Разработка противопожарных мероприятий на объектах нефтегазовой отрасли с учетом расчета пожарных рисков

, (3.7)

где .

После разложения всех переменных аналогично уравнению (3.7) и их подстановки в уравнения сохранения получаем систему уравнений, осредненных по времени. При этом, например, уравнение сохранения массы принимает следующий вид:

. (3.8)

Это уравнение очень похоже на исходное уравнение (3.1). Отличие состоит в появившемся дополнительном члене , который представляет собой турбулентный перенос массы из-за флуктуации плотности и скорости.

Аналогичные подстановки в другие уравнения сохранения приводят к появлению новых членов, содержащих пульсационные составляющие переменных. Даже если можно пренебречь флуктуациями плотности, например, вдали от источника пожара, где горение отсутствует и турбулентный перенос массы незначителен, в уравнении сохранения импульса остаются члены вида , представляющие собой дополнительные потоки, вызванные турбулентными флуктуациями. Эти члены известны как напряжения Рейнольдса и обусловлены в большей степени случайным движением, чем молекулярной активностью. По величине они обычно значительно превосходят касательные напряжения, связанные с молекулярной вязкостью. В уравнениях сохранения энергии и масс компонентов присутствуют члены вида и , которые описывают турбулентный перенос энтальпии и масс компонентов.

Если пренебречь флуктуациями плотности, то осредненные по Рейнольдсу (по времени) уравнения сохранения можно записать в следующем виде:

; (3.9)

; (3.10)

; (3.11)

. (3.12)

Однако такое осреднение имеет ряд недостатков при описании потоков с переменной плотностью, характерных для пожаров. Более приемлемое описание может быть получено при использовании осреднения, взвешенного по плотности (осреднение по Фавру). При этом все переменные, кроме плотности и давления, для которых используется обычное осреднение, представляются в виде

, (3.13)

где .

При этом уравнения сохранения принимают вид, аналогичный системе (3.9)-(3.12), однако они учитывают флуктуации плотности, что существенно при рассмотрении областей, где происходит горение.

Эти уравнения, в отличие от исходных, не являются замкнутой системой. Поскольку члены вида () неизвестны, возникает проблема, называемая турбулентным замыканием. Хотя возможно записать "точные" уравнения переноса для этих величин, в этом мало смысла, поскольку они будут содержать неизвестные более высокого порядка. Поэтому в большинстве случаев влиянием флуктуации либо пренебрегают, либо используют для замыкания системы "модели турбулентности".

Следует отметить, что при моделировании пожаров используется и другой подход [12], когда система (3.1)-(3.5) с помощью ряда допущений и без перехода к осредненным параметрам решается на самой мелкой сетке, какая возможна. При этом удается впрямую смоделировать поведение турбулентных вихрей, масштаб которых превышает масштаб расчетной сетки. Достоинством такого подхода является то, что в нем не используется модель турбулентности, однако он требует больших затрат машинного времени и мало апробирован.

Моделирование турбулентности

Многие подходы к моделированию влияния турбулентного переноса восходят к концепции вихревой вязкости Буссинеска. В ней кажущиеся турбулентные касательные напряжения, по аналогии с вязкостными напряжениями в ламинарном потоке (уравнение (3.3)), предполагаются пропорциональными производным от средней скорости:

. (3.14)

Коэффициент пропорциональности vt, называемый турбулентной или вихревой вязкостью, является характеристикой потока, а не жидкости, как молекулярная вязкость, и изменяется во времени и пространстве.

Данная гипотеза основывается на аналогии между турбулентным течением и кинетической теорией газов. При рассмотрении турбулентных вихрей можно считать, что они соударяются и обмениваются импульсом при характеристической скорости и масштабе длины, аналогичном длине свободного пробега в классической кинетической теории.

Таким образом,

, (3.15)

где k1/2 - характеристическая скорость; k = /2 - турбулентная кинетическая энергия; l - характеристическая длина смешения; - константа.

По аналогии с турбулентным переносом импульса, потоки скаляров () и () часто моделируются с помощью допущения о градиентной диффузии:

, (3.16)

где ГФ - вихревой или турбулентный коэффициент переноса, соответствующий скаляру Ф. Как и вихревая вязкость, он является свойством местной степени турбулентности потока, а не свойством жидкости. При таком описании в неявной форме вводится допущение об изотропности турбулентности, то есть идентичности vt и ГФ по всем направлениям. Часто предполагается, что коэффициент переноса для скаляра равен отношению турбулентной вязкости к турбулентному числу Прандтля или Шмидта:

. (3.17)

Величина vt определяется с помощью модели турбулентности. Наибольшее распространение при моделировании пожаров получила k- модель. В ней решаются два уравнения переноса, аналогичные уравнениям (3.9)-(3.12): одно для турбулентной кинетической энергии k и второе для вязкостной диссипации этой энергии во внутреннюю энергию жидкости. Уравнение переноса для k можно вывести из осредненных по времени уравнений сохранения импульса:

(3.18)

где .

Это уравнение выражает баланс изменения турбулентной энергии с учетом процессов конвективного и диффузионного переноса, а также механизмов ее генерации и диссипации.

Первый член справа описывает диффузионное пространственное перераспределение турбулентной кинетической энергии в поле потока за счет флуктуации скорости" флуктуации давления и молекулярной вязкости. Вклад последней при высоких числах Рейнольдса пренебрежимо мал. Второй член представляет собой генерацию турбулентной кинетической энергии за счет энергии осредненного движения. Третий источниковый член, обусловленный действием архимедовой силы, играет при пожарах очень важную роль. Он описывает обмен турбулентной кинетической энергии с потенциальной энергией системы. Последний член, который определяется с помощью второго уравнения переноса, - это стоковый член, описывающий переход турбулентной кинетической энергии во внутреннюю энергию жидкости за счет вязкостной диссипации:

. (3.19)

Используя концепцию вихревой вязкости, уравнение (3.18) можно записать в виде

 (3.20)

Далее при моделировании вводится предположение, что масштаб длины, связанный с большими энергосодержащими вихрями, определяется выражением

, (3.21)

и, таким образом,

, (3.22)

где СD и C = СD - эмпирические константы.

