автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Насосно-рукавные системы пожарных автомобилей, обеспечивающие тушение пожаров и аварийное водоснабжение на объектах энергетики в условиях низких температур

Двоенко Олег Викторович

НАСОСНО-РУКАВНЫЕ СИСТЕМЫ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ И АВАРИЙНОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2014

005557076

005557076

Двоенко Олег Викторович

НАСОСНО-РУКАВНЫЕ СИСТЕМЫ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ И АВАРИЙНОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре «Пожарная техника»

Научный руководитель: Алешков Михаил Владимирович

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Логинов Владимир Иванович

доктор технических наук, старший научный сотрудник, начальник НИЦ Пожарной и спасательной техники ФГБУ ВНИИПО МЧС России

Шварцбург Леонид Эфраимович

доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО «Московский Государственный технологический университет «СТАНКИН»

Ведущая организация: Институт комплексной безопасности

Северного (Арктического) Федерального университета имени М. В. Ломоносова

Защита состоится «23» декабря 2014 г. в 11 часов 00 минут 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 и на сайте: http://academygps.ru/uploads/ffles/6rEzsB9DRqLfCS0IjHCr.pdf

Автореферат разослан «24» октября 2014 г.

Ученый секретарь С—

диссертационного совета /""V* /к■<■ Швырков Сергей Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Энергетика является ключевой отраслью экономики, как для России, так и для других стран, обеспечивающей внутренние потребности народного хозяйства и населения в электроэнергии. Она обеспечивает работу базовых отраслей экономики, таких как: добыча сырьевых ресурсов, тяжёлая и оборонная промышленность, машиностроение и др. От её функционирования зависят состояние систем жизнеобеспечения и развитие экономики страны.

Постоянно растущий спрос на электроэнергию привел к тому, что в настоящее время энергетика России перенапряжена. Неуклонно обостряется проблема физического и морального старения оборудования электростанций и электрических сетей. Как следствие, за последние годы увеличилось количество крупных пожаров и аварий на объектах энергетики, сопровождающихся уничтожением имущества и остановкой на длительный срок различных производственных объектов (авария и пожар на теплоэлектростанции «Чагино» в г. Москве, авария на «Саяно-Шушенской» ГЭС и др.).

На опасность и риск возникновения чрезвычайных ситуаций на объектах энергетики существенно влияет их расположение на территории России. В настоящее время большая часть таких объектов (до 57 %) расположена на территориях с холодным и очень холодным климатом. При этом особую опасность представляют атомные электростанции (АЭС). Каждая авария или пожар на которых, влечет за собой серьезные, а иногда и катастрофические последствия (пожар на Белоярской АЭС, пожар и авария на Чернобыльской АЭС).

Особенность эксплуатации объектов энергетики обуславливает необходимость разработки и применения дополнительных требований для пожарно-спасательных подразделений (ПСП) МЧС России. Отметим что, развитие пожаров и аварий до крупных размеров преимущественно зависит от оснащенности ПСП пожарной техникой, подготовкой и эффективностью действий личного состава в условиях низких температур.

Степень разработанности темы исследования

Вопросам эксплуатации пожарной техники и пожарно-технического вооружения в условиях низких температур уделено значительное внимание в работах М. Д. Безбородько, В. В. Пивоваров, М.В. Алешков и др. Однако, до настоящего времени, практически не решенной остается проблема тушения пожаров на объектах энергетики в условиях низких температур.

Анализ произошедших пожаров показал, что наиболее уязвимыми в этих условиях остаются пожарный автомобиль (ПА) и его насосно-рукавная система (НРС). Из-за обледенения рукавных линий и рукавной арматуры происходит уменьшение подачи воды, приводящее к увеличению времени тушения пожара, и, следовательно, к более тяжелым последствиям.

Так, например, произошедший в 1978 году пожар в машинном зале Белоярской АЭС продолжался более 45 часов при температуре окружающей среды минус 46,7 °С. В ходе тушения пожара требовалась подача большого количества огнетушащих веществ для локализации пожара. Из-за воздействия низких температур происходило интенсивное обледенение рабочих и магистральных рукавных линий, ощущалась нехватка огнетушащих веществ. Благодаря лишь мужеству пожарных ситуация не приобрела катастрофические последствия.

Анализ состояния решаемой задачи позволил определить, что снижение пожарной опасности объектов энергетики возможно за счет применения новых научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих работоспособность НРС ПА при тушении пожаров и аварийном водоснабжении на объектах энергетики в условиях низких температур.

Таким образом, целью работы является обоснование технических средств для обеспечения работоспособности НРС ПА при тушении пожаров и аварийном водоснабжении на объектах энергетики в условиях низких температур.

