автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Защита населения в зонах загазованности продуктами горения при пожарах

На правах рукописи

ЗАЩИТА НАСЕЛЕНИЯ В ЗОНАХ ЗАГАЗОВАННОСТИ ПРОДУКТАМИ ГОРЕНИЯ ПРИ ПОЖАРАХ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль «Жилищно-коммунальное хозяйство»)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

Москва 2012

005056758

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Всероссийский ордена «Знак Почёта» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» (ФГБУ ВНИИПО МЧС России).

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Хасанов Ирек Равильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Присадков Владимир Иванович, ФГБУ ВНИИПО МЧС России, главный научный сотрудник; доктор технических наук, профессор Есин Владимир Михайлович, Академия ГПС МЧС России, профессор кафедры ПБС

Ведущая организация: федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН)

Защита состоится «06» декабря 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДС 205.003.01 при ФГБУ ВНИИПО МЧС России по адресу: 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ ВНИИПО МЧС России.

Автореферат разослан "_" ноября 2012 г., исх. № 4-06/

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять в ФГБУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу. Телефон для справок: (495) 521-29-00.

Ученый секретарь диссертационного совета:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сушкина Елена Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы сохраняется устойчивая тенденция роста количества и масштабов чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера. Они становятся все более опасными для населения, окружающей среды и экономики. Последствия производственных аварий с пожарами, особенно на объектах нефтеперерабатывающей и химической промышленности, представляют большую опасность, поскольку имеют высокую скорость распространения огневого фронта и продуктов горения.

Это, например, подтвердили трагические события, происшедшие в результате пожара на производственном объединении «Азот» г. Ионава (19.03.89 г.), когда образовалось большое количество токсичных продуктов, распространение которых потребовало эвакуации более 40 тыс. чел., при этом глубина опасной зоны загазованности составила 35-40 км. Происшедший пожар на нефтебазе в г. Ногинске Московской области (15.06.05 г.) потребовал эвакуации из близлежащих домов более 800 чел.

При крупных лесных и торфяных пожарах часто возникает сильное задымление и загазованность продуктами горения. Дым от лесных пожаров распространяется на огромные территории. Например, дым от пожаров торфяников в европейской части России в 1972 г. распространился на 5500 км. В 2010 г. плотный дым от лесоторфяных пожаров накрыл Москву и многие другие города и населенные пункты на территории Московской, Нижегородской, Владимирской, Новгородской, Рязанской, Воронежской и других областей.

Пожары, возникающие при ведении военных действий, характеризуются образованием обширных зон загазованности и задымления. Примерами таких пожаров служат массовые пожары во время 2-й мировой войны, при ведении военных действий в Ираке и Югославии.

Приведенные примеры показывают высокую опасность ЧС с пожарами и необходимость прогнозирования обстановки в интересах заблаговременного планирования мероприятий по защите населения, по борьбе с пожарами и по противопожарному обеспечению населенных пунктов, объектов экономики и инфраструктуры.

В соответствии с Федеральным законом «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (ФЗ № 68) к числу основных мероприятий по обеспечению готовности к реагированию на ЧС следует отнести: прогнозирование возможных ЧС и их масштабов; раннее предупреждения органов управления и сил о надвигающейся опасности; заблаговременное планирование действий по защите населения.

В целом, разработка методов прогнозирования пожарной обстановки, получения конкретных результатов прогноза и выработка эффективных мер по защите населения являются важнейшими задачами МЧС России. Актуальность проведения подобных прогнозов отмечена в Приказе МЧС России от 25.10.2004 г. № 484 «Об утверждении типового паспорта безопасности территорий субъектов Российской Федерации и муниципальных образований».

Вопросами прогнозирования последствий крупных пожаров, взрывов и аварий на различных объектах, а также вопросами защиты населения занимались как ученые ВНИИПО, так и других организаций. Большой вклад в развитие этого направления внесли Девлишев П.П., Копылов Н.П., Гостинцев Ю.А., Акимов В.А., Цивилев М.П., Кимстач И.Ф., Братков A.A., Микеев А.К., Баратов А.Н., Мишуев A.B., Повзик Я.С., Макеев В.И., Шебеко Ю.Н. и многие другие ученые.

Актуальность разработки научно-методических основ прогнозирования пожарной обстановки и комплексной защиты населения связаны также с совершенствованием единой государственной системы предупреждения и ликвидации ЧС и созданием Национального Центра управления в кризисных ситуациях (НЦУКС). Одной из задач НЦУКС является моделирование развития и оценка последствий ЧС с пожарами в целях выработки адекватных решений по борьбе с ЧС и по защите населения.

Проведенный аналитический обзор показывает, что вопросы комплексной защиты населения в условиях ЧС, сопровождающихся пожарами, изучены недостаточно. Так, при прогнозировании обстановки при ЧС с пожарами отсутствует комплексный подход к описанию распространения продуктов горения с использованием соответствующих математических моделей.

В существующих методиках и математических моделях по оценке последствий ЧС не рассмотрены вопросы учета пожаров и вопросы оценки зон загазованности продуктами горения.

Проведенные экспериментальные исследования по изучению характеристик пожаров позволили оценить особенности развития крупномасштабных пожаров, дать оценку выхода и количественного состава продуктов горения. Вместе с тем, неполно исследован состав продуктов горения, образующихся при пожарах различных материалов.

Неполно исследованы пути и условия эффективного обеспечения применения защитных мероприятий населения при возникновении ЧС, сопровождающихся пожарами. Отсутствуют рекомендации по составлению планов защиты населения при таких ЧС.

Вследствие высокой опасности ЧС с пожарами возникает необходимость решения задачи по выбору вариантов по защите населения при пожарах в условиях загазованности продуктами горения.

