автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка методик гидравлического расчета системы внутреннего противопожарного водоснабжения зданий и сооружений с учетом аварийных ситуаций

Мисевич Юлия Владимировна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

СИСТЕМЫ ВНУТРЕННЕГО ПРОТИВОПОЖАРНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С УЧЕТОМ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

05.26.03 - пожарная и промышленная безопасность (строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 2 /ЗЕК 2010

Санкт-Петербург - 2010

004615081

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России

доктор технических наук, профессор, Заслуженный работник высшей школы РФ Таранцев Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Поляков Александр Степанович;

кандидат технических наук, доцент Кукушкин Игорь Олегович

Ведущая организация Санкт-Петербургский филиал федерального

государственного учреждения «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» (ВНИИПО) МЧС России

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Защита состоится «30» ноября 2010 года в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.01 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).

Автореферат разослан «

'2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

О.А. Хорошилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пожары исторически являются одним из самых страшных бедствий, соизмеримых по потерям с постоянно ведущейся войной среднего масштаба. Они возникают чаще всего в зданиях и сооружениях, приводя к человеческим жертвам и значительному материальному ущербу.

Для борьбы с пожарами в зданиях и сооружениях, как правило, необходимы большие объёмы воды, для чего населённые пункты оборудуются наружным противопожарным водопроводом. В его состав входят насосные станции, кольцевые и тупиковые сети, гидранты, водоёмы. На этапах строительства здания и сооружения оборудуются внутренним противопожарным водопроводом, содержащим стояки с пожарными кранами, водомерные узлы, задвижки и др. необходимые устройства. Внутренний противопожарный водопровод зданий и сооружений может иметь как собственные насосные установки, так и непосредственно подсоединяться к сети наружного противопожарного водопровода. На практике используются и сухотрубы, запитываемые как от магистралей противопожарного водопровода, так и от пожарных автомобилей - автоцистерн и автонасосов. Промышленные и складские здания и сооружения часто оборудуются дренчерными установками пожаротушения.

Исходя из опыта тушения пожаров и теоретических исследований, нормативные документы регламентируют необходимое число стволов (струй) и расход воды из них в зависимости от этажности и объёма зданий и сооружений (например, согласно СП 10.13130.2009 «Внутренний противопожарный водопровод» - 2 ствола расходом по 2,5 л/с). Эти требования обязательны к исполнению при проектировании, строительстве или реконструкции зданий и сооружений. Для этого, исходя из геометрических соображений (расстояния до водоисточника и объёмно-планировочных характеристик здания или сооружения), определяется конфигурация сети внутреннего противопожарного водопровода, подбираются диаметры гидравлических магистралей и, при необходимости, параметры насосов. При этом, как правило, используются нормативные методы или проводятся расчёты с использованием специализированных компьютерных программ.

Однако при эксплуатации зданий и сооружений имеют место процессы старения трубопроводов (увеличивается шероховатость внутренних стенок, появляются свищи и неплотности в соединениях), что отрицательно влияет на расходы воды из стволов при пожаре. Это приводит к изменениям в характеристиках гидравлических магистралей и в итоге - к снижению расходов из стволов или оросителей до недопустимо малых величин, препятствующих успешному тушению пожара. Например, шероховатость стальных труб значительно, т.е. в 6 15 раз (!) возрастает по мере их старения (до 1,2 + 1,5 мм по сравнению с шероховатостью новых труб 0,02 -ь 0,1 мм), что для труб с внутренним диаметром 50 мм приводит к возрастанию коэффициента линейного сопротивления в 2,5 + 3 раза. Это, в свою очередь, ведет к снижению водоотдачи в 1,6 1,7 раза, что весьма отрицательным образом может сказаться на возможности успешной борьбы с огнем на начальной стадии пожара.

Особенно проблема обеспечения достаточности противопожарного водоснабжения усугубляется в условиях чрезвычайных ситуаций природного или техногенного характера, когда пожару предшествует, например, землетрясение, оползень, взрыв в здании (сооружении), или поблизости с ним. При этом происходит сотрясение и деформация гидромагистралей, что также приводит к их частичной

разгерметизации, отрицательно влияющей на расходы воды из стволов при тушении пожара. Водоотдача сети противопожарного водоснабжения в этом случае может снизиться в 1,5-2 раза и более с соответствующими отрицательными последствиями.

Но, в любом случае, при пожаре жизненно важно обеспечение быстрой подачи воды через сухотрубы к стволам или оросителям, в связи с этим необходимо учитывать некоторую задержку её подачи при проектировании систем пожаротушения.

Известные нормативные и аналитические методы, как правило, не позволяют при проектировании внутреннего противопожарного водопровода и расчётных оценках его характеристик на этапе эксплуатации учесть указанные эффекты. Тем более, что приводимые в литературе по противопожарному водоснабжению, СП 5.13130.2009 и, действующих до его введения НПБ 88-01 гидравлические сопротивления заданы в виде, затрудняющем их использование для расчётов на основании теории течения жидкости. Кроме того, совершенно не учитывается эффект задержки подачи воды при вытеснении ею воздуха, заполнявшего сухотрубы, что занимает драгоценные секунды, критически важные для ликвидации очага пожара на самой начальной стадии возгорания.

С другой стороны, использование специализированных компьютерных программ для гидравлических расчётов (например, Нуёгосас!) проблематично ввиду их ограниченной доступности (высокая стоимость лицензионной версии и обучения пользователя) и сложности в верификации полученных результатов.

Таким образом, целью работы является создание комплекса методик гидравлического расчёта системы противопожарного водоснабжения зданий и сооружений с учетом возможных аварийных ситуаций.

