Какие данные о соотношении мощности очага и времени его обнаружения могут быть использованы при проектировании системы автоматической противопожарной защиты? Эксперты компании "Эридан" провели численное моделирование, литературный обзор и натурные эксперименты. Подробнее в статье, опубликованной в научном журнале "Техносферная безопасность".

Оценка времени срабатывания максимально-дифференциального теплового пожарного извещателя с адаптивным алгоритмом анализа температуры на начальной стадии пожара горючих жидкостей

 

А.А. Корнилов, кандидат технических наук, доцент, главный специалист по пожарной безопасности АО «Эридан»
А.А. Бородин, кандидат технических наук, доцент, руководитель группы «Системные решения» АО «Эридан»

АННОТАЦИЯ

При разработке проектов автоматической противопожарной защиты проектировщик определяет преобладающий фактор пожара для обеспечения своевременности его обнаружения, не всегда имея для этого достаточно информации для принятия решения. В работе была предпринята попытка определить ориентировочные размеры обнаруживаемого очага (на примере этилового спирта) за время, которое может быть приемлемым для достижения целей противопожарной защиты объекта. Для более достоверного численного моделирования проведен литературный обзор и натурные эксперименты по определению удельной массовой скорости выгорания этилового спирта для очагов различного диаметра. Полученные данные подтвердили зависимость величины удельной массовой скорости выгорания от диаметра очага, для небольших очагов она оказалась существенно ниже справочных значений. Кроме того, результаты измерения продемонстрировали зависимость удельной массовой скорости выгорания от времени стабилизации горения. Экспериментальные данные легли в основу расчетной оценки времени срабатывания дифференциального теплового пожарного извещателя с адаптивным алгоритмом анализа температуры. Расчет производился для помещений высотой 3,5 м и 6 м. Данные о соотношении мощности очага и времени его обнаружения в помещениях различной высоты могут быть использованы при проектировании для поиска оптимального решения для системы автоматической противопожарной защиты.

Ключевые слова: пожарная сигнализация, тепловой пожарный извещатель, адаптивный алгоритм анализа температуры, удельная массовая скорость выгорания, моделирование пожара

 

Для промышленных объектов требование о применении взрывозащищенного электрооборудования зачастую обусловлено обращением легковоспламеняющихся или горючих жидкостей. При разработке проектов автоматической противопожарной защиты, руководствуясь требованиями [1, 2], проектировщик определяет преобладающий фактор пожара для обеспечения своевременности его обнаружения. При этом в случае воспламенения горючих жидкостей могут присутствовать одновременно несколько факторов, которые обеспечат достаточно быстрое срабатывание разных типов извещателей, тогда критериями выбора могут быть одновременно своевременность обнаружения и помехоустойчивость. Нередко выбор делается в пользу тепловых пожарных извещателей. Для тепловых пожарных извещателей характерны простота конструкции, монтажа и пусконаладочных работ, низкая стоимость, устойчивость к помехам и агрессивному воздействию, обусловленному технологическим процессом. Однако, по опыту анализа динамики опасных факторов пожара процессы нагрева среды помещения и распространения нагретых продуктов горения весьма инерционны. И там, где срабатывание теплового извещателя может занять продолжительное время, извещатель пламени, например, справился бы в течение нескольких секунд. Поэтому, для того, чтобы помочь проектировщику сделать выбор способа обнаружения пожара основанным на более конкретных параметрах, была предпринята попытка определить ориентировочные размеры обнаруживаемого очага (на примере этилового спирта) за время, которое может быть приемлемым для достижения целей противопожарной защиты объекта при использовании конкретного типа изделия, а именно: максимально-дифференциального теплового извещателя с адаптивным алгоритмом анализа [3, 4], в том числе, с учетом его тепловой инерционности. Ранее авторами уже рассматривался вопрос оценки времени обнаружения возгорания твердых горючих материалов (на примере древесины) с учетом равномерного увеличения линейной скорости распространения пламени на начальной стадии пожара [5].