Основные задачи исследования:

-выполнить анализ статистики крупных пожаров в различных климатических районах России и широком диапазоне метеорологических условий, на основании, которого выявить особенности влияния низких температур окружающей среды на работу ПСП;

-разработать измерительный комплекс и методику проведения испытаний для исследования режимов работы НРС с диаметром до 150 мм в условиях низких температур окружающей среды;

-обосновать требования и предложить технические решения, для обеспечения работоспособности НРС ПА в условиях низких температур окружающей среды.

Объектом исследований являлись пожарные автомобили, применяемые для тушения пожаров и аварийного водоснабжения на объектах энергетики в холодных климатических районах России. В качестве предмета исследования рассматривались насосно-рукавные системы пожарных автомобилей и технические средства, обеспечивающие их работоспособность в условиях низких температур.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основании анализа статистических данных по крупным пожарам определены условия функционирования ПСП в различных климатических районах страны, произведена оценка влияния метеорологических условий на оперативную обстановку с пожарами;

2. Теоретически определены области влияния климатических факторов (температура воздуха, скорость ветра) на функционирование рукавных линий с диаметром до 150 мм при их продолжительной эксплуатации;

3. С применением измерительного комплекса получены новые экспериментальные данные по интенсивности охлаждения воды в рукавных линиях с диаметром до 150 мм в широком диапазоне воздействий низких температур окружающей среды;

4. Получены математические зависимости для прогнозирования работоспособности рукавных линий при тушении пожаров и аварийном водоснабжении на объектах энергетики в условиях низких температур;

5. На основе проведенных исследований впервые предложен вариант применения вихревого теплогенератора ВТГ-110 (ВТГ) на пожарных автомобилях для обеспечения работоспособности насосно-рукавных систем пожарных автомобилей в условиях низких температур окружающей среды.

Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что: доказана применимость полученных математических моделей, позволяющих прогнозировать работоспособность рукавных линий при тушении пожаров и аварийном водоснабжении объектов энергетики в условиях низких температур с учетом использования ВТГ.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Выполнена оценка работоспособности НРС ПА в различных климатических районах России, что позволяет производить предварительное планирование сил и средств пожаротушения и обеспечивает создание условий для локализации и ликвидации пожаров.

2. Получены интенсивности охлаждения воды в рукавных линиях с диаметром до 150 мм, которые использованы для разработки рекомендаций по применению пожарных рукавов для подачи огнетушащих веществ при тушении пожаров на объектах атомной энергетики.

3. Результаты исследований, полученные в ходе выполнения работы реализованы ОАО «Варгашинским заводом ППСО» при изготовлении пожарных автомобилей в климатическом исполнении XJI с температурой эксплуатации до минус 60 °С, которые затем поступили на вооружение ПСП МЧС России.

4. Показана эффективность применения на пожарных автомобилях ВТГ для обеспечения работоспособности насосно-рукавных систем при тушении пожаров и аварийном водоснабжении на объектах энергетики при низких температурах.

Методология и методы исследования. Основу теоретических исследований составляли методы математической статистики, экспертных оценок, математического моделирования. Моделирование и расчеты, связанные с определением предельной длины рукавной линии до момента обледенения, подтверждены результатами натурных экспериментов.

Информационной основой исследования являлись отечественные и зарубежные литературные, правовые и нормативные источники, описания крупных пожаров, произошедших в России за период с 1995 по 2013 гг., планы тушения пожаров, материалы научно-исследовательских работ в области

обеспечения работоспособности пожарной техники в условиях низких температур.

Положения, выносимые на защиту:

-результаты анализа статистических данных по тушению крупных пожаров в различных климатических районах России за 1995-2013 гг.: количество пожаров, время следования, продолжительность тушения;

-результаты исследования режимов работы НРС с диаметром до 150 мм в широком диапазоне воздействий низких температур окружающей среды;

-математические модели, позволяющие произвести прогноз работоспособности рукавных линий при тушении пожаров и аварийном водоснабжении объектов энергетики в условиях низких температур;

-технические решения по применению ВТГ для обеспечения работоспособности НРС ПА при тушении пожаров и аварийном водоснабжении объектов энергетики в условиях низких температур.

Степень достоверности основных результатов, выводов и рекомендаций диссертации обусловлены применением современных методов и средств исследований. Экспериментальные исследования выполнялись с применением измерительного оборудования, прошедшего поверку в аккредитованной лаборатории. Производилось сопоставление экспериментальных и расчетных данных, полученных с помощью модели для идентичных условий.

Апробация результатов. Основные результаты работы доложены на:4-ой Международной научн.-практ. конф. «Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий» (г. Санкт-Петербург, СПб Университет ГПС МЧС России, 2011); VI Московской межвузовской научно-практической конференции «Студенческая наука» (Москва, МСЦ при правительстве г. Москвы, 2011); 20-й Международной научн.-техн. конф. «Системы безопасности - 2011» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2011); Международной научн.-практ. конф. «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012); XXIV Международной научн.-практ. конф. «По проблемам пожарной безопасности, посвященная 75-летию создания института» (г. Балашиха, ВНИИПО МЧС России, 2012); П-й Международной научн.-практ. конф. «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013); 1-й Международной научн.-практ. конф. «Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения» (г. Архангельск, Северный (Арктический) Федеральный Университет им. М.В. Ломоносова, 2013).

