Протипожежний захист промислових підприємств від небезпечного впливу каскадних пожеж

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ ТА У СПРАВАХ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕННЯ ВІД НАСЛІДКІВ ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ КАТАСТРОФИ

АКАДЕМІЯ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПРОТИПОЖЕЖНИЙ ЗАХИСТ ПРОМИСЛОВИХ ПІДПРИЄМСТВ ВІД НЕБЕЗПЕЧНОГО ВПЛИВУ КАСКАДНИХ ПОЖЕЖ

21.06.02 - Пожежна безпека

ДАДАШЕВ ІЛЬГАР ФІРДОСІ ОГЛИ

Харків- 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Академії пожежної безпеки України МНС України (м. Харків)

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Сенчихін Юрій Миколайович, Академія пожежної безпеки України, МНС України (м. Харків), доцент оперативно-тактичної кафедри

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Комяк Валентина Михайлівна, Академія пожежної безпеки України, МНС України, професор кафедри фундаментальних дисциплін

- кандидат технічних наук, доцент Сирих Василь Миколайович, Харківський науково-дослідний інститут судових експертиз ім. засл. проф. Н.С.Бокаріуса, Міністерство юстиції України, завідуючий сектором пожежно-технічних досліджень та досліджень в галузі охорони праці

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України, кафедра комп'ютерного моделювання та інформаційних технологій

Захист відбудеться „18” грудня 2003 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Академії пожежної безпеки України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Академії пожежної безпеки України, м. Харків, вул. Чернишевського, 94

Автореферат розісланий "13" 11 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В. І. Кривцова

каскадний пожежа промисловий математичний

АНОТАЦІЯ

Дадашев І.Ф. Протипожежний захист промислових підприємств від небезпечного впливу каскадних пожеж.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02- пожежна безпека. - Академія пожежної безпеки України, МНС України, Харків, 2003.

Дисертація присвячена розробці комплексу математичних моделей, котрі описують типові фрагменти сценарію розвитку каскадної пожежі стосовно промислових підприємств, на підставі загальної процедури визначення основних характеристик пожежі.

Метод визначення основних характеристик пожежі розроблено на підставі детермінованого підходу і оболонки дерева рішень. Алгоритм обчислень реалізовано чисельно в вигляді комп'ютерної програми SCEN.

Запропоновано систему прогнозування структури показників, які характеризують промислове підприємство в умовах каскадної пожежі. В основі функціонування такої системи лежить використання статистичних моделей.

Розроблено метод обчислення раціональних характеристик захисних екранів для базового підприємства - державного підприємства „ХІМПРОМ”, м. Первомайський Харківської області.

Розроблено рекомендації для керівника гасіння пожежі щодо раціонального використання сил і засобів при каскадній пожежі на базовому підприємстві.

Ключові слова: каскадна пожежа, промислове підприємство, моделювання, детермінований підхід, статистичний підхід, дерево рішень.

АННОТАЦИЯ

Дадашев И.Ф. Противопожарная защита промышленных предприятий от опасного воздействия каскадных пожаров.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02- пожарная безопасность. - Академия пожарной безопасности Украины, МЧС Украины, Харьков, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке комплекса математических моделей, описывающих типовые фрагменты развития каскадных пожаров применительно к промышленным предприятиям, на основе которого впервые разработана общая процедура определения основных характеристик пожара или взрыва.

Среди объектов, которые могут находиться на территории предприятия, путем анализа пожарной нагрузки были выбраны наиболее опасные в пожарном отношении объекты: емкость с легковоспламеняющейся или горючей жидкостью (ЛВЖ или ГЖ); емкость с газом, емкость с жидким газом; трубопроводы, соединяющие отдельные объекты.

В работе предложен метод расчета основных характеристик пожара на предприятии на основе детерминированного подхода и оболочки дерева решений. Предполагается, что на каждом объекте может быть реализован один из возможных локальных сценариев развития пожара. Под локальным сценарием развития событий на каждом объекте понимается расчет следующих характеристик: температура, значение плотности потока энергии излучения, концентрация ядовитых веществ (ЯВ) в воздухе, перепад давления в ударной или взрывной волне, площадь и расположение участка поверхности земли, на который могут попасть жидкие ЯВ, легковоспламеняемые или горючие жидкости, характеристики зон воздействия ОФП в каждый момент времени. Алгоритм расчета реализован численно в виде компьютерной программы SCEN.

Предложена система прогнозирования структуры показателей, характеризующих промышленное предприятие, применительно к условиям каскадного пожара. В основе функционирования такой системы лежит использование статистических моделей. На первом этапе строится дерево декомпозиции процесса, и на его основе процесс разбивается на подпроцессы (взаимосвязанные факторы).

На втором этапе выполняется прогноз факторов, определяющих структуру процесса; при прогнозировании структуры процесса необходим учет возможного изменения типа взаимосвязей между факторами. На третьем этапе достигается сбалансированная структура процесса.

