Корнилов Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент. Главный специалист по пожарной безопасности АО «Эридан»; Бородин Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент. Руководитель группы «Системные решения» АО «Эридан»
АННОТАЦИЯ
В работе сделано предположение о возможности оценки времени срабатывания пожарных извещателей с учетом изменения параметров горючей нагрузки на начальной стадии пожара. Приведены результаты экспериментального исследования, демонстрирующего на начальной стадии возгорания постепенное увеличение линейной скорости распространения пламени. Приведены результаты численного моделирования, показывающие существенные колебания температуры на начальной стадии пожара, отличающейся от температурного режима при стандартных испытаниях извещателей. Принимая во внимание допущение о равномерно возрастающей линейной скорости распространения пламени, была проведена расчетная оценка времени срабатывания дифференциального теплового пожарного извещателя с адаптивным алгоритмом анализа температуры. В результате расчетной оценки определено, что для пожарной нагрузки в виде хвойных пиломатериалов время его обнаружения дифференциальным пожарным извещателем при линейно возрастающей скорости распространения пламени в 4-6 раз больше, чем при постоянном справочном значении, что заметно увеличивает время начала эвакуации при расчете пожарного риска. В обоих случаях дифференциальный тепловой пожарный извещатель с адаптивным алгоритмом анализа позволяет обеспечить обнаружение пожара на более ранней стадии даже с учетом неравномерного роста температуры.
ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 2023 № 4 (41)
Согласно Техническому регламенту о требованиях пожарной безопасности [1] одним из способов защиты людей и имущества является устройство систем пожарной сигнализации. Согласно п. 6.1.1 СП 484.1311500.2020 [2] в число задач системы пожарной сигнализации (СПС) входят:
- своевременное обнаружение пожара;
- достоверное обнаружение пожара;
- сбор, обработка и представление информации дежурному персоналу;
- взаимодействие с другими (при их наличии) системами противопожарной защиты.
Оценка своевременности обнаружения пожара является весьма непростой задачей для проектировщика систем автоматической противопожарной защиты (АПЗ), поскольку на стадии выбора средств обнаружения пожара необходимо учитывать сложный комплекс факторов и условий. И нельзя не согласиться с автором [3] в том, что заказчик АПЗ стремится к уверенности, что реализованные по всем нормам и правилам системы гарантируют предотвращение пожара с ощутимыми убытками. Однако, существующие стандарты не могут предугадать все возможные виды объектов, а методы сертификационных испытаний – все варианты динамики параметров, контролируемых средствами обнаружения пожара. Поэтому проектировщику могут быть полезны сведения об эффективности применяемых им технических средств в конкретных условиях.
В практику проектирования противопожарной защиты все больше входит применение различных расчетных обоснований. Так в новой редакции методики расчета пожарного риска [4], применяемой для обоснования отступлений от требований нормативных документов по пожарной безопасности, время обнаружения пожара необходимо оценивать расчетным путем. Ключевым соотношением в расчете пожарного риска является выполнение условия безопасной эвакуации для определения вероятности эвакуации людей. При этом время начала эвакуации для зданий, оборудованных системой пожарной сигнализации, определяется по формуле:
(1)
где tпор - время достижения порогового значения срабатывания пожарного извещателя, определяемое расчетным путем, с;
- время задержки, связанное с инерционностью системы обнаружения пожара, с;
- время задержки, связанное с задержкой оповещения людей при пожаре, с;
tпредв - время проведения предварительных действий, предшествующих началу эвакуации.