Материалы диссертации реализованы при:

-разработке и применению технических решений для обеспечения работоспособности НРС опытных образцов пожарных автомобилей в климатическом исполнении ХЛ (с температурой эксплуатации от минус 60 до плюс 40 °С) ПСА-6,0-40 (6339) и АЦ-С-8,0-70 (6339), выпускаемых ОАО «Варгашинский завод ППСО», 2012 г.;

-проведении полигонных испытаний ПСА-6,0-40 (6339) и АЦ-С-8,0-70 (6339) в климатическом исполнении XJI, использованию экспериментальной методике исследования, ОАО «Варгашинский завод ППСО»,2011, 2012 г.;

-проведении показательного эксперимента с пожарной автоцистерной АЦ-С-8,0-70 (6339) в климатическом исполнении XJI, при низких температурах окружающего воздуха, ГУ СП и АСР ДЧС г. Астаны (Казахстан), 2012 г.

-выполнении научно-исследовательской работы по государственному контракту от 16.08.2012 г. № 28/3.3-87/А9 «Разработка тактических приемов, схем боевого развертывания и нормативов применения современных образцов пожарной и аварийно-спасательной техники» (НИР «Норматив-ПСТ»), Академия ГПС МЧС России, 2013 г.;

-разработке «Методических рекомендаций по применению пожарных рукавов для подачи огнетушащих веществ при тушении пожаров на объектах атомной энергетики», ОАО «Концерн Росэнергоатом», 2013 г.;

-разработке практического пособия «Тактические приемы. Схемы боевого развертывания и нормативы применения современных образцов пожарной и аварийно-спасательной техники» под ред. А.П. Чуприяна. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. —312 с.

Публикации. Содержание диссертации отражено в 12 научных работах, в том числе 3 - в рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК России, 1 —патенте на полезную модель.

Структура, объем работы и ее основные разделы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на 190 страницах машинописного текста, включает в себя 25 таблиц, 67 рисунков, список литературы из 165 наименований, 8 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и её практическая значимость.

В первой главе «Размещение объектов энергетики на территории страны и анализ тушения пожаров на объектах энергетики» изложены результаты обобщения дислокации объектов энергетики на территории России и анализа произошедших на них пожаров, а также дан обзор отечественных и зарубежных работ, посвященных эксплуатации пожарной техники в условиях низких температур.

В настоящее время большая часть объектов энергетики (до 57 %) эксплуатируется на территории страны в холодных климатических районах, из которых 7 % в очень холодном климатическом районе. Важно отметить, что в этих районах также эксплуатируются и такие критически важные объекты как

АЭС (Билибинская АЭС, Кольская АЭС, Белоярская АЭС). При этом, согласно энергетической стратегии России, к 2020 г. в холодных климатических районах будет размещаться до 47 % объектов атомной энергетики. Такое размещение обуславливает дополнительные требования для подразделений пожарной охраны в зимний период года, когда происходит понижение температуры до минус 40 °С, а порой и до минус 60°С.

Выполненный в работе анализ крупных пожаров, произошедших на территории России за период с 1995 по 2013 г., показал, что наибольшее их количество наблюдалось в зимний период, при этом до 66 % от общего числа пожаров зафиксировано в районах с холодным климатом. Кроме того, статистика отмечает, что зимой в районах с очень холодным климатом, по сравнению с умеренным, крупные пожары, в расчете на 100.000 проживающего на этой территории населения, возникали в 20 раз чаще.

Такое же распределение пожаров наблюдалось и на объектах энергетики. Так, за период с 2004 по 2009 гт. до 58 % от всех пожаров произошло на территориях с холодным климатом. При этом, несмотря на тенденцию ежегодного снижения количества пожаров прямой материальный ущерб от них достигает колоссальных размеров.

Следует также отметить, что тушение пожаров в условиях низких температур осложняется значительной пожарной нагрузкой, сосредоточенной на объектах энергетики. Это приводит к необходимости привлечения большого количества сил и средств для ликвидации пожара, что непосредственно влияет на время его тушения и обеспечения безопасности людей (пожар на ТЭЦ 21 в г. Москва 1979 году, пожар на ТЭЦ 3 в г. Барнауле в 2010 г., пожар на Белоярской АЭС в декабре 1979 г.).

Представленный в диссертации обзор работ в области обеспечения работоспособности пожарной техники в условиях низких температур, показал, что они были направлены на обеспечение работоспособности рукавных линий с небольшим расходом воды. При этом для тушения пожаров и аварийного охлаждения объектов энергетики требуется применение рукавных линий с возможностью подачи большого количества воды. Поэтому проблема тушения пожаров на объектах энергетики в условиях низких температур остается актуальной и на сегодняшний день.