Разработан метод расчета рациональных характеристик защитных экранов для базового предприятия - государственного предприятия "ХИМПРОМ", г. Первомайский Харьковской области. Численная реализация разработанного алгоритма позволяет сделать вывод о том, что вследствие рационального расположения средств защиты на базовом предприятии возможно снижение количества пострадавших при возникновении каскадного пожара до 50% по сравнению с существующим вариантом противопожарной защиты.

Разработаны рекомендации для руководителя тушения пожара (РТП) по рациональному использованию сил и средств при каскадном пожаре на базовом предприятии.

Ключевые слова: каскадный пожар, промышленное предприятие, моделирование, детерминированный подход, статистический подход, дерево решений.

SUMMARY

Dadashev I.F. Fire-prevention protection of the industrial enterprises against dangerous influence of cascade fires.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 21.06.02- fire safety. - Academy of fire safety of Ukraine, ME of Ukraine, Kharkov, 2003.

Dissertation is devoted to development of a complex of mathematical models describing typical fragments of development of cascade fires with reference to the industrial enterprises, on the basis of general procedure of definition of the basic characteristics of a fire or explosion is developed.

The method on the basis of the determined approach and environment of a tree of the decisions of account of the basic characteristics of a fire at the enterprise is offered. The algorithm of account is realized numerically as the computer program SCEN.

The system of forecasting of structure of parameters describing the industrial enterprise, with reference to conditions of a cascade fire is offered. Statistical models lays are used In a basis of functioning of such system.

The method of account of the rational characteristics of filters for the base enterprise of the state enterprise "HIMPROM", Pervomayskiy of the Kharkov area is developed.

The recommendations for the chief of suppression of a fire on rational use of forces and means are developed at a cascade fire at the base enterprise.

Key words: a cascade fire, industrial enterprise, modeling determined approach, statistical approach, tree of the decisions.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз тенденцій розвитку промислових підприємств свідчить про те, що водночас із удосконаленням обладнання, технологічних процесів і т. ін. має місце збільшення матеріальних збитків від пожеж на таких підприємствах. При цьому все частіше великі пожежі на промислових підприємствах супроводжуються ефектом "доміно", тобто характеризуються каскадним розвитком. За даними світової статистики, доля каскадних пожеж за останні 80-100 років суттєво збільшилася і становить на даний час близько 70% від загальної кількості пожеж на промислових підприємствах. Швидкість розповсюдження каскадної пожежі визначається фізико-хімічними властивостями горючих матеріалів, а також факторами навколишнього середовища. Зниження цієї швидкості, обмеження (локалізація) пожежі, а також захист персоналу промислових підприємств та особового складу пожежної охорони можливо, зокрема, шляхом застосування захисних екранів, які є одним з основних елементів протипожежного захисту.

Синтез системи протипожежного захисту сучасних промислових підприємств, по суті, перетворився на серйозну науково-технічну задачу, розв'язання якої вимагає відповідного наукового забезпечення. Зокрема, розв'язання такої задачі вимагає комплексного підходу, який повинен містити ряд етапів: математичне описання типових процесів, які мають місце протягом каскадних пожеж, розробку процедури визначення основних характеристик небезпечних факторів пожежі, урахування можливих наслідків від каскадної пожежі (наслідків, що прогнозуються) та ін. У зв'язку з цим актуальною задачею є розробка системи протипожежного захисту сучасних промислових підприємств стосовно умов каскадної пожежі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження виконано в рамках науково - дослідної роботи (1999-2001 р.р.) за держбюджетною темою „Розробка фізичних і математичних моделей розвитку надзвичайних ситуацій (НС), пов'язаних з пожежами та вибухами на хімічно небезпечних підприємствах України, і відповідного програмного забезпечення для обчислення характеристик розвитку НС” на замовлення Головного управління Державної пожежної охорони МВС України (державний реєстраційний № 0100U000310).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності протипожежного захисту промислових підприємств шляхом комплексного застосування заходів по зниженню небезпечного впливу каскадної пожежі.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

- виявити особливості великих пожеж на промислових підприємствах, шляхи визначення їх основних характеристик, а також основні засоби протипожежного захисту;

- узагальнити і доповнити комплекс математичних моделей, які описують типові сценарії розвитку каскадних пожеж;

- розробити алгоритми та їх програмну реалізацію для основних характеристик найбільш небезпечних факторів пожежі на промислових підприємствах;

- розробити моделі і алгоритми, котрі описують процедуру формування (синтезу) раціонального протипожежного захисту промислових підприємств від впливу каскадної пожежі;

- отримати оцінки основних характеристик і засобів протипожежного захисту від впливу каскадної пожежі (на прикладі типового промислового підприємства);

- розробити рекомендації для підрозділів пожежної охорони щодо застосування сил і засобів, які використовуються для локалізації і гасіння пожежі на промисловому підприємстві в умовах виникнення каскадної пожежі.

Об'єкт дослідження - промислові підприємства в умовах каскадних пожеж.

Предмет дослідження - характеристики і параметри каскадного розвитку пожеж на промислових підприємствах.

Методи дослідження - методи математичної фізики, теорії алгоритмів та оптимізації, методи планування експериментів та прийняття рішень.