Уравнение переноса для можно записать в виде

, (3.23)

где С1, С2, С3 и - эмпирические константы. Источниковые члены, обусловленные вязкостными напряжениями и плавучестью, определяются выражениями:

; (3.24)

. (3.25)

Систему уравнений (3.9)-(3.12), (3.18), (3.23) часто записывают в форме обобщенного уравнения переноса:

, (3.26)

где Ф - консервативная величина (скаляр), ГФ - соответствующий ей коэффициент переноса; SФ - источникоый член.

Уравнение (3.26) описывает сохранение импульса при Ф = h, сохранение энергии при Ф = ui , сохранение массы при Ф = 1, сохранение массы компонентов при Ф = Yk , перенос кинетической энергии турбулентности при Ф = k и скорости ее диссипации при Ф = .

Модели горения

Различные исследователи по-разному моделируют процессы тепло- и массовыделения при горении. Наиболее простым способом является моделирование очага пожара с помощью теплового источника с предварительно заданной мощностью тепловыделения. При этом уравнения сохранения масс компонентов не решаются. Выражение для энтальпии принимает вид , а в уравнение энергии вводится дополнительный источниковый член. Хотя в ряде случаев такие модели дают неплохие результаты, они не позволяют учитывать зависимость величины тепловыделения от условий потока и возможного недостатка одного из реагентов.

Более строгим является подход Баума и др. [12], когда горение моделируется с помощью множества лагранжевых элементов, в пределах каждого из которых имеются источники тепловыделения и образования дыма с постоянными заранее заданными величинами. Это позволяет, например, учитывать отклонение пламени при наличии ветра.

Однако в большинстве современных программ очаг пожара моделируется с помощью непосредственно моделей горения. Это позволяет, во-первых, смоделировать процесс перемешивания горючего и воздуха и, таким образом, рассчитать (а не задать предварительно) величину тепловыделения; во-вторых, с помощью расчета образования и переноса химических компонентов оценить локальные концентрации токсичных компонентов и радиационные свойства среды.

При моделировании пожаров часто бывает достаточно представить процесс горения в виде одной одноступенчатой реакции:

F + sO (1 + s)P, (3.27)

где F, О и Р обозначают массы горючего, окислителя и продукта соответственно.

Во многих случаях можно считать, что химическое взаимодействие протекает бесконечно быстро, и скорость реакции определяется скоростью перемешивания горючего и окислителя, а не химической кинетикой.

В общем случае задача включает в себя решение уравнений сохранения для каждого из компонентов реакции. Однако можно переписать уравнения сохранения компонентов через функцию смешения (консервативная величина):

, (3.28)

где = Yf - (Y0/s) - консервативная переменная Шваба-Зельдовича, а индексы f и 0 относятся к горючему и окислителю соответственно. Если предположить, что коэффициенты диффузии компонентов равны, становится возможным избавиться от источникового члена при определении степени смешения топлива и окислителя. Если реакция необратима и можно предположить, что она протекает бесконечно быстро, то локальные массовые доли можно определить непосредственно через среднее по времени значение функции смешения f:

[Yox,0 + (Yf, f - Yox,0)f] - Yox,0, 0 < f < fst

Ypr = [Yox,0 + (Yf, f - Yox,0)f] - Yf, f , fst < f < 1, (3.29)

где стехиометрическое fst значение находим:

, (3.30)

где Yox,0 - массовая доля кислорода в потоке окислителя, a Yf, f - массовая доля топлива в потоке газообразных продуктов пиролиза.

Очевидно, что при этом не учитывается влияние турбулентных пульсаций на химическую реакцию. Они могут быть учтены с помощью диффузионно-вихревой модели [13]. В этой модели, кроме уравнения переноса для f решается уравнение для Yf.

В ней в случае открытого пожара скорость реакции будет определяться местной концентрацией горючего, за исключением области вблизи источника продуктов пиролиза. При регулируемых вентиляцией пожарах в помещениях наблюдается дефицит воздуха, и, следовательно, потребление топлива будет определяться концентрацией кислорода. Третий член вводится для ограничения скорости реакции в холодных смесях:

, (3.31)

где С = 4, а В полагают равным 2.

Предположение для замыкания источникового члена (формула (3.31)) позволяет, помимо уравнения переноса для f, решать уравнение для массовой доли топлива и рассчитывать массовую долю каждого компонента упрощенной химической реакции. Модели этого типа успешно использовались при решении различных задач пожарной безопасности и оптимизации процесса горения в промышленных установках. Достоинством модели является ее простота. Она позволяет рассчитывать распределенное по объему выделение энергии, определяемое геометрией помещения и доступом воздуха. Можно определить концентрации CO2 и Н2O, если предположить, что они являются единственными продуктами горения.

Однако с помощью такой схемы нельзя учесть влияние конечности скорости химических реакций. Для корректного расчета концентраций продуктов неполного окисления, таких, как СО и сажа, необходима более усложненная модель.

Довольно перспективной является модель ламинарных элементов пламени [14, 16]. В ней предполагается, что горение происходит только в тонких ламинарных элементах пламени, входящих в турбулентное поле потока. Соотношения между мгновенным химическим составом и функцией смешения в таких условиях могут быть определены вычислительным путем, для простых горючих, таких, как метан и пропан, с достаточно хорошо известной кинетикой химических реакций. Однако встречающаяся на практике горючая нагрузка обычно имеет сложный химический состав, поэтому, из-за отсутствия соответствующих соотношений, в настоящее время данная модель мало применима для практических задач.