В связи с этим вопросы защиты населения при пожарах, сопровождающихся образованием зон загазованности, являются актуальной научно-методической задачей, имеющей важное практическое значение.

Цель работы. Цель настоящей работы - разработать принципы и варианты защиты населения при пожарах, сопровождающихся загазованностью территорий продуктами горения.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

- выбрать математическую модель оценки высоты подъема конвективной колонки продуктов горения в поле ветра;

- создать методику для оперативного и заблаговременного расчета зон загазованности при пожарах;

- разработать экспериментальные комплексы и методики, исследовать количественный и качественный состав продуктов горения различных материалов, характерных для городской застройки, полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и пожароопасных промышленных объектов;

- оценить зоны загазованности по степени поражения и осуществить зонирование территории вокруг пожароопасных объектов;

- обосновать принципы защиты населения при ЧС с пожарами;

- разработать варианты и комплексы защиты населения при ЧС с пожарами;

- разработать рекомендации по составлению планов защиты населения при ЧС с пожарами, которые включают в себя характеристику возможной пожарной обстановки и выполнение мероприятий при угрозе и возникновении пожаров.

Объектом исследования диссертационной работы являются параметры загазованности продуктами горения при пожарах, а также характеристики опасных зон поражения.

Предмет исследования - прогноз значений параметров распространения продуктов горения при пожарах и практическое его использование для выработки вариантов защиты населения.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложена математическая модель оценки высоты подъема конвективной колонки продуктов горения в поле ветра с учетом изменения температуры, скорости потока и массы струи с высотой;

- разработана методика расчета зон загазованности территории продуктами горения при пожарах;

- предложено зонирование территории вокруг пожароопасных объектов на основе значений токсодоз;

- получены новые данные по качественному и количественному составу продуктов горения различных материалов и композиций, характерных для пожаров городской застройки, полигонов ТБО и пожароопасных промышленных объектов;

- установлена зависимость выхода отдельных токсичных газов от теплового режима;

- разработаны комплексы защиты населения при ЧС с пожарами в зависимости от времени подхода и воздействия ОФП.

Практическая ценность работы:

- разработана методика прогнозирования зон загазованности при пожарах для оперативного и заблаговременного проведения расчета концентраций продуктов горения;

- полученные оценки характеристик конвективных колонок при различных типах пожаров позволяют оценить размеры зон загазованности продуктами горения;

- предложенные и обоснованные принципы защиты населения при пожарах могут применяться при организации защиты населения и территорий при ЧС с пожарами;

- комплексы защиты населения позволяют осуществить выбор наиболее эффективного вида защиты применительно к различным временным интервалам подхода опасных факторов пожара и времени их воздействия;

- данные по качественному и количественному составу продуктов горения и термодеструкции различных материалов и композиций, характерных для рассмотренных объектов, могут использоваться при решении задач по оценке полей концентраций токсичных веществ и осуществлять зонирование территории;

- обобщенные данные по составу продуктов горения позволяют определить размеры вреда, причиненного окружающей среде в результате пожаров;

- разработанные рекомендации по составлению планов защиты населения при ЧС с пожарами могут использоваться при создании Типового паспорта безопасности территорий, планов защиты населения и оперативных планов пожаротушения пожароопасных объектов.

На защиту выносятся:

- математическая модель оценки высоты подъема конвективной колонки продуктов горения в поле ветра с учетом изменения температуры, скорости потока и массы струи с высотой;

- методика оперативного и заблаговременного расчета зон загазованности территории при пожарах;

- результаты оценки характеристик конвективных колонок для различных характерных типов пожара;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований по составу продуктов горения, образующихся при горении и термодеструкции различных материалов;

- принципы зонирования территории вокруг пожароопасного объекта в целях разработки типовых вариантов защиты и проведения мероприятий по заблаговременной подготовке к действиям по защите населения;

- принципы и варианты защиты населения при ЧС с пожарами;

- рекомендации по составлению планов защиты населения при ЧС с пожарами.

Практическое внедрение. Результаты исследований были использованы при разработке следующих нормативно-методических документов:

- «Методические рекомендации по расчету зон загазованности продуктами горения крупных пожаров». - М. : ВНИИПО, 2007. - 58 е.;

- «Методика определения размера вреда, причиненного окружающей среде загрязнением атмосферного воздуха, в результате пожаров на территории города Москвы» (введена в действие Постановлением Правительства Москвы от 13 сентября 2005 г. № 689-ПП, с изменениями от 25.10.2011 Постановлением Правительства Москвы № 507-ПП);

- «Типовой проект комплексной защиты населения территориальных и муниципальных образований от чрезвычайных ситуаций. Общие положения по созданию территориальных и муниципальных подразделений государственной по-жарно-спасателыюй службы». - М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. - 238 е.,

а также использованы:

- при выполнении ряда научно-исследовательских работ в Федеральном государственном учреждении «Дальневосточный научно-исследовательский институт лесного хозяйства» (ФГУ «ДальНИИЛХ»);

- в учебном процессе Восточно-Сибирского института МВД России на факультете пожарной безопасности и при выполнении научно-исследовательских работ по методам прогнозирования зон загазованности и задымления при крупных пожарах;

- в ГУ МЧС России по Саратовской области при разработке Типового паспорта безопасности территории Саратовской области, планов защиты населения и оперативных планов пожаротушения пожароопасных объектов.

