Розробка методу і технічних засобів забезпечення безпеки людей при пожежах у метрополітені

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА ТА ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ

МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ З БЕЗПЕКИ РОБІТ В ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

УДК 622.867

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МЕТОДА І ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БЕЗПЕКИ ЛЮДЕЙ ПРИ ПОЖЕЖАХ У МЕТРОПОЛІТЕНІ

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

КОСАР Анатолій Михайлович

Макіївка - 2002

Дисертація є рукописом

Роботу виконано в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МВС України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Пашковський Петро Семенович, Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи, м. Донецьк, заступник директора

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Булгаков Юрій Федорович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри охорони праці та аерології;

кандидат технічних наук, с.н.с. Марійчук Іван Пилипович, Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи, м. Донецьк, начальник відділу проти теплового захисту

Провідна організація - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки, кафедра аерології та охорони праці, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться " 11 " жовтня 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.834.01 Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60

Автореферат розіслано " 09 " вересня 2002 г.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кудінов Ю.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

пожежа метрополітен вентиляція аварійний

Актуальність проблеми. Метрополітен - найбільш доступний, швидкий і комфортабельний вид транспорту. Разом з тим, технічне устаткування, службові приміщення і рухомий склад, насичені великою кількістю горючих матеріалів, являють собою високу пожежну небезпеку. Ситуація ускладнюється наявністю великої мережі силових кабелів високої напруги. Особливістю пожежного навантаження метрополітенів є швидке вигоряння горючих матеріалів і виділення великої кількості токсичних продуктів згоряння протягом короткого проміжку часу.

В останній час проблема забезпечення безпеки людей під час гасіння пожеж в метрополітені набуває все більшої гостроти. Це обумовлено не стільки зростанням кількості пожеж, як наслідком їх масштабності. Велика кількість людей, яка може одночасно перебувати в обмеженому просторі будівель метрополітену, а також об'єктивні і суб'єктивні труднощі проведення рятівних робіт, локалізації і ліквідації пожежі, може привести до катастрофічних наслідків, як це було у Бакинському метрополітені (289 людей загинуло та більше 500 травмовано токсичними продуктами згоряння).

Забезпечення безпеки робіт з гасіння пожеж у метрополітенах насамперед залежить від розмірів зони ураження пожежею (ЗУП). Вона являє собою область поширення небезпечних факторів пожежі: високої температури і токсичних продуктів згоряння (оксиди вуглецю, тверді частки і т.п.). Існуюча система вентиляції метрополітену не може вирішувати задачу мінімізації ЗУП, оскільки вона створена для виконання санітарно-гігієнічних цілей, аварійні режими вентиляції на випадок виникнення пожежі в приміщеннях метрополітену не створені. До того ж відсутні технічні засоби індивідуального захисту органів дихання з необхідним часом захисної дії.

Аналіз досвіду ліквідації пожеж у метрополітенах як в Україні, так і в інших країнах показує, що вони становлять велику небезпеку, призводять до масових отруєнь людей і великих матеріальних збитків. У цьому зв'язку розкриття особливостей виникнення небезпечних факторів ЗУП і створення методів і засобів безпечного гасіння пожеж у метрополітенах є актуальною науково-технічною проблемою, вирішення якої дозволить підвищити безпеку людей, а також ефективність і безпеку праці пожежників, гірничорятувальників та працівників метрополітену.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційну роботу виконано відповідно до "Національної програми поліпшення охорони праці на 1996-2000 рр.", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 02.11.96 № 1345, "Національної програми забезпечення пожежної безпеки на 1995-2000 рр.", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 03.04.95 № 238 і "Національної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці виробничого середовища на 2001-2005 рр.", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 10.10.2001 р. №1320, а також згідно з науково-дослідною роботою "Провести дослідження та розробити Настанову з газодимозахисної служби в Державній пожежній охороні МВС України", що виконувалась відповідно до плану науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт Українського НДІ пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МВС України на 2002 р.

Мета роботи - розкриття особливостей виникнення небезпечних факторів пожежі у метрополітені і розроблення методів і технічних засобів забезпечення безпеки людей.

Задачі досліджень. Для виконання поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз стану науково-технічних розробок у галузі забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені;

- провести теоретичні дослідження тепло-димо-газообмінних процесів при пожежах у метрополітені;

- провести експериментальні дослідження вентиляційних потоків у метрополітені і розробити технічні рішення для забезпечення роботи регульованих аварійних режимів вентиляції;

- розробити метод забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені;

- розробити технічні засоби підвищення рівня забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені.

Ідея роботи полягає у визначенні і використанні закономірностей, що пов'язують теплову депресію пожежі з термодинамічними, теплофізичними й аеродинамічними параметрами аварійного об'єкта для прогнозу ступеня впливу джерел виділення теплоти і шкідливих домішок на навколишнє середовище, і створенні на цій основі технічних засобів, що забезпечують безпеку робіт під час гасіння пожеж у метрополітенах.

Об'єкт досліджень - процеси тепломасопереносу в газоповітряному середовищі тунелю метрополітену після виникнення пожежі і технічні засоби, що застосовуються під час її ліквідації .