Задачи исследования:

разработать методику анализа и синтеза сетей внутреннего противопожарного водопровода с учетом перепада высот подачи стволов;

разработать методику оценки гидравлической инерционности сетей с учетом сопротивления вытесняемого воздуха;

разработать методику и математическую модель для оценки водоотдачи внутреннего противопожарного водопровода с учетом возможной разгерметизации магистралей при возникновении аварийных ситуаций;

разработать рекомендации по обеспечению устойчивого противопожарного водоснабжения.

Объект исследования - гидравлические сети внутреннего противопожарного водоснабжения зданий и сооружений.

Предмет исследования - методы гидравлических расчетов.

Методы исследования: системный анализ, теория напорного движения жидкости, теория гидравлических машин.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в получении аналитических зависимостей для анализа и синтеза гидравлической системы внутреннего противопожарного водоснабжения зданий и сооружений с учетом перепадов высот, негерметичности магистралей и инерционности подачи огнетушащего вещества (ОТВ).

Практическая значимость работы заключается в потребности использования разработанных методик расчетов и компьютерных моделей гидравлических сетей внутреннего противопожарного водопровода проектными и эксплуатирующими организациями, а также контролирующими органами для оценки их соответствия нормам пожарной безопасности при эксплуатации.

Достоверность и обоснованность основных положений исследования подтверждается применением современных математических методов, корректным использованием результатов расчётов гидравлических характеристик сетей, пожарных рукавов и стволов, апробацией полученных результатов на практике, а также натурным экспериментом и согласованностью результатов с известными методами расчетов, справедливость которых не вызывает сомнений.

Основные положения, выносимые на защиту.

Методика анализа и синтеза сетей внутреннего противопожарного водопровода с учетом перепада высот при подаче стволов и отвода жидкости (в т.ч. утечек при ЧС).

Методика оценки гидравлической инерционности сетей с учетом сопротивления вытесняемого воздуха.

Компьютерные модели и результаты моделирования водоотдачи внутреннего противопожарного водопровода с учетом возможной разгерметизации магистралей при возникновении аварийных ситуаций.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в результате исследований, докладывались на научных семинарах кафедры пожарной безопасности зданий и сооружений СПб университета ГПС МЧС России, а также на международных научно-практических конференциях:

- «Актуальные проблемы защиты населения и территорий от пожаров и катастроф», Санкт-Петербург, 21 июня 2006 г. СПБ.: Санкт-Петербургский институт ГПС МЧС России, 2006.

- «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы», Санкт-Петербург, 29-30 октября 2009 г. СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Реализация результатов исследования. Разработанные методики и практические рекомендации по анализу и синтезу систем противопожарного водоснабжения внедрены в практику проектирования ООО «Пожинжиниринг» и ООО «НИКА-Центр» и внедрены в учебный процесс СПб университета ГПС МЧС России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка использованных литературных источников и двух приложений. Общий объем работы 120 страниц, в т.ч. 37 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертации, необходимость совершенствования расчетных методов проектирования систем внутреннего противопожарного водоснабжения и их моделирования, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе «Анализ требований к системам внутреннего противопожарного водоснабжения» рассмотрены системы водоснабжения и режимы их работы, организация противопожарного водоснабжения как важнейшего условия борьбы с пожарами, освещены основные проблемы моделирования работы систем противопожарного водоснабжения.

Показано, что до сих пор пожары являются одной из основных угроз для людей и материальных ценностей в зданиях и сооружениях. Поскольку наиболее эффективным средством тушения таких пожаров является вода, которая на различных этапах тушения

может подаваться из стволов пожарных кранов (ПК) внутреннего противопожарного водопровода, Федеральный закон №123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» в п.86 гл.19 предписывает оборудовать ими внутренний противопожарный водопровод в зданиях и сооружениях различного назначения. В частности, для жилых и общественных зданий, клубов, театров, а также зданий управлений в зависимости от этажности, длины коридоров и объёма свод правил СП 10.)3130.2009 «Внутренний противопожарный водопровод» предписывает подачу воды от ПК из 1- 3-х стволов расходом 2,5 л/с. Для промышленных и складских зданий в зависимости от их степени огнестойкости, категории взрывопожароопасности и объёма, согласно СП 10.13130.2009, требуется от 2-х до 8-и стволов расходом от 2,5 до 5 л/с.

Отклонение в меньшую сторону от этих требований повышает риск не справиться с пожаром с соответствующими последствиями. Для обеспечения выполнения указанных требований на этапах проектирования и реконструкции зданий требуется большой объём гидравлических расчётов в соответствии с действующими нормативными документами.

Тем не менее, известные методы имеют ряд недостатков — не учитывается отрицательное влияние факторов ЧС природного и техногенного характера, приводящих к появлению течей и разрывов в трубопроводах; затруднён анализ водоотдачи гидравлических сетей с учётом увеличения шероховатости стенок трубопроводов при длительной эксплуатации; не учитывается инерционность в подаче жидкости по сухотрубам и влияние сопротивления вытесняемого воздуха. Некоторые методы носят приближённый характер и используют несистемные единицы (например, СП 5.13130.2009 «Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические», приложение В). Известные компьютерные программы (например, Нуйгоса<1) также не решают проблемы, имея при этом значительную стоимость и требуя высокой квалификации от пользователей. Наряду с этим они не являются сертифицированными в РФ.

Таким образом, возникает необходимость совершенствования методов гидравлического расчёта внутреннего противопожарного водоснабжения зданий с учетом возникающих ЧС.