Достоверность полученных результатов подтверждается метрологическим обеспечением разносторонних экспериментальных исследований; комплексным использованием известных теоретических моделей и новых решений с их проверкой и согласованием с экспериментальными данными автора и других исследователей; использованием и апробацией полученных данных при физическом моделировании на лабораторных, маломасштабных, натурных объектах и на практике с оценкой сходимости результатов.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, представленных в диссертации, обсуждались и получили признание на 12 Международных конференциях, в том числе: X международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 2002 г.); XVIII научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» (Москва, 2003 г.); V Международной конференции «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2003 г.); II и III Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Минск, 2003, 2005 г.г.); III научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2003 г.); Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России - исследования, опыт» (Москва, 2004 г.); Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томск,

2004 г.); X Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций «Актуальные проблемы регулирования природной и техногенной безопасности в XXI веке» (Москва, 2005 г.); VI Международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Иркутск, 2005 г.); XIX научно-нрактической конференции по вопросам борьбы с пожарами «Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений» (Москва,

2005 г.); Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации» (Гомель, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы гражданской обороны и защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 207

страницах машинописного текста, включая 27 таблиц, 23 рисунка и 294 библиографических наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, определены цель и научная новизна, сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Дан краткий анализ структуры и содержания работы.

В первой главе «Состояние вопроса защиты населения при пожарах» проанализированы известные работы (как теоретического, так и экспериментального плана), посвященные вопросам развития крупных пожаров при стихийных бедствиях, техногенных авариях, а также природных и экспериментальных пожаров. Рассмотрены особенности пожаров и образование зон загазованности при ведении военных действий. Особое внимание уделено тем работам, которые касаются разработки методов защиты населения при ЧС с пожарами.

Рассмотрены литературные источники в области моделирования развития конвективных колонок при пожарах, а также проанализированы работы, посвященные прогнозированию переноса примеси, токсичных и вредных веществ.

Отмечено, что в существующих методиках и математических моделях по оценке последствий ЧС недостаточно рассмотрены вопросы учета влияния пожаров, а также вопросы оценки зон загазованности продуктами горения при пожарах.

Проведен обзор методов исследования количественного и качественного состава продуктов горения материалов.

Приведен анализ нормативных и методических документов по защите населения при ЧС. По результатам анализа литературы сформулированы задачи исследования.

Во второй главе «Прогнозирование зон загазованности при пожарах» рассмотрены вопросы прогнозирования зон загазованности продуктами горения при пожарах.

Предложена методика, позволяющая проводить исследования параметров загазованности для различных состояний атмосферы и подстилающей поверхности при различном составе продуктов горения с учетом высоты подъема конвективной колонки.

При определении зон поражения используются величины токсодоз, кг-с/м3, с учетом времени экспозиции и значений концентраций токсичных продуктов горения:

°= (1)

где т - время ингаляционного воздействия, с;

'под - время подхода облака продуктов горения к рассчитываемой точке, с;

Кож - расчетное время, с.

С - концентрация продуктов горения, кг/м3, в рассматриваемой точке (х,у,х) в направлении распространения облака определяется в соответствии со следующим выражением:

СА(х,у,2)= а-

2 пи а „а, 2 а\,

у у

СХ[-

-(г-Н)1

2а

+ех]:

-(г+Я)2

2а

(2)

где - интенсивность выброса продуктов горения, кг/с;

и - скорость ветра, м/с;

Н - высота подъема продуктов горения, м;

сту и аг - коэффициенты дисперсии, характеризующие рассеивающую способность атмосферы.

Начало координат находится в центре пожара. Ось х совпадает со средним направлением ветра, ось у расположена перпендикулярно направлению ветра по горизонтали, а ось 2 - по вертикали. Параметры Су и аг представляют собой стандартные отклонения распределений концентраций в точке л:, соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях перпендикулярно направлению ветра.

Метеорологические параметры, характеризующие направление и динамику рассеяния продуктов горения, определяются в зависимости от климатической зоны, состояния атмосферы, шероховатости земли.

Степень вертикальной устойчивости атмосферы определяется в зависимости от скорости ветра, инсоляции, облачности и вертикального градиента температуры.

На параметры зон загазованности при пожарах сильное влияние оказывают характеристики конвективной колонки продуктов горения и, в первую очередь, высота ее подъема. Для расчета высоты подъема конвективной колонки над развившимся очагом пожара в стратифицированной атмосфере при наличии поля ветра предложена математическая модель. В основу математической модели высоты подъема конвективной колонки в поле ветра положена численная модель струйной конвекции, в которой использовано предположение о подобии скорости, турбулентности и других характеристик, а также гипотеза Тейлора о турбулентном механизме вовлечения в струю окружающего воздуха со скоростью, пропорциональной скорости ее движения.

Система уравнений, определяющая параметры струи, включает в себя уравнения для изменения количества движения, тепла, секундной массы потока. Система замыкается уравнением для расчета горизонтального смещения струи:

^¿М С«и™иг Т <ь -и2у та м

Ут-иаам сп(ит-иа)/ит-иа/т (4)

& М & *КРт2 +иг2

1а

ат__ я т т-та ам с р та м &

(Ь Я т '

с а

м Ск ЯТ и ' (1>

г

Ж-К(±с1М+ 8 , 1 с!Т ит аи Ц2 аил /оч Л 2 М аг К Т Т аг ц 2+и 2 а2 и 2+и 2 ~3г >' с " т г т 2

А и

их = —т. «п

(к и ' (9)

2

где и2, иш - вертикальная и горизонтальная составляющая скорости конвективного потока, м/с;

& - ускорение силы тяжести, м/с2; Т, Та - температура внутри и вне потока, К; М - секундная масса струи, кг/с; II - радиус струи, м;

Са - коэффициент аэродинамического сопротивления потока; иа - скорость ветра в окружающей среде, м/с;

- газовая постоянная сухого воздуха, Дж/кг-К; а - константа вовлечения; Ср - удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг-К.

Система уравнений (3) - (9) решается численно по методу Рунге-Кутта. Дифференциальные уравнения интегрируются до высоты, при которой вертикальная скорость и2 = 0.