Радиационный теплоперенос

Наиболее простым способом учета радиационных тепловых потерь является так называемая R -модель. Она состоит в том, что мощность тепловыделения в очаге горения путем занижения теплоты сгорания уменьшается на долю тепла R, теряемую за счет излучения. Эта доля задается на основе экспериментальных данных в зависимости от вида топлива. Несмотря на кажущуюся примитивность, такая модель на начальной стадии пожара часто дает хорошие результаты.

Однако часто возникают задачи, требующие более точного моделирования радиационного теплопереноса.

Влияние радиационного теплопереноса выражается через источниковый член в уравнении сохранения энергии. Кроме того, радиационные потоки сильно влияют на температуры поверхностей стен помещения, а следовательно, на распространение пламени.

Основное уравнение радиационного переноса можно записать в виде

, (3.32)

где I - интенсивность радиационного излучения в направлении ; s - расстояние в направлении ; Eg = - энергия, излучаемая абсолютно черным газом при температуре газа Tg; ka и ks - коэффициенты поглощения и рассеяния; Р(, ') - вероятность того, что излучение в направлении ' после рассеяния попадет в телесный угол d в окрестности направления . Это уравнение необходимо интегрировать по всем направлениям и длинам волн. Для большинства практических задач точное решение невозможно, вместо него разработано несколько приближенных методов, которые и используются для моделирования динамики пожаров в помещениях.

Потоковые методы

Если разделить пространственное и угловое распределение интенсивности излучения, задачу можно существенно упростить. Этот подход используется в "потоковых методах" [15]. Если предположить, что спектральная интенсивность постоянна в пределах заданных интервалов телесного угла, то уравнение радиационного переноса сводится к нескольким связанным между собой обыкновенным линейным дифференциальным уравнениям относительно осредненных по пространству интенсивностей или потоков излучения.

Если телесные углы совпадают с поверхностями контрольного объема в декартовом пространстве и если предположить, что поток излучения через каждую поверхность однороден, то, обозначив через Fi+ тепловой поток, проходящий через контрольный объем в положительном направлении i, и через Fi- - поток в отрицательном направлении i, имеем:

; (3.33)

, (3.34)

где ka и ks - локальные коэффициенты поглощения и рассеяния, а Еb - количество тепла, излучаемого контрольным объемом, если он является абсолютно черным.

Объединяя эти уравнения и дифференцируя их по xi получаем:

, (3.35)

где . (3.36)

Уравнение имеет тот же вид, что и обобщенное уравнение сохранения (3.26), и может быть решено с помощью того же численного алгоритма. Вклад излучения в источниковый член уравнения энергии для каждого контрольного объема:

. (3.37)

Эта модель очень привлекательна для использования в полевых моделях, поскольку в ней используется тот же численный метод, что и для решения уравнений гидродинамики. Однако этот метод имеет ряд недостатков, среди которых одним из главных, применительно к пожарам, является неточность метода при моделировании радиационного переноса под углом к декартовой сетке.

Потоковые методы годятся, например, при определении радиационного переноса от припотолочного слоя к полу помещения, но они неточны вблизи очага, где скорость распространения фронта пламени может зависеть от переноса тепла, направленного под углом к сетке.

Метод дискретного радиационного переноса

Эта модель, разработанная Локвудом и Шахом [17], преодолевает основной недостаток потоковых методов. Для нее характерны некоторые черты методов Монте-Карло, а именно прохождение "лучей" электромагнитного излучения через вычислительную область между границами. Однако в отличие от методов Монте-Карло, где направления лучей генерируются случайным образом, в этой модели они выбираются предварительно, таким же образом, как выбирается расположение гидродинамической сетки. Метод включает в себя решение уравнения радиационного переноса вдоль путей этих лучей, выбираемых обычно таким образом, чтобы они приходили в центры граничных поверхностей гидродинамических контрольных объемов.

Число и направление лучей для каждой точки выбираются предварительно, чтобы обеспечить желаемый уровень точности, аналогично тому, как выбирается конечно-разностная сетка для проведения гидродинамических расчетов. Полусфера вокруг каждой точки разбивается на сегменты с равными площадями поверхностей на полусфере, в пределах которых интенсивность считается однородной.

Для каждого луча при его прохождении от одной границы до другой решается уравнение радиационного переноса (3.32). Если для краткости ввести: коэффициент ослабления ke = ka + ks, оптическую глубину элемента ds* = keds и модифицированную энергию излучения

,

то уравнение переноса можно переписать в виде

. (3.38)

Для элементарного контрольного объема, в котором температуру можно считать постоянной, уравнение можно проинтегрировать и привести к виду

(3.39)

Если считать величину Е* постоянной внутри контрольного объема, что вполне согласуется с обычной практикой применения конечно-разностного подхода к уравнениям динамики жидкости, получается простое рекуррентное соотношение:

, (3.40)

где In и In+1 - соответственно значения интенсивности излучения, входящего и выходящего из n-го контрольного объема;

s* - оптическая длина контрольного объема.

Затем в каждом контрольном объеме, с учетом всех пересекающих его лучей, вычисляется величина чистого поглощения или выделения энергии излучения, которая, как упоминалось выше, может использоваться в уравнении сохранения энергии. Для n-го контрольного объема

, (3.41)

где N - общее количество лучей, А - площадь поверхности ячейки.

5.2 Описание математической модели распространения взрыва и ударной волны

Анализ поведения взрывной волны начинается с рассмотрения основных законов гидродинамики и теплопереноса. Это законы сохранения массы, момента и энергии. Далее идут уравнения и предположения, описывающие процессы характерные для взрыва, такие как: импульс давления, химическое реагирование, скорость распространения волны и прочие.