Одним из основных параметров, влияющих на мощность очага, является удельная массовая скорость выгорания (Ψ_уд). При моделировании горения очага с небольшим диаметром можно воспользоваться справочными данными о величине Ψ_уд., однако, результаты исследований процесса горения горючих жидкостей [6 - 12] говорят о том, что на данный параметр влияет несколько факторов, одним из которых является переход из ламинарного в турбулентный режим горения при увеличении диаметра очага. Данную особенность можно наглядно продемонстрировать на примере скорости выгорания тракторного керосина в зависимости от диаметра очага согласно данным [6].

Рис. 1. Удельная массовая скорость выгорания тракторного керосина в зависимости от диаметра очага согласно данным [6]

В тестовом очаге ТП-6 площадью 0,19 м² (эффективный диаметр около 0,5 м) согласно [13] используется этиловый спирт, данные об удельной массовой скорости выгорания которого в разных источниках варьируются в весьма широком диапазоне. Например, согласно данным [14], часто используемым при проведении оценки динамики опасных факторов пожара в рамках расчетов пожарного риска, эта величина составляет 0,031 кг/м²∙с. В работах [15, 16] приводится величина 0,033 кг/м²∙с. Согласно данным справочника [17] она составляет 0,037 кг/м²∙с. В [10, 19 -23] указан диапазон значений для резервуаров диаметром более 1,3 м, приблизительно соответствующий 0,027÷0,033 кг/м²∙с. Автор [18] приводит значение, равное 0,04 кг/м²∙с. В работе [24] при моделировании очага с этанолом площадью 0,14 м² удельная массовая скорость выгорания изменялась линейно до максимального значения 0,021 кг/м²∙с. По мнению автора [25] данные об установившейся скорости выгорания различных горючих жидкостей, представленные в [14], относятся к очагам с эквивалентным диаметром ≥ 1 м. Согласно исследованиям [6] удельная массовая скорость выгорания этилового спирта в значительной степени зависит от размера очага, экспериментальные данные, полученные с помощью горелок небольшого диаметра, представлены на рис. 2.

 

Рис. 2. Удельная массовая скорость выгорания этилового спирта в зависимости от диаметра горелки согласно данным [6]

Авторы [25, 26] справедливо указывают на то, что в начальной стадии пожара изменение температуры среды и парциальной плотности кислорода не окажет влияния на процесс неустановившегося горения ГЖ, следовательно, для численного моделирования могут быть применены данные об удельной массовой скорости выгорания в неограниченном пространстве. Время срабатывания системы обнаружения, если правильно выбран и размещен пожарный извещатель, будет меньше критической продолжительности пожара и времени стабилизации процесса горения очага. Поэтому интересно изменение массовой скорости выгорания не только в зависимости от размера очага, но длительности начального периода.

Для проведения испытания был подготовлен стенд, схема которого изображена на рис. 3. Испытания проводились на открытом воздухе в безветренную погоду. Для тестовых очагов использовались стальные емкости размерами, приведенными в табл. 1.

Рис. 3. Схема экспериментального стенда

1 – термопары на высоте 0,2 м, 0,6 м и 0,9 м над очагом; 2 – очаги различного размера; 3 – электронные лабораторные весы; 4 – электронный самописец; 5 – запоминающее устройство

 

 

Таблица 1

Размеры тестовых очагов

 

№	Геометрические размеры		Эффективный диаметр, м	Площадь поверхности горения, м²
	диаметр, м	длина×ширина, м
1	0,061	-	0,061	0,003
2	0,100	-	0,100	0,008
3	0,216	-	0,216	0,037
4	-	0,33×0,33	0,372	0,11
5	-	0,435×0,435	0,491	0,19
6	-	0,6×0,6	0,677	0,36

 

Анализ результатов проводился двумя способами: посредством усреднения с начала наблюдения по формуле (1) и методом скользящего среднего за период времени 30 с по формуле (2) (условно назовем мгновенной удельной массовой скоростью выгорания):

- средняя с момента начала наблюдения:

                                                         (1)

- за период времени (условно, мгновенная):

  ,                                                      (2)

где m₀,m_i, m_i-30 – масса очага на момент времени соответственно 0, τ _i , τ _i – 30, с;

       d_эф – эффективный диаметр очага, м.

Результаты анализа по формулам (1) и (2) приведены на рис. 4 и 5 соответственно.