Начальное распределение температуры Та и скорости иа выбиралось в соответствии с моделью Международной стандартной атмосферы: с!Т

——= 0,0065 град/м ,

¿г

где Та = Т0-0,0065-г;

ТТ _т т ,0.15

иа - и0 г ,

где Т0 - значение температуры у подстилающей поверхности, К; Ц)- значение скорости ветра у подстилающей поверхности, м/с.

При решении системы уравнений (3) - (9) необходимо задание следующих начальных параметров: Я0 - радиус или полуширина фронта пожара; Т5С - темпе-

ратура струи; Uso - скорость струи; М0 - секундная масса струи; Х0 - горизонтальное смещение струи.

Предложено значения Tso, Uso и М0 вычислять в зависимости от характеристик очага (площадь, мощность), вида и количества горючей нагрузки (скорость выгорания, теплотворная способность).

Полагая, что горючая нагрузка равномерно распределена по площади очага, можно оценить общую мощность пожара по формуле:

W = PQHVmS, где р - коэффициент полноты сгорания (0,9 - 0,99);

QH - низшая теплотворная способность нагрузки, Дж/кг;

Vm - массовая скорость выгорания, кг/м2-с;

S - площадь пожара, м2.

Скорость оттока продуктов горения Uso определяется формулой следующего вида:

Т I _ „ 1U 1/3 V - 1/3

Uso - a W Z0 где W - мощность пожара, Вт;

Z0 - высота, на которой вычисляется скорость, м;

а - эмпирический коэффициент: а = 0,119 для пожаров большой площади, а = 0,153 для локальных очагов пожара.

Температура конвективной струи:

где Ср - удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг-К; р - плотность газовой фазы, кг/м3; Uso - скорость струи, м/с.

Секундная масса потока: М0 = Vm S Кс, где Кс - стехиометрический коэффициент.

Значение коэффициента вовлечения воздуха а принималось различным: для случая осесимметричной струи (например, локальный очаг пожара) а = 0,08; для случая линейной струи (протяженный источник пожара) а = 0,22.

Таким образом, зная параметры окружающей атмосферы (Т0, U0, Ро), характеристики очага (R0), горючей нагрузки (QH, Vm, Кс) и используя численную модель, можно рассчитать вертикальные профили осредненных по горизонтальному сечению значений скорости движения, перегрева струи по отношению к окружающей среде, секундной массы струи, концентрации аэрозольных частиц, давления воздуха.

С целью проверки математической модели в предложенной постановке проведено сравнение численных результатов с экспериментальными данными и теоретическими оценками.

В качестве исходных данных был взят экспериментальный пожар с радиусом Ro = 36 м. Горючая нагрузка - дизельное топливо. Температурная стратификация полагалась стандартной (Т0 = 293 К), U0 = 0.

На рисунке 1 представлено изменение скорости струи Uso на оси конвективной колонки для рассматриваемого пожара. Скорость струи первоначально возрастает и на высоте 150 - 200 м достигает максимума - 12,4 м/с. Далее Uso монотонно убывает и при Z = 1745 м равно нулю. Данное значение Z будем считать максимальной высотой подъема конвективной колонки Zm.

На рисунке 1 отмечены также экспериментальное значение высоты подъема продуктов горения (точка 2) и теоретические оценки Zm для данного пожара (точки 3, 4 и 5) по моделям других авторов, которые не учитывают влияние ветра.

Uso м/с

Рисунок 1 - Зависимость скорости потока в струе от высоты и высота подъема конвективной колонки при горении дизельного топлива (Я,, = 36 м) в неподвижной атмосфере: 1 - расчет; 2 - эксперимент; 3, 4, 5 - расчеты по аналитическим формулам.

Влияние ветра на высоту подъема и характер смещения конвективной колонки показано на рисунке 2. Приведены результаты расчетов для горения нефти с очагом пожара радиусом 10 м и при различных скоростях ветра в приземном слое. При отсутствии ветра (и0 = 0) смещения струи не происходит (X = 0), мак-

симальная высота подъема продуктов достигает = 610

Zm, м

Рисунок 2 - Смещение оси струи в поле ветра при горении нефтепродуктов (Яо = 10 м): 1 - и0 = 0; 2 - и0 = 1 м/с; 3 - и0 = 2 м/с; 4 - и0 = 3 м/с; 5 - и0 = 5 м/с.

Увеличение скорости ветра приводит не только к уменьшению высоты подъема Ът , наблюдается существенное смещение конвективной колонки относительно очага пожара.

Так, при скорости и0 = 5 м/с = 390 м, а при X > 3000 м продукты горения распределяются практически горизонтально по направлению ветра.

На характер развития конвективной колонки влияют не только метеоусловия, площадь пожара, интенсивность горения, но и геометрия очага. В зависимости от типа источника энерговыделения рассматриваются следующие типы пожара: линейный пожар (например, фронт лесного пожара); точечный пожар (пожар с компактным очагом энерговыделения); площадной пожар (соответствует большим горящим площадям с распределенным по площади энерговыделением).

На основе теоретического анализа и численных расчетов проведены оценки параметров конвективных колонок в атмосфере для линейного, точечного и площадного типов пожара. Максимальный вертикальный размер установившейся конвективной колонки над линейным пожаром в нормальной стратифицированной атмосфере, м, определяется следующей формулой:

Тт = 9,24-[:^о3-Ро/(К'-Ра)]1'3, (10)

где I - тепловая мощность источника, Вт/м;

Ра - атмосферное давление, Па;

Ро - атмосферное давление на уровне очага, Па;

N - параметр стратификации атмосферы.

Высота зависания конвективной колонки 2к = 0,63-2т.