Наукова новизна одержаних результатів:

- сформовано комплекс математичних моделей, які описують типові фрагменти розвитку каскадної пожежі стосовно промислових підприємств, на підставі якого вперше розроблено загальну процедуру визначення основних характеристик пожежі або вибуху;

- вперше задачу обмеження каскадного розвитку пожежі на промисловому підприємстві приведено до класу задач нелінійного програмування, при цьому на першому етапі розв'язується задача зниження кількості постраждалих під час пожежі, а на другому - задача з мінімізації витрат на протипожежний захист;

- вперше запропоновано математичну модель, яка описує процес раціонального використання сил і засобів під час бойових дій підрозділів пожежної охорони;

- запропоновано систему прогнозування структури показників - статичних і динамічних, які характеризують промислове підприємство стосовно умов каскадної пожежі, в основі функціонування якої лежить використання статистичних моделей;

- вперше розроблено процедуру синтезу системи протипожежного захисту промислових підприємств стосовно умов каскадної пожежі, використання якої дасть можливість знизити кількість постраждалих у таких умовах.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблений комплекс математичного, алгоритмічного і програмного забезпечення по зниженню небезпечних факторів каскадної пожежі стосовно промислових підприємств є науково-методичною підставою для створення системи протипожежного захисту, а також для забезпечення цілеспрямованих дій підрозділів державної пожежної охорони під час локалізації і гасіння таких пожеж.

Розроблені методи і алгоритми обчислення каскадного розвитку пожежі, відповідне програмне забезпечення впроваджені і використовуються в пожежно-рятувальних підрозділах МНС України (Акт УПБ та АСР МНС України в Харківській області від 29.08.2003р.). Результати роботи використовуються в навчальному процесі Академії пожежної безпеки України під час аналізу каскадних процесів, що мали місце на промислових підприємствах, а також при вивченні можливих варіантів обмеження їх розвитку в дисциплінах “Пожежна тактика” і “Організація аварійно-рятувальних робіт” (Акт АПБ України від 20.06. 2001р.). Результати обчислень характеристик каскадного розвитку можливої пожежі, запропонована оперативно-тактична характеристика підприємства, рекомендації керівнику гасіння пожежі впроваджені на Первомайському державному підприємстві „ХІМПРОМ” Харківської обл. і використовуються для забезпечення протипожежного захисту найбільш небезпечних об'єктів і створення оперативних планів пожежогасіння (Акт ДП "ХІМПРОМ" від 19.12. 2002р.).

Особистий внесок здобувача. Автору належать:

- алгоритм обчислення основних характеристик каскадного розвитку пожежі і його реалізація в комп'ютерній програмі SCEN [1,8,9,13,15,17];

- математичні моделі окремих етапів каскадного розвитку пожежі -визначення можливості та моменту часу внутрішнього вибуху ємкості з легкозаймистою або горючою рідиною під впливом випромінювання, розповсюдження отруйних речовин у повітрі і обчислення радіусів ураження під час вибуху газоповітряної хмари [2, 3,10,11];

- методи рішення задач раціонального розподілу пожежного навантаження на об'єктах підприємства і визначення раціональних характеристик захисних екранів стосовно обмеження каскадної пожежі [4,5,16];

- алгоритми і обчислення, які дають можливість керівнику гасіння пожежі оперативно прийняти рішення щодо застосування необхідної кількості сил та засобів в умовах каскадної пожежі на базовому підприємстві [6,7,12,14];

- аналіз достовірності розроблених методів на прикладі модельної пожежі на хімічному заводі в м. Тулуза (Франція, 21.09.2001 р.).

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційного дослідження доповідались і обговорювались на засіданнях оперативно-тактичної кафедри, кафедри організації служби і підготовки, на науково- технічних семінарах АПБ України (1997-2001г.г.), на 2 Молодіжному форумі "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке" (ХДТУРЕ, Україна, м. Харків 22-24 квітня 1998 р.), на Всеукраїнській науково-практичній конференції "Безпека підприємств у надзвичайних ситуаціях. Підвищення рівня підготовки різних категорій населення, які навчаються з безпеки життєдіяльності людини" (КМУГА, Україна, м. Київ 10-11 червня 1998 р.), на IV науково - практичній конференції "Пожежна безпека-99" (ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля МВС України, м. Черкаси 9-10 червня 1999 р.), на XV науково - практичній конференції "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (ВНДІПО МВС Росії, м. Москва 3-4 листопада 1999 р.), V Українській науково - технічній конференції "Застосування пластмас в будівництві та міському господарстві" (ХГАГХ, Україна, м. Харків 11-12 травня 2000 р.), на Регіональній науково-практичній конференції "Харківська вища школа: методичні пошуки на рубежі століть" (ХНУ ім. В.М. Каразіна, Україна, м. Харків, 22 лютого 2001 р.), на науково-практичній конференції "Пожежна безпека - 2001" (ЛІПБ МВС України, Україна, м. Львів 2001 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 17 наукових працях, в тому числі 14 наукових статтях, з яких 12 зараховані до переліку видань ВАК України, і 3 тез доповідей на конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел і двох додатків. Робота містить 184 сторінки тексту, 18 таблиць і 18 ілюстрацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі виконано огляд літературних джерел в галузі вивчення кола проблем, пов'язаних з розвитком пожеж на промислових підприємствах. Питання вивчення розвитку пожежі на промисловому підприємстві вперше детально розглядалися в роботах В. Маршалла і В.Драйздейла (Великобританія). Зокрема, Маршалл першим звернув увагу на те, що такі пожежі часто носять каскадний характер, тому існує потреба у вивченні характеристик каскадного процесу. Пізніше значний внесок стосовно розвитку каскадних пожеж внесли О.І. Міхно, Ю.М. Шебеко, М.В. Бесчастнов, І.М. Абдурагімов, М.П. Башкірцев.