Во второй главе «Гидравлические расчёты сетей внутреннего противопожарного водоснабжения» изложены основные принципы гидравлических расчётов, методика приведения гидравлического сопротивления пожарного рукава и ствола к коэффициентам местных гидравлических сопротивлений, предложена методика расчета тупиковых и кольцевых гидравлических сетей противопожарного водоснабжения, разработаны методы расчета процесса движения жидкости к пожарному крану, рассмотрена проблема учета негерметичности трубопровода.

При этом приняты стандартные допущения о несжимаемости жидкости и справедливости закона Дарси-Вейсбаха о квадратичной зависимости потерь давления Ар в трубопроводе:

Ар = А0г, (1)

где 0 - объемный расход жидкости, А - коэффициент гидравлического сопротивления.

Величина коэффициента А определялась по выражению:

Л = (2)

;=1 Л

где п - количество отрезков трубопровода, образующих рассматриваемый участок; р - плотность жидкости;

£„■ - коэффициент линейного сопротивления на /-ом отрезке; £„,— сумма коэффициентов местных сопротивлений на /-ом отрезке; ^ - площадь проходного сечения трубопровода на /-ом отрезке. Величина для круглых труб:

где /., й- длина и диаметр трубопровод на /-ом отрезке.

Для оценки влияния негерметичности (свищей, неплотностей и разрывов) трубопровода использовалась модель горизонтальной тупиковой сети с N отводами (рис.1), описываемая системой уравнений гидравлического баланса:

Аю-дгМЛ + лэ)-е02; N>1, (4)

да2 - = |;' = ь-- м ~1. (5)

А =4Й2,/ = !,...,Л, (6)

где я = 9,81 м/с2;

0,-, А, - объёмный расход жидкости в /-ом отводе и его коэффициент сопротивления;

Л/./+1 - коэффициент сопротивления участка между /-ым и /+1-ым отводами;

Л., - эквивалентный коэффициент сопротивления тупиковой сети,

/г - перепад высот между уровнями забора воды и расположением сети,

р, - давление жидкости в /-ом узле;

£?о = 01 + 02 + - • • + <2ы — общий расход жидкости.

Эквивалентный коэффициент сопротивления, как важнейшая обобщённая характеристика тупикового трубопровода, определялся из выражения:

А3=А0+А1С-\ (7)

где А0 - коэффициент сопротивления на участке между выходом из насоса и первым отводом;

С - коэффициент, при N=1 равный 1, а при Л'>1 рассчитываемый по рекуррентной формуле:

V ;

У-1

где Я,

1 при / = О

О при 1 = N

при 16

М-1]

Рисунок 1 - Схема гидравлическая подачи воды тупиковой горизонтальной сетью

Путём последовательного приведения гидравлических сопротивлений одноуровневых тупиковых трубопроводов с отводами к эквивалентным сопротивлениям удалось упростить достаточно сложную гидравлическую сеть, введя понятие обобщённого эквивалентного сопротивления, что значительно облегчало решение задач её анализа и синтеза.

При анализе тупиковой одноуровневой сети с отводами (рис.1) осуществлялось определение величин расходов из каждого отвода {(?/} ПРИ известных характеристиках насоса, величинах сопротивлений и перепаде высот. Для этого использовалось выражение:

/=1,...,лг. (8)

где

П,

1 при / = 1,

Ч

П /([ + Лу+1) при '¡ = 2,...,И.

Задача синтеза ставилась и решалась в нескольких вариантах. Например, если по заданным расходам {Q¡} и величинам сопротивлений А0, {/},,.|} требовалось установить сопротивления отводов {А,}, при N > 1, использовались выражения:

4=к-^-(Л+Л)0?]/02. (9)

4 = 4-.еД| -4.и£е; /а2, /=2,.„,лг. (ю>

В случае вертикальной тупиковой сети (или стояка, рис.2) с N отводами выражения, подобные (4) - (6), приводились к виду:

Рт ~ = (Ан + А0)• е„2 + /Щ2 ; N>1;

10,

р, =к(Ь,-Н1)+А,@ ; / = 1,...,Л\

(")

(12) (13)

где ///, /г, - высоты размещения 1-го узла и слива из него (например, ствол пожарного крана).

В отличие от ранее рассмотренной горизонтальной тупиковой сети, задача анализа ввиду сложности аналитически решена только для случая N = 2. При этом

получены следующие соотношения:

0 = 0,.фа/?-Ь±4ъг+ 4Да/? -аЬ)]• (а2 - а)"';

где а = /)1[1+л12(л+Л)ч]/Л; ^к^-М+^А+АГК; о = 0,5[/4, н (1 н а)/(А, н Л0)]; /5 = 0,5[бн (ри„ - н Я,))/(Л н Л)].

(14)

(15)

& а,

Рис.2-а

Рис.2-6

Рисунок 2 - Схема гидравлическая подачи воды тупиковой вертикальной сетью: а- общий случай; б- случай подачи от 2-х стволов

Решение задачи синтеза, как и для горизонтальной сети, сводилось к нахождению требуемых величин сопротивлений отводов:

(16)

А, =

/а2, ;=2,...,^.

В пожарно-технической литературе гидравлическое сопротивление гидромагистрали учитывалось через величину входящую в выражение:

АН=БР&, (17)

где ДЯ- потери напора, измеряемые в метрах водяного столба; расход огнетушащего вещества - воды [л/с].