Уравнение сохранения массы или уравнение неразрывности имеет вид:

.

Уравнения сохранения количества движения:

,

где ф _ тензор вязких напряжений, F - вектор объемных сил.

Составляющие тензора вязких напряжений фij определяются как:

,

где µ - динамическая (молекулярная) вязкость, ui - компоненты вектора скорости.

Уравнение сохранения энергии рассматривается в следующем виде:

,

где л - коэффициент теплопроводности, Sh - источниковый член, отвечающий за приток (отток) энергии в процессе химического реагирования, излучения, или каких-либо других процессах.

Энтальпия многокомпонентной среды определяется по правилу смеси:

,

где энтальпия компонент hm(T) вычисляется как

.

Удельная теплоемкость компонент задается в виде полинома 4-ой степени от температуры:

.

Уравнение переноса концентрации компонент:

,

где Ym - массовая доля m-той компоненты, Dm - коэффициент диффузии компонента m, SYm - источниковый член, отвечающий за изменение компоненты в процессах химического реагирования или в каких-либо других процессах.

Коэффициент избытка горючего определяется по формуле:

.

Модель смешения газов:

молярная:

;

массовая:

.

Закон идеального газа для смеси:

.

Адиабатическое соотношение:

.

Скорость звука:

.

Число Маха:

.

Связь давления, плотности и температуры:

.

Детерминированные и вероятностные критерии оценки поражающего действия волны давления и теплового излучения на людей

На объектах наиболее опасными поражающими факторами пожара являются волна давления и расширяющиеся продукты сгорания при различных режимах сгорания газо-, паро- или пылевоздушного облака, а также тепловое излучение пожаров.

Детерминированные критерии показывают значения параметров опасного фактора пожара, при которых наблюдается тот или иной уровень поражения людей.

В случае использования детерминированных критериев условная вероятность поражения принимается равной 1, если значение критерия превышает предельно-допустимый уровень, и равной 0, если значение критерия не превышает предельно допустимый уровень поражения людей.

Вероятностные критерии показывают, какова условная вероятность поражения людей при заданном значении опасного фактора пожара.

Ниже приведены некоторые критерии поражения людей перечисленными выше опасными факторами пожара.

Критерии поражения волной давления

Детерминированные критерии поражения людей, в том числе находящихся в здании, избыточным давлением при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или на открытом пространстве приведены в таблице П4.1 Методики.

В качестве вероятностного критерия поражения используется понятие пробит-функции. В общем случае пробит-функция Рr описывается формулой:

, (8.1)

где a, b - константы, зависящие от степени поражения и вида объекта;

S - интенсивность воздействующего фактора.

Соотношения между величиной Рr и условной вероятностью поражения человека приведено в таблице П4.2 Методика.

Таблица П4.1

Степень поражения	Избыточное давление, кПа
Полное разрушение зданий	100
50 %-ное разрушение зданий	53
Средние повреждения зданий	28
Умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т.п.)	12
Нижний порог повреждения человека волной давления	5
Малые повреждения (разбита часть остекления)	3

Таблица П4.2

Условная вероятность поражения, %	Величина пробит-функции Pr
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	-	2,67	2,95	3,12	3,25	3,36	3,45	3,52	3,59	3,66
10	3,72	3,77	3,82	3,87	3,92	3,96	4,01	4,05	4,08	4,12
20	4,16	4,19	4,23	4,26	4,29	4,33	4,36	4,39	4,42	4,45
30	4,48	4,50	4,53	4,56	4,59	4,61	4,64	4,67	4,69	4,72
40	4,75	4,77	4,80	4,82	4,85	4,87	4,90	4,92	4,95	4,97
50	5,00	5,03	5,05	5,08	5,10	5,13	5,15	5,18	5,20	5,23
60	5,25	5,28	5,31	5,33	5,36	5,39	5,41	5,44	5,47	5,50
70	5,52	5,55	5,58	5,61	5,64	5,67	5,71	5,74	5,77	5,81
80	5,84	5,88	5,92	5,95	5,99	6,04	6,08	6,13	6,18	6,23
90	6,28	6,34	6,41	6,48	6,55	6,64	6,75	6,88	7,05	7,33
99	7,33	7,37	7,41	7,46	7,51	7,58	7,65	7,75	7,88	8,09

При отсутствии в таблице П4.2 необходимых данных, значения условной вероятности поражения человека Qdj(a) в зависимости от значения пробит-функции Pr определяется по формуле:

. (8.2)

Для воздействия волны давления на человека, находящегося вне здания, формулы для пробит-функции имеют вид:

; (8.3)

; (8.4)

; (8.5)

, (8.6)

где m - масса тела человека (допускается принимать равной 70 кг), кг;

P - избыточное давление волны давления, Па;

I+ - импульс волны давления, Па·с;

P0 - атмосферное давление, Па.

Пробит-функции для разрушения зданий имеют вид:

для тяжелых разрушений:

; (8.7)

(8.8)

для полного разрушения:

; (8.9)

(8.10)

При оценке условной вероятности поражения человека, находящегося в здании следует использовать пробит-функцию, определяемую по формулам (8.7) - (8.8).

6. РАСЧЕТ ПОЖАРНЫХ РИСКОВ НА ОБЪЕКТЕ

6.1 Расчет времени блокирования путей эвакуации опасными факторами пожар

Согласно Методике, время от начала пожара до блокирования эвакуационных путей в результате распространения опасных факторов пожара определяется путем выбора из полученных в результате расчетов значений критической продолжительности пожара минимального времени:

.

Критическая продолжительность пожара по каждому из опасных факторов определяется как время достижения этим фактором критического значения на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола.

Для описания термогазодинамических параметров пожара использовалась полевая модель (Приложение № 6 Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности).