Предметом досліджень є динаміка зміни температури і вмісту токсичних компонентів газоповітряного середовища аварійного тунелю в залежності від теплової потужності і геометричних розмірів вогнища пожежі, з урахуванням режиму вентиляції. За головну характеристику ЗУП приймається її розмір - дальність поширення від вогнища летких продуктів згоряння в заданих гранично допустимих концентраціях.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод досліджень, що включає в себе: аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень в області вентиляційних і теплових розрахунків при пожежах у промислових спорудах; математичне моделювання з використанням основних законів термодинаміки, тепломасопереносу й аерології; імітаційне моделювання процесів розподілу компонентів газового середовища і теплоти на ділянках підземних споруд метрополітену з примусовою вентиляцією (примусовою конвекцією) і вентиляцією, обумовленою тепловими джерелами тяги (вільна конвекція); метод експертних оцінок; експериментальні дослідження факторів, що визначають теплову і газову обстановку в аварійному об'єкті, застосування методів математичної статистики для перевірки достовірності отриманих результатів.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, їхня новизна:

Розкрито механізм формування перехідних процесів при пожежі в метрополітені за рахунок примусової і вільної конвекції з урахуванням теплового опору і депресії інерційних сил, який полягає в зміні величини і спрямованості вентиляційних потоків. Встановлено, що період стабілізації повітряного потоку при пожежі становить не менше 600 с, що співрозмірно з тривалістю виведення пасажирів із ЗУП. Встановлено також наявність сплеску вмісту токсичних компонентів у початковий період стабілізації повітряного потоку через те, що у вогнище пожежі повертаються продукти горіння.

Розкрито умови переносу теплоти і токсичних компонентів у газоповітряному середовищі при горінні рухомого складу в тунелі метрополітену, що полягають у формуванні зони ураження пожежею за температурним і токсичним факторами. При цьому встановлено залежність параметрів зони ураження пожежею від теплової потужності пожежі, місця розташування палаючого потягу, теплофізичних параметрів тунелю й аеродинамічних параметрів вентиляційної мережі. Встановлено, що після припинення пожежі виникає високотемпературна теплова хвиля. Також встановлено, що дальність і тривалість поширення токсичних компонентів може перевищувати ці показники для для теплового потоку поширення.

Експериментально встановлено можливість порушення вентиляційного режиму, застосованого при пожежі в метрополітені, унаслідок дестабілізуючої дії вільної тяги, теплової депресії пожежі, вітрового напору, конвективних потоків і т.ін. Визначено, що забезпечити стійке провітрювання перегінних тунелів метрополітену під час пожежі можливо, якщо в аварійному режимі швидкість руху повітря у тунелі становитиме 1,5-2,0 м/с і більше.

Виявлено умови низької ефективності діючих аварійних вентиляційних режимів, що полягають у непогодженості роботи вентиляційних установок, які в одних випадках спрямовують повітряні потоки назустріч один одному, а в інших - працюють на "розрив" повітряного потоку, і великої тривалості перехідних аеродинамічних режимів (2-3 години) унаслідок недостатності сил, прикладених до повітряних потоків і подолання інерційних сил. При цьому встановлено, що при пожежі в перегінному тунелі метрополітену показник стійкості вентиляційного потоку прямо пропорційний, а тривалість перехідних аеродинамічних процесів - обернено пропорційна до квадрата швидкості руху повітря.

Обґрунтовано принцип забезпечення безпеки людей при гасінні пожеж у метрополітені, що базується на комплексному використанні параметрів зони ураження пожежею, аварійних вентиляційних режимів, технічних засобів регулювання вентиляційної системи, засобів захисту органів дихання, а також технічних рішень, спрямованих на зменшення зони ураження пожежею (автомобіль АПП-2, радіоспостереження і контроль за протипожежним захистом об'єкта, геоінформаційні технології в системах оперативно-диспетчерського керування).

Наукова новизна отриманих результатів полягає в розкритті закономірностей розвитку пожеж у метрополітені при горінні рухомого складу, обґрунтуванні параметрів зони ураження пожежею, встановленні причин низької ефективності існуючих аварійних вентиляційних режимів і створенні комплексного методу забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені.

Практична цінність отриманих результатів. Створена комп'ютерна модель динаміки ЗУП на пожежонебезпечному об'єкті дозволяє здійснювати науково обґрунтований оперативний вибір маршрутів евакуації людей, засобів захисту і способів ліквідації пожежі. Її використання в сукупності з розробленими технічними засобами сприяє підвищенню якості прийнятих рішень у складних умовах, скороченню тривалості гасіння пожежі і зниженню матеріальних збитків, забезпечує підвищення рівня безпеки людей.

Реалізація висновків і результатів роботи здійснена шляхом їхнього використання підрозділами Державної пожежної охорони під час ліквідації наслідків аварій у підземних спорудах метрополітену.

Особистий внесок автора. Особистий внесок автора в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації і відображених у наукових працях, полягає в експериментальному визначенні параметрів розвитку ЗУП; у розробленні математичної і комп'ютерної моделей динаміки її розвитку в залежності від потужності теплових і газових джерел, з урахуванням вентиляційних параметрів аварійного об'єкта; у створенні методики комп'ютерного моделювання ЗУП у вентиляційній мережі метрополітену та в розробленні методу і технічних засобів забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожежі в метрополітені.

Апробація роботи. Основні результати окремих розділів і роботи в цілому повідомлено на Міжнародній науково-практичній конференції “Крупные пожары: предупреждение и тушение” (ВНДІПО МВС Росії, м. Москва, 30-31 жовтня 2001 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 2001” (Львівський інститут пожежної безпеки МВС України, м. Львів, 20-22 листопада 2001 р.), на засіданні науково-технічної ради Українського НДІ пожежної безпеки МВС України, на науково-технічних семінарах науково-дослідного центру проблем пожежогасіння і рятівних робіт УкрНДІПБ МВС України.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць, з яких 7 статей, що вийшли у виданнях, включених у перелік ВАК України, і 2 тези доповідей на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і загальних висновків, містить 212 сторінок друкованого тексту, 27 таблиць, 40 ілюстрацій і 2 додатків, список використаних джерел з 120 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено результати аналізу літературних джерел, які свідчать, що метрополітен є небезпечним об'єктом як з точки зору пожежної безпеки і являє собою велику небезпеку для людей у випадку виникнення пожежі у підземних спорудах. Висока температура і токсичні гази, що обмежені підземними спорудами метрополітену, являють собою зону ураження пожежею (ЗУП). Розміри ЗУП визначаються величиною теплової депресії та інтенсивністю виділення летких продуктів згоряння у вогнищі.