При этом размерность величины - [м-с2л~2], что не соответствует системе 81. Это затрудняет гидравлические расчёты. В связи с этим гидравлическое сопротивление Ар было приведено к стандартному коэффициенту местного сопротивления используемого в законе Дарси-Вейсбаха:

Ар = £рри /2,

(18)

где р, V - плотность и скорость жидкости, протекающей через гидромагистраль, в частности, пожарный рукав.

В выражении (18) размерность всех членов соответствует системе Б1, величина ^ безразмерная. Для вычисления с,р через предложено выражение:

4, = 2106^2

•12,1 10 -БрС!

(19)

где £ = 9,81 м/с - ускорение свободного падения; Г= 0,25лгс/2 - площадь внутреннего сечения рукава, м2; с1 - диаметр его сечения, м.

Через величину £р можно определить и коэффициент линейного сопротивления рукава:

Ь '

где I. - длина рукава.

Рассчитанные по выражениям (19) и (20) величины \р и непрорезиненных пожарных рукавов диаметром соответственно 51, значения сопротивлений приведены в табл. 1.

(20)

X стандартных 66 и 77 мм и

Таблица 1 - Коэффициенты сопротивления непрорезиненных

а=0,051 м й = 0,066 м 0,077 м

X X X

0,25 20,47 0,050 0,07 16,07 0,053 0,03 12,76 0,049

Подобный подход был применён к пожарному стволу, который, как и рукав, является местным гидравлическим сопротивлением. В справочнике по гидравлическим сопротивлениям Идельчика И.Е. для различных стволов приведены таблицы величин расходов <2 при различных напорах Н воды (размерности величин £> и Н соответственно л/с и м). Для определения коэффициента местного гидравлического сопротивления ствола получено выражение:

. 12,1 -106 • с/4 - // £=-- . (20

где ё- внутренний диаметр питающего рукава, м.

Показано, что одним из важнейших показателей систем пожаротушения является их быстродействие. Заметной составляющей времени от поступления сигнала на включение системы пожаротушения до подачи жидкости к оросителям или в пожарный рукав к стволу является время достижения фронтом жидкости крайней части сухотруба - ПК, оросителя, рукава со стволом.

При получении аналитических соотношений для расчета гидравлических сетей ранее не учитывалось сопротивление вытесняемого воздуха (газа). Но при малом выходном отверстии, т.е. большом отношении диаметра сухотруба с1т к диаметру выходного отверстия с1к возможно заметное повышение давления вытесняемого воздуха в сухотрубе, препятствующее быстрому движению фронта жидкости. Этот эффект был исследован на примере типовой гидравлической схемы (рис.3).

--■^Э-й

/

->

1 - насос, 2 - задвижка, 3 - трубопровод, 4 - выходное отверстие. Рисунок 3 - Схема расчетная для оценки гидравлического быстродействия.

Рассматривалось три расчетных этапа:

а) движение жидкости после открытия задвижки по нижнему горизонтальному участку;

б) движение жидкости вверх;

в) движение жидкости по верхнему горизонтальному участку. Рассматриваемый процесс был описан системой дифференциальных уравнений:

Г ск

— = V-

Л

(IV

■ Рц - Рг ~ Р. ;

пЩ-/

(22)

(23)

(24)

где х, V - текущие координата и скорость фронта жидкости; / - время;

х„ - координата задвижки;

рк - гравитационные потери давления;

р - плотность жидкости (для воды 1000 кг/.«3);

т, Л, Т0, р„ - соответственно масса, газовая постоянная, начальная температура и давление воздуха в сухотрубе; рн - давление жидкости на выходе из насоса; рг - гидравлические потери давления;

/л , - коэффициент расхода и площадь выходного отверстия; 57 - площадь сечения сухотруба;

/ - параметр, зависящий от характера истечения воздуха (докритического или закритического).

При решении задачи были приняты следующие начальные условия: х(1 = 0) = х0; v(t = 0) = 0; т(/ = 0) = ра И0/ЛГ0 где ра - атмосферное давление;

У0 - начальный объем воздуха в сухотрубе, У0 = Бт(I - х0), Ь - общая длина сухотруба.

В расчётах предполагалось, что напорно-расходная характеристика насоса имеет

и

параболический вид:

Р„=Р»о-А ¿У (25)

где рно, Ан - параметры насоса (например, для насоса типа СК-45 рт = 0,85 ■ 106 Па ,

Л =Ю9 кг/м7 ).

Для отверстия и трубопровода круглого сечения диаметрами йк и с1т соответственно:

[5„57.] = 0,25л-[^,^]г, (26)

При этом гидравлические потери давления рг будут пропорциональны квадрату скорости:

Рг =

Е +Л— ат

2 '

(27)

где ¿¡м - суммарный коэффициент потерь на местных сопротивлениях: для 1-го участка = ¿,ж„,„; для 2-го участка = %задв н ; для 3-го участка = £задв н ; £задв - коэффициент потерь на задвижке; %пов - коэффициент потерь на повороте сухотруба; Я - линейный коэффициент сопротивления сухотруба.

Величина Л рассчитывалась по формуле Альтшуля:

( Л0,25

Л = 0,пШ+™ , (28)

Яе

V ' /

где К3 - эквивалентная шероховатость, мм (для новых стальных труб К3 ~ 0,5дш); Яе - критерий Рейнольдса.

Гравитационные потери давления для схемы представленной на рис.3 определялись из выражения:

О - для 1 -го этапа, Ря = I Рё(х-хп) - для 2-го этапа, (29)

р%Н - для 3-го этапа.