Таким образом, обоснована необходимость продолжения исследований, связанных с разработкой новых средств обеспечения работоспособности НРС ПА, и исследованием режимов работы рукавных линий в условиях низких температур с диаметром до 150 мм.

Во второй главе «Теоретическое исследование работоспособности насосно-рукавных систем в условиях низких температур» представлен анализ результатов исследований связанных с надежностью и продолжением срока службы рукавов, а также с изучением процессов, протекающих в рукавных линиях при воздействии низких температур окружающей среды. Наиболее полно вопрос, связанный с работоспособностью НРС ПА при низких

температурах, рассмотрен в кандидатской диссертации М.В. Алешкова. В ней отмечается, что при подаче воды по рукавным линиям при низких температурах окружающего воздуха возникают три характерных участка

(рисунок 1).

и=о°с

<

V J «1 10 т- £,крст 4- — Хобл

. £пр

1шш

Рисунок 1- Характерные участки рукавных линий, работающих в условиях

низких температур: Ьо - участок рукавной линии, на котором вода охлаждается до О °С, м; ¿крст - участок рукавной линии, на котором происходит переохлаждение воды до начала кристаллизации, м; Ьпр - предельная длина рукавной линии до начала обледенения, м; ¿обл - участок обледенения рукавной линии, м

Для определения интенсивности снижения температуры воды по длине рукавной линии, принимаем длину Ь = 100 м и определяем первый участок рукавной линии ( Ь0, м), на котором вода охлаждается до О °С:

¿0 =

■ АС, + Д£„

Дt

100

(1)

где Мвс - изменение температуры воды во всасывающей линии, °С; £нач ~ температура воды в водоеме, °С; - изменение температуры воды на насосе, °С, Д1 интенсивности снижения температуры воды °С/100 м.

Второй участок (1крст, м) представляет собой длину рукавной линии, на которой будет отдана теплота необходимая для образования льда:

_ Рж •'

■V,

(2)

где К — коэффициент теплопередачи от воды к поверхности рукава, Вт/(м2-град), рж - плотность воды при 0 °С, кг/м3; £л - удельная теплота кристаллизации для льда, Дж/кг; Уж - объемный расход воды в линии, м3/с. <1\ -внутренний диаметр рукава, м; ?0 - начальная температура воды, °С; К -температура воздуха, °С.

Третий участок (Ь„р , м) определяет предельную длину рукавной линии до начала обледенения:

^пр = + ^крст- (3)

Предельная длина линии используется в качестве критерия для оценки работоспособности НРС ПА в условиях низких температур.

При условии, если 1ЛИН1 < Lnp, то по длине рукавной линии не создаются условия для формирования льда на поверхности рукавов и рукавной арматуры. Рукавная линия, по фактору обледенения, может функционировать неограниченный период времени. В противном случае в НРС ПА формируются условия для появления участка обледенения.

Используя зависимости (1-3) выполнен анализ работоспособности схем развертывания от основных пожарных автомобилей при тушении пожаров на объектах энергетики в условиях низких температур. Полученные значения предельных длин магистральных линий диаметром 65 и 80 мм , позволили сделать вывод о том, что при тушении пожаров происходит интенсивное обледенение рукавных линий, влияющее на снижение тактико-технических возможностей пожарных подразделений, в следствии чего пожар может иметь затяжной характер и приобрести крупные размеры.

Кроме этого, результаты теоретического исследования работоспособности напорных рукавных линий диаметром 150 мм в условиях низких температур при тушении пожаров и аварийном водоснабжении объектов энергетики выявили, что на отказ в работе магистральных линий по причине их обледенения влияют не только погодные условия, но и сами параметры линии. Было подтверждено, что увеличение диаметра линии и уменьшение расхода, повышают вероятность замерзания рукавной линии (рисунок 2).

Расход волы, л/с

Рисунок 2 — Зависимость предельной длины линии диаметром 150 мм до момента обледенения от скорости ветра и температуры воздуха l-v=0,5 м/с; 2-v=2,5 м/с; 3-v=5 м/с; 4-v=10 м/с; 5-v=20 м/с

Таким образом, для обеспечения работоспособности рукавных линий в условиях низких температур в течение длительного времени необходимо применять технические средства для повышения температуры воды в насосно-рукавной системе пожарного автомобиля.

В третьей главе «Обеспечение работоспособности насосно-рукавных систем при тушении пожаров и аварийном водоснабжении на объектах энергетики при низких температурах воздуха» представлены результаты анализа существующих средств обеспечения работоспособности НРС ПА, приведено описание разработанного измерительного комплекса и методики проведения экспериментов по определению режимов работы НРС ПА при низких температурах воздуха. Предложены новые технические решения для обеспечения работоспособности НРС ПА в условиях низких температур окружающей среды. По результатам обработки экспериментальных данных, получены математические зависимости для определения предельной длины рукавной линии до момента обледенения.

