Підвищення ефективності локалізації пожеж нафтопродуктів на залізничному транспорті

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЦИВІЛЬНОГО ЗАХИСТУ УКРАЇНИ

Спеціальність 21.06.02 - пожежна безпека

УДК 621.3

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЛОКАЛІЗАЦІЇ ПОЖЕЖ НАФТОПРОДУКТІВ НА ЗАЛІЗНИЧНОМУ ТРАНСПОРТІ

Байтала Михайло

Романович

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті цивільного захисту України, МНС України, м. Харків

Науковий керівник:

кандидат психологічних наук, доцент Садковий Володимир Петрович, Національний університет цивільного захисту України МНС України, ректор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Басманов Олексій Євгенович,Національний університет цивільного захисту України МНС України, головний науковий співробітник науково-дослідної лабораторії моніторингу надзвичайних ситуацій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Новак Сергій Вікторович, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, заступник начальника інституту з наукової роботи.

Захист відбудеться "28" квітня 2011 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.707.01 в Національному університеті цивільного захисту Міністерства надзвичайних ситуацій України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету цивільного захисту України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

Автореферат розісланий "26" березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради І.А. Чуб

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Залізничні перевезення є основним способом транспортування вантажів на великі відстані. На їх частку припадає близько 70% усіх перевезень наземним транспортом. Найбільшу небезпеку при транспортуванні являють вибухонебезпечні, вогненебезпечні й отруйні речовини. Аналіз статистики аварій на залізничному транспорті, пов'язаних з пожежами, показує, що близько 80% складають пожежі нафтопродуктів. Такі пожежі характеризуються підвищеною складністю, викликаною скупченням легкозаймистих і горючих рідин і небезпекою поширення пожежі на сусідні цистерни. Тому пожежі нафтопродуктів на залізничному транспорті є одними з найнебезпечніших надзвичайних ситуацій техногенного характеру, здатних призвести не лише до значних матеріальних втрат, але і до людських жертв.

Проектування зливно-наливних естакад, заходи пожежної безпеки при транспортуванні легкозаймистих рідин, дії підрозділів МНС по локалізації і ліквідації пожежі регламентується нормативними документами. Проте, низка аварій супроводжується каскадним поширенням пожежі на сусідні цистерни.

З урахуванням загальносвітової тенденції росту споживання нафтопродуктів (близько 2% на рік), обсяги нафтопродуктів, що транспортуються, будуть лише збільшуватися, приводячи до підвищення пожежної небезпеки.

Процеси горіння рідин досліджувалися В.І. Бліновим, Г.М. Худяковим, В.Ч. Реуттом, І.І. Петровим. Форма факела і теплове випромінювання від нього вивчалося D. Drysdale, Л.М. Куценко, О.П. Созніком. Пожежній безпеці зливно-наливних естакад присвячені роботи О.М. Волкова, Г.А. Проскурякова, локалізації і ліквідації пожеж на рухомому складі й об'єктах залізничного транспорту - роботи С.В. Юхимчука, М.Д. Кацмана, на автомобільному транспорті - роботи Х.І. Ісхакова, Р.Ш. Хабібуліна, Е.М. Логачова.

Існуючі методи оцінки теплового впливу пожежі на цистерну з нафтопродуктом ґрунтуються на спрощеному підході, що припускає рівномірний нагрів частини стінки цистерни, зверненої у бік пожежі. У той же час різний кут падіння променевого теплового потоку на поверхню цистерни призводить до істотно нерівномірного її нагріву. Крім того, в існуючих моделях розглядається лише дві можливості: конвекційний теплообмін з газовим середовищем, яке має температуру полум'я (у випадку контакту полум'я зі стінкою цистерни); конвекційний теплообмін з газовим середовищем, яке має температуру навколишнього середовища (у випадку відсутності контакту стінки цистерни з полум'ям). Можливість теплового впливу конвекційного потоку розігрітого повітря і продуктів горіння від осередку горіння не розглядається.