Величины максимальных значений горизонтальной и вертикальной скоростей в установившейся конвективной струе над линейным пожаром:

ит = 0,06-(1Ро/Ра)1/3, и2 = 0,008-а-Ро/Ра)"3. (11)

Для пожара с компактным очагом энерговыделения (точечный тип пожара) характерные параметры зон возмущений следующие:

г™ = 12-[\^03-р0/(м3-ра)]1/4, гк = 0,7 гт, (12)

ит = 0,063-^-Ыо-Ро/(Ы-Ра)],/4, и, = 0,02-[\У-Но-Ро/<ЪГ-Ра)],/4, (13)

где XV - мощность очага пожара с радиусом

11т - радиус облака зависания продуктов горения. При средних значениях плотности теплового потока пожара q = 104 Вт/м2 для разных размеров очага (Я0 = 100 м, XV = 3,14-108 Вт и Яо = 1000 м, = 3,14-Ю10Вт) формируются следующие параметры возмущений: 7.т = 1,6 км, ит = 8,4 м/с, и2= 2,7 м/с и Ът = 5 км, иш = 26,5 м/с, \]х= 8,6 м/с соответственно.

Высота подъема конвективной колонки в стандартных метеоусловиях над площадным типом пожара определяется по формуле:

2ш = Вд0'5. (14)

Величины максимальных горизонтальных и вертикальных скоростей над площадным типом пожара определяются следующими зависимостями: иш = 0,144 (я-Ко-Ро/Ра)Ю, и2 = 0,055-(Ч-Ко-Ро/Ра)' '\

Для оценки высоты подъема конвективной колонки над точечным источником используются приближенные аналитические формулы, не учитывающие размеры очага пожара и параметры атмосферы:

= А-\¥0'25. (15)

На основе предложенной математической модели расчета высоты подъема конвективной колонки и исследований по оценке параметров возмущений при различных тинах пожаров разработана методика расчета зон загазованности территории продуктами горения при пожарах. Методика включает в себя анализ и сбор исходной информации об объекте, территории, метеоусловиях, оценку времени горения, мощности пожара, высоты конвективной колонки, интенсивности выделения продуктов горения. В результате расчетов определяются поля концентраций токсичных веществ. Производится расчет токсодоз и зон поражения продуктами горения: зона смертельно опасных концентраций, зона опасных концентраций, зона повышенных концентраций, зона безопасных концентраций.

В третьей главе «Параметры зон загазованности при пожарах» приведены экспериментальные и теоретические исследования характеристик развития зон загазованности продуктами горения при пожарах.

При оценке характеристик зон загазованности, а также расчете токсодоз и зон поражения при пожарах необходимо знание качественного и количественного состава продуктов горения. В связи с этим разработаны экспериментальные комплексы, методики, исследованы и обобщены данные по составу продуктов горения горючих материалов, характерных для городской застройки и других объектов.

Для получения требуемых в процессе исследований данных применялись методики физического моделирования процессов горения и термодеструкции (пиролиза и термоокислительного разложения - ТОР) анализируемых веществ и материалов, а для определения качественного и количественного состава образую-

щихся продуктов использовались методы хромато-масс-спектрометрии (ХМС), ИК-Фурье-спектрометрии (ИКФС) и газовой хроматографии (ГХ).

Принципиальная схема определения состава продуктов при моделировании разных вариантов процессов газообразования показана на рисунке 3.

компьютер

Отбор проб

Фмисоесмооемюне

ИК-Фурье-спектрометр

Обогреваемая линия

1

Газовый хроматограф 1 Ч Конденсатор с твердым сорбентом

1

Газоанализатор непрерывного действия 1 Не обогреваемая линия

Титриметр термогаза 1 Абсорбер |

~п

Термоаналиэатор Термовесы -ТГА

Установка ОТП

Мэломасштабный фрагмент испытаний

Рисунок 3 - Схема исследований газообразных продуктов при различных вариантах горения и термодеструкции горючих веществ и материалов.

Наиболее полная информация о зависимости состава продуктов от условий пожара была получена на базе совмещенной системы термогравиметрического анализа и анализа выделенных газов. Где для разделения многокомпонентных смесей перед качественным анализом газов с использованием ИКФС, а также как составная часть ХМС, применялась газовая хроматография. ГХ использовалась также как основной метод для высокочувствительного количественного анализа компонентов смесей.

Кроме того, для анализа продуктов горения, выделяемых на экспериментальных установках и маломасштабных фрагментах и натурных объектах, применялись следующие системы отбора и анализа проб газа:

- абсорберы для концентрирования агрессивных неорганических веществ, конденсаторы с твердым сорбентом для сбора органических веществ с последующим инструментальным анализом (ГХ, ХМС и ИКФС), линии отбора для подключения химических определений веществ;

- газоанализаторы непрерывного действия: для определения оксида и диоксида углерода ("Ипфралит-2000"), определения горючих органических газов ("Ех\¥агп"), а также химические определители веществ (типа ГХ).

В результате исследований получены данные по качественному и количественному составу продуктов термодеструкции и горения различных групп мате-

риалов и композиций, характерных для рассматриваемых вариантов пожаров. Объекты исследований: пенопласты на различной основе, материалы на основе древесины, шерсти, кожи, резины, поливинилхлорида, нефтепродукты и др.

Для выявления значимых компонентов в продуктах горения и термодеструкции материалов был проведен анализ результатов экспериментального исследования, а также литературных данных по их составу и определены вещества, которые являются ведущими в количественном отношении в образующейся газообразной среде и представляют значительную опасность в токсическом отношении.

На основании проведенного анализа были выделены: оксид (СО) и диоксид (С02) углерода, оксиды азота (NxOy), синильная кислота (HCN), на долю которых приходится до 99% массы в газообразных продуктах горения или термодеструкции материалов, обладающих сильным токсическим действием.