Існуюча вентиляційна система в метрополітені створювалася тільки для санітарно-гігієнічних цілей. Вона не забезпечує безпеку людей під час ліквідації пожеж у метрополітені. Протигази, якими оснащено пожежну охорону, через малу тривалість захисної дії також не відповідають сучасному рівню вимог з охорони праці. Під час ліквідації пожежі в Бакинському метрополітені застосовувалися протигази КІП-8, тривалість захисної дії якого становить одну годину, а тому багато пожежників отримали важкі травми органів дихання, один боєць цивільної оборони загинув. Аварійні режими вентиляції в Бакинському метрополітені не застосовувалися.

Аналіз також показав, що в даний час відсутні інші ефективні технічні засоби для забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені.

В другому розділі проведено теоретичні дослідження тепло-димо-газообмінних процесів при пожежах у метрополітені.

Проведено моделювання руху повітряних потоків у підземних спорудах метрополітену при пожежі.

Перенос кількості руху, маси і теплоти моделюється системою рівнянь узагальненого виду:

, (1)

де - час, с; x, y - просторові координати, м (рис.1); - густина газу, кг/м³;

;

- сумарні конвективно-дифузійні потоки маси, кількостей руху, теплоти чи газової домішки, розмірність яких залежить від виду субстанції, що переноситься; - фізична змінна (швидкість, густина, температура, вміст домішки); - фактор, розмірність якого залежить від виду субстанції, що переноситься.

У двовимірній постановці, на підставі (1), при - динамічній в'язкості газу, , і складових швидкостей по x: , м/с, і по y: , м/с:

; (2)

де - густина газового середовища, кг/м³_; - тиск, Па; , - фактор тяги (руху), Н/м³.

При ; і масовому факторі , з (1) отримуємо рівняння нерозривності (суцільності) газового потоку:

. (4)

Фізичний зміст величин, що входять до (2), (3) характеризується рівнянням, що має вигляд

, (5)

де середні величини фізичних змінних позначені, як і фактичні. Коефіцієнт (Коріоліса) характеризує поправку на нерівномірність розподілу швидкості у поперечному перерізі потоку S (м²), з периметром Щ (м) і гідравлічним діаметром D = 4S / Щ (м). Для ламінарних потоків , для турбулентних .

У результаті інтегрування (5) по довжині тунелю на ділянці l₀  (м) перед вогнищем пожежі з боку свіжого вентиляційного струменя, з урахуванням сил інерції і сил тертя отримано рівняння:

, (6)

де - відносна величина витрати повітря у тунелі ; S₀ - площа поперечного перерізу на вході вентиляційного струменя в тунель; ; - відносна величина часу; - характерний час, с; - число Ейлера; h_кр - перший параметр зведеної характеристики вентилятора, відповідно до виразу:

,

- число Фруда або відносна величина глобальної теплової депресії; - приріст глибини тунелю на ділянці l₀, м; - кут нахилу (ухилу) тунелю, градус;

- середнє гармонійне значення температури,

К;

- число Річардсона або відносна величина локальної теплової депресії; - периметр поперечного перерізу газового потоку, м.

Аналогічно можна представити рівняння руху газу у тунелі на ділянці за вогнищем пожежі у напрямку вентиляційного струменя.

За нормальних умов провітрювання і витрата повітря у тунелі становить:

, (7)

де - аеродинамічний опір тунелю; усюди .

Для умов пожежі рівняння (6) має рішення

, (8)

де - відносна величина початкової витрати повітря.

Вираз (8) являє собою аналітичний вираз динаміки зміни витрати газу у тунелі в залежності від джерел примусової і вільної конвекції, з урахуванням теплового опору і депресії інерційних сил. З нього також випливає, що перекидання газового потоку можливе у випадку Fr + Ri >Eu.

Моделювання плоских течій газових потоків у технічних і службових приміщеннях відбувалось на підставі системи рівнянь (2), (3) за допомогою чисельних методів маркерів і осередків (MAS) і Simpler-методу Патанкара. В обох методах використовувалася шахова (гібридна) сітка.

Для визначення функції теплового джерела, представлені емпіричні дані про теплову потужність пожежі апроксимувалися залежністю від часу такого вигляду:

, (9)

де ; a, b і c - константи.

У результаті для функції теплового джерела отримані значення параметрів, наведені в табл. 1.

Як показує аналіз розрахункових значень температури у вогнищі пожежі, отриманих з використанням даних табл. 1, тривалість досягнення максимальних значень температури під час горіння будь-якої кількості вагонів, практично не відрізняється від літературних даних.

Наявність показників динаміки зміни температури теплового джерела дає змогу провести числове моделювання процесів поширення теплоти у тунелі.

З цією метою похідні за часом і просторовими координатами замінювали на скінченнорізницеві аналоги, у результаті отримано скінченнорізницеву модель:

(10)

; (11)

, (12)

де , , , - сіткові числа фур'є; , і - сіткові числа рейнольдса, нуссельта і стантона.