Установлено, что наиболее эффективным по обеспечению работоспособности рукавных линий в условиях низких температур зарекомендовал себя автомобиль пожарный многоцелевой с установкой получения температурно-активированной воды (TAB) АПМ-3-2/40-0,5/125-50 (АПМ), разработанный специалистами Академии ГПС МЧС России совместно с ООО «Аква-ПиРо-Альянс». Для обеспечения работоспособности рукавных линий АПМ комплектуется специальными напорными и всасывающими вставками, которые позволяют подпитывать горячей водой НРС. Установка получения TAB позволяет обеспечить подачу в рукавную линию до 2 л/с нагретой до 85 °С воды. Этого запаса энергии достаточно для компенсации всех энергетических потерь воды в рукавной линии. Однако применение АПМ требует дополнительного времени для сосредоточения сил и средств, а также увеличение расхода горюче-смазочных материалов. Кроме того, АПМ выполнен в климатическом исполнении У, что ограничивает его эксплуатацию при температуре ниже минус 40 °С.

В связи с необходимостью обеспечения проведения пожарно-спасательных работ в условиях экстремально низких температур (до минус 60 °С), в 2011 г. специалистами Академии ГПС МЧС России совместно с инженерным составом ОАО «Варгашинский завод противопожарного и специального оборудования» при участии Якутского научного центра РАН, в рамках выполнения государственного контракта от 16.03.2009 г. № 6/1.2.3.9-70502 был разработан пожарно-спасательный автомобиль в климатическом исполнении XJ1, ПСА-С-6,0-40/100 (6339) (ПСА).

На этом автомобиле на основе результатов полученных в ходе выполнения диссертации впервые предложено испо льзовать технологию подогрева воды за счет вихревого теплогенератора ВТГ-110 (далее ВТГ) (рисунок 3).

1 - входной патрубок; 2 - теплогенератор;3 - выходной патрубок; 4 - муфта;

5 - электродвигатель.

ВТГ состоит из корпуса, входного и выходного патрубка, рабочего колеса привод осуществляется от электродвигателя. Вода поступает во входной патрубок и, проходя рабочее колесо, сильно нагревается за счет эффекта кавитации. В результате выполненного расчета согласования режимов совместной работы двигателя внутреннего сгорания ПСА, ВТГ и пожарного насоса типа ПН-40УВ, доказана возможность применения вихревых теплогенераторов на мобильной пожарной технике и предложена схема привода от двигателя автомобиля (рисунок 4 ).

Рисунок 4— Принципиальная схема привода ВТГ от двигателя ПСА: 1-вихревой теплогенератор, 2-раздаточная коробка, 3- узел дополнительного отбора мощности, 4-адаптер, 5-вал карданный, 6-мультипликатор модели МР-11-ВР.

Кроме этого предложена система водопенных коммуникаций ПСА, при которой обеспечиваются различные режимы работы ВТГ-110 (подогрев воды в цистерне ПА; подогрев воды, подаваемой по напорным рукавным линиям от ПА и подачей горячей воды внешним потребителям).

Другой задачей исследования являлось экспериментальное определение интенсивности подогрева воды ВТГ при подаче в рукавные линии в условиях низких температур на различных режимах работы двигателя ПА. Для этого был разработан измерительный комплекс, состоящий из: персонального компьютера, регистраторов температуры ШБЬ типа 13£1922Ь-Ь5, расходомера, анемометра и термометра.

Использование регистраторов В81922Ь-Б5 позволяет производить замер температуры в различных измерительных диапазонах от 120°С до -55°С с привязкой к реальному времени. Введение параметров регистраторов 081922Ь-Р5 происходит на персональном компьютере с установленным на нем программным обеспечением. Точностью измерений составляет 0,0125° С.

Измерение гидравлических характеристик НРС осуществляется при помощи расходомера марки «Р1о\ута51ег 250», который позволяет определять как мгновенный (до 40 л/с), так и суммарный расход воды за определенное время. Блок-схема взаимодействия элементов измерительного комплекса с регистраторами температур в виде электронных самописцев представлена на рисунке 5. На измерительный комплекс был получен патент на полезную модель.

Рисунок 5— Блок-схема измерительного комплекса: 1-персональный компьютер, 2-регистраторы температуры, 3-анемометр. 4-расходомер, 5-термометр,6-пожарный насос, 7-разветвление, 8- пожарный ствол с регулируемым расходом, 9- всасывающая линия.