Давление воздуха (газа) в сухотрубе при заполнении его жидкостью определялось при условии, что сжатие адиабатическое, из выражения:

тКГп ^

Р.=Ра

(30)

ра5Т (£ - л:) где ра - атмосферное (внешнее) давление; к - показатель адиабаты (для воздуха к - 1,4).

Величина / в выражении (24) учитывает характер истечения воздуха. При докритическом истечении,когда

Р. I 2

(31)

величина/ рассчитывалась по выражению: /

Ел. Р.

2 к

к-]

Ел. Р.

При закритическом истечении, когда

Ел.

Р.

(для воздуха критическое рассчитывалась по выражению:

Ел. > (А±1)Ь| Р. I 2 '

соотношение давлении

/ =

{¿Г

(33)

1,9Па), величина /

(34)

В процессе эксплуатации систем противопожарного водоснабжения могут возникать различные аварийные ситуации (такие как: техногенные катастрофы, природные катаклизмы, старение трубы, заводской брак и т.д.), в результате которых могут образовываться разрывы, свищи в трубах, неплотности прокладок и др.

Негерметичности гидромагистралей отрицательно сказываются на расходе воды, подаваемой на тушение от пожарного крана. Поскольку в специальной литературе данной проблеме уделено недостаточно внимания, было проведено моделирование наличия утечек для типовых схем (рис.4).

з

а

»Я

.а

г

VI

а

I |> в

►а

ж)

Рисунок 4 - Схемы расчетные при моделировании влияния негерметичности гидромагистрали (расходов утечек 01, СЬ, Оз) на расход 0 из ствола пожарного крана

Полагая справедливым закон Дарси - Вейсбаха, выведены и представлены в табл. 2 системы нелинейных алгебраических уравнений для оценки величины расхода 2 из ствола пожарного крана. В уравнениях использованы обозначения: %ждв ~ 0,75 - коэффициент местного сопротивления задвижки;

"Я

'вз

ъ,

-*а

а

£пов ~ Ы - коэффициент местного сопротивления поворота трубопровода; Л - коэффициент линейного сопротивления трубопровода, зависящий от шероховатости, оцениваемой эквивалентной величиной Кэ;

%отв ~ - коэффициент сопротивления отверстия (свища) в трубопроводе;

%ств ~ 265 - приведенный коэффициент сопротивления пожарного рукава со стволом

типа «Б»;

р = 1000кг/л<3 - плотность воды; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; рс - давление воды перед стволом;

р„ - давление на входе в гидромагистраль (предполагается, что вода подается от крупной насосной станции, в связи с чем величина рн практически не зависит от расходов {С?}.

Для турбулентного режима при числе Рейнольдса Ие > 104 величина линейного коэффициента сопротивления определялась на основе зависимости (28).

В третьей главе - «Математическое моделирование гидравлических сетей противопожарного водоснабжения» - осуществлено математическое моделирование гидравлических сетей противопожарного водоснабжения с учетом перепада высот, инерционности, компьютерное моделирование негерметичных гидравлических сетей внутреннего противопожарного водоснабжения, даны рекомендации по обеспечению устойчивого противопожарного водоснабжения.

Показано, что важной задачей анализа систем внутреннего противопожарного водопровода является оценка достаточности расхода воды из пожарных кранов при том или ином сценарии пожара. Такая оценка была проведена для 5-этажного общежития (рис.5).

1 - магистраль городского водопровода; 2 - водомерный узел; 3 - стояк в лестничных клетках; 4 - здание

Рисунок 5 - Схема внутреннего противопожарного водопровода 5-этажного здания

Внутренний противопожарный водопровод этого здания запитывается от магистрали диаметром 800 мм с напором 4 атм. От неё к зданию через водомерный узел

идёт заглублённый трубопровод диаметром 100 мм длиной 120 м. Пожарные краны расположены в лестничных клетках поэтажно на вертикальных стояках диаметром 50 мм, разнесённых друг от друга на расстояние 35 м. К пожарных кранам подключены непрорезиненные пожарные рукава длиной по 20 м и диаметром 51 мм со стволами РС-50. В соответствии со СНиП 2.04.01-85* для тушения пожара внутренний противопожарный водопровод должен обеспечивать подачу 2-х струй из стволов пожарных кранов расходом не менее, чем 2,5 л/с.

Для проведения гидравлических расчётов такой противопожарный водопровод можно представить в виде 2-х тупиковых сетей (рис.6), гидравлические сопротивления которых можно оценить по выражению (2). Гидравлические сопротивления пожарных рукавов и стволов были приведены к местным сопротивлениям методами, изложенными в главе 2.

Одним из наиболее сложных пожаров в таком здании является пожар на 5-м этаже (высота 15 м) в средней его части. При тушении пожара вода должна подаваться из пожарных кранов с обеих лестничных клеток. Для сети, приведённой на рис. 6, будут иметь место соотношения:

рт=р&\+ (л,+А )е,2+л (е,+а )2; (36)

Q2 = Q, А, А = [(Ат+ А, )/(Аю + А2 )Г5, (3 7)

где А\,А2- сопротивления рукавов и стволов.

Решение уравнений (36) и (37) относительно расходов Q\ и Q2 было получено в аналитическом виде:

а =к„-М)/к+Л,+Л(1 + Л)2Г ; (38)

02=!(/>»„ - рф, vk+А+А о+А-1 у f •5. (39)

Величины сопротивлений {А}, рассчитанные по (2), составили соответственно А0 = 0,3-109 кг/м7; А0] = А02 = 2,665-109 кг/м7; At = А2 = 32,37-109 кг/м7; р„о=4-105Па; Ан = 0; pgh] = 1,5-105 Па. С учётом этого из выражений (38) и (39): Q\ = Q2~ 2,626-10 "3 м3/с = 2,626 л/с.