Проведеними розрахунками показано, що після припинення пожежі виникає високотемпературна теплова хвиля.

Запропоновано аналітичний вираз вирішення задачі розрахунку розподілу летких продуктів згоряння у об'ємі тунелю:

(13)

де ш - коефіцієнт дифузії летких продуктів згоряння у повітрі; з - теплота згоряння одиниці маси матеріалів у вогнищі пожежі на одиницю маси кисню, що вступив у реакцію горіння.

Таблиця 1 -

Результати апроксимації динаміки зміни температури у вогнищі пожежі функцією

Число вагонів	Параметри функції
	a	b	c
1	4,92610-7	5,967	-0,1947
2	8,67110-5	3,512	-0,0901
3	5,26610-4	2,644	-0,0560
4	1,26210-3	2,213	-0,0399
5	2,07510-3	1,959	-0,0307
6	2,83210-3	1,791	-0,0249

Відповідно до цього виразу дальність і тривалість поширення компонентів летких продуктів згоряння може перевищувати ці показники для теплового потоку поширення.

Розроблено алгоритм моделювання динаміки зуп у вентиляційній мережі метрополітену.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень режимів роботи системи тунельної вентиляції в умовах пожежі у підземних спорудах метрополітену.

У 1991 р. ленінградською філією вндіпо мвс срср виконано роботу з розроблення аварійних режимів роботи системи тунельної вентиляції на випадок пожежі на станціях і перегонах ліній київського метрополітену.

За минулі роки виявлено недоліки запропонованих аварійних вентиляційних режимів. Головним з них є неефективність димовидалення. Це показали як навчання із застосуванням димоутворюючих речовин, так і реальні пожежі, тому було поставлено задачу - визначити ефективність існуючих аварійних режимів вентиляції на прикладі Київського метрополітену.

Дослідження режимів роботи системи тунельної вентиляції при можливих пожежах у підземних спорудах метрополітену складалося з кількох етапів.

На першому етапі було проведено повітряно-депресійну зйомку ліній Київського метрополітену відповідно до вимог наявних нормативних документів і даних літературних джерел (табл. 2).

Аналіз результатів вимірювань показав, що:

як на платформі, так і на першій колії швидкість руху повітря мала (від 0 до 0,12  м/с);

застійна зона займає близько 90 % усієї площі платформи і ділянок шляху, що примикають до неї;

на станцію надходить і відводиться від неї повітря з швидкістю близько 8 м³/с (або 28 тис. м³/годину);

як платформа, так і прилеглі до неї ділянки перегінних тунелів характеризуються невеликими значеннями депресії.

Це свідчить про низьку стійкість системи провітрювання. Іншими словами, можливе перекидання вентиляційного потоку. Тому розглянутий аварійний режим не можна визнати задовільним.

На другому етапі з використанням розробленого алгоритму моделювання динаміки ЗУП було створено методику комп'ютерного моделювання, з її допомогою проводили моделювання аварійних режимів.

Базою даних для моделі служили заміряні параметри вентиляційних установок і значення аеродинамічного опору елементів вентиляційної системи. Останні обчислювалися за формулою

де r - аеродинамічний опір елемента вентиляційної мережі;

h - заміряне значення депресії відповідного елемента, Па;

Q - заміряне значення витрати повітря на ділянці розглянутого елемента, м³/с.

Таблиця 2 -

Результати вимірювання витрати повітря на станції “Політехнічний інститут”

Місце заміру	Швидкість руху повітря, м/с	Витрата повітря, м3/с	Напрямок руху повітря
	максимальна	середня
Пункт № 1	0	0	0	-
Пункт № 2	0,22	0,12	1,56	від станції
Пункт № 3	0,64	0,48	6,24	від станції
Пункт № 4	0,72	0,5	6,5	до станції
Ескалатор	0,22	0,11	1,54	до станції
Платформа	0,1	0,05	-	-

Таблиця 3 -

Показники варіантів моделювання

Показники	Варіанти
	1	2	3	4	5	6
Витрата повітря в ескалаторному ходку, м3/с Те ж у %	19,1 100	15,0 79	28,2 148	29,7 155	9,6 50	11,7 61
Надходження повітря на станцію, м3/с Те ж у %	93,1 100	93,6 101	76,4 82	155,7 167	90,7 97	90,1 97
Депресія між зовнішньою поверхнею і нижньою частиною ескалаторного ходка, Па	179,5	109,8	390,3	431,5	45,1	67,7

На даному етапі також з'ясовували причини низької ефективності існуючих аварійних режимів і проводили пошук більш ефективних.

Методом комп'ютерного моделювання і натурних експериментів виявлено причини низької ефективності нині діючих аварійних вентиляційних режимів. Основні з них такі:

- непогодженість роботи вентиляційних установок, що виражається у тому, що в одних випадках вони спрямовують повітряні потоки назустріч одна одній, а в інших - працюють на "розрив" повітряного потоку. В обох випадках вони заважають одна одній, а ефективність використання повітря становить лише 3-10 %;

- велика тривалість перехідних аеродинамічних процесів при встановленні аварійних режимів, що пояснюється так. Маса повітря, що міститься в перегінних тунелях між двома сусідніми станціями, становить 60000-100000 кг, а сили, що діють на нього при існуючих аварійних режимах, знаходяться в межах 3-15 кг. Через малу величину останніх і вплив інерційних сил тривалість перехідних процесів досягає 2-3 годин, що неприпустимо при пожежах.

Основні результати моделювання наведено в табл.3 (див. С.10).