Аналіз великих пожеж на промислових підприємствах за останнє сторіччя свідчить про те, що у більшості випадків такі пожежі супроводжуються ефектом “доміно”, тобто носять каскадний характер. Доля таких пожеж за останній час складає близько 70% ід загальної кількості пожеж на промислових підприємствах. Практично в усіх випадках, коли на підприємстві або біля нього є додаткове пожежне навантаження, процес набуває каскадного характеру. Великі пожежі, що не є каскадними, мали місце лише в тих випадках, коли до процесу з самого початку було залучене все пожежне навантаження, тобто масові пожежі. Стосовно промислових підприємств можна стверджувати, що масова пожежа виникає в результаті послідовного залучення до процесу окремих об'єктів, тобто масова пожежа є крайнім випадком каскадного процесу. Моделювання каскадного розвитку пожежі на підприємстві вимагає відповідних фізичних моделей окремих етапів каскадного процесу і математичного апарату для обчислення загальних характеристик пожежі.

Проаналізовані існуючі методи розв'язання наведеної задачі. Для моделювання каскадного процесу застосовуються загальні фізичні закони зберігання маси, енергії і імпульсу для визначення впливу небезпечних факторів пожежі (НФП) на об'єкти і оболонку дерева рішень для моделювання каскадної пожежі в цілому.

Для того, щоб обмежити можливість каскадного розвитку пожежі, необхідно раціонально розташувати на території підприємства засоби захисту від ННВ (найбільш небезпечного варіанту розвитку подій). Аналіз ефективності різних засобів захисту показав, що для обмеження розвитку пожежі природно застосувати захисні екрани, які поглинають випромінювання від об'єктів, що беруть участь у процесі. Відповідно, належить визначити характеристики саме захисних екранів, як засобів обмеження розвитку каскадної пожежі.

На підставі проведеного аналізу виконана постановка задачі досліджень - підвищення ефективності протипожежного захисту промислових підприємств шляхом комплексного застосування заходів по зниженню небезпечних впливів каскадних пожеж.

В другому розділі розроблено комплекс моделей, що описують типові сценарії розвитку каскадних пожеж і алгоритми їх програмної реалізації. Під час розробки математичних моделей локальних фізичних процесів, які мають місце під час пожежі або вибуху на технологічних об'єктах, необхідно ураховувати деякі умови (вимоги), що суперечать одна одній. Зокрема, моделі повинні з достатньою докладністю описувати процеси і, водночас, бути досить простими для використання їх як в інженерних обчисленнях, так і під час імітаційного моделювання розвитку аварійних подій (ситуацій) відповідно до принципу „доміно”. Серед об'єктів, котрі можуть знаходитися на території підприємства, шляхом аналізу пожежного навантаження були обрані найбільш небезпечні у пожежному відношенні об'єкти: ємкість з легкозаймистою або горючою рідиною (ЛЗР або ГР); ємкість з газом, ємкість з рідким газом; трубопроводи, які з'єднують окремі об'єкти. До основних реалізацій локальних сценаріїв розвитку аварійних ситуацій, пов'язаних з пожежами або вибухами на промислових підприємствах, слід віднести: витікання рідини з резервуару, який знаходиться в обвалованій зоні; розтікання горючої рідини при катастрофічному руйнуванні резервуару; пожежа (горіння) розливу горючої речовини; факельне горіння струму речовини; виникнення пароповітряної хмари і розповсюдження газоподібних отруйних речовин (ОР) в атмосфері; вибух ємності с ЛЗР або ГР; пожежа - спалах; горіння (пожежа) типа вогняної кулі.

При цьому під локальним сценарієм розвитку подій на кожному об'єкті розуміється обчислення наступних характеристик: а) температура T (X,Y,Z,t); б) величина густини струму енергії випромінювання q(X,Y,Z,t); в) концентрації отруйних речовин (ОР) в повітрі (X,Y,Z,t); г) зміни тиску в ударній або вибуховій хвилі Р(X,Y,Z); д) площа і розташування ділянки поверхні землі, куди можуть потрапити рідкі ОР, ЛЗР або ГР (ЛЗР або ГР може бути одночасно отруйною речовиною); е) характеристики зон впливу НФП у кожний момент часу.

