конференции «Безопасность в нефтегазовом комплексе» (г. Москва, 2003 г), VI Конгрессе

нефтегазопромышленников России «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г Уфа, 2005г), IX Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (г Уфа, 2005 г)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 научных работах. Получено 3 патента Р.Ф

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 97 наименований и содержит 108 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 12 таблиц

б

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту, отражена новизна выполненных исследований и их практическая ценность

В первой главе (литературный обзор) рассмотрены основные работы и публикации по проблемной области диссертационного исследования Проанализированы теоретические основы горения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей

Далее приведены статистические данные о пожарах на действующих резервуарах со стационарной, плавающей крышей и с понтоном которые, позволили выявить основные закономерности развития пожара Рассмотрены варианты, вероятные сценария развития пожара в резервуарном парке

Установлено, что все пожары в резервуарных парках были ликвидированы передвижной пожарной техникой, так как стационарные установки по следующим причинам оказались неработоспособными

- узлы ввода пены были повреждены взрывом в 50% случаях,

- вышли из строя из-за пожара в обваловании в 25%,

- из-за ошибок при проектировании в 25% .

На основании обработки статистических данных установлена продолжительность с момента обнаружения пожара до прибытия подразделений пожарной охраны к месту пожаров (рис 1) Сложность пожаротушения в резервуарном парке обуславливают, интенсивное развитие процесса горения в начальной стадии с выделением большого количества тепла и быстрым движением тепловых потоков, высокая тепловая радиация, удаленность от пожарных частей, отсутствие мобильных передвижных средств пожаротушения на объекте

Число пожаров, % Рис, 1 Продолжительность с момента обнаружения

пожара до подачи первого ствола

Л над из источников показал актуальность проведения данной работы на основе исследований, направленных на разработку системы одновременной подачи огнетушащих веществ и комбинированной передвижной пожарной установки среднего звена. Внедрение вышеуказанной системы позволит сократить время свободного развития пожара.

Во второй главе описываются проведенные вычислительные эксперименты, которые позволили разработать конструкции системы одновременной подачи огнетушащих веществ. Проведенный анализ существующих стандартных методов расчета водопенного оборудования показал их несовершенство. Эти методы не позволяют проследить, процесс смещения многокомпонентных смесей, В результате был выбран метод конечных элементов (МКЭ) ANS YS, который предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, также возможна визуализация этих течений методами компьютерной графики. С помощью программного комплекса были разработаны основные элементы, решалась задача моделирования

взаимодействия потоков жидкости внутри камеры смешения в системе одновременной подачи огнетушащих веществ, а также внутри сухого трубопровода с пенокамерой для подачи воздушно- механической пены.

Первоначально была создана параметрическая твердотельная модель внутреннего пространства системы одновременной подачи огнетушащих веществ с использованием CAD системы, затем данная модель с параметрическими связями была экспортирована в программный комплекс ANSYS, где модель была «разбита» на конечные элементы и на них наложены законы поведения жидкостей и граничные условия. Геометрия расчетной области представляет собой объем, в котором определены уравнения математической модели.

Рис, 2 Геометрическая модель внутренней области системы одновременной подачи огнетушащих веществ

На первом этане расчетов нами были оптимизированы геометрические размеры рабочих органов системы одновременной подачи огнетушащих веществ с учетом пространства трубопровода для подачи пенообразователя до пенокамеры, установленной на верхней кромке резервуара. Оптимизация проводилась для уменьшения гидравлических потерь в системе.

В постановке задачи использовались следующие граничные

условия

1) стенка с логарифмическим законом изменения скорости в турбулентном пограничном слое;

2) на входе воды задавались различные значения нормальной скорости потока, на входе пенообразователя - массовый расход,

3) выход свободный с нормальным атмосферным давлением на границе,

4) рабочее давление перед моделью 0,4 - 0,8 мПа;

5) дозировка пенообразователя 4-6 %;

6) давление за диффузором не менее 0,4 мПа,

7) производительность по раствору 5-6 л/сек

Полученные результаты позволили сконструировать новый вид лафетного ствола с системой одновременной подачи огнетушащих веществ

В третьей главе предложена конструкция системы одновременной подачи огнетушащих веществ (патент РФ №50251). Приведена характеристика системы и результаты натурного и численного экспериментов по определению влияния геометрических параметров системы на производительность