Сценарий возникновения пожара и эвакуации выбирается исходя из создания наихудших условий с целью выявления сочетания наибольшего расчетного времени эвакуации и наименьшего необходимого времени эвакуации [4]. При этом характеристики горючей нагрузки, влияющие на динамику опасных факторов пожара, принимаются постоянными. Для определения времени срабатывания технических средств обнаружения пожара такой подход предполагает получение более оптимистичного результата. Однако практика разработки технических средств обнаружения пожара выявила необходимость обеспечения возможности обнаружения пожара с учетом реального режима, поэтому возникло предположение о недостоверности данного подхода и его расхождении с иными методиками расчетов в области пожарной безопасности. Например, предварительное планирование действий пожарных подразделений предполагает двукратное уменьшение линейной скорости распространения пламени в течение первых 10 минут [6, 7, 8]. Аналогичное условие предусмотрено в методике оценки возможности использования спринклерной автоматической установки пожаротушения (примечание 2 к таблице В.1 приложения В к СП 485.1311500.2020 [7]). Вопрос весьма актуален, ведь даже применение достигших высокой точности дифференциальных (полевых) моделей динамики опасных факторов пожара ограничивается достоверностью моделей горения пожарной нагрузки [9]. Для наглядной проверки предположения был проведен простой эксперимент на примере тестового очага аналогично ТП-1, который используется для испытания пожарных извещателей согласно [10]. Поскольку высота тестового очага значительно меньше длины и ширины, то основной областью распространения пламени будет горизонтальная плоскость. Схема измерительного стенда представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда
1 – термопары на высоте 0,2 м, 0,6 м и 0,9 м над очагом; 2 – емкость для горючей жидкости; 3 – тестовый очаг (70 брусков из сосны); 4 – электронные лабораторные весы; 5 – электронный самописец; 6 – видеокамера; 7 – запоминающее устройство
Для розжига тестового очага использовался этиловый спирт. С момента воспламенения фиксировалась масса тестового очага и температура над ним, кроме того, осуществлялась фото и видеосъемка для последующего анализа изменения площади горения.
Известно [8, 9, 11], что скорость распространения пламени может зависеть от физических свойств материалов, их химического состава, геометрии, начальной температуры, способа размещения и ориентации поверхности, направления распространения, плотности, теплоемкости, теплопроводности и других параметров. Поэтому целью эксперимента являлась лишь качественная оценка процесса, задача получения конкретных параметров, характеризующих интенсивность горения для данного вида и способа размещения пожарной нагрузки, не ставилась. Фото тестового очага в процесс испытания представлена на рис. 2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Огневые испытания
Масса сгоревшего горючего материала с течением времени представлена на рис. 3.
|
Рис. 3. Масса выгоревшего горючего материала |
Поскольку площадь пожара в ходе испытаний могла принимать форму эллипса, то эквивалентный радиус пожара определялся по формуле:
(2)
где r – радиус пожара тестового очага, м;
Fэ – площадь пожара в форме эллипса, м²;
d1, d2 – диаметры площади пожара тестового очага, м.
Оценка линейной скорости распространения пламени vл проводилась с момента, когда горение легковоспламеняющейся жидкости прекратилось, время ее полного выгорания составило 3,5 мин. Линейная скорость распространения пламени оценивалась двумя способами (рис. 4):
- на отрезке времени:
(3)
- нарастающим итогом:
(4)
где ri, ri-1, r4 – радиус очага пожара на момент времени соответственно τ i , τ i-1 и τ=4 мин (время, когда горение легковоспламеняющейся жидкости гарантированно прекратилось), м.
|
Рис. 4. Результаты анализа линейной скорости распространения пламени |
Удельная массовая скорость выгорания с единицы площади поверхности брусков Ψуд на каждом отрезке времени оценивалась приблизительно с учетом того, что горение в объеме тестового очага принимало форму цилиндра, 70 брусков распределены по площади равномерно согласно [10] (рис. 5).
|
Рис. 5. Результаты анализа удельной массовой скорости выгорания древесины |
На основании данных рис. 4 и 5 можно сделать вывод об устойчивом росте линейной скорости распространения пламени и относительной стабильности удельной массовой скорости выгорания. Таким образом, опираясь на допущение о том, что в течение первых десяти минут линейная скорость распространения пламени равномерно возрастает, можно сформулировать упрощенный подход к выбору исходных данных при моделировании температурного режима для последующего прогнозирования времени срабатывания пожарного извещателя (рис. 6). Хотя, основываясь на данных [8, 11, 12] более точным представляется предположение об экспоненциальном росте линейной скорости. В любом случае, нельзя не принимать во внимание, что все параметры, характеризующие выгорание пожарной нагрузки на начальной стадии пожара, носят вероятностный характер [9, 12].