Процес горіння локального об'єкта характеризується вектором небезпечних факторів, компонентами якого є: температура, густина струму енергії випромінювання, зміна тиску у фронті ударної хвилі та ін. Для прогнозу розвитку подій при пожежі розглядаються всі можливі варіанти найбільш небезпечного розвитку процесу, тобто всі можливі локальні сценарії, для моделювання яких розроблено комплекс математичних моделей, що описують типові фрагменти розвитку каскадних пожеж стосовно промислових підприємств. Зокрема, запропоновані моделі оцінки моменту вибуху ємкості з ЛЗР або ГР, обчислення концентрації хмари ОР, факельного горіння струменя рідини, витікання горючої рідини з резервуару, який знаходиться в обвалованій зоні, випаровування горючої рідини.

Під час витікання горючої рідини з резервуару, який знаходиться в обвалованій зоні, висота рідини в резервуарі дається у співвідношенні:

 (1)

де h₀ - початкова висота; - густина рідини; S_р, S₀ - площа перетину резервуару і отвору відповідно; - коефіцієнт витікання; G₀ - масовий видаток рідини в початковий момент часу. Кількість рідини (маса), яка переливається через обвалування, дається рівнянням:

(2)

Рух горючої рідини під час її розтікання у випадку катастрофічного руйнування описується рівняннями:

(3)

з граничними умовами:

(4)

де h₁ - висота поверхні, u - середнє значення швидкості руху рідини.

В основі будування моделі, що описує випаровування горючої рідини, лежить теорія „стефанівського струму”. Інтенсивність випаровування визначається співвідношенням:

 (5)

де Р_Н - тиск насиченої пари, М - молярна маса горючої рідини, - емпіричний коефіцієнт. Якщо випаровування горючої рідини відбувається з резервуару, причому була проведена процедура флегматизації газами (рідина - світлі нафтопродукти), інтенсивність випаровування може бути описана таким чином:

(6)

де - густина інертного газу відповідно; S₀ - площа обмежуючих конструкцій відповідно, V₀- вільний об'єм резервуару, Re - число Рейнольдса, Pr - число Прандтля, Q -тиск насиченої пари, - відносна молекулярна маса, - температурний фактор, h₀, d - висота і діаметр резервуару відповідно. Питома маса рідини, яка випаровується за час її охолодження до температури навколишнього середовища, буде визначатися співвідношенням:

, (7)

де Nu - критерій Нуссельта; М - молярна маса рідини, d - характерний розмір джерела випаровування; Т- температура рідини на поверхні розділу фаз; Р- атмосферний тиск, Р_Н - парціальний тиск насиченої пари рідини, що відповідає температурі Т; Р₀ - парціальний тиск пари теплоносія далеко від межі розділу фаз.

У випадку виникнення пароповітряної хмари вважається. що пароповітряна хмара є сукупністю елементарних пароповітряних об'єктів. Концентрацію такого газового складу описано рівнянням дифузії:

, (8)

де а - коефіцієнт дифузії. Розв'язання рівняння дифузії має вигляд

, (9)

де

де v_вx, v_вy - відповідно х і y компоненти швидкості вітру v_В; Q=WS - маса газу, W - інтенсивність випаровування, S - площа випаровування; - час створення пароповітряної хмари, Н - висота від поверхні землі.

Для вибуху ємкості з ЛЗР або ГР у першому наближенні можна написати рівняння теплового балансу у вигляді:

, (10)

де С₀, С - питома теплоємкість матеріалу ємкості і рідини відповідно; V₀, V - об'єм ємкості і рідини відповідно; Т, Т^*- температура навколишнього середовища і рідини відповідно; S - площа поверхні рідини; ^* - коефіцієнт поглинання, q(t) - густина струму енергії; - коефіцієнт теплообміну; - стала Больцмана, - ступінь чорноти поверхні ємкості. Розв'язання рівняння (10) використано для визначення моменту t_В, коли стає можливим загоряння пари рідини.

Пожежа - спалах може виникнути при створенні пароповітряної суміші і її запаленні відносно слабким джерелом, наприклад, іскрою. Згоряння такої суміші йде з відносно малими швидкостями розповсюдження полум'я. Зона ураження високотемпературними продуктами згоряння пароповітряної суміші практично співпадає з максимальним розміром хмари продуктів згоряння. Радіус такої хмари визначається співвідношенням:

, (11)

де Е - об'ємний коефіцієнт розширення продуктів горіння, х_В -горизонтальний розмір вибухонебезпечної зони.

Інтенсивність теплового випромінювання, вогняної кулі, горіння розливу рідини, факельного горіння струменя рідини визначається на підставі даних щодо енергії, яка виділяється за одиницю часу в джерелі пожежі, а густина струму енергії випромінювання - за існуючими емпіричними методиками.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Основні характеристики каскадного розвитку пожежі (копія екрана монітора): розташування зон впливу НФП, моменти часу і послідовність вступу об'єктів до каскадного процесу, де N- номер об'єкта з відповідним пожежним навантаженням; t, хв. - момент часу, коли N-й об'єкт вступить у реакцію, F- об'єкт бере участь у каскадному процесі, С - об'єкт не бере участь в каскадному процесі

Алгоритм визначення основних характеристик каскадної пожежі на промисловому підприємстві реалізовано у вигляді комп'ютерної програми SCEN, призначеної для використання, зокрема, практичними робітниками пожежної охорони. На рис.1. наведено приклад результатів обчислення основних характеристик каскадного розвитку пожежі у випадку, коли не підприємстві розташовано десять пожежонебезпечних об'єктів. Програма SCEN вивела на екран монітора дані щодо послідовності вступу об'єктів в каскадний процес і дані щодо розташування зон впливу НФП, а також показала об'єкти, котрі беруть або не беруть участі в процесі (F- об'єкти і С- об'єкти відповідно).