Предложенная конструкция лафетного ствола с системой одновременной подачи огнетушащих веществ работает следующим образом, в систему от мотопомпы, электронасоса, автонасоса подается вода под давлением которая, проходя через эжектор, подсасывает пенообразователь В камере смешения происходит смешение пенообразователя и воды, дальше раствор попадает через рукавную линию, сухому трубопроводу резервуара в пеногенератор средней кратности. Перед эжектирующим устройством имеется ответвление, которое образует дополнительный ствол для подачи воды (смачивателя) на охлаждение Общий вид лафетного ствола с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, представлен на рис 3

Рис. 3 Общий вид лафетного ствола с системой одновременной подачи огнетушащих веществ. 1 - соединительная арматура, 2 - манометр, 3 -вентиль 4 - ниппель для подсасывания пенообразователя, 5 - камера смеситель, 6 - верхний ствол:

а - вид сбоку, б - вид сверху.

Предлагается метод расчета системы одновременной подачи огнетушащих веществ. В расчете были учтены следующие условия: Расход раствора: = 4-^6 л/с Расход пенообразователя: = 0,06 ■ т.е. 0„ = 0,24 ч- 0,36 л/с

Давление на входе: Р, = 0,7мПа (рабочее давле!тие 0,4 - 0,7мПа) Давление на выходе: Р3 > 0,4 мПа.

Выведены зависимость требуемых параметров системы одновременной подачи огнетушащих веществ от его размеров и определены их оптимальные значения, так как предлагаемая система эксплуатируется в комплекте с уже существующим оборудованием: пеногенератор ГПС-600; насадки диаметром 13мм, 22 мм, 28 мм.

При расчете также были определены следующие геометрические размеры камеры смешения (рис. 4):

диаметр подводящего патрубка 55 мм;

диаметр сопла 13 мм;

диаметр подводящего патрубка 14 мм.

Рис. 4 Камера смешения. 1- сопло, 2-эжектор, 3- подводящий патрубок. Суммарный напор воды, создаваемый насосом в начале системы одновременной подачи о гн ершащих веществ, рассчитывается по следующему уравнению:

Рш-8 Р, В 2я % 2g

где р1 - начальное сечение нижнего участка (до конфузора), р2 - входной патрубок лафетного ствола, р5 - выходное сечение верхнего участка

6 = 05, откуда для труб круглого сечения ез = 4 ^ .

я I)

Положение центральной оси ствола примем горизонтальным, а его уровень за нулевое, те = го = 0, тогда:

- будет равна величине Ь на рисунке X Ь - длина всасывающего патрубка пенообразователя; р5 = рэтм=100 кПа

Общий расход воды будет равен сумме расходов на нижний и верхний стволы и вычисляется по уравнению

' О-нижн _ Фнижн^ _ ^ Ратм ^ О-верх ,

Р. 8 8 лг 8 ~ Р. Я ё я2 А2'

Для тушения и охлаждения металлоконструкций водой используется, верхний ствол системы одновременной подачи огнетушащих веществ, с насадками диаметром 05= 13, 22, 28 мм

На рис 4-6 представлены зависимости верхнего, нижнего и суммарного расхода от давления в приемной арматуре при различных диаметрах насадка, верхнего ствола.

0028--

0023--

£ 0018 --

е?

0013--

0008 -_____.--' — " -

0003 ■ ■ .г ■ *"■"Г~1 ■"■ . . ■ ........ . .......

40 4.4 4В 52 00 в,4 в.7 7,1 75 7£ 83 8.7 9.1 00 Р.атм

-тжний • • - ■ сер>нн.1 ~ • • суммарьый

Рис 5 График зависимости верхнего, нижнего и суммарного расхода от давления в приемной арматуре лафетного ствола при ¿>5=13 мм, Ь = 0,2 м

0,028 ! 0,023

S 0,018 в

0,013 0,008 0,003

3,9 4,3 4,6 5,0 5,4 5,8 6,2 6,5 6,9 7,3 7,7 8,1 8,5 8,8 9,2 9,6 P, атм

-нижний - - - верхний — - - суммарный !