Критическое время по каждому из опасных факторов пожара определяется как время достижения этим фактором предельно допустимого значения на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола.

Предельно допустимые значения по каждому из опасных факторов пожара составляют:

· по повышенной температуре - 70°С;

· по тепловому потоку - 1400 Вт/м;

· по потере видимости - 20 м (для случая, когда оба горизонтальных линейных размера помещения меньше 20 м, предельно допустимое расстояние по потере видимости следует принимать равным наибольшему горизонтальному линейному размеру);

· по пониженному содержанию кислорода - 0,226 кг/м;

· по каждому из токсичных газообразных продуктов горения (СО - 0,11 кг/м; СО - 1,16·10 кг/м; HCL - 23·10 кг/м).

Для данного объекта геометрия (рис. 2) и расчетная сетка (рис. 3) строились на основе планов помещений здания. Расчетная сетка состояла из 225 000 расчетных ячеек, характерный размер ячейки - 0,2 м.

Рис. 2 Геометрия объекта

Рис. 3 Расчетная сетка

Параметры горючей нагрузки представлены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры горючей нагрузки

Наименование горючей нагрузки	Здания I-II ст. огнестойкости: мебель + бытовые изделия
Низшая рабочая теплота сгорания, МДж/кг	13,8
Линейная скорость распространения пламени, м/с	0,0108
Удельная скорость выгорания, кг/(м2*с)	0,0145
Удельное дымовыделение, Нп*м2/кг	270
Удельное выделение СО2, кг/кг	0,203
Удельное выделение СО, кг/кг	0,0022
Удельное потребление О2, кг/кг	-1,03

Выбор сценариев пожара

Сценарий №1.

Потенциальный пожар возникает в кабинете. Месторасположения очага пожара определяет блокирование ближайшего эвакуационного выхода и способствует быстрому распространению ОФП. В данном сценарии моделирование пожара происходило с открытыми дверями.

Сценарий №2.

Потенциальный пожар возникает в кабинете. Месторасположения очага пожара определяет блокирование ближайшего эвакуационного выхода и способствует быстрому распространению ОФП. В данном сценарии моделирование пожара происходило с учетом того, что на двери были установлены доводчики, открытыми двери были ведущие в зону безопасности.

Очаг предполагаемого пожара был расположен таким образом, чтобы максимально быстро заблокировать эвакуационные выходы (рис. 4). При таком сценарии произойдет блокировка эвакуационных выходов скорейшим образом.



Рис. 4 Расположение очага пожара

Развитие пожара в АБК, без установки дверей с доводчиками.

При развитии пожара наиболее быстро распространяются следующие опасные факторы: дым и температура. При моделировании пожароопасной ситуации в помещениях здании были открыты двери, так как в кабинетах не предусматривалось установка дверей с доводчиками. Модель строилась для первого этажа в силу того, что при возникновении пожара на первом этаже здания, создастся наихудшая ситуация - ОФП, заблокировав первый этаж, продолжат блокировать верхние этажи.

На 54 секунде начинается задымление помещения с очагом пожара, блокирование эвакуационных выходов не происходит, опасные факторы пожара не воздействуют на персонал (рис.5).



Рис. 5 Поле распределения видимости на 54 секунде пожара

На 89 секунде пожара происходит задымление кабинета с очагом пожара, дым начинается распространяться по коридору (рис. 6).

Рис. 6 Поле распределения видимости на 89 секунде пожара

Далее происходит распространение опасных факторов пожара по площади здания. На рисунке 7 изображено поле видимости на 126 секунде пожара, из рисунка видно, что дымовая аэрозоль, охладившись о конструкцию здания, начинает опускаться на высоту рабочей зоны, и блокирует эвакуационный пути.

Рис. 7 Поле распределения видимости на 126 секунде пожара

На 214 секунде происходит блокировка всех эвакуационных путей (рис8.) безопасная эвакуация не возможна.

Рис. 8 Поле распределения видимости на 214 секунде пожара

На рисунке 9 видно, что произошло полное задымление здания.

Рис. 9 Поле распределения видимости на 292 секунде пожара

На рисунке 10 представлено температурное поле на высоте рабочей зоны. Температура в помещении с очагом пожара начинает превышать допустимое значение 70°С, но блокировка путей эвакуации и эвакуационных выходов по признаку повышенной температуры не происходит.

Рис. 10 Поле распределения температуры на 73 секунде пожара

На 254секунде пожара, происходи повышение температуры по все площади здания, и эвакуационные пути блокируются, безопасная эвакуация не возможна.

Рис. 11 Поле распределения температуры на 254 секунде пожара

На рисунке 12 представлена температура стен, из рисунка видно, что прогрев стен достигает максимальной температуры в 50°С, данные показатели являются безопасными для человека и конструкции здания.

Рис. 12 Температура стен на 600 секунде пожара

Соответственно, анализ показывает, что наиболее опасным фактором пожара является потеря видимости. Результаты расчета показали, что достижение критического значения по признаку дальности видимости наступило на 3,58 минуте пожара. Таким образом, можно сделать вывод, что время блокирования равно фбл = 3,58 минуты (214 секунды).

На рисунках 13 - 15 продемонстрирована трехмерная модель распространения дыма на объекте защиты в различные моменты времени. Данная модель очень наглядно показывает развитие пожара и основные моменты задымления.

Рис. 13 Трехмерная модель пожара на 70 секунде.

Рис. 14 Трехмерная модель пожара на 220 секунде.



Рис. 15 Трехмерная модель пожара на 560 секунде

Развитие пожара в АБК, двери с доводчиками.

При моделировании пожароопасной ситуации в помещениях здании были установлены двери с доводчиками, так же учитывалось вариант, что двери не газодымозащитные, а имеет пропускаемую способность опасных факторов пожара.