Рис.4. Изменение средней массовой скорости выгорания, вычисленной по формуле (1)

Рис.5. Изменение мгновенной массовой скорости выгорания, вычисленной по формуле (2)

Полученные данные свидетельствуют о том, что величина Ψ_уд для небольших очагов существенно ниже справочных значений. Применение заведомо больших значений массовой скорости выгорания при численном моделировании может привести к чрезмерно быстрому развитию конвективной колонки над очагом пожара [24]. В свою очередь, это повлечет получение заведомо меньшего времени достижения порога срабатывания теплового извещателя и негативно отразится на объективности оценки эффективности внедрения той или иной системы противопожарной защиты.

Кроме того, результаты измерения демонстрируют зависимость Ψ_уд от времени стабилизации горения. Рост скорости выгорания растет с увеличением температуры ГЖ, поскольку снижаются затраты тепла на прогрев жидкости до температуры кипения [19]. Для математического моделирования динамики опасных факторов пожара в научной и учебной литературе [14, 20, 25, 27] часто рассматриваются две основные формулы, приблизительно характеризующие изменение Ψ_уд в период стабилизации горения:   

                                               (3)

                                          (4)

 

где Ψ_ст – установившаяся (стабилизировавшаяся) удельная массовая скорость выгорания, кг/м²∙с;

        τ_ст – время стабилизации горения, с;

        d_эф – эффективный диаметр очага, м.

 

В работе [25] приводятся данные о том, что время стабилизации горения слоя ГЖ толщиной 2-5 см может быть принято равным 15 мин. В рекомендациях [28] значение τ_ст принимается в зависимости от температуры кипения жидкости:

- до 100 °С – 180 с;

- от 101 до 150 °С – 240 с;

- более 150 °С – 360 с.

По формуле (3) Ψ_уд на начальном этапе будет стремиться к нулю, что не соответствует действительности, если пренебречь периодом распространения пламени по поверхности зеркала ГЖ. С учетом данных на рис. 4 и 5 подход, реализованный в формуле (4), представляется более правильным для определения Ψ_уд в конкретный момент времени, однако в этом случае для каждой горючей жидкости, кроме времени стабилизации горения, необходимо значение коэффициентов в скобках. Достоверная оценка скорости выгорания в течение первых секунд с момента воспламенения ограничивается погрешностью и чувствительностью средств измерения, поэтому оценить его можно лишь приблизительно.

По данным рис. 5 можно отметить, что по мере увеличения диаметра очага и, как следствие, удельной массовой скорости выгорания и турбулентности, увеличивалась и скорость роста Ψ_уд на начальной стадии. Для очагов эффективным диаметром 0,372 м и более (воздействие которых вероятнее всего приведет к срабатыванию теплового максимально-дифференциального извещателя за приемлемое время) рост средней Ψ_уд с первой до пятой минуты составлял 12-30 %.

С учетом данных [6] для горелок из стали и полученных в настоящей работе экспериментальных значений в течении первых 300 секунд можно построить зависимость Ψ_уд от диаметра очага (рис. 6). Полученная зависимость имеет качественно схожий характер с данными о Ψ_уд тракторного керосина (рис. 1).

Рис. 6. Удельная массовая скорость выгорания этилового спирта с учетом данных [6]

 

Основные результаты измерений удельной массовой скорости выгорания, представленные на рис. 4, легли в основу моделирования по определению размера очага, который может быть обнаружен тепловым максимально-дифференциальным извещателем за время, способное обеспечить эффективность проектируемой системы автоматической противопожарной защиты. 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 и 6 м, в качестве горючей нагрузки принят этиловый спирт, основные пожароопасные характеристики приняты согласно [14] и полученным экспериментальным значениям Ψ_уд для очагов различного размера. Извещатели равноудалены от очага пожара и расположены на максимальном нормативном расстоянии друг от друга в соответствии с требованиями [2], очаг расположен в центре помещения (рис. 7). Расчет проводился последовательно для нескольких очагов, время обнаружения которых может быть приемлемым для достижения целей противопожарной защиты объекта.