Таким образом, показано, что при таком варианте пожара противопожарное водоснабжение достаточно для его тушения.

Если пожар произойдёт в торцевой части 5-го этажа, для его тушения задействуются пожарные краны одного стояка на 5-м и 4-м этажах (рис.7). При этом имеют место следующие соотношения:

Л» = PSK + А,в? + U + Л, Ха + Qi )2; (40)

Л,е,2 - (А2 + Ап № - pg{h2 - h,) = 0; (41)

где А= 0,3-109 кг/м7; Ат = 2,341-Ю9 кг/м7; Ап= 0,312-109 кг/м7; А, = А2= 32,37-Ю9 кг/м7; рно= 4-105 Па; А„= 0; рgh2= 1,5-105 Па.

При h\ = h2 (поскольку вода подаётся на 5-й этаж) решение уравнений (40) и (41) относительно расходов Q\ и Q2 также получено в аналитическом виде:

а = k„ - РФ А + U, + Ат Xl + ßo s Д'5; (42) а=ая0'5; (43)

где В = А, /(А2 н А,2).

Из (42) и (43) следует: ß, = 2,404-10° м3/с = 2,404 л/с, Q2 = 2,392-10"3 м3/с = 2,392 л/с. Таким образом, показано, что в данном случае подача нормативного расхода воды не

обеспечивается, и есть риск не потушить такой пожар.

Рисунок 6 - Схема подачи воды на тушение Рисунок 7 - Схема подачи воды на пожара в средней части 5-го этажа тушение пожара в левом крыле 5-го этажа

Для проверки правильности расчетов был проведен эксперимент, заключающийся в подаче стволов от ПК в соответствии со схемами на рис.2б, рис.6 и рис.7. Для измерения расходов из стволов использовались мерные устройства в виде трубок Пито и гидротестеров пожарных кранов производства ОАО «Национальная пожарная компания СПб».

Во избежание повреждения внутренней отделки здания и обеспечения нормальной работы персонала струи из стволов подавались в окна здания так, чтобы соблюдалась адекватность натурного моделирования тушения пожара.

Эксперимент показал хорошую сходимость с результатами расчетов по ранее приведенным выражениям. Расходы воды из стволов, подаваемых от пожарных кранов 5-го этажа (рис.6) составил соответственно = 2,64 л/с и <32 = 2,66 л/с, а расходы из стволов, подаваемых от пожарных кранов 4-го и 5-го этажей (рис.7) составил соответственно СЬ = 2,45 л/с и 02 = 2,42 л/с.

Для обеспечения нормативной подачи воды предложено провести закольцовку верхних частей стояков (рис.8). Для такой схемы справедливы следующие соотношения:

Р»„ =№Ь + А0(х + уУ +Мх~ УУ + А,*2; (44)

Рт = + А (■* + уУ + А (у + г)2 + Аюу2; (45)

Л,(х-г)2-Л12г2-Л2(у + г)2 = 0; (46)

где х, у, 2 - условные расходы воды, связанные соотношениями ()\ = х- г, £>2=у + 2, И= /г, = /г2.

Для решения системы алгебраических уравнений (44) - (46) относительно х,у и г была использована специальная компьютерная программа МаМетШка.

Для исходных данных, аналогичных предыдущим, но при А02= 6,209-Ю9 кг/м7 и = 1,5-Ю5 Па получены следующие значения: х = 3,184-Ю"3 м3/с, >^1,997-10"3 м3/с, г=0,593-10"3 м3/с. Получены расходы из стволов: 0|=2,591-Ю"3 м3/с = 2,591 л/с, £>2 = 2,590-10"3 м3/с = 2,590 л/с. Таким образом, показано, что закольцовка стояков позволяет обеспечить нормативный расход воды на тушение пожара в торцевой части здания.

Исследована схема подачи воды при пожаре в торцевой части здания, когда верхние части стояков закольцованы. При этом ствол 5-го этажа обеспечивает тушение пожара, а ствол 4-го этажа - защиту перекрытия (рис. 9). Для такой схемы справедливы следующие соотношения:

2 2 2 Р„„ = Р&К + Л (х + у) + А {х - г) + А01х ; (47)

Рт = РФ2 +А0(х + уУ +А2(у + 2У + Ашуг ; (48)

А1(х-г)2 -А^2 -А1(у + 1)2 =яг(А2 -Л,); (49)

где х,у,г- условные расходы, связанные соотношениями: ()\=х-:, (¿г-у^!.

Рисунок 8 - Предлагаемая схема подачи воды при тушении пожара в левом крыле здания

Рисунок 9 - Схема подачи воды на тушение пожара одним стволом в левом крыле 5-го этажа и на защиту 4-го этажа

Таблица 2 - Математические выражения для моделирования гидравлических схем

№ п/п

Гидравлическая схема

Система уравнений

Гидравлические сопротивления {А}

Критический режим (() = 0)

1.

Т" Т"

~4~

5.