Третій розділ присвячений розробці моделей і алгоритмів, які описують процедуру формування (синтезу) раціонального захисту промислових підприємств від впливу каскадних пожеж. Вперше задача з обмеження пожежі на промисловому підприємстві була зведена до класу задач нелінійного програмування, причому на першому рівні розв'язується задача зі зниження кількості постраждалих під час пожежі, а на другому - задача з мінімізації витрат на протипожежний захист.

Задача визначення раціонального захисту об'єктів промислового підприємства від каскадних пожеж зведена до задачі нелінійного програмування, цільовою функцією в останній є мінімум кількості постраждалих.

Задачу першого рівня - зниження кількості постраждалих під час пожежі - сформуємо таким чином. Необхідно знайти:

min (_i, m_i, i=1, …, N; ₁); при обмеженнях: (12)

L_i = m_i - m_{i min} >0; i=1, …, N;

L_N+i= m_{i max} - m_i>0; i=1, …, N;

Змінними керування є:

- m_i - маси пожежного навантаження на об'єктах; i=1, …, N;

- ₁(N;N) - дискретні (набувають значення "0", "1"), матриця визначає, які саме з можливих типів робіт щодо захисту об'єктів було виконано;

- _i , i=1, …, N - коефіцієнти зменшення впливу пожежі.

Аргументи, обмеження і область визначення задачі (13) залежать від конкретних особливостей ННВ (найбільш небезпечного варіанту розвитку подій) і характеристик об'єкта, який треба захистити.

Аналогічно для розв'язання задачі раціонального розташування пожежного навантаження на промисловому підприємстві цільовою функцією була обрана величина прибутку підприємства, а до обмежень віднесена кількість постраждалих від каскадної пожежі:

. (14)

При цьому зберігаються обмеження, пов'язані з масою пожежного навантаження на об'єктах, витратами на запобігання можливості каскадної пожежі і захистом персоналу підприємства. Максимальна кількість постраждалих під час пожежі також дається обмеженням

L_i = m_i - m_{i min} >0; i=1, …, N; (15)

L_N+i= m_{i max} - m_i>0; i=1, …, N;

Змінні керування аналогічні попередньому випадку.

Розроблено алгоритми розв'язання наведених вище задач, котрі забезпечують отримання раціональних рішень з обмеження впливу каскадної пожежі на промисловому підприємстві. Розроблено також систему прогнозування структури показників, які характеризують промислове підприємство стосовно умов каскадної пожежі. В основі функціонування такої системи полягає використання статистичних моделей.

На першому етапі будується дерево декомпозиції процесу, і на його підставі процес розбивається на підпроцеси (взаємопов'язані фактори).

На другому етапі виконується прогноз факторів, які визначають структуру процесу; під час прогнозування структури процесу необхідно враховувати можливі зміни взаємозв'язків між факторами. На третьому етапі досягається збалансована структура процесу.

У четвертому розділі проведено аналіз основних характеристик базового підприємства - Первомайського державного підприємства (ДП) "ХІМПРОМ", виділено найбільш пожежонебезпечні об'єкти, наведено потенційно можливі сценарії розвитку надзвичайних ситуацій, а також отримано оцінки небезпечних факторів аварій.

Комплексний підхід до рішення задачі обмеження каскадного розвитку пожежі і зниження її наслідків передбачає як визначення основних характеристик ННВ для підприємства, "як воно є", так і розробку раціональних з економічної точки зору заходів, призначених для зниження впливу ННВ на життя людей і матеріальні цінності.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Вплив випромінювання на C - об'єкт і робота захисного екрану у вигляді плоских сегментів:

Н_l - максимальна висота сегмента екрана, м;

_l - кут, що задає орієнтацію сегмента на площині (ХОY)

Поверхня екрана апроксимується у вигляді кінцевої кількості L прямокутних сегментів (Рис. 2.):

; (16)

.