Рис 6 - График зависимости верхнего, нижнего и суммарного расхода от давления в подводящем патрубке лафетного ствола при D5 = 22 мм, h = 0,2 м

0,028

0,023

2 0,018 Cf

0,013 0,008

0,003

3,7 4,1 4,4 4,8 5,2 5,5 5,9 6,2 6,6 7,0 7,3 7,7 8,1 8,4 8,8 9,1 j Р, атм I

■нижний - - - верхний — - - суммарный I

Рис 7 - График зависимости верхнего, нижнего и суммарного расхода от давления в подводящем патрубке лафетного ствола при = 28 мм, Ь = 0,2 м

Для определения оптимального диаметра патрубка для подвода пенообразователя, высота подсоса была взята от 0.1 до \м. На номограмме (рис. 7) представлена зависимость диаметра подводящего патрубка пенообразователя, от длины патрубка и начального давления.

105000 100000 95000 90000 85000 60000 75000

• "■: ••-

й ■ а Л : у V ... ',

- -- - -л ь- н &

-! ■ 1 ■ | г. -4^1, ■■ -- - —

г. ■ ¡1' : • • • .'' 1 щ и ■ - __ г,- ' Ш щ _\ ¡'V '-

■ -;. .....~ ' - Ч* г •• >7."

— 10 мм 13 мм

- -16 ММ —19 мм

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 1 I, т

Рис. 8 Номограмма зависимости диаметра подводящего патрубка пенообразователя от длины и начального давления.

Ввод пенообразователя осуществляется через кольцевой зазор между конфузором и диффузором, поэтому распределение подводимой жидкости к потоку можно считать симметричным, что позволяет не учитывать его влияние на изменение формы эпюры скоростей поперечного сечения. .Для определения оптимального диаметра подводящего патрубка используем [рафик (рис. 8), из которого видно зависимость перепада давления от диаметра подводящего патрубка для поддержания заданного расхода пенообразователя (в расчетах 0„ = 0,3 л/с).

90000 80000 70000 60000 с 50000 40000 30000 20000 10000

5

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

ММ

Рис 9 - График зависимости перепада давлений, Па, от диаметра подводящего патрубка, мм

Как видно из графика оптимальный диаметр подводящего патрубка находится в пределах от 13 до 19 мм, дальнейшее его увеличение не дает значительного уменьшения необходимого перепада давлений

Разработан лафетный ствол с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, технические характеристики которого представлены в табл 2

Таблица 1

Номинальная производительность системы одновременной подачи огнетушащих веществ по воде, с насадкой 22 мм, л/сек 16

Номинальная производительность (расход) через нижний ствол смачивателя, л/сек 5-6

Длина струи, м сплошной распыленной пенной (через верхний ствол) с пеногенератором ГПС-600 с УКТП «Пурга 5» при давлении на входе 0,8 мПа 40 36 9-12 20-25

Рабочее давление на входе, мПа (кг/см2) 0,4(4)-0,9(9)

Расход раствора пенообразователя ПО-1, л\сек 0,3

Масса не более, кг 9,5

Разработанная конструкция лафетного ствола с системой одновременной подачи огнетушащих веществ предназначена для работы от комбинированной передвижной пожарной установки среднего звена конструкция которых предложена в четвертой главе. Отсутствие передвижной пожарной техники среднего звена на пожаровзрывоопасных объектах, к которым относятся резервуарные парки, исключает возможность локализации и ликвидации пожаров обученным персоналом объекта В соответствии с ППБ 01-01-94 в качестве передвижной пожарной техники на складах II и III категории, используются мотопомпы Но в них имеются ряд недостатков Которые были устранены в предложенной конструкции передвижной пожарной установки с системой одновременной подачи огнетушащих веществ (Патент РФ № 52141) Предложены два типа комбинированной передвижной пожарной установки среднего звена

Первый вариант (рис 9) представляет собой агрегат, на двух опорных колесах, с емкостью пенообразователя 60 литров, что позволяет покрыть площадь, воздушно-механической пеной средней кратности до 280 м2. При этом время оперативного развертывания установки составляет, 90 сек

Рис 10 Общий вид комбинированной передвижной пожарной установки. 1- емкость для пенообразователя, 2- лафетный ствол с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, 3- отсек для противопожарного оборудования, 4- мотопомпа

Второй вариант (рис. 10} передвижной пожарной установки представляет собой агрегат на одноосном или гусеничном шасси. С аварийным запасом пенообразователя на 305 литров, что позволяет покрыть площадь, воздушно-механической пеной средней кратности, до 1400 м2. При этом время оперативного развертывания установки составляет, 90 сек.

Рис. 11 Общий вид передвижной пожарной установки с емкостью для пенообразователя. 1-емкость для пенообразователя, 2-лафетный ствол с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, 3- отсек для пожарного оборудования, 4- одноосное шасси, 5- мотопомпа.