На 83 секунде пожара дым заполняет помещение с очагом, блокирование эвакуационных путей не происходит (рис.16).

Рис. 16 Поле распределения видимости на 83 секунде пожара.

На 210 секунде пожара дым медленно проходит через не уплотнённые двери, содержащие щели и медленно распространяется по коридору. Помещение с очагом полностью оказывается в дыму.

Рис. 17 Поле распределения видимости на 210 секунде пожара.

На 316 секунде происходит блокирование эвакуационных путей и выходов, дым распространяется по все площади помещения.

Рис. 18 Поле распределения видимости на 316 секунде пожара.

На рисунке №19 секунде происходит полное задымление остальных помещений.

Рис.19 Поле распределения видимости на 654 секунде пожара

На рисунке 20 представлено температурное поле на высоте рабочей зоны. Температура в помещении с очагом пожара начинает превышать допустимое значение 70°С, но блокировка путей эвакуации и эвакуационных выходов по признаку повышенной температуры не происходит.

Рис. 20 Поле распределения температуры на 68 секунде пожара

На 394 секунде пожара, происходи повышение температуры по всей площади здания, эвакуационные пути блокируются, безопасная эвакуация людей не возможна.

Рис. 21 Поле распределения температуры на 394 секунде пожара

Соответственно, анализ показывает, что наиболее опасным фактором пожара является потеря видимости. Результаты расчета показали, что достижение критического значения по признаку дальности видимости наступило на 5,26 минуте пожара. Таким образом, можно сделать вывод, что время блокирования равно фбл = 5,26 минуты (316 секунды).

6.2 Определение расчетного времени эвакуации людей из административно бытового комплекса

Расчетное время эвакуации людей tР из помещений и зданий устанавливают по расчету времени движения одного или нескольких людских потоков через эвакуационные выходы от наиболее удаленных мест размещения людей непосредственно наружу или в безопасную зону.

При расчете весь путь движения людского потока подразделяют на участки (проход, коридор, дверной проем, лестничный марш, тамбур) длиной li и шириной дi. Начальными участками являются проходы между рабочими местами, оборудованием, рядами кресел и т.п.

При определении расчетного времени длину и ширину каждого участка пути эвакуации для проектируемых зданий и сооружений принимают по проекту, а для существующих - по факту. Длину пути по лестничным маршам, а также по пандусам измеряют по длине марша. Длину пути в дверном проеме принимают равной нулю. Проем, расположенный в стене толщиной более 0,7 м, а также тамбур следует считать самостоятельными участками горизонтального пути, имеющими конечную длину li.

Расчетное время эвакуации людей tР следует определять как сумму времени движения людского потока по отдельным участкам пути ti по формуле:

tP = t1 + t2 + t3 +... + ti,

где t1 - время движения людского потока на первом (начальном) участке, мин;

t2, t3,..., ti - время движения людского потока на каждом из следующих после первого участка пути, мин.

Время движения людского потока по первому участку пути ti, мин, определяется по формуле:

,

где l1 - длина первого участка пути, м;

v1 - скорость движения людского потока по горизонтальному пути на первом участке, м/мин (определяют по таблице 5 в зависимости от плотности D).

Плотность однородного людского потока на первом участке пути D1 определяется по формуле:

,

где N1 - число людей на первом участке, чел;

f - средняя площадь горизонтальной проекции человека, м2, принимаемая равной 0,125;

д1 - ширина первого участка пути, м.

Скорость v1 движения людского потока на участках пути, следующих после первого, принимают по таблице 2 в зависимости от интенсивности движения людского потока по каждому из этих участков пути, которая определяется для всех участков пути, в том числе и для дверных проемов, по формуле:

,

где дi, дi-1 - ширина рассматриваемого i-го и предшествующего ему участка пути, м;

qi, qi-1 - интенсивности движения людского потока по рассматриваемому i-му и предшествующему участкам пути, м/мин.

Интенсивность движения людского потока на первом участке пути q =qi-1 определяют по таблице 5 по значению D1.

Таблица 5

Интенсивность и скорость движения людского потока при различной на разных участках путей эвакуации в зависимости от плотности

Плотность потока D, м2/м2	Горизонтальный путь	Дверной проем, интенсивность q, м/мин	Лестница вниз	Лестница вверх
	Скорость v, м/мин	Интенсивность q, м/мин		Скорость v, м/мин	Интенсивность q, м/мин	Скорость v, м/мин	Интенсивность q, м/мин
0,01	100	1,0	1,0	100	1,0	60	0,6
0,05	100	5,0	5,0	100	5,0	60	3,0
0,10	80	8,0	8,7	95	9,5	53	5,3
0,20	60	12,0	13,4	68	13,6	40	8,0
0,30	47	14,1	16,5	52	15,6	32	9,6
0,40	40	16,0	18,4	40	16,0	26	10,4
0,50	33	16,5	19,6	31	15,6	22	11,0
0,60	28	16,3	19,05	24,5	14,1	18,5	10,75
0,70	23	16,1	18,5	18	12,6	15	10,5
0,80	19	15,2	17,3	13	10,4	13	10,4
0,90 и более	15	13,5	8,5	8	7,2	11	9,9

Если значение qi меньше или равно qmax, то время движения по участку пути ti, мин, равно:

,

при этом значения qmax, м/мин, следует принимать равными:

16,5 - для горизонтальных путей;

19,6 - для дверных проемов;

16,0 - для лестницы вниз;

11,0 - для лестницы вверх.

Если значение qi больше qmax то ширину дi данного участка пути следует увеличивать на такое значение, при котором соблюдается условие:

qi ? qmax.

При невозможности выполнения условия интенсивность и скорость движения людского потока по участку i определяют по таблице 2 при значении D = 0,9 и более. При этом следует учитывать время задержки движения людей из-за образовавшегося скопления.