Тут _l - довжина l-го сегмента; x_l,y_l - координати центра відрізка - проекції поверхні сегменту на площину (XOY), _l - кут, який задає орієнтацію сегменту на площині (XOY) (Рис.2.). Умова надійності захисту запишеться у вигляді:

(х_К,y_К,z_К) S_j, к=1, … , К l[1,L]: (x^*,y^*,z^*)=P(S_l)Line (X_С,Y_С,Z_С; x_К,y_К,z_К) S_l, (17)

де P(S_l) - поверхня, що задовольняє умові S_l P(S_l); Line (X_С,Y_С,Z_С; x_К,y_К,z_К) - лінія, яка проходить через точки (X_С,Y_С,Z_С); (x_К,y_К,z_К). Вектор змінних керування задачі має вигляд:

U={₁, ₂, … , _L, ₁, _2, … _L,x₁,y₁, x₂,y₂, … , x_L,y_L, H_1, H₂, …H_L}^T. (18)

Рис.3. Зміна вартості захисту в залежності від кількості глобальних ітерацій алгоритму: Q-величина приведених витрат на будівництво екранів; захист від впливу НФП ННВ об'єкта №4 (ємкості з вінілхлоридом)

Вектор U містить M= 5L змінних. Початковими даними є:

- максимальні значення _{l max} і Н_{l max}, l=1, … , L;

- параметр дискретизації N_U - будемо розглядати значення цільової функції в точках:

. (19)

Чисельна реалізація розробленого алгоритму дає можливість зробити висновок про те, що внаслідок раціонального розташування засобів захисту на базовому підприємстві - Первомайському ДП „ХІМПРОМ” можливо зниження кількості постраждалих при виникненні каскадної пожежі до 50% у порівнянні з існуючим варіантом протипожежного захисту. На рис. 3. наведено зміну вартості захисту об'єктів, які знаходяться на території базового підприємства, від небезпечного впливу пожежі на найбільш небезпечному об'єкті - ємкостях з вінілхлоридом.

Розроблені рекомендації керівнику гасіння пожежі (КГП) стосовно базового підприємства, що дають можливість завчасно обрати раціональну кількість сил та засобів, які забезпечують локалізацію і гасіння каскадної пожежі.

Оцінка ефективності результатів досліджень отримана на підставі ретроспективного аналізу великої пожежі на хімічному підприємстві у м. Тулуза (2001р.). Показано, що реалізація рекомендацій щодо використання розробленого комплексу засобів протипожежного захисту, наприклад, у вигляді захисних екранів, могла б призвести до зменшення кількості постраждалих на (3040)%.

ВИСНОВКИ

У роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності забезпечують рішення науково-практичної задачі з підвищення ефективності протипожежного захисту промислових підприємств шляхом комплексного застосування заходів зі зниження небезпечних впливів каскадних пожеж.

1. Показано, що для обмеження каскадних пожеж на промислових підприємствах найбільш доцільним є застосування технічних засобів протипожежного захисту, призначених, в першу чергу, для послаблення теплового випромінювання.

2. До основних реалізацій локальних сценаріїв розвитку аварійних ситуацій, обумовлених пожежами та вибухами на промислових підприємствах, слід віднести: витікання горючої рідини з резервуару, який знаходиться в обвалованій зоні, розтікання горючої рідини при катастрофічному руйнуванні резервуару, пожежу (горіння) розливу горючої рідини, факельне горіння струменя рідини, виникнення газоповітряної хмари і розповсюдження газоподібних ОР в атмосфері, вибух ємкості з ЛЗР або ГР, пожежу - спалах, горіння (пожежу) типу вогняної кулі та ін.

3. Сформовано комплекс феноменологічних математичних моделей, що описують типові фрагменти розвитку каскадної пожежі стосовно промислових підприємств, на його підставі створено процедуру для визначення основних характеристик пожежі (температура, густина струму енергії, зміна тиску біля фронтів ударної хвилі та ін.), для якої розроблено програмне забезпечення, що реалізовано на мові Microsoft Fortran 5.0.

4. Розв'язання задачі синтезу системи протипожежного захисту промислових підприємств зведено до рішення задачі нелінійного програмування з цільовими функціями у вигляді кількості постраждалих і прибутку підприємства, для яких розроблено алгоритмічне забезпечення, засноване на комбінації методів покоординатного спуску і Монте-Карло.

5. Запропоновано процедуру вибору раціональної кількості сил і засобів, які застосовуються під час локалізації і гасіння пожежі на промисловому підприємстві, з урахуванням обмежень щодо їх кількості.

6. Розроблено систему прогнозування показників, які характеризують промислове підприємство в умовах каскадної пожежі, котра дає можливість завчасно отримати необхідну інформацію для цільових функцій під час розв'язання задачі синтезу системи протипожежного захисту.

7. На прикладі Первомайського державного підприємства „ХІМПРОМ” (Харківська область) визначено основні пожежонебезпечні об'єкти, розроблено потенційно можливі сценарії розвитку каскадних пожеж і отримані оцінки їх небезпечних факторів.

8. З застосуванням критерію мінімуму витрат на забезпечення протипожежного захисту ДП „ХІМПРОМ”, розв'язано задачу її синтезу, зокрема, виконано обрання геометричних характеристик захисного екрана, координат місця його розташування, а також значень кутових коефіцієнтів, які визначають орієнтацію екрана в просторі.

9. Показано, що використання комплексу заходів протипожежного захисту на прикладі ДП „ХІМПРОМ” забезпечує зменшення кількості постраждалих при виникненні найбільш „тяжкого” варіанта каскадної пожежі приблизно у два рази порівняно з наявними на підприємстві засобами протипожежного захисту.