В качестве примера пожарной нагрузки выбраны хвойные древесные строительные материалы, для которых линейная скорость распространения пламени vл согласно [13] принимается равной 0,0585 м/с.
|
Рис. 6. Линейная скорость распространения пламени на начальной стадии пожара для упрощенного численного моделирования |
Для сравнения сопоставим динамику площади пожара при полной справочной скорости распространения, а также с учетом допущения о половинной и равномерно увеличивающейся скорости (рис. 7).
|
Рис. 7. Динамика площади пожара линейная скорость распространения пламени на начальной стадии пожара |
По данным рис.7 площадь пожара при половинной и линейно возрастающей скорости распространения пламени по истечении 10 мин (периода допущения) принимают равные значения, но на начальной стадии отличаются весьма существенно. Таким образом, условие линейно возрастающей скорости распространения пламени для оценки времени срабатывания извещателя можно считать наихудшим.
Согласно рис. 6 для оценки времени срабатывания извещателя в течение первой минуты можно принять линейную скорость распространения пламени равную среднему значению скорости в течение первой минуты – 0,05vл, для периода времени в течение первых двух минут – 0,1vл. Для сравнения автором [9] приводятся результаты эксперимента с горением штабеля древесины, для которого фактическая линейная скорость распространения пламени составила 0,00666 м/с, что приблизительно равно 0,11vл от справочной величины [13].
Для оценки интенсивности роста температуры выполнено численное моделирование в программном комплексе Fire Dynamics Simulator для помещения размерами в плане 20×20 м и высотой 3,5 м, в качестве горючей нагрузки выбраны хвойные древесные строительные материалы [13]. Извещатели равноудалены от очага пожара и расположены на расстоянии 5 м друг от друга в соответствии с требованиями [2], очаг расположен в центре помещения (рис. 8). Расчет проводился последовательно для двух вариантов с учетом предполагаемого времени срабатывания в течение первой или второй минуты развития пожара, в этом случае линейная скорость распространения пламени принималась равной 0,05vл и 0,1vл соответственно, площадь размещения горючей нагрузки не ограничивала распространение в течение периода моделирования (рис. 8).
|
Рис. 8. Схема размещения расчетных точек |
Размещение извещателя в точке 5 (непосредственно над очагом) является фактически наилучшим условием для его срабатывания, поэтому можно говорить о том, что время обнаружения пожара будет находиться в диапазоне между временем срабатывания в точке 5 и точках 1-4. Графики температур для расчетных точек для каждого варианта приведены на рис. 9 и 10.
|
Рис. 9. Динамика температуры в контрольных точках при линейной скорости распространения пламени, равной 5 % от табличного значения |
|
Рис. 10. Динамика температуры в контрольных точках при линейной скорости распространения пламени, равной 10 % от табличного значения |
Результаты численного моделирования наглядно демонстрируют еще одну особенность динамики температуры на начальной стадии пожара, а именно: существенные колебания с сохранением тенденции к росту. Если сопоставить расчетные значения со стандартными режимами испытания дифференциальных тепловых извещателей согласно [10], при которых создается равномерный рост температуры со скоростями от 5 до 30 °C/мин, то можно заметить, что режим реального пожара может существенно отличаться от стандартных кривых даже без учета неравномерного выгорания пожарной нагрузки.
Также по результатам огневых испытаний (рис. 11) рост температуры не был столь стремительным, как это демонстрируют результаты численного моделирования с полной линейной скоростью распространения пламени, что также может быть обусловлено небольшой удельной пожарной нагрузкой (около 110 МДж/м²). На рис. 11 в течение первых 210 с происходило выгорание спирта для розжига тестового очага, только спустя примерно 480 с наблюдался устойчивый рост температуры, обусловленный исключительно горением древесины.