Аналіз результатів моделювання показав, що максимальна витрата повітря і депресія в ескалаторному ходку спостерігаються після реалізації варіантів 3 і 4, тобто коли на витягування повітря працюють всі агрегати двох найближчих до аварійної ділянки шахт. Однак за варіантом 4 на станцію надходить повітря в два рази більше, ніж за варіантом 3 (табл.3). Отже, за варіантом 4 забезпечується більш ефективне димовидалення і підвищена стійкість провітрювання.

На основі проведених досліджень розроблено аварійні вентиляційні режими, що перевершують існуючі за основними показниками, а саме:

за витратою повітря в перегінних тунелях і станційних платформах - у 3-6 разів (в окремих випадках і більше);

за показником стійкості провітрювання перегінних тунелів - у 10-20 разів;

за керованістю вентиляцією (тобто за скороченням тривалості перехідних процесів) - у 15-30 разів;

за розбавленням шкідливих речовин (продуктів горіння) - у 2,5-5,0 разів;

за надійністю (під час відмовленні одного вентиляційного агрегату параметри аварійного режиму залишаються в припустимих межах).

Для формування нових аварійних вентиляційних режимів використовується та ж кількість вентиляційних установок, що і при існуючих. Для регулювання вентиляційних потоків запропоновано використання кількох різновидів перемичок, у тому числі порожніх потягів.

У четвертому розділі наведено результати розробок технічних засобів забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені.

Важливим фактором забезпечення безпеки людей є мінімізація ЗУП, яку, у свою чергу, можна зменшити, скоротивши час вільного розвитку пожежі.

Якщо не брати до уваги тривалість прибуття пожежного підрозділу до місця пожежі, час вільного розвитку пожежі становить від 8 до 18 хвилин. Це досить тривалий час.

У світовій практиці діяльності пожежної охорони для раннього виявлення пожеж почали застосовувати автоматизовані системи спостереження і контролю протипожежного стану різних об'єктів.

Для моніторингу пожежної безпеки найважливіших об'єктів м. Києва, у тому числі і метрополітену, створено систему централізованого протипожежного радіоспостереження (СЦПР).

Досвід використання системи протягом трьох років свідчить про достатню надійність устаткування, практично відсутні випадки виходу його з ладу при правильному обслуговуванні. Застосування системи дає змогу скоротити час від передачі сигналу тривоги до прибуття підрозділу на об'єкт мінімум у 2 рази.

Крім скорочення часу на одержання інформації про пожежу, важливе значення для мінімізації ЗУП мають автоматичні системи керування, якими забезпечуються диспетчерські центри пожежної охорони міста.

Система оперативно-диспетчерського керування, що базується на геоінформаційній технології, містить у собі створену базу даних для роботи системи з охорони праці "Пожежник - небезпечні фактори пожежі - техніка". Вона містить у собі дані:

- про пожежника: професійний рівень, знання засобів захисту та їх застосування (респіратори, в т.ч. РХ-4П; стволи, що придатні для створення водяного екрану; вогнегасники ВП-10, за допомогою яких можна створювати порошкову завісу);

- про умови гасіння пожеж: дані про об'єкт, де можливе виникнення пожежі, дані про наявність електросилових установок, типи і кількість пожежного навантаження, токсичність продуктів згоряння і т.ін.;

- про техніку: наявність і спорядження, укомплектованість індивідуальними засобами захисту пожежників (респіратори, захисний одяг, електроізольований інструмент, пожежні автомобілі, спецтехніка й т.ін.).

На мінімізацію ЗУП було спрямовано розробку пожежного автомобіля першої допомоги АПП-2. Усі технічні параметри АПП-2 підтверджено результатами випробувань, які проведено розробниками спільно з фахівцями УкрНДІПБ МВС України.

Експлуатація АПП-2 у Київському гарнізоні пожежної охорони протягом трьох років показала, що час доставки особового складу до станцій метрополітену скорочується вдвічі порівняно з традиційними автомобілями. До того ж АПП-2 укомплектований сучасним устаткуванням, що забезпечує підвищення рівня охорони праці пожежників при ліквідації пожеж у метрополітені.

Одним з основних небезпечних факторів, які погіршують умови праці пожежників під час ліквідації пожеж у метрополітені, є задимленість і висока токсичність продуктів згоряння.

Використання ізолюючих протигазів КІП-8 під час гасіння пожежі в Бакинському метрополітені призвело до великої кількості травм легень у пожежників і рятувальників. Тому було проведено серію досліджень ефективності застосування регенеративних респіраторів для захисту органів дихання пожежників при ліквідації пожеж у метрополітені. Зокрема, було проведено модернізацію респіратора РХ-4Е, розробленого НДІ гірничорятувальної справи (м. Донецьк) для шахт. Розроблено технічні вимоги для модернізованого респіратора РХ-4П (табл.4).

Таблиця 4 -

Технічні вимоги до респіратора РХ-4П

Показники	Вимоги
	4-х годинний патрон	2-х годинний патрон
Гарантований час захисної дії, година, не менше:
під час роботи середньої тяжкості і температурі до 25 оС	4	2
під час роботи середньої тяжкості і температурі від 26 оС до 60 оС	3	1,5
під час відносного спокою	16	8
Розміщення шлангів	верхнє	верхнє
Індикатор відробітку ресурсу патрону трьохколірний: зелений, жовтий, червоний	50 і 75%	50 і 75%
Запасний балон з повітрям для заповнення дихальних мішків, не менше	10 раз	10 раз
Маса спорядженого респіратора, кг, не більше	12	11
Габаритні розміри, мм	458х364х170	458х364х170
Температурний діапазон застосування, оС	від мінус 10 до 60	від мінус 10 до 60
Повний термін служби, рік, не менше	10	10

У грудні 2000 р. під час щорічних навчань підрозділів ГДЗС респіратор РХ-4П було використано під час ліквідації умовної пожежі на станції Київського метрополітену "Площа Льва Толстого". Всі газодимозахисники, які працювали в цих апаратах, дали їм високу оцінку, особливо акцентуючи увагу на комфортних умовах дихання.