Время задержки tзад движения на участке i из-за образовавшегося скопления людей на границе с последующим участком (i+1) определяется по формуле:

,

где N - количество людей, чел;

f - площадь горизонтальной проекции, м2;

qD - интенсивность движения через участок (i+1) при плотности 0,9 и более, м/мин;

i+1 - ширина участка, м, при вхождении на который образовалось скопление людей;

qi - интенсивность движения на участке i, м/мин;

i - ширина предшествующего участка i, м.

Время существования скопления tСК на участке i определяется по формуле:

.

Расчётное время эвакуации по участку i, в конце которого на границе с участком (i+1) образовалось скопление людей равно времени существования скопления tСК. Расчётное время эвакуации по участку i допускается определять по формуле:

.

При слиянии в начале участка i двух и более людских потоков (рис. 22) интенсивность движения qi, м/мин, определяется по формуле:

,

где qi-1 - интенсивность движения людских потоков, сливающихся в начале участка i, м/мин;

i-1 - ширина участков пути слияния, м;

i - ширина рассматриваемого участка пути, м.

Если значение qi больше qmax то ширину дi, данного участка пути следует увеличивать на такое значение, чтобы соблюдалось условие.

Рис. 22 Слияние людских потоков

Если значение qi больше qmax, то ширину di данного участка пути следует увеличивать на такую величину, чтобы соблюдалось условие qi.qmax. В этом случае время движения по участку i определяется по формуле:

.

Эвакуация из здания АБК

Время эвакуации определяется без учета времени задержки на оповещение людей о пожаре, т.е. все люди, находящиеся в здании, после получения сигнала о пожаре начинают движение к эвакуационным выходам одновременно.

Количество людей в здании задавалось в соответствии с технологическим заданием на проектирование объекта (22 человека на этаже).

Рисунок 22. Схема эвакуации людей из здания.

Ниже представлены таблицы с результатами расчета времени эвакуации на участках.

Название	q[m/min]	tз[min]	ti[min]	ts[min]	l[m]	d[m]
Коридор	3	0	0,05	0,05	5	1
Дверь	3,8	0	0	0	0	0,8
Коридор	3	0	0,01	0,01	1	1
Коридор	5	0	0,05	0,05	5	1
Дверь	6,3	0	0	0	0	0,8
Коридор	5	0	0,01	0,01	1	1
Коридор	8	0	0,05	0,05	4	1
Коридор	8,8	0	0,05	0,05	4	1
Дверь	11	0	0	0	0	0,8
Коридор	8,8	0	0,03	0,03	2	1
Коридор	13,5	0,01	0,15	0,16	2	1
Коридор	7,4	0	0,05	0,05	4	1
Дверь	9,3	0	0	0	0	0,8
Коридор	7,4	0	0,01	0,01	1	1
Коридор	13,5	0,03	0,23	0,27	3	1
Коридор	8,8	0	0,03	0,03	2	1
Дверь	11	0	0	0	0	0,8
Коридор	8,8	0	0,03	0,03	2	1
Дверь	11	0	0	0	0	0,8
Коридор	16,2	0	0,08	0,08	3	1
Коридор	7,4	0	0,05	0,05	4	1
Дверь	9,3	0	0	0	0	0,8
Коридор	7,4	0	0,01	0,01	1	1
Коридор	13,5	0,06	0,4	0,46	5	1
Коридор	5,6	0	0,04	0,04	4	1
Дверь	7	0	0	0	0	0,8
Коридор	5,6	0	0,02	0,02	2	1
Коридор	10,4	0	0,06	0,06	4	1
Дверь	13	0	0	0	0	0,8
Коридор	10,4	0	0,01	0,01	1	1
Коридор	13,5	0,1	0,44	0,54	5	1
Коридор	13,5	0	0,04	0,04	2	1
Выход	7,9	0	0	0	0	1,7

Общее расчетное время эвакуации из здания составляет 1,18 минуты.

1) Здание оборудовано системой оповещения и управления эвакуацией людей II типа.

Так как объект защиты оборудован системой оповещения и управления эвакуацией людей, то время начала эвакуации принимается tнэ равным 3 минуты, согласно Приложения № 5 (Таблица П5.1) Методики.

2) Здание оборудовано системой оповещения и управления эвакуацией людей III-V типа

Так как объект защиты оборудован системой оповещения и управления эвакуацией людей, то время начала эвакуации принимается tнэ равным 1,5 минуты, согласно Приложения № 5 (Таблица П5.1) Методики.

Вероятность эвакуации Рэ рассчитывают по формуле:

.

В таблице приведены значения параметров, необходимых для расчета Рэ для помещения. Во 2-ом столбце указанной таблицы приведено время блокирования людей в случае пожара, в 3-ем столбце - расчетное время эвакуации людей из соответствующей зоны. В 4-м столбце - время начала эвакуации, в 5-м столбце приведено рассчитанное значение вероятности эвакуации людей из помещения (Рэ).

Сводная таблица

Сценарии	Время блокирования (tбл), мин.	Расчетное время эвакуации (tр), мин.	Время начала эвакуации, мин.	Рэ
Двери без доводчиков + система оповещения II типа	3,58	1,18	3	0
Двери с доводчиками + система оповещения II типа	5,26	1,18	3	0,999
Двери без доводчиков + система оповещения III-V типа	3,58	1,18	1,5	0,999
Двери с доводчиками + система оповещения III-V типа	5,26	1,18	1,5	0,999

При анализе полученных данных видно, что в первом варианте наступления блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара происходит быстрее, чем люди успевают эвакуироваться. Следовательно, условие обеспеченности безопасной эвакуации людей при пожаре не выполняется и данные мероприятия по обеспечению пожарной безопасности не обеспечиваются. Для обеспечения пожарной безопасности объекта необходима установка дверей с доводчиками или установка системы оповещения и управления эвакуацией людей III-V типа.