Рис. 7. Схема размещения расчетных точек

 

Для высоты помещения до 3,5 м, длиной и шириной более 10 м максимальное расстояние между тепловыми извещателями (величина l на рис. 7) приблизительно составляет 5 м, для высоты помещения от 3,5 до 6 м – 4,5 м [2]. Основные результаты расчетов приведены на рис. 9, 10 и табл. 2.

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. Примеры графиков температур в расчетных точках для очагов разного размера приведены на рис. 8 и 9, для наглядности приведена динамика средних температур в точках 1-4 для очагов различной мощности.

Рис. 8. Динамика средней температуры в точках 1-4 в помещении высотой 3,5 м для очагов различного размера

Рис. 9. Динамика средней температуры в точках 1-4 в помещении высотой 6 м для очагов различного размера

 

Адаптивный алгоритм анализа температуры теплового максимально-дифференциального извещателя [3, 4] позволяет нивелировать влияние нестационарного температурного режима на принятие решения о пожаре, позволяет отслеживать колебания температуры, оценивать их соответствие возможной динамике роста температуры на начальной стадии пожара и делать вывод на основе оценки совокупности значений с момента начала роста температуры. Расчетное время срабатывания данного извещателя по дифференциальному принципу анализа температуры и настройке чувствительности на максимальный уровень представлено в табл. 2. При этом учитывалась его тепловая инерционность.

 

Таблица 2

Расчетное время срабатывания максимально-дифференциального извещателя с адаптивным алгоритмом анализа температуры [3, 4]

 

Высота помещения, м	Размер очага, м	Площадь очага, м²	Тепловая мощность очага, кВт	Расчетное время срабатывания в точках, с
				5	1 ÷ 4
3,5	0,19×0,19	0,037	12,0	8	-
3,5	0,33×0,33	0,11	45,3	6	105 - 109
3,5	0,435×0,435	0,491	85,0	6	19 - 35
6	0,33×0,33	0,11	45,3	7	-
6	0,435×0,435	0,491	85,0	7	34 - 56
6	0,6×0,6	0,677	166,3	7	9 - 11

Примечание: символ «-» означает отсутствие срабатывания в течение расчетного периода 300 с.

 

В первую очередь следует отметить, что достижение порога максимального теплового извещателя происходит значительно дольше, это отчетливо видно по результатам численного моделирования рис. 8 и 9.

Полученные данные, безусловно, не являются исчерпывающими и не учитывают особенности конкретного объекта защиты, объемно-планировочных решений, особенностей технологического процесса, работу систем вентиляции и т.п. Они дают лишь ориентировочные сведения о возможном времени реагирования дифференциального теплового извещателя с адаптивным алгоритмом анализа на очаг определенной мощности. Оценка мощности очага выполнена исходя из более худших условий, учитывающих фактически меньшую удельную массовую скорость выгорания по сравнению со стандартными справочными значениями, обусловленную меньшей турбулентностью процесса горения очагов небольшого диаметра.

Полученные результаты могут помочь специалистам, разрабатывающим проектные решения систем автоматической противопожарной защиты, сопоставить эффективность технических средств обнаружения пожара и принять более взвешенное решение при выборе приемлемого варианта для конкретного объекта защиты.

 