Комбинированные передвижные пожарные установки предназначены для полной ликвидации возникшего очага горения, сдерживания развития очага горения путем подачи воды и воздушно-механической пены, на очаг горения, до прибытия основных сил, персоналом объекта. Эти установки используют также в тех случаях, когда тушение пожара невозможно и нецелесообразно.

При локализации горения внутри резервуара раствор пенообразователя и воды от системы одновременной подачи подается

через сухой трубопровод в пенокамеру установленный на верхней кромке резервуара, при этом верхний ствол системы используется для охлаждения стенки резервуара Схема подключения представлен, на рис. 11

Рис 12 Схема включения комбинированной передвижной пожарной установки с системой одновременной подачи огнетушащих веществ 1-пожарный водоем, 2- комбинированная передвижная пожарная установка, 3-лафетный ствол с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, 4-обвалование, 5-сухой трубопровод с пенокамерой, 6- кольцо орошения, 7- резервуар типа РВС

1 После проведенного анализа пожаров в резервуарных парках выявлено, что все пожары были ликвидированы передвижной пожарной техникой, из-за отказа автоматических систем пожаротушения, в начальной стадии При этом подача первых стволов, из прибывшей пожарной техники, осуществлялось в среднем в течение 10-15 минут. За это время происходит полное разрушение конструкции резервуара Для чего предлагается использование передвижной пожарной техники среднего звена, с системой одновременной подачи огнетушащих веществ, от одной тактической единицы.

6,

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

2 Предложен метод расчета системы одновременной подачи огнетушащих веществ, с учетом нормативной интенсивности при охлаждении водой и тушении воздушно-механической пеной средней кратности

3. Разработана система одновременной подачи воды и воздушно-механической пены средней кратности С помощью программного комплекса ANSYS были разработаны, его основные элементы системы.

4. Разработана конструкция передвижной пожарной техники среднего звена, для локализации и ликвидации пожаров, до приезда основных сил. Время оперативного развертывания установки составляет, 90 сек.

5 Предложенная передвижная пожарная техника прошла сертификационные испытания в Академии государственной противопожарной службы МЧС России и промышленные испытания на объекте ОАО «Башкирнефтепродукт»

Содержание работы опубликовано в 8 научных трудах, из которых JNsj 5 опубликован в издании, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов в соответствии с требованиями ВАК.

1 Самиев Р М. Мобильные передвижные пожарные установки// Безопасность в нефтегазовом комплексе- материалы IV Международной конференции. - М , 2003.- С 43-46 2. Самиев P.M. Мобильная пожарная техника среднего звена для защиты объектов добычи, транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа, материалы VI конгресс нефтегазопромышлешшков России -Уфа, 2005 -С 215-217

3. Самиев РМ. Новый тип оперативных пожарных машин для города/ М.Г. Самиев, Ф.Ш.Хафизов // Проблемы строительного комплекса России Уфа 2005 -С 193-195

4. Самиев Р М Мобильные пожарные установки для ликвидации пожаров на объектах нефтегазового комплекса/ М.Г. Самиев., Ф.Ш. Хафизов// Проблемы строительного комплекса России 2005 - С 195197

5. Самиев Р М, Разработка и внедрение новых видов пожарно-сиасательных автомобилей нового поколения/ М Г Самиев, М Ш Магадеев, Ф.Ш. Хафизов// Пожаровзрывобезопасность - 2006. - № 2

6. Патент № 54795 Российская Федерация Механизированный передвижной пожарно-спасательный комплекс/ Самиев Р.М., Самиев М Г - № 2006104132, заявка 10 02 2006, опубл 27.07.2006, Бюл №21

7. Патент №52141 Российской Федерации, Передвижной пожаротушитель/ Самиев Р.М, Самиев М Г, Сулейманов ИТ. -№2001502209; заявка 20.11 2001, опубл 16.03 2003.

8. Патент №50251 Российской Федерации, Комбинированный лафетный ствол/ Самиев Р.М, Самиев М.Г. , Хафизов ФШ., Хафизов НШ -№2005123647, заявка 25 07.2005; опубл. 27 12 2005, Бюл №36

Подписано в печать 24 04 07 Бумага офсетная Формат 60ч80 1/16 Гарнитура «Тайме» Печать трафаретная Уел печ л I Тираж 90 Заказ 121

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии 450062, Республика Башкортостан, г Уфа, ул Космонавтов, 1