С использованием разработанного комплекса и пожарных автомобилей ПСА-С 6,0-40 (6339) , АЦ-С 8,0-70 (6339) в условиях низких температур (от минус 16 °С до минус 46 °С) за период с 2011 по 2013 г.г.проведен ряд натурных экспериментов в г. Якутске, г. Ханты-Мансийске, г. Астана (Республика Казахстан).

В результате экспериментов установлено, что максимально возможное количество воды, пропускаемое через ВТГ, составляет 2 л/с, при этом максимально приращение температуры воды Д^гХ ~ 70 достигается при оборотах на двигателе ПА в 1425 об/мин. (рисунок 6).

Рисунок 6 — Приращение температуры воды при работе ВТГ-110 в зависимости от оборотов двигателя ПА

Этой температуры вполне достаточно для отогрева замерзших гидрантов, рукавной арматуры и подачи на поддержание положительной температуры в системе отопления малых жилых и административных зданий.

Другая серия испытаний была направлена на исследование работоспособности НРС ПА при работе в условиях низких температур, а именно на установление значения температуры подогрева воды с помощью ВТГ в напорных рукавных линиях при различных оборотах двигателя ПА и расходе воды на пожарном стволе. При проведении экспериментов использовалась схема, при которой ПА устанавливался на естественный водоисточник (прорубь). Забор воды осуществлялся всасывающей линией, состоящей из одного или двух всасывающих рукавов (в зависимости от условий работы). От напорного патрубка насоса ПА прокладывалась магистральная рукавная линия с диаметром рукавов от 50 до 80 мм. В линию устанавливался

расходомер марки Иоита51ег 250. Через разветвление осуществлялась подача воды от одного до трех пожарных ручных стволов (см. рисунок 7).

Рисунок 7 — Схема размещения ПА и оборудования для определения интенсивности подогрева воды в рукавных линиях с помощью ВТГ: 1 - пожарный автомобиль; 2 - всасывающая линия; 3 - водоисточник;

4 - центробежный насос; 5 - магистральная напорная линия;6 - пожарный ствол; 7 - регистратор для измерения температуры;8- расходомер для определения подачи огнетушащих веществ; 9- анемометр с функцией расчёта температуры охлаждения;

10- термометр электронный цифровой.

В результате экспериментов, установлено, что забираемая вода, проходя через всасывающую линию, охлаждается от 0,2 до 0,5 °С., при этом значительному обледенению подвергается арматура всасывающей линии и всасывающий патрубок насоса.

Полученные данные позволили получить зависимости интенсивности приращения температуры воды в рукавной линии при применении ВТГ от расхода воды в ней и режимов работы двигателя ПА (рисунок 8.)

р

Расход воды 8 рукавной линии, л/с

Рисунок 8 — Зависимости приращения температуры воды в рукавной линии от расхода воды и оборотов работы двигателя ПА (п) при работе ВТГ-110

Обработка полученных результатов проводилась при помощи построения полной квадратичной модели приращения температуры в ВТГ и предельной длины рукавной линии до момента обледенения.

Искомые зависимости представляют собой полиномы вида:

— для модели приращения температуры в ВТГ:

Ум = «О + «1*1 + «2*2 + «3*3 + «12*1*2 + «13*1*3 + «23*2*3 + «11*1 + +«22*2 + «33*3'

(4)

— для модели предельной длина рукавной линии до момента обледенения: У1 пр = Ро + /?1*1 + /?2*2 + &*3 + /?12*1*2 + Аз*1*Э + /?23*2*3 + АЛ* + +/?22*2 + £33*32(5)

Для нахождения коэффициентов в представленных моделях использовался полный факторный эксперимент типа Зп . Математическая зависимость представляла собой матрицу 27x10, для решения которой, производилась нормировка факторов. Так, верхним значениям факторов присваивалось нормированное значение +1, нижним значениям - нормированное значение -1, средним - нормированное значение 0 (таблица 1).

Таблица 1 — Переход от естественных значений к кодированным переменным

Физический фактор Кодированные значения Натуральные значения

факторов

Частота вращения вала 1 Ютах =3000

ВТГ 0 со о=2750

со, об/мин -1 со =2500

Наружная температура 1 t = -20 тах

воздуха 0 to=-30

1, °С -1 t шм =-40

Расход на пожарном 1 Q тах =Ю

стволе 0 Qo=6

(), л/сек -1 0 min 2

Расчет коэффициентов полной квадратичной модели производился методом наименьших квадратов:

— для моделей приращение температуры в вихревом теплогенераторе:

а = (хтхГЧхтуд() (6)

— для модели, описывающей предельную длину линии до момента обледенения:

р = (хтх)-1(хтуДпрд) (7)

В результате математической обработки экспериментальных данных получены следующие модели:

— модель приращениятемпературы в ВТГ

уД£ = 6,55 + 4,1 + 1,1х2 - 5,9*3 - 2,9 хгх3 + 0,4 х2х3 + х\ + 2,7 х\ + 3,6 х\ (8)