Розроблено метод забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені, що базується на комплексному використанні результатів теоретичних досліджень ЗУП, аварійних режимів вентиляції метрополітену, технічних засобів регулювання вентиляційної системи метрополітену, технічних засобів захисту органів дихання (РХ-4П), а також технічних рішень, спрямованих на зменшення ЗУП (АПП-2, радіоспостереження і контроль стану протипожежного захисту об'єкта, геоінформаційна технологія в системах оперативно-диспетчерського керування).

ВИСНОВКИ

У дисертації подано теоретичне узагальнення і рішення актуальної науково-технічної проблеми, що полягає в розкритті особливостей розвитку пожеж у метрополітені під час горіння рухомого складу, обґрунтуванні параметрів зони ураження пожежею, розробленні технічних засобів захисту органів дихання й екстреної доставки до місця аварії ефективних вогнегасних засобів, реалізації нових геоінформаційних технологій у системах оперативного диспетчерського керування і створенні на цій основі методу забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені.

Основні наукові і практичні результати:

1. Проведено теоретичні дослідження зони ураження пожежею в різних об'єктах метрополітену. Отримано аналітичний вираз динаміки зміни витрати повітря у тунелі в залежності від джерел примусової і вільної конвекції, з урахуванням теплового опору і депресії інерційних сил. Показано, що період стабілізації вентиляції в окремих випадках співставний з тривалістю евакуації пасажирів з тунелю, що створює додаткову загрозу їхній безпеці. Чисельна модель плоскої течії газу в технічних і службових приміщеннях метрополітену дає змогу досліджувати поля швидкостей при різному розподілі і довільних розмірах теплових джерел, як при наявності, так і при відсутності примусової вентиляції.

Розроблено математичні моделі конвективно-дифузійного переносу теплоти у тунелі метрополітену і поширення компонентів летких продуктів горіння у його газовому середовищі.

Створено числову модель конвективно-дифузійного переносу теплоти і компонентів летких продуктів горіння в повітряних потоках тунелів метрополітену при пожежі рухомого складу. Встановлено, що після припинення пожежі виникає високотемпературна теплова хвиля. Запропоновано аналітичне вирішення задачі розрахунку розподілу компонентів летких продуктів горіння в об'ємі тунелю, відповідно до якого, дальність і тривалість поширення цих продуктів може перевищувати значення показників для теплового потоку.

Запропоновано алгоритм моделювання динаміки зміни параметрів зони ураження пожежею у вентиляційній мережі метрополітену.

2. Експериментально встановлено, що діючі аварійні вентиляційні режими не відповідають необхідним вимогам щодо стійкості і надійності провітрювання. Вони забезпечують у більшості випадків швидкість руху повітря в перегінних тунелях у межах 0,3-0,5 м/с, а на платформах станцій - ще менше. Більшість з існуючих аварійних режимів характеризуються низькою надійністю. Це виявляється у тому, що в разі відмови одного з вентиляторів напрямок руху повітря у вогнищі пожежі змінюється на протилежний.

3. Методом комп'ютерного моделювання і натурними дослідженнями виявлено причини низької ефективності діючих аварійних вентиляційних режимів. Основні з них такі:

- неузгодженість роботи вентиляційних установок, що виражається у тому, що в одних випадках вони спрямовують повітряні потоки назустріч один одному, а в інших - працюють на "розрив" повітряного потоку. В обох випадках вони заважають одна одній, а ефективність використання повітря становить лише 3-10 %;

- велика тривалість перехідних аеродинамічних процесів при встановленні аварійних режимів, що пояснюється так. Маса повітря в перегінних тунелях між двома сусідніми станціями становить 60000-100000 кг, а сили, що діють на нього в існуючих аварійних режимах, становлять 3-15 кг. Через малу величину останніх і вплив інерційних сил тривалість перехідних процесів досягає 2-3 годин, що неприпустимо під час пожеж.

4. На основі виконаних досліджень розроблено аварійні вентиляційні режими, що перевершують існуючі за основними показниками, а саме:

- за витратою повітря в перегінних тунелях і станційних платформах - у 3-6 разів (в окремих випадках і більше);

- за показником стійкості провітрювання перегінних тунелів - у 10-20 разів;

- за керованістю вентиляцією (тобто по скороченню тривалості перехідних процесів) - у 15-30 разів;

- за розбавленням шкідливих речовин (продуктів горіння) - у 2,5-5,0 разів;

- за надійністю (в разі відмови одного вентиляційного агрегату параметри аварійного режиму залишаються в допустимих межах).

Для створення нових аварійних вентиляційних режимів використовується та ж кількість вентиляційних установок, що і для існуючих.

5. Розроблено технічні вимоги і проведено модернізацію існуючого респіратора на хімічно зв'язаному кисні, тривалість захисної дії якого становить не менше 4 годин. Проведено дослідження ефективності застосування модернізованого респіратора РХ-4П для захисту пожежників від впливу токсичних продуктів згоряння як одного з небезпечних факторів в ЗУП у метрополітені.