|
Рис. 11. Результаты измерения температуры на высоте 0,6 м и 0,9 м над тестовым очагом при огневых испытаниях |
Данный отрезок времени можно условно отнести к периоду «загорания», по мнению автора [3] представляющего собой теплофизический процесс, возникший в результате занесения высокотемпературного микро-мини источника в горючую среду, способный генерировать в окружающую среду тепло, продукты горения и открытое пламя, тепловая мощность которого ещё не способна причинять ущерб материальным ценностям или угрожать жизнедеятельности человека, но в определённых условиях окружающей среды склонно к развитию во времени по тепловой мощности и площади горения до величины, вызывающей пожар, уже причиняющий ущерб материальным ценностям и угрожающий жизнедеятельности людей. Экспериментальная скорость роста температуры над очагом заметно меньше моделируемой с полной линейной скоростью распространения пламени, что приведет к большему времени срабатывания пожарного извещателя. Безусловно, все зависит от конкретных условий, сложившихся на объекте защиты, и фактический сценарий будет где-то между условно наилучшим и наихудшим, но представляется целесообразным заведомо подготовить и оценить способность пожарного извещателя к реагированию на изменение контролируемого параметра при нестационарных параметрах очага пожара. Если алгоритмом анализа температуры предусмотрена аппроксимация с помощью линейной функции, то это может повлечь существенное искажение результатов измерения (рис. 9). В случае, если алгоритм анализа основан только на сравнении текущей температуры со средним значением до начала пожара, то вывод о выполнении критерия срабатывания (повышения температуры на 10 °С со скоростью не ниже 5 °С/мин) может носить нестабильный характер. Чтобы избежать этого и нивелировать влияние нестационарного температурного режима на принятие решения о пожаре был разработан адаптивный алгоритм анализа температуры [14], позволяющий отслеживать колебания температуры, оценивать их соответствие возможной динамике роста температуры на начальной стадии пожара и делать вывод на основе оценки совокупности не одного, а целого ряда измерений с момента начала роста температуры. В этом случае испытания при стандартных режимах нагрева [10] являются частным случаем динамики температуры реального пожара. Адаптивный алгоритм анализа температуры был реализован в программе микроконтроллера максимально-дифференциального извещателя ИП101-07a [14].
Время срабатывания максимально-дифференциального теплового извещателя с адаптивным алгоритмом анализа [14, 15] при размещении в указанных расчетных точках с учетом и без учета допущения о нарастающей линейной скорости распространения пламени представлено в табл. 1.
Таблица 1
Расчетное время срабатывания максимально-дифференциального извещателя с адаптивным алгоритмом анализа температуры [14, 15] и допущением о увеличении линейной скорости распространения пламени
|
Расчетная Точка |
с учетом допущения об увеличивающейся линейной скорости распространения |
с учетом постоянной линейной скорости распространения |
||||
|
среднее время срабатывания, с |
площадь пожара к моменту срабатывания, м² |
среднее время срабатывания, с |
площадь пожара к моменту срабатывания, м² |
|
||
|
1 ÷ 4 |
108 |
1,3 |
18 |
3,5 |
|
|
|
5 |
41 |
0,05 |
9 |
0,9 |
|
|
Согласно данным рис. 9 срабатывание в течение первой минуты происходит непосредственно над очагом пожара (точка 5). Таким образом, можно сделать вывод о том, что срабатывание максимально-дифференциального извещателя с адаптивным алгоритмом анализа температуры [14, 15] для рассматриваемого сценария с учетом допущения о равномерном увеличении линейной скорости распространения пламени (реализующем неблагоприятные условия для срабатывания) происходит в течение 41 - 108 с при расчетной площади пожара от 0,05 м² до 1,3 м² соответственно. Для полной скорости распространения пламени расчетное время срабатывания составляет 9 - 18 с при расчетной площади пожара от 0,9 м² до 3,5 м². То есть время обнаружения дифференциальным извещателем при равномерно увеличивающейся линейной скорости распространения пламени в 4-6 раз больше, чем при постоянном справочном значении, что заметно увеличивает время начала эвакуации по формуле (1). В обоих случаях дифференциальный тепловой пожарный извещатель позволяет обеспечить реагирование существенно раньше максимального, что подтверждается, например, авторами [16] на основании анализа большого количества видов пожарной нагрузки при постоянной справочной значении линейной скорости распространения пламени.
Таким образом, учитывая вероятностный характер параметров, влияющих на выгорание пожарной нагрузки, можно сказать, что представленные в табл. 1 данные, с одной стороны, лишь очерчивают разброс искомых величин, с другой стороны, позволяют приблизиться к построению эффективной системы противопожарной защиты объекта при более скрупулезном подходе к оценке характеристик технических средств обнаружения пожара и условий их применения на объекте защиты.