6.3 Определение величин индивидуального пожарного риска в административно бытовом комплексе

Расчетная величина индивидуального пожарного риска QВ для людей, находящихся в рассматриваемом здании определяется по формуле (2) Методики.

Согласно Методике, при отсутствии статистической информации допускается принимать частоту возникновения пожара в здании Qп = 4·10-2.

Вероятность присутствия людей в помещении определяется на основе времени нахождения людей в здании в течение суток и составляет 8 часов. Следовательно, Рпр= 0,33.

Значение вероятность эвакуации людей Рэ = 0,999 и Рэ = 0 (из табл.).

Так как в здании оборудование системой АУП не требуется в соответствии с требованиями нормативных документов по пожарной безопасности, то вероятность эффективного срабатывания установок автоматического пожаротушения принимается равной: Rап = 0,9.

Вероятность эффективной работы системы противопожарной защиты Рп.з, направленной на обеспечение безопасной эвакуации людей при пожаре определяется по формуле (4) Методики. При этом, Rобн = 0,8; RСОУЭ = 0,8; RПДЗ = 0,8.

Следовательно, Рпз = 0,8704.

Подставляя полученные значения в формулу:

При Рэ = 0,999

Qв=Qп(1-Rап)Pпp(1-Рэ)(1-Pп.з),

получаем QВ = 1,5510-7.

При Рэ = 0

Qв=Qп(1-Rап)Pпp(1-Рэ)(1-Pп.з),

получаем QВ = 1,5510-4.

Таким образом при Рэ = 0,999, QВ = 1,5510-7 <= 10-6 и соотношение (1) Методики выполняется, а при Рэ = 0, QВ = 1,5510-4 >= 10-6 и соотношение не выполняется.

6.4 Моделирования взрывной волны

Наиболее опасным объектом по масштабам действия поражающего фактора взрывной ударной волной (ВУВ) и величине избыточного давления ВУВ является ректификационная колонна. В таком случае, опасный сценарий представляет следующее: полное разрушение рефлюксной емкости ректификационной колонны, выброс опасного вещества > испарение жидкости при соприкосновении с подстилающей поверхностью и образование из пролива ПГФ > интенсивное смешение паров с воздухом и образование облака ТВС > воспламенение при наличии источника зажигания облака ТВС > горение облака ТВС с возникновением воздушной ударной волны (ВУВ) > воздействие ВУВ на людей и близлежащие объекты.

Для объекта строилась математическая модель с учетом геометрии и расположения основных зданий и сооружений и теплофизических параметров веществ и материалов (рис. 23).

Колонна К-4 с рефлюксной емкостью Е-6 расположена в осях 6Б-6Б+50/7А+50-8А+50 на генеральном плане. Исследуемый объект - объект № 26 «Гараж» _ находится в осях 9Б+50-10Б/4А-5А. Расстояние между этими объектами составляет 430 метров.

Расчетная сетка состояла из 320355 ячеек (рис. 24). Для более корректного расчета была введена детальная сетка детализацией узлов на местах с потенциальным взрывом и возле исследуемого объекта.



Рис. 23 - Геометрия объекта.

Рис. 24 - Расчетная сетка.

С целью определения локальных параметров ударной волны (давление, температура, скорость) были введены контрольно-измерительные точки по периметру объекта № 26 «Гараж» (рис. 25а).

Также были дополнительно размещены три контрольно-измерительные точки на разных расстояниях от рефлюксной емкости: первая точка (Р65) - 30 м, вторая точка (Р66) - 110 м и третья точка (Р67) _ 130 м (рис 25б).



а)

б)

Рис. 25 - Расположение измерительных точек:

а) на объекте №26; б) возле источника взрыва.

Результаты расчета

Рассматриваемая ситуация - избыточное давление и импульс волны давления при сгорании газопаровоздушной смеси в открытом пространстве. Оценка последствий воздействия опасных факторов взрыва на людей для различных сценариев их развития осуществляется на основе сопоставления информации о моделировании динамики опасных факторов пожара на территории объекта и прилегающей к нему территории и информации о критических для жизни и здоровья людей значениях опасных факторов пожара, взрыва. Для этого используются критерии поражения людей опасными факторами пожара.

Избыточное давление ДP и импульс I+ в волне давления, образующиеся при взрыве резервуара с перегретой ЛВЖ, ГЖ или сжиженным углеводородным газом в очаге пожара, определяются по формулам:

;

;

,

где r _ расстояние от центра резервуара, м;

Eeff _ эффективная энергия взрыва, рассчитываемая по формуле:

,

k _ доля энергии волны давления (допускается принимать равной 0,5);

Cp _ удельная теплоемкость жидкости (допускается принимать равной 2000 Дж/(кг К);

m _ масса ЛВЖ, ГЖ или СУГ, содержащаяся в резервуаре, кг;

Т _ температура жидкой фазы, К;

Тb _ нормальная температура кипения, К.

Зоны поражения в случае такой аварии составят:

· полное разрушение зданий, ДP=100 кПа - 4,4 м;

· граница области сильных разрушений: 50% стен разрушено или находятся на стадии разрушения, ДP=53 кПа - 6,2 м;

· граница области значительных повреждений: повреждение некоторых конструктивных элементов, несущих нагрузку, ДP=28 кПа - 9,0 м;

· умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т.п.), ДP=12 кПа - 16,0 м;

· нижний порог повреждения человека волной давления, ДP=5 кПа-32,0 м;

· малые повреждения (разбита часть остекления), ДP=3 кПа - 49,0 м;

· без опасных последствий, ДP< 2 кПа - >50,0 м.

С целью получения более достовер...