6. Проведено дослідження і розроблено технічні вимоги до автомобіля першої допомоги (АПП_2), у яких, поряд з вимогами підвищеної оперативності і безпеки руху, є вимога до комплектації і компонування засобами, що забезпечують безпечні умови праці пожежників. Протягом трьох років використання АПП-2 для ліквідації пожеж на різних об'єктах, у тому числі й у метрополітені, було показано, що тривалість доставки особового складу і технічних засобів захисту скоротилась в два рази в порівнянні з існуючою пожежною технікою. Під час ліквідації пожеж не було допущено жодної травми, жодного випадку ураження органів дихання чи опіків тіла.

7. Розроблено і використовуються геоінформаційні технології в системах оперативно-диспетчерського керування в пожежній охороні міста, радіоспостереження і контролю протипожежного захисту об'єктів. Вони дають змогу в 1,5-2 рази зменшити час вільного розвитку пожежі і тим самим значно зменшити ЗУП.

8. Розроблено метод забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені, що полягає в комплексному використанні теоретичних досліджень ЗУП, аварійних режимів вентиляції метрополітену, технічних засобів регулювання вентиляційної системи метрополітену, індивідуальних засобів захисту органів дихання (УИП-1 для пасажирів та РХ-4П для пожежників і рятувальників), а також технічних рішень, спрямованих на зменшення ЗУП (АПП-2, радіоспостереження і контроль системи протипожежного захисту об'єкта, геоінформаційні технології в системах оперативно-диспетчерського керування).

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Косар А.М. Метрополітен - небезпечний об'єкт щодо пожежної безпеки та охорони праці пожежників // Коммунальное хозяйство городов: Научн.-техн. сб. - К.: Техніка, 2001. - вып.33. - С.281_285.

2. Косар А.М. Аспекти використання геоінформаційних технологій в системі управління підрозділами пожежної охорони // Науковий вісник УкрНДІПБ. - 2001. - №4. - С.111_114.

3. Косарь А.М. К вопросу создания автомобиля пожарного первой помощи // Крупные пожары: предупрежление и тушение: Материалы XVI научн.-практич. конф. Ч.2. - М.: ВНИИПО, 2001. - С.293-303.

4. Косар А.М. Застосування геоінформаційних технологій управління підрозділами пожежної охорони м.Києва // Пожежна безпека - 2001: Зб.наук. праць. - Львів: Сполом, 2001. - С.73-75.

5. Косарь А.М. Автомобиль пожарный первой помощи АПП-2 - основное звено в обеспечении безопасности системы "пожарный - опасные факторы пожара - техника" // Коммунальное хозяйство городов: Научн.-техн. сб. - К.: Техніка, 2002. - вып.38. - С.333-342.

Косарь А.М., Пашковский П.С. Анализ эффективности режимов вентиляции при возможных пожарах в подземных сооружениях Киевского метрополитена // Науковий вісник УкрНДІПБ. - 2002. - № 5. - С.57-62.

Пашковский П.С., Косарь А.М., Потетюев С.Ю. Особенности использования мобильных перемычек для регулирования вентиляционных потоков при пожарах в метрополитене // Науковий вісник УкрНДІПБ. - 2002. - № 5. - С.84-90.

Косарь А.М. Влияние технического оснащения пожарного автомобиля на улучшение условий труда пожарных // Пожежна безпека - 2001: Зб.наук. праць. - Львів: Сполом, 2001. - С.333-336.

9. Кавицкий Б., Косарь А. Из опыта эксплуатации автомобиля пожарного первой помощи АПП_2 // Бюллетень пожарной безопасности АН ПБ Украины. - К.: Основа, 1999. - №1. - С.53-57.

АНОТАЦІЯ

Косар А.М. Розробка методу і технічних засобів забезпечення безпеки людей при пожежах у метрополітені. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - охорона праці. - Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, Макіївка, 2002 р.

У дисертації подано теоретичне узагальнення і рішення актуальної науково-технічної проблеми, яке полягає в розкритті особливостей розвитку пожеж у метрополітені під час горіння рухомого складу, обгрунтуванні параметрів зони ураження пожежею, розробленні технічних засобів регулювання вентиляційних потоків, засобів індивідуального захисту органів дихання та екстреної доставки до місця аварії ефективних вогнегасних засобів, реалізації нових геоінформаційних технологій у системах оперативного диспетчерського керування підрозділами пожежної охорони, використанні радіомоніторингу системи протипожежного нагляду важливих об'єктів, в тому числі метрополітену, створенні на цій основі методу забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені.

Результати роботи впроваджено у вигляді рекомендацій підрозділам Державної пожежної охорони під час ліквідації пожеж у підземних спорудах метрополітену.

Ключові слова: аварійні режими вентиляції, димовидалення, зона ураження пожежею, охорона праці, токсичні продукти, респіратори, пожежні автомобілі.

АННОТАЦИЯ

Косарь А.М. Разработка метода и технических средств обеспечения безопасности людей при пожарах в метрополитене. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - охрана труда. - Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности Министерства топлива и энергетики Украины, Макеевка, 2002 г..

В диссертации дано теоретическое обобщение и решение актуальной научно-технической проблемы, которое заключается в разработке метода и технических средств обеспечения безопасности людей при ликвидации пожаров в метрополитене.

Проведены теоретические исследования зоны поражения пожаром в различных объектах метрополитена. Получено аналитическое выражение динамики расхода газа в тоннеле в зависимости от источников принудительной и свободной конвекции, с учетом теплового сопротивления и депрессии инерционных сил. Показано, что период стабилизации вентиляции в отдельных случаях соизмерим со временем эвакуации пассажиров из тоннеля, что создает дополнительную угрозу их безопасности. Численная модель плоского течения газа в технических и служебных помещениях метрополитена позволяет исследовать поля скоростей при различном распределении и произвольных размерах тепловых источников, как при наличии, так и при отсутствии принудительной вентиляции.