Для выбранных компонентов рассчитывались величины ожидаемых концентраций в составе продуктов горения при условии, что относительная масса испытываемого образца эквивалентна показателю токсичности продуктов горения материала Hclso г/м3.

Расчет проводился по формуле:

Он = gi • HcLJO, (16)

где Си - ожидаемая величина концентрации i-ro компонента, мг/м3;

g¡ - усредненный для серии опытов удельный выход i-ro компонента, мг/г.

Установлено, что для разных классов материалов выход отдельных токсичных газов различным образом зависит от теплового режима - термодеструкция (ТОР) или горение. Так, выход СО в большинстве случаев выше при ТОР, а выход HCN, NxOy, НС1 и С02 - в режиме горения, что продемонстрировано в таблице 1.

Таблица 1 - Средние концентрации основных токсических веществ, выделяемых из полимеров (соответствующие параметрам Hclso для полимера)

Материал Режим испытаний Расчетная концентрация Co¡, мг/м3

СО | СОз | HCN | N*Ov

Полимеров на основе фенолформальдегидных смол

ФЛ-2 ТОР 4400 7280 - -

ФЛ-2 Горение 3753 44100 - -

ФЛАСТ ТОР 3750 12740 22 148

ФЛАСТ Горение 3600 37640 38 146

Полимеров на основе пенополиуретана

ППУ-ЗС ТОР 3200 20300 20 180

Горение 2340 38400 27 204

Изолан ТОР 4068 20130 98 56

Горение 3127 23782 143 70

Средние смертельные концентрации (CL50)

Для Но.50 при 30-минутной экспозиции 4500 800000 175 712

В результате проведенных исследований обобщены данные по среднему составу продуктов горения твердых горючих материалов и их композиций, харак-

терных для городской застройки, и установлены коэффициенты выхода каждого продукта относительно оксида углерода при пожарах (таблица 2).

Таблица 2 - Выход основных продуктов горения материалов и композиций, характерных для пожаров городской застройки

Химическое соединение Коэффициент выхода*

Цианистый водород, нитрилы 0,13

Альдегиды (акролеин, формальдегид) и кетоны 0,26

Сероводород, соединения серы 0,068

Ароматические соединения (бензол, толуол, фенол) 0,13

Органические кислоты (уксусная) 0,062

Ненасыщенные углеводороды (этилен, пропилен) 1,0

Насыщенные углеводороды (метан, этан) 1,0

Диоксид углерода 5

Дымовой аэрозоль 0,03

Вода 2

* Коэффициент выхода СО принимается равным 1

При горении нефти и нефтепродуктов к основным и наиболее опасным загрязнителям атмосферы относятся СО, 1ЧхОу, оксиды серы Б02 и углеводороды СпН2п+2, а также С02 и сажа (таблица 3).

Таблица 3 - Основные загрязняющие атмосферу вещества, образующиеся при горении нефтепродуктов___

Вид топлива Вещество, мг/г

со2 СО ыо2 802 С„Н2п+2 сажа

Дизельное топливо 2700±500 74±18 0,86±0.1 0,5±0.1 64±10 65±1

Нефть 2500±700 69±18 0,8±0.2 0,5±0.1 60±10 70±1

Помимо крупных пожаровзрывоопасных объектов большую опасность с точки зрения образования обширных зон загазованности при пожарах представляют полигоны твердых бытовых отходов (ТБО).

Проведенные исследования по определению состава продуктов горения, характерных для полигонов ТБО, показали, что особую опасность представляют продукты горения материалов, содержащих связанный азот (шерсть, кожа, пенополиуретан).

У материалов, содержащих мало связанного азота (ДСП, бумага, ацетатный шелк, резина), токсичность определяется, в основном, оксидом углерода. Однако в зоне задымления значительной вклад в токсичность может быть и за счет про-

дуктов, входящих в состав дымового аэрозоля - диоксинов, НСИ, НС1, полиароматических углеводородов, сернистых соединений, дибензофуранов, тяжелых металлов и т.д.

Таким образом, горение ТБО на полигонах представляет опасность для населения, проживающего вблизи полигонов ТБО. Во-первых, продукты горения содержат особо опасные токсиканты. Во-вторых, концентрация в воздухе отдельных продуктов горения ТБО выше установленных значений ПДК.

На величину концентрации продуктов горения существенно влияет интенсивность выброса продуктов горения, которую можно оценить по следующей формуле:

(^ = КЛ/т-Аь (17)

где Ут - массовая скорость выгорания, кг/м2-с;

А| - весовая доля ьго продукта горения;

К - коэффициент приведения (для большинства материалов равен 1).

Данные по весовой доле оксида углерода для некоторых видов материалов, полученные в результате обобщения экспериментальных исследований, представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Весовая доля оксида углерода (Асо) для некоторых видов материалов

Материал Асо

Древесина 0,205

Резина 0,15

Пенополиуретан 0,155

Бумага 0,245

Линолеум ПХВ 0,19

Керосин 0,386

Дизельное топливо 0,413

Мазут 0,321

Нефть 0,383

В ходе исследования проведено прогнозирование возможных зон загазованности при пожарах на конкретных объектах.

Рассмотрены зоны загазованности продуктами горения на заводе АОЗТ «Маяк» (Щелковский район, Московской обл.) по производству пенополиуретана. Для Астраханского газоперерабатывающего завода разработаны сценарии аварий с последующим пожаром и проведены соответствующие расчеты возможных зон поражения продуктами горения.

Четвертая глава «Принципы защиты населения при ЧС с пожарами» посвящена разработке принципов защиты населения при пожарах.

Определены пути и необходимые условия эффективного обеспечения применения комплекса защитных мероприятий при возникновении ЧС, сопровождающихся пожарами.