10. Розроблено рекомендації керівнику гасіння пожежі стосовно ДП „ХІМПРОМ”, які забезпечують завчасне визначення сил і засобів, що застосовуються для локалізації і гасіння пожежі.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Дадашев И.Ф. Оценка сил для аварийно - спасательных работ при разрушении зданий // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. - Вып. 3. - Харьков: ХИПБ, 1998. - С. 58-60.

Дадашев И.Ф. Количественная оценка возможности взрыва внутри емкости с легковоспламеняющейся или горючей жидкостью // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. - Вып. 5. - Х. ХИПБ, 1999. - С. 77 -79.

Дадашев И.Ф. Оценка воздействия выброса газообразных ядовитых веществ во время пожара на жизнь и здоровье людей // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. - Вып. 6. - Харьков: ХИПБ, 1999. - С. 30-33.

Дадашев И.Ф. Количественная оценка рациональной конфигурации защитных экранов, с точки зрения возможности каскадного развития пожара на промышленном предприятии // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. АПБ Украины. - Вып. 9. - Харьков: Фолио, 2001. - С. 46-50.

Дадашев И.Ф. Метод определения рационального расположения средств защиты, предназначенных для ограничения развития каскадного пожара на промышленном предприятии // Проблемы пожарной безопасности. Сб. научн. тр. АПБ Украины. - Вып. 11. - Харьков: Фолио, 2002. - С. 65-69.

Сенчихин Ю.Н., Дадашев И.Ф. Пути решения задач оценки основных характеристик каскадного развития пожара на промышленном предприятии // Проблема пожарной безопасности: Сб. научн. тр. АПБ Украины. - Вып. 12. - Харьков: Фолио, 2002. - С. 159-161.

Сенчихин Ю.Н., Дадашев И.Ф. Решение задачи о рациональной защите от каскадного пожара объектов находящихся на территории государственного предприятия “ХИМПРОМ” // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. АПБ Украины. - Вып. 13. - Харьков: Фолио, 2003. - С. 135-138.

Дадашев И.Ф., Швед В.Б., Хянникяйнен А.И. Оценка социально- экономических потерь при катастрофах // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. науч. -техн. сборник. -Вып. 13. - Киев: Техніка, 1998. - С.163-165.

Дадашев И.Ф., Сенчихин Ю.Н., Хянникяйнен А.И. Структурная схема количественного анализа основных характеристик аварии, связанной с пожаром или взрывом на промышленном предприятии // Науковий вісник будівництва: Зб. наук. праць. - Вип. 5/99. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 1999.- С. 108-111.

Дадашев И.Ф., Сенчихин Ю.Н., Хянникяйнен А.И. Определение радиусов поражения при детонационном и дефлаграционном горении парового облака // Проблемы пожарной безопасности. Сб. научн. тр. ХИПБ. - Вып. 7. - Харьков: Фолио, 2000. - С. 73-75.

Сенчихин Ю.Н., Хянникяйнен А.И., Дадашев И.Ф. Некоторые особенности численной реализации алгоритма расчета каскадного развития пожара или взрыва на промышленном предприятии // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. АПБ Украины. - Вып. 8. - Харьков: Фолио, 2000. - С. 157-160.

Сенчихин Ю.Н., Дадашев И.Ф., Гузенко В.А. Построение номограмм для оформления рекомендаций РТП по определению сил и средств при каскадном пожаре на предприятии // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. АПБ Украины. - Вып. 10. - Харьков: Фолио, 2001. - С. 171-173.

Аветисян В.Г., Дадашев И.Ф., Сенчихин Ю.Н. Некоторые особенности сценария развития аварии, связанной с пожаром или взрывом на химически опасных объектах // Пожежна безпека: Науковий збірник. - Ч. 2. - Черкаси: ЧІПБ МВС України, 1999. - С.130-132.

Сенчихин Ю.Н., Дадашев И.Ф. Рекомендации РТП по распределению сил и средств предназначенных для тушения каскадного пожара на промышленном предприятии // Пожежна безпека: Збірник наукових праць. - Львів: СПОЛОМ, 2001. - С.169-171.

Аветисян В.Г., Дадашев И.Ф., Сенчихин Ю.Н., Хянникяйнен А.И. "Спасательная" подготовка пожарных // Всеукраїнська науково-практична конференція “Безпека підприємств у надзвичайних ситуаціях”: Матеріали конференції. - К.: КМУЦА, 1998. - С. 76-77.

16. Сенчихин Ю.Н., Дадашев И.Ф. Методы обучения теории развития крупномасштабных пожаров на промышленных предприятиях // Харківська вища школа: методичні пошуки на рубежі століть: Матеріали конференції / Ред.: Т.О. Маркова. - Х.: Вид. центр ХНУ, 2001. - С. 344-346.

17. Сенчихин Ю.Н., Касьян А.И., Хянникяйнен А.И., Дадашев И.Ф. Основные характеристики локального сценария развития аварии, связанной с пожаром или взрывом на предприятии химической промышленности // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы XV науч. -практ. конф. - Ч. 1. - М.: ВНИИПО, 1999. - С. 59-60.

Размещено на Allbest.ru