Сучасний рівень розвитку обчислювальної техніки дозволяє розробити нові підходи до аналізу пожежної ситуації на залізничному транспорті, врахувати її особливості і побудувати математичні моделі, які більш точно описують тепловий вплив пожежі на цистерну з нафтопродуктом. Це дозволить керівникові гасіння пожежі визначити найбільш небезпечні шляхи поширення пожежі і виробити план її локалізації і ліквідації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 р., а також в рамках науково-дослідної роботи «Підвищення ефективності локалізації і ліквідації пожежі в резервуарних парках» (№ ДР 0101U008303), в якій здобувач брав участь у якості виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності локалізації пожеж нафтопродуктів на залізничному транспорті шляхом автоматизації управлінських рішень з використанням математичного опису цих процесів підвищеної точності.

Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних задач.

1. Побудова моделі теплового впливу палаючої рідини, що розлилася, на залізничну цистерну з нафтопродуктом, яка враховує нерівномірність нагріву поверхні цистерни від пожежі, конвекційний і променевий теплообмін цистерни з факелом і навколишнім середовищем.

2. Побудова моделі теплового впливу факела, утвореного висхідними конвекційними потоками, на залізничну цистерну з горючою рідиною, що є узагальненням випадків теплообміну, коли полум'я контактує з цистерною і коли воно не контактує з нею.

3. Побудова імітаційної моделі пожежі на залізничному транспорті, яка дозволяє виявити найбільш небезпечні варіанти розвитку пожежі для рухомої або нерухомої цистерни на відкритій місцевості і для цистерни у вагонному депо.

4. Вироблення рекомендацій керівникові гасіння пожежі по виявленню областей цистерни, що нагріваються до критичних температур і потребують охолодження водними струменями; оцінка граничного часу введення сил і засобів для охолодження цистерни.

5. Розробка програмного комплексу підтримки прийняття рішення керівником гасіння пожежі на залізничному транспорті, викликаної горінням розливу нафтопродукту, і його інтеграція в існуючу АСУ залізничного транспорту.

Об'єктом дослідження є процеси, що відбуваються в цистерні з нафтопродуктом під тепловим впливом пожежі.

Предметом дослідження є дії підрозділів МНС по локалізації пожежі.

Методи дослідження. У роботі використовуються аналітичні і чисельні методи дослідження. Моделювання нагріву цистерни під тепловим впливом пожежі проводилося на основі теорії темпломасопереносу і теорії турбулентних струменів. Для розв'язання системи диференціальних рівнянь теплообміну застосовувалися чисельні методи. Оцінки коефіцієнтів конвекційної тепловіддачі будувалися з використанням методів теорії подібності.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше побудовано математичну модель теплового впливу пожежі палаючої рідини на залізничну цистерну з нафтопродуктом, особливістю якої є врахування нерівномірного нагріву поверхні цистерни шляхом розбиття її на окремі області. Показано, що використання традиційного підходу, що припускає рівномірний нагрів частини поверхні цистерни, зверненої у бік факела, веде до похибки близько 50% при прогнозуванні температури стінки цистерни.

2. Вперше побудовано математичну модель теплового впливу конвекційного висхідного потоку від осередку горіння на цистерну з нафтопродуктом, яка спирається на теорію вільних турбулентних струменів.

3. Вперше побудовано математичну модель теплового впливу пожежі в депо на її початковій стадії на цистерну з горючою рідиною, яка враховує зміну середньооб'ємної температури з часом.

4. Подальший розвиток одержала імітаційна модель пожежі на залізничному транспорті, яка дозволяє виявити найбільш небезпечні варіанти розвитку пожежі, визначити частини цистерн, що нагріваються до критичних температур, і оцінити граничний час введення сил та засобів на їх охолодження.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в роботі моделі, методи і алгоритми є основою для побудови системи підтримки прийняття рішення керівником гасіння пожежі на залізничному транспорті. Програмний комплекс, що їх реалізує, призначено для проведення штабних навчань, розробки оперативних планів пожежогасіння, вироблення плану локалізації і ліквідації пожежі в бойовій обстановці.

Порівняння методів прогнозування розвитку пожежі і вироблення рекомендацій з її локалізації, заснованих на використанні розробленого програмного комплексу і застосування експертного методу, показало, що застосування програмного комплексу дозволяє підвищити ефективність локалізації пожежі на 28%, скоротивши при цьому кількість залучених сил і засобів на 38%.