—модель для нахождения предельной длины линии до момента обледенения Уьпрд = 860 + 340 хг + 934х2 - 516*3 + 113 хгх2 + 97 хгх3 + 484 *2*3 + 188*^ + 586*| -

— 9,3 х3 (9)

Проверка адекватности полученных моделей определялась с помощью критерия Фишера:

_ тах{5а2дв;5| змп ~~ тт(52 -Б2

Оценка адекватности моделей:

"Ум :

17

3,75 3075907

= 4,53

36,9

Ущт эмп 83342

Р095(26Д7) = 2,19 можно сделать вывод, что модели адекватны, т.к. естественный разброс полученных величин не превышает разброс, относительно полученный при использовании каждой модели.

Полученные модели использованы для определения эффективности применения ВТГ на мобильной пожарной технике. Для этого рассмотрены значения критических показателей для НРС в одинаковых климатических условиях. Так, рассмотрена ситуация при тушении пожара на объекте энергетики без применения и с применением ВТГ-110, при которой происходит подача с общим расходом 14 л/с при следующих климатических условиях: Ьъ = —60°С; ув = 2 м/с.

При первом варианте, за счет использования ВТГ-110 для подпитки горячей водой произойдет приращение температуры воды в рукавной линии на величину ДСВТГ = 10,0 °С . При таком приращении температуры предельная длина рукавной линии до начала обледенения составит 1пр = 1321м .

При втором варианте, без использования ВТГ-110 для подогрева воды в рукавной линии, будет происходить переохлаждение воды до начала кристаллизации, и предельная длина рукавной линии до начала обледенения составит = 191 м. При таких условиях со временем рукавная линия выйдет из строя (рисунок 9).

0= 14 л/с

а)

1.0=1268 ы Ьпр=1321 м Ькрсг=53 м

(3= 14 л'с

ч:

1.с=131 м Ьр=191м 1_ч>«=50 м

Рисунок 9 — Охлаждение воды в рукавной линии диаметром 80 мм: а) с использованием ВТГ; б) без использования ВТГ

Можно сделать вывод, что рукавная линия будет функционировать неограниченный период времени при тушении пожаров на объектах энергетики в условиях низких температур воздуха.

Важно также отметить, что при пожарах и авариях на объектах энергетики в условиях низких температур, остается проблемой подача большого количества воды на аварийное водоснабжение, особенно при использовании удаленных естественных водоисточников по напорным рукавам диаметром 150 мм.

На рисунке 10 представлены данные по удаленности естественных водоисточников до таких критически важных объектов энергетики, как АЭС, а также результаты расчетов предельных длин рукавных линий диаметром 150 мм, выполненные с использованием выше предложенными моделями.

■ Расстояние от водоисточника до АЭС

□ Предельная длина линии без ВТГ-110

□ Предельная длина линии с применением ВТГ-110 -25°С,16 м/с_________-25°С, 10 м/с____-25°С. 10 м/с -40 °С, 25 м/с -¿ус, 6 м/с

У ^

/ £ / / / / / ^ ^ * > У / ^ У / /

^ / / X /

с?

Рисунок 10 — Функционирование рукавных линий диаметром 150 мм в условиях низких температур воздуха

Наиболее неблагоприятные условия при подаче воды на аварийное охлаждение атомных станций складываются для холодных районов. Низкая температура воздуха, большая скорость ветра приводят к тому, что длины напорных рукавных линий диаметром 150 мм без применения технических средств до момента обледенения составляют лишь 15-30 % от необходимой длины для аварийного охлаждения.

Подобная ситуация характерна и для умеренного климата. В этих районах длины напорных рукавных линий диаметром 150 мм до момента обледенения составляют 50-60 % от необходимых длин. Отсюда следует, что при аварийном

охлаждении атомных станций в зимний период года без использования технических средств для подогрева воды в напорных рукавных линиях произойдет обледенение линии, тем самым увеличатся гидравлические сопротивления, уменьшится количество подаваемых веществ, что приведет к более негативным последствиям от пожара или аварии.

В случае использования вихревых теплогенераторов для подпитки горячей водой рукавные линии при аварийном водоснабжении объектов энергетики даже при самых жестких климатических условиях обледенение рукавных линий не произойдет. Она может функционировать неограниченный период времени, как в холодных, так и в умеренных районах.

На основании проведенных исследований была достигнута цель работы и решена задача снижения пожарной опасности объектов энергетики за счет применения научно-обоснованного технического решения для пожарных автомобилей, в виде вихревого теплогенератора, внедрение которого обеспечивает работоспособность насосно-рукавных систем пожарных автомобилей при тушении пожаров и аварийном водоснабжении на объектах энергетики в условиях низких температур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании статистического анализа установлено, что в зимний период года складывается наиболее сложная оперативная обстановка с пожарами:

Во-первых, гибель людей на пожарах в России в зимние месяцы на 65-70 % больше, чем в летний период года.