На основе проведенных исследований сформулированы основные принципы защиты населения при ЧС с пожарами. Так, основным принципом является то,

что защите подлежит все население, которое может оказаться в зоне воздействия опасных факторов пожаров (ОФП). Цель защиты состоит в предотвращении, ликвидации или максимально возможном снижении степени воздействия ОФП.

Основой заблаговременного формирования системы защиты населения, а также проведения мероприятий в случае развития ЧС с пожарами является прогноз пожарной обстановки и зонирование территории вокруг очага пожара по видам ОФП.

Для защиты населения в случае возникновения и развития ЧС с пожарами и образованием зон загазованности продуктами горения могут использоваться следующие основные мероприятия: самостоятельная эвакуация, проведение аварийно-спасательных работ (АСР), организованная эвакуация, укрытие населения в защитных сооружениях.

Исходя из анализа условий развития пожаров и образующихся при этом зон воздействия опасных факторов пожара, предложены двенадцать вариантов защиты (таблица 5).

Таблица 5 - Характеристика вариантов защиты населения при пожарах с образованием зон загазованности

Номер Наличие способов защиты в данном варианте

варианта Самостоя- АСР Организо- Укрытие в

тельный вы- ванная эва- защитных со-

ход куация оружениях

1 + - - -

2 - + - -

3 - - + -

4 + + - -

5 + - + -

6 - + + -

7 + + + -

8 - - - +

9 + - - +

10 + + - +

11 + + + +

12 - + + +

Предложено зонирование территории вокруг пожароопасного объекта на четыре зоны возможной пожарной опасности: чрезвычайной пожарной опасности, высокой, умеренной и малой пожарной опасности.

Применительно к выделенным зонам пожарной опасности определен перечень мероприятий по защите населения с учетом времени возникновения пороговых значений поражающих факторов после возникновения пожара.

Одним из основных поражающих факторов при пожарах с образованием зон задымления и загазованности являются токсичные продукты горения. Поэтому в качестве показателей эффективности защиты населения в этих условиях

предложена следующая количественная характеристика - токсодоза для поражающих факторов токсичного воздействия.

Вариант защиты населения считается эффективным, если выполняется условие:

D(x) < D^, где D(x) - токсодоза при варианте защиты х;

D^ - допустимая токсодоза, т. е. значения токсодозы не превышают пороговых значений.

На основе проведенных исследований с использованием математических моделей распространения поражающих факторов и анализа выполнения защитных мероприятий выбраны комплексы защиты населения (таблица 6) применительно к различным временным интервалам подхода ОФП и времени их воздействия.

Таблица 6 - Комплексы защиты населения при различных временных интервалах подхода ОФП и времени их воздействия

Время подхода фронта ОФП Время воздействия, час Варианты

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

0-15 мин. < 12 + + + +

0-15 мин. > 12 + + + +

15- 60 мин. < 12 + + + + +

15- 60 мин. > 12 + + + +

> 60 мин. < 12 + + + +

> 60 мин. > 12 + + + +

Важную роль в обеспечении защиты населения в соответствии с Федеральным законом «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» имеют: готовность к реагированию на ЧС, прогнозирование возможных ЧС, включая разработку планов защиты населения и территории от ЧС.

На основе анализа существующих планов действий в ЧС разработаны Рекомендации по составлению планов защиты населения при ЧС с пожарами, которые включают в себя характеристику возможной пожарной обстановки и выполнение мероприятий при угрозе и возникновении пожаров.

Оценка возможной пожарной обстановки включает анализ состояния пожарной опасности территории населенных пунктов, объектов и лесной территории, прогнозирование параметров поражающих факторов теплового воздействия, а также ожидаемых концентраций токсичных продуктов горения в зонах загазованности.

При угрозе и возникновении ЧС с пожарами рассмотрены требования к выполнению мероприятий при повышенной готовности и чрезвычайном режиме, обеспечение действий сил и средств территориальной подсистемы РСЧС, привлекаемых для проведения спасательных и других неотложных работ в очагах пожа-

ров, а также для осуществления мероприятий по защите населения и материальных ценностей при чрезвычайном режиме.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные результаты:

1. Предложена математическая модель оценки высоты подъема конвективной колонки продуктов горения в поле ветра с учетом изменения температуры, скорости потока и массы струи с высотой.

2. Получены оценки характеристик конвективных колонок при различных типах пожаров, позволяющие оценить размеры зон загазованности продуктами горения.

3. Разработана методика расчета зон загазованности территории при пожарах, позволяющая проводить прогноз обстановки в целях защиты населения.

4. Разработаны экспериментальные комплексы и методики исследования состава продуктов, выделяемых в экспериментах физического моделирования термодеструкции и горения веществ и материалов.

5. Получены новые результаты экспериментальных и теоретических исследований качественного и количественного состава продуктов, образующихся при термодеструкции и горении различных материалов с использованием методов термического анализа, газовой хроматографии, хромато-масс-спектрометрии и ИК-Фурье-спектрометрии.

6. Установлено, что выход отдельных токсичных газов различным образом зависит от теплового режима горения для разных классов материалов. Так, выход СО в большинстве случаев выше при ТОР и пиролизе, а выход HCN, NxOy, HCl и СО2 - в режиме горения.

7. Проведена оценка выхода продуктов горения при пожарах. Определен состав продуктов горения материалов и композиций, характерных для пожаров городской застройки, полигонов ТБО и пожароопасных промышленных объектов.

8. Разработаны сценарии развития пожаров и проведены расчеты распространения продуктов горения и образования зон поражения на пожароопасных объектах.

9. Предложены и обоснованы основные принципы защиты населения при ЧС с пожарами, определены пути и необходимые условия эффективного обеспечения применения комплекса защитных мероприятий.