Рис. 4-а

Рис. 4-6

Рис. 4-в

Рис. 4-г

Рис. 4-д

Рис. 4-е

р„-402-4,-(0+е)2 = о;

Р. - А<2\-Р§^2 - А2 • (02 + е)2 = 0; 402 ~ (А + 4с )в2 ~ №{Н - Я2) = 0;

Л,-402~4 з(а+2)2=0; 40'-(4+4^=0;

/>„-402-4,(0+0+0)2=О; 401 -402-рцнг-ла (а +0)2 =0;

Л202 - (Лс + Л2С )22 -/*(// - Я2 ) = 0 ;

р»-4а2-л,(а+а+е)2=о; 40,2-402-ргН-Ап (а +б)2 =0; 402-(4: + 4с)02=О;

/>„ -402 -^2 -42 (а +0 +е)2 =0;

4$ -А,<22,-Рё-(Н-Н2)-Л„ ■ (а + е)2 = 0;

Л,а2-(^с+4с)02 = 0;

Рис. 4-ж

/>» - 402 - 4г (0 + 0 + 0 + 0)2 = о; 42,2 -422-Рвнг-Аг -(0 +0 +0)2 = 0; 402 -4 02 - - ■^2)- 4з ■ (0 + 0)2 = о; 403-(4: +4с X?2 =0

Дг —

¿г

заде

хп-хги + н + хгг\ р .

4

+; -^п + Ьзадв т Ьгов т л ,

2- /с

Я -н,+х г

\

4 с 4, =

р .

2 /V2

Л"п + Я + Лу

4

2-/>'

2-Я2

^ I Д -^Л

2-К.2

4, =

4

н-н,+хг

2/>2

1+4ц

«я

Рп< л2

Ри < РёН

р»< 402-4,-(0+0)2

Р„< А \ 1 /

Р»< 2 ■ръ

Р„< [Я + ;Л,2+Л0

н-н,

Примечание:

Л _ Р

д _ ^ств Р

с~ 2-ГТ2 ;

Рт = 0,25лг^;

Л = АД1

Для решения системы алгебраических уравнений (47) - (49) относительно х, у и z была также использована программа Mathematica.

Для исходных данных, аналогичных предыдущим, но при рgh\ = 1,2-105 Па и рgh2 = 1,5-105 Па, получены следующие значения: х = 3,278-10"3 м /с, у = 2,054-10"3 м3/с, z = 0,525-10"3 м3/с. Тогда расходы из стволов составят: Qt = 2,753-10"3 м3/с = 2,753 л/с, Q2 = 2,579-10"3 м3/с = 2,579 л/с, что соответствует нормативным требованиям при тушении пожара.

На практике для конкретной гидравлической схемы (рис.3) при ее геометрических характеристиках (хл =5м, // = 10л<, хг] = 15.и, dr= 0,05м) и параметрах насоса (например, CR-45) представляет интерес оценить влияние шероховатости и соотношения диаметров dK /dT на время tc прохождения жидкости от задвижки до конца сухотруба, т.е. оценить гидравлическую инерционность схемы на рис.3. Для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений (4)—(6) с учетом выражений (7)—(16) была использована компьютерная программа Maple. Это позволило оценить характер скорости движения жидкости по сухотрубу (рис.10), а также влияние шероховатости Кэ и диаметра dK (рис.11) на гидравлическую инерционность схемы

(рис.3). Показано, что шероховатость в пределах до 2 мм незначительно ( на =20%) увеличивает гидравлическую инерционность, а при диаметрах выходного отверстия dK >10мм сопротивление воздуха в трубопроводе может не учитываться.

и сск

Рисунок 10 - Зависимость скорости движения жидкости по сухотрубу при различных диаметрах выходного отверстия (1к от времени.

0-1-1-1-1-1

О 0.1 0,5 1 2

Кэ, мм

Рисунок 11 - Влияние шероховатости стенок сухотруба и диаметра выходного отверстия с1к на гидравлическую инерционность системы (рис.3)

Таким образом, построена уточненная модель движения жидкости по сухотрубу, учитывающая линейное и местные сопротивления, перепад высот и сопротивление вытесненного воздуха. Получены количественные оценки влияния шероховатости стенок сухотруба и величины выходного отверстия на гидравлическую инерционность системы.

Для решения системы нелинейных алгебраических уравнений, приведенных в табл.2, был использована программа МайаЪ (рис.12), где моделировалось движение воды по гидравлическим системам, представленным на рис.3-4. При этом задавались размеры трубопроводов, соответствующие ранее рассмотренному случаю: <ЛТ = 0,05 м, хп = 5 м, Н = 10 м, хп = 15 м, рн = 0,4 МПа и варьировались величины площади отверстия Роте от 50 мм2 до 2000 мм2 и шероховатости К3 от 0,1 мм (соответствует новым стальным трубам) до 2 мм (соответствует стальным трубам со сроком эксплуатации около 20 лет). В процессе моделирования оценивались расходы из ствола пожарного крана, а также давление перед стволом рс.

Результаты моделирования приведены в виде зависимостей () от Рпт„ и Кэ. На рис.13-14 представлены два крайних случая, соответствующих схемам, представленным на рис.4 (а) и (ж). Получены численные данные падения расхода 0 из ствола с ростом площади отверстий, увеличением их количества и возрастанием шероховатости (старением) трубопроводов. Как следует из рис.14, имеет место квадратичный закон соотношения между расходом 0 и давлением рс перед стволом, что служит дополнительным подтверждением правильности сделанных выводов.

На основании результатов моделирования (рис. 13-14) для схем, представленных на рис.4 построен обобщенный график зависимостей предельных величин отверстий (свищей) от шероховатости трубопроводов (рис.15), когда расход из ствола пожарного крана становится меньше нормативного значения = 2,5 л/с.

500 1000 1500 2000 2500 Ротв, кв.мм

а б

Рисунок 13 - Влияние площади отверстия на расход из ствола для схемы на рис. 4-а (а) и рис. 4-ж (б) при различных шероховатостях.