Во-вторых, продолжительность тушения крупных пожаров зависит от метеорологических условий тушения.

В-третьих, количество пожаров на объектах энергетики в холодных климатических районах на 15-20 % больше, чем в умеренном районе.

2. На основании теоретического исследования работоспособности рукавных линий диаметром 150 мм в условиях низких температур при тушении пожаров и аварийном водоснабжении объектов энергетики установлено, что на отказ в работе магистральных линий по причине их обледенения влияют не только погодные условия, но и сами параметры линии. Увеличение диаметра линии и уменьшение расхода, повышают вероятность замерзания рукавной линии.

3. Для проведения экспериментальных исследований были разработаны методика проведения и измерительный комплекс, который позволил в широком диапазоне температур (от минус 16 до минус 42 °С) исследовать режимы работы НРС ПА. Получены интенсивности охлаждения воды в рукавных линиях, что дает возможность произвести прогноз работоспособности НРС ПА, работающей в условиях низких температур.

4. На основании экспериментальных данных получены математические модели, позволяющие произвести прогноз работоспособности рукавных линий при тушении пожаров и аварийном водоснабжении объектов энергетики в условиях низких температур.

5. Впервые предложено использование ВТГ на пожарных автомобилях для обеспечения работоспособности НРС ПА при тушении пожаров и аварийном водоснабжении объектов энергетики в условиях низких температур.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ведущих периодических изданиях из перечня ВАК:

1. Двоенко, О.В. Создание пожарной и аварийно-спасательной техники для работы в экстремальных метеорологических условиях / М. В. Алешков, О. В. Двоенко // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2011. - № 4. - С. 4-10.

2. Двоенко, О.В. Пожарная техника для ликвидации пожаров и аварий на объектах энергетики / М. В. Алешков, О. В. Двоенко [и др.] // Энергосбережение и водоподготовка. - 2012. - № 2 (76). - С. 69- 72.

3. Двоенко, О.В. Основные показатели тушения крупных пожаров в разных природно-климатических районах России / М. В. Алешков, О. В. Двоенко // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. -2013.-№ 1.-С.4-8.

Патент на полезную модель

4. Патент №135520 на полезную модель, МПК А.62 С 37/00. Испытательно-измерительный комплекс / О.В. Двоенко, М. В. Алешков - 2с.: ил.

Остальные публикации по теме диссертации

5. Двоенко, О.В. Создание пожарной техники северного исполнения, предназначенной для защиты объектов энергетики в холодных климатических районах / О.В. Двоенко, М. В. Алешков, // Тез. докл. научн.-практ. конфер.: По проблемам пожарной безопасности, посвященная 75-летию создания института. - М.: ВНИИПО, 2012. - С. 262-265.

6. Двоенко, О.В. Влияние климатических факторов на оперативную обстановку с крупными пожарами / О. В. Двоенко, М. В. Алешков // Тез. докл. научн. - технич. конфер.: Системы безопасности - 2012. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С.161-163.

7. Двоенко, О.В. Измерительный комплекс для оценки интенсивности охлаждения элементов пожарной техники и огнетушащих веществ в напорных рукавных линиях при работе в условиях низких температур окружающей среды /О.В. Двоенко // Материалы международной научно-практической конференция "Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации" М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. С.328

8. Двоенко, О.В. Инновационные технологии пожаротушения на объектах энергетики при экстремальных метеорологических условиях/ О.В.

Двоенко, M.B. Алешков, [и др.] Материалы международной научно-практической конференция // "Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации" М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С. 68-69

9. Двоенко, О.В. Применение пожарно-спасательного автомобиля ПСА-С для тушения пожаров на объектах энергетики. / О.В. Двоенко, М. В. Алешков // Сборник тезисов VI Московской межвузовской науч.-практ. конференции «Студенческая наука» секция «Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности», 2012. -С.59-60.

10. Двоенко, О.В. Технические средства обеспечения работоспособности пожарных подразделений при тушении пожаров на объектах энергетики в холодных климатических районах / О.В. Двоенко, М. В. Алешков // Материалы IV Международной науч.-практ. конференции "Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы. Обеспечение комплексной безопасности при освоении северных территорий" Санкт-Петербург, 2011. —С.75-76.

11. Двоенко, О.В. Анализ географического размещения крупных объектов энергетики на территории России / О.В. Двоенко // Материалы 2-й международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2013». — М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. - С.352-353

12. Двоенко, О.В. Проведение экспериментов по оценке эффективности подогрева воды вихревым теплогенератором ВТГ-110 в насосно-рукавной системе пожарного автомобиля. / О.В. Двоенко // Сборник тезисов 3-й Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2014» М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. - С.23-25

Подписано в печать 14.10.2014. Формат 60x84/1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 317

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