Список литературы

1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: федер. закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ // Гарант.ру: информационно-правовой портал. URL: ivo.garant.ru/#/document/12161584/ (дата обращения: 21.11.2023).
2. СП 484.1311500.2020. Системы противопожарной защиты. Системы пожарной сигнализации и автоматизация систем противопожарной защиты. Нормы и правила проектирования.
3. ИП101-07a-RS. Извещатель пожарный тепловой взрывозащищенный программируемый адресный. URL: https://eridan.ru/catalog/product/ip101-07a-rs
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023683265 Российская Федерация: заявлено 24.10.2023: зарегистрировано 07.11.2023 / Корнилов А.А., Бородин А.А., Шульгин И.В., Шлыков Е.Д., Долговых К.С.; правообладатель АО «ЭРИДАН».
5. Корнилов А.А., Бородин А.А. Оценка времени срабатывания максимально-дифференциального теплового пожарного извещателя с адаптивным алгоритмом анализа температуры на начальной стадии пожара твердых горючих материалов // Техносферная безопасность. 2023. № 4 (41). С. 90-104. URL: https://uigps.ru/userfls/ufiles/nauka/journals/ttb/TB%204%20(41)/8.pdf. https://eridan.ru/press-center/articles/192/
6. Блинов В.И., Худяков Г.Н. Диффузионное горение жидкостей. – М.: Изд. АН СССР, 1961, 208 с.
7. Блинов В.И. О механизме горения нефтепродуктов в резервуарах. В кн.: Новые способы и средства тушения пламени нефтепродуктов. Сборник статей. – М.: Гос-топтехиздат, 1960, С. 4-21.
8. Блинов В.И., Реутт В.Ч., Анисимов В.Е. Зависимость скорости сгорания жидкости от температуры на ее поверхности. Пожарная профилактика и пожаротушение. Информационный сборник. Выпуск 1. – М.: Стройиздат, 1964. 97 с.
9. Петров И.И., Реутт В.Ч. Тушение пламени горючих жидкостей. – М.: Изд. М-ва коммун. хозяйства РСФСР, 1961. 143 с.
10. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: учебное пособие. – М.: Высшая инженерная пожарно-техническая школа. 1980. 255 с.
11. Горшков В.И. Тушение пламени горючих жидкостей: монография. – М.: И-во «ПОЖНАУКА», 2007. 268 с.
12. Демидов П.Г. Основы горения веществ. – М.: Изд. М-ва коммун. хозяйства РСФСР, 1951. 296 с.
13. ГОСТ 34698-2020. Межгосударственный стандарт. Извещатели пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний. Fire detectors. General technical requirements. Test methods (дата введения 2023-07-01).
14. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. – М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.
15. Молчадский И.С. Пожар в помещении. – М.: ВНИИПО, 2005. 456 с.
16. Пособие по определению расчетных величин пожарного риска для производственных объектов. М.: ВНИИПО, 2012. 242 с.
17. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х томах. ISBN: II том, 774 с.
18. Драйздел Д. Введение в динамику пожаров / Пер. с англ. К.Г. Бомштейна; под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова. – М.: Стройиздат.424 с.
19. Абдурагимов, А.С. Андросов, Л.К. Исаева, Е.В. Крылов. Процессы горения: учеб. пособие для вузов МВД СССР под ред. И.М. Абдурагимова. – М.: ВИПТШ, 1984. 268 с.
20. Романенко П.Н., Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле: учебник для вузов МВД СССР. – М.: ВИПТШ, 1977. 415 с.
21. Башкирцев М.П., Бубыр Н.Ф., Минаев Н.А., Ончуков Д.Н. Основы пожарной теплофизики: учебник для пожарно-технических училищ. – М.: Стройиздат, 1984. 200 с.
22. Бобков С.А., Бабурин А.В., Комраков П.В. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: учеб. Пособие. – М.: АГПС МЧС России, 2014. 210 с.
23. Алексеев М.В., Демидов П.Г., Ройтман М.Я. Основы пожарной безопасности. Учеб. Пособие для высших учебных заведений. – М.: Высшая школа, 1971. 248 с.
24. Рыжов А.М. Полевые модели пожаров (в кн. «Моделирование пожаров и взрывов» под ред. Н.Н. Брушлинского и А.Я. Корольченко. – М.: Изд. «Пожнаука», 2000. 482 с.).
25. Кошмаров М.Ю. Моделирование динамики начальной стадии пожара в помещениях, зданиях и сооружениях при воспламенении горючей жидкости: дис. … канд. техн. наук: 05.26.03/ М.Ю. Кошмаров – М., 2004. 195 с.
26. Колодяжный С.А. Прогнозирование времени блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара в многофункциональных центрах: дис. … доктора техн. наук: 05.26.03/ С.А. Колодяжный – М., 2017. 269 с.
27. Кошмаров Ю.А., Зотов Ю.С., Андреев В.В., Пузач С.В. Прогнозирование опасных факторов пожара: лабораторный практикум. – М.: МИПБ МВД России, 1997. 68 с.
28. Средства пожарной автоматики. Область применения. Выбор типа: Рекомендации. - М.: ВНИИПО, 2004. 96 с.

Научный журнал "Техносферная безопасность"