10. Предложено зонирование территории вокруг пожароопасного объекта на четыре зоны возможной пожарной опасности в зависимости от времени наступления пороговых значений опасных факторов пожара.

11. Применительно к зонам возможной пожарной опасности разработаны комплексы защиты населения при ЧС с пожарами в зависимости от времени подхода и воздействия ОФП.

12. Разработаны рекомендации по составлению планов защиты населения при ЧС с пожарами.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Булгаков В.В. Деятельность территориальной подсистемы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций на примере Алтайского края // Проблемы управления безопасностью сложных систем : труды X междунар. конф. Ч. 2. - М. : РГГУ - Издательский дом МПА-Пресс, 2002. - С. 200-203.

2. Булгаков В.В. Проблемы защиты населения при крупных пожарах, сопровождающихся сильным задымлением и загазованностью // Снижение риска гибели людей при пожарах : матер. XVIII науч.-практ. конф. - Ч. 1. - М. : ВНИИПО, 2003. - С. 221-223.

3. Хасанов И.Р., Булгаков В.В. Оценка зон загазованности при пожарах на предприятиях по производству пенополиуретана // Снижение риска гибели людей при пожарах : матер. XVIII науч.-практ. конф. - Ч. 1. - М. : ВНИИПО, 2003. - С. 220-221.

4. Дуганов В.А., Сядук B.JL, Булгаков В.В. Хасанов И.Р. Оценка экологической опасности продуктов горения твердых бытовых и промышленных отходов // Снижение риска гибели людей при пожарах: матер. XVIII науч.-практ. конф. - Ч. 1. - М. : ВНИИПО, 2003. - С. 246-248.

5. Булгаков В.В., Сядук B.JL, Хасанов И.Р. Экологическая опасность продуктов горения нефти и нефтепродуктов // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. III научно-практическая конференция, 22-23 октября 2003 г. Сб. материалов. -М. : Центр «Антистихия», 2003. - С. 19-20.

6. Булгаков В.В., Хасанов И.Р. Прогнозирование зон загазованности при крупных пожарах // Комплексная безопасность России - исследования, опыт : тез. докл. Международного симпозиума, Москва, 27 мая 2004. - М. : ВНИИПО, С. 911.

7. Хасанов И.Р., Булгаков В.В. Основные принципы комплексной защиты населения при крупных пожарах // Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: материалы 5-й Международной конференции. - Томск : Издательство Томского университета, 2003. - С. 197-198.

8. Хасанов И.Р., Булгаков В.В. Прогнозирование экологической опасности пожаров на предприятиях по производству пенополиуретана // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация: Междунар. научн.-практ. конф., посвящ. 150 летию пожар, службы Респ. Беларусь (Минск, 23-25 июля 2003 г.) : тез. докл.: В 2ч. 4.2 / Редкол.: А.Н. Кудряшов (научн. Ред.) и др.; пер. Д.В. Житкевич. -Минск : Изд. Центр БУУ, 2003.-356 с. ISBN 985-476-122-3 (ч. 2).

9. Хасанов И.Р., Булгаков В.В. Прогнозирование зон задымления и загазованности при крупных пожарах. // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы Международной конференции. - Томск : Издательство Томского университета, 2004. - С. 214-215.

10. Булгаков В.В. Особенности пожарной обстановки в зонах разрушений // Актуальные проблемы регулирования природной и техногенной безопасности в XXI веке. Тезисы докладов X Междунар. научно-практич. конф. по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций - М. : ЦСИ МЧС России, 2005. - С. 43-44.

11. Хасанов И.Р., Булгаков B.B. Параметры возмущений атмосферы при крупных пожарах // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. Сб. тез. докл. III Межд. науч.-прак. конф. Т. 2. - Минск, 2005 - С. 158-160.

12. Хасанов И.Р., Булгаков В.В. Комплексная защита населения при крупных пожарах // Актуальные проблемы регулирования природной и техногенной безопасности в XXI веке. Тезисы докладов X Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций - Москва : ЦСИ МЧС России, 19-21 апреля 2005. - С. 3435.

13. Хасанов И.Р., Гомозов A.B., Зотов C.B., Булгаков В.В. Методика определения размера вреда, причиненного окружающей среде загрязнением атмосферного воздуха в результате пожаров // Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия : матер. 6-й Между-нар. конф. - Томск : Издательство Томского университета, 2005. - С. 95-96.

14. Булгаков В.В., Хасанов И.Р. Параметры продуктов горения при крупных городских пожарах // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений : матер. XIX науч.-практ. конф. - Ч. 1. — М. : ВНИИПО, 2005. - С. 246-248.

15. Хасанов И.Р., Зотов C.B., Булгаков В.В., Исаева Л.К., Соловьев C.B. Оценка размера вреда, причиняемого окружающей среде загрязнением атмосферного воздуха в результате пожаров // Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации : материалы докладов международной научно-практической конференции. - Гомель : ГИИ, 2006. - С. 236 - 238.

16. Булгаков В.В. Комплексная защита населения при крупных пожарах на критически важных для национальной безопасности объектах // Проблемы горения и тушения пожаров : сб. научн. тр. под ред. Н.П. Копылова. - М. : ВНИИПО, 2009.-Вып. 1,- С. 132-153. ДСП.

17. Булгаков В.В. Обеспечение безопасности населенных пунктов и объектов при возникновении лесных пожаров // Пожарная безопасность, 2012. - №1. -С. 128-132.

Подписано в печать 01.11.2012 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ./л. 1,63. Т. - 100 экз. Заказ № 40.

Типография ФГБУ ВНИИПО МЧС России мкр. ВНИИПО, д. 12, г. Балашиха, Московская обл., 143903