- К}.2»м

-СНл/с

Рс, МПа

а)

Рс, МПа

6)

Рисунок 14 - Напорно-расходные характеристики стволов для крайних значений шероховатостей трубопроводов для схем на рис.4 (а - схема на рис.4-а; б - схема на рис.4-ж).

Рисунок 15 - Рабочие области для гидравлической схемы (рис.4) в зависимости от предельной величины отверстия (свища) и шероховатости трубопроводов

Разработанная методика математического моделирования позволяет исследовать влияние шероховатости трубопроводов системы внутреннего пожаротушения зданий на величину расхода воды из ствола пожарного крана при различных состояниях (шероховатости) внутренних стенок трубопроводов. Данная методика базируется на общепринятых гидравлических соотношениях и с помощью компьютерного пакета Matlab позволяет оценивать влияние негерметичности для широкого класса вертикальных тупиковых сетей, к которому, в частности, относятся сети внутреннего противопожарного водопровода.

В заключении излагаются итоги работы. Перечисляются полученные научные и практические результаты, приводятся сведения о внедрении и практическом использовании полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика анализа и синтеза сетей внутреннего противопожарного водопровода с учетом перепада высот подачи стволов. Методика подтверждена натурным экспериментом и позволяет для существующей системы противопожарного водоснабжения оценить её соответствие нормативным требованиям при различных сроках эксплуатации и работы в аварийных условиях и принимать обоснованные решения о необходимости модернизации.

2. Разработана методика оценки гидравлической инерционности сетей с учетом сопротивления вытесняемого воздуха. Методика применима для систем внутреннего противопожарного водоснабжения с сухотрубами и автоматических систем пожаротушения (спринклерных воздухозаполненных и дренчерных), и позволяет оценить время, за которое огнетушащее вещество достигнет ствола или оросителя.

3. Разработаны математическая модель и методика оценки водоотдачи внутреннего противопожарного водопровода с учетом возможной разгерметизации магистралей при возникновении аварийных ситуаций. Модель и методика позволяют учитывать влияние различного рода утечек на расходы воды из стволов, подаваемых на тушение пожара.

4. Разработаны рекомендации по обеспечению устойчивого противопожарного водоснабжения.

5. Разработана методика приведения гидравлических сопротивлений пожарных рукавов и пожарных стволов к коэффициентам линейного и местного гидравлического сопротивления. Методика позволяет пересчитать коэффициенты, которые приводятся в справочных и нормативных документах, и привести их в соответствие с системой СИ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Мисевич Ю.В., Таранцев A.A., Шилин К.Ю. О порядке расчета тупиковых гидравлических сетей // Вестник гражданских инженеров, № 1, 2010 г. 1,1/0,4 п.л.

2. Мисевич Ю.В., Петрова О.В., Таранцев A.A. О влиянии негерметичности гидромагистралей на их водоотдачу при тушении пожаров // Проблемы управления рисками в техносфере, № 1 [13], 2010 г. 0,8/0,3 п.л.

3. Мисевич Ю.В., Шилин К.Ю. Оценка гидравлического быстродействия систем противопожарного водоснабжения // Проблемы управления рисками в техносфере, № 2

14], 2010 г. 0,6/0,3 п.л.

Публикации во всероссийских, региональных и ведомственных научных урналах и изданиях:

. Мисевич Ю.В Проблемы математического моделирования тупиковых и кольцевых дно- и многоуровневых сетей //Актуальные проблемы защиты населения и территорий т пожаров и катастроф: Материалы международной научно-практической онференции, Санкт-Петербург, 21 июня 2006 г. - СПБ.: Санкт-Петербургский институт ПС МЧС России, 2006,- 0,1 п.л.

. Мисевич Ю.В., Таранцев A.A. Оценка быстродействия дренчерных автоматических становок пожаротушения // Проблемы управления рисками в техносфере, № 1-2 [9-10], 009 г. 0,3/0,2 п.л.

. Мисевич Ю.В. Проблемы анализа и синтеза гидравлических схем автоматических становок водяного пожаротушения при проектировании многофункциональных ысотных зданий //Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы: атериалы международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 29-30 ктября 2009 г. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2009. - 0,4 .л.

Формат 60x84 i/i6 Тираж 100 экз.

Подписано в печать Печать цифровая

Объем 1,5 п.л.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149

Введение

1. Анализ требований к системам внутреннего противопожарного водоснабжения

1.1 Системы водоснабжения и режим их работы

1.2 Устройство противопожарного водоснабжения как важнейшего условия борьбы с пожарами

1.3 Проблемы моделирования работы систем противопожарного водоснабжения

2. Гидравлические расчеты сетей внутреннего противопожарного водоснабжения

2.1 Основные принципы гидравлического расчета

2.2 Методика расчета тупиковых и кольцевых гидравлических сетей противопожарного водоснабжения

2.3 Методы расчета процесса движения жидкости к пожарному крану

2.4 Оценка гидравлического быстродействия систем противопожарного водоснабжения

2.5 Проблема учета негерметичности трубопровода

3. Моделирование гидравлических сетей противопожарного водоснабжения

3.1 Математическое моделирование гидравлических сетей противопожарного водоснабжения с учетом перепада высот

3.2 Компьютерное моделирование вариантов сетей внутреннего противопожарного водоснабжения

3.3 Экспериментальная проверка адекватности математических моделей сети противопожарного водоснабжения

3.4 Математическое моделирование инерционности гидравлических сетей внутреннего противопожарного водоснабжения

3.5 Имитационное моделирование гидравлических сетей с учетом негерметичности трубопроводов

Выводы