Разработаны математические модели конвективно-диффузионного переноса теплоты в тоннеле метрополитена и распространения компонентов летучих продуктов горения в его газовой среде.

Создана числовая модель конвективно-диффузионного переноса теплоты и токсичных продуктов в воздушных потоках тоннелей метрополитена при пожаре подвижного состава. Установлено, что после прекращения пожара возникает высокотемпературная тепловая волна. Предложено аналитическое решение задачи расчета распределения компонентов летучих продуктов горения в объеме тоннеля, в соответствии с которым дальность и длительность распространения таких продуктов может превышать значения этих показателей для теплового потока.

Предложен алгоритм моделирования динамики изменения зоны поражения пожаром в вентиляционной сети метрополитена.

Экспериментально установлено, что ныне действующие аварийные вентиляционные режимы не соответствуют необходимым требованиям по устойчивости и надёжности проветривания. Они обеспечивают в большинстве случаев скорость движения воздуха в перегонных тоннелях 0,3-0,5 м/с, а на платформах станций - и того меньше. Большинство существующих аварийных режимов характеризуются низкой надёжностью. Это проявляется в том, что при отказе одного из вентиляторов направление движения воздуха в очаге пожара изменяется на противоположное.

Методом компьютерного моделирования и натурными экспериментами выявлены причины низкой эффективности ныне действующих аварийных вентиляционных режимов. Наблюдается несогласованность работы вентиляционных установок, выражающаяся в том, что в одних случаях они направляют воздушные потоки встречно друг к другу, а в других - работают на “разрыв” воздушного потока. В обоих случаях они мешают друг другу, а эффективность использования воздуха составляет лишь 3_10 %.

На основе выполненных исследований разработаны аварийные вентиляционные режимы, превосходящие существующие по основным показателям, а именно: по расходам воздуха в перегонных тоннелях и станционных платформах - в 3-6 раз; по показателю устойчивости проветривания перегонных тоннелей - в 10-20 раз; по управляемости вентиляцией - в 15-30 раз; по разбавлению продуктов горения - в 2,5-5,0 раз; по надёжности (при отказе одного вентиляционного агрегата параметры аварийного режима остаются в допустимых пределах).

При формировании новых аварийных вентиляционных режимов используется то же количество вентиляционных установок, что и при существующих.

Разработаны технические требования и проведена модернизация существующего респиратора на химически связанном кислороде. Время защитного действия модернизированного респиратора составляет не менее 4 часов. Проведены исследования применения модернизированного респиратора РХ-4П для защиты пожарных от воздействия токсичных продуктов горения как одного из опасных факторов в ЗПП метрополитена.

Проведены исследования и разработаны технические требования к автомобилю первой помощи (АПП-2), в которых, наряду с требованием повышенной оперативности и безопасности движения, имеются требования к комплектации и компоновке средствами, обеспечивающими безопасные условия труда пожарных. На протяжении трех лет использования АПП-2 при ликвидации пожаров на различных объектах, в том числе и в метрополитене, было установлено, что время доставки личного состава и эффективных огнетушащих средств сократилось в два раза по сравнению с существующей пожарной техникой. При ликвидации пожаров не было допущено ни одной травмы, ни одного случая поражения органов дыхания или ожогов тела.

Разработаны и используются геоинформационные технологии в системах оперативно-диспетчерского управления в пожарной охране города, радионаблюдения и контроля противопожарной защиты объектов. Они позволяют в 1,5-2 раза уменьшить время свободного развития пожара и тем самым значительно уменьшить ЗПП.

Разработан метод обеспечения безопасности людей при ликвидации пожаров в метрополитене, который заключается в комплексном использовании результатов теоретических исследований ЗПП, аварийных режимов вентиляции метрополитена, технических средств регулирования вентиляционной системы метрополитена, индивидуальных средств защиты органов дыхания (РХ-4П), а также технических решений, направленных на уменьшение ЗПП (АПП-2, радионаблюдение и контроль системы противопожарной защиты объекта, геоинформационной технологии в системах оперативно-диспетчерского управления).

Ключевые слова: аварийные режимы вентиляции, дымоудаление, зона поражения пожаром, охрана труда, токсичные продукты, респираторы, пожарные автомобили.

ABSTRACT

Kosar A.M. Development of method and technical means for ensuring fire safety of people at the time of fire in underground. - Manuscript.

A dissertation for competition of scientific degree of the candidate of engineering sciences by the speciality 05.26.01 - labour protection. - State Makeevskiy research institute for labour safety in mining industry of the Ministry of fuel materials and power engineering of Ukraine, Makeevka, 2002.

The dissertation gives theoretical generalisation and solution of the scientific and technical problem that lies in revelation of specific features of development of fire in underground at the time of combustion involving rolling stock, substantiation of parameters of zone of injury with fire, development of technical means for regulation of ventilation flows and technical means for protection of respiratory organs and emergency delivery of effective fire extinguishing means to the accident site, realisation of new geographical informational technologies in the system of operative dispatcher management of fire service divisions, using radio monitoring for fire-prevention supervision of important objects including underground, creation of method for ensuring safety of people at the time of elimination of fire in underground on this basis.

Results of the work in the form of recommendations are used by state fire service divisions at the time of elimination of fires in subsurface constructions of underground.

Key words: emergency ventilation regimes, smoke removal, zone of injury with fire, labour protection, toxic products, respirators, fire engines.

Размещено на Allbest.ru

...