Впровадження програмного комплексу для розробки планів пожежогасіння на залізничному транспорті в ГУ МНС України в Харківській області дозволило виявити найбільш пожежонебезпечні напрямки і скорегувати існуючі плани пожежогасіння. Навчання, проведені на підставі скорегованих планів, показали, що має місце скорочення витрат води для охолодження цистерн на 32% і особового складу на 26% у порівнянні з вже існуючими планами.

Використання результатів досліджень у виді програмного комплексу при розробці сценарію навчань підрозділів ГУ МНС України в Полтавській області дозволило скоротити час локалізації і ліквідації пожежі на 24% у порівнянні з нормативним.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійної роботи автора. Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному. В роботі [4] розроблено імітаційну модель датчика первинної інформації системи ослаблення надзвичайної ситуації. В [5] побудовано систему рівнянь теплового балансу для цистерни з нафтопродуктом. В [6] побудовано модель теплового впливу висхідних теплових потоків на цистерну з нафтопродуктом.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на постійно діючих науково-технічних семінарах в Університеті цивільного захисту України (Харків, 2007-2009 р.р.); науково-технічній конференції «Об'єднання теорії та практики - застава підвищення боєздатності оперативно-рятувальних підрозділів» (Харків, 2009 р.); науково-практичній конференції «Наглядово-профілактична діяльність МНС України» (Харків, 2009 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 5 статтях у спеціальних наукових виданнях, включених у перелік ВАК, 1 матеріалах науково-технічної конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 154 стор. і включає 47 ілюстрацій, 12 таблиць і 111 використаних джерел інформації.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі проаналізовано сучасний стан пожежної безпеки на залізничному транспорті. Наведено класифікацію цистерн для перевезень горючих та легкозаймистих речовин, проаналізовано аварії, які супроводжувалися розливом і горінням таких речовин. Проведено аналіз моделей горіння рідин і їх теплового впливу на об'єкти залізничного транспорту та особовий склад підрозділів МНС, що приймають участь в локалізації і ліквідації пожежі.

Частка легкозаймистих і горючих речовин складає близько 24% в загальному обсязі перевезень залізничним транспортом. При цьому зазначений клас рідин складається переважно з сирої нафти і нафтопродуктів. Саме тому близько 80% пожеж на залізничному транспорті пов'язано з пожежами нафтопродуктів. При цьому понад 60% пожеж на зливно-наливних естакадах приймають розвитий характер, а близько 30% супроводжуються розповсюдженням вогню по всій естакаді з охопленням вогнем цистерн, що знаходяться на ній. Отже, першочерговою задачею підрозділів МНС є локалізація пожежі, тобто недопущення її розповсюдження на споруди і рухомий склад. В спеціальній літературі наводиться характерний критичний час теплового впливу пожежі, здатний призвести до вибуху цистерни, втрати герметичності запірною арматурою, деформації рейок тощо, але такі оцінки не враховують площу горіння, вид речовини, що горить, відстань до осередку горіння, напрямок та швидкість вітру, що нахиляє факел.

Нормативними документами регламентується подача води на охолодження цистерн та інших типів вагонів, що є основою для прийняття рішення керівником гасіння пожежі щодо кількості стволів, які виділяються на охолодження тих або інших об'єктів, а також для розрахунку фактичних витрат води. Труднощі для керівника гасіння пожежі на етапі локалізації пожежі становить визначення цистерн, які підлягають охолодженню. При достатньому запасі сил та засобів можна забезпечити охолодження якомога більшої кількості об'єктів, але на початковій стадії, коли має місце дефіцит сил та засобів, визначення цистерн, що найбільше наражаються на небезпеку, і оцінка граничного часу їх евакуації або початку охолодження стає особливо важливим.

Існуючі на сьогодні моделі теплового впливу пожежі на цистерну з горючою рідиною виходять із припущення про рівномірність теплового потоку випромінюванням, що падає на частину стінки цистерни, оберненої в бік пожежі, і, отже, рівномірного нагріву цієї частини стінки. Це справедливо у випадку, коли розмір цистерни є набагато меншим порівняно з відстанню до осередку пожежі, в протилежному випадку такий підхід призводить до суттєвої похибки в оцінці щільності теплового потоку. В якості приклада на рис. 1 наведено зміну коефіцієнта опромінення по довжині цистерни, який обчислено вздовж прямої, утвореної боковою поверхнею цистерни і її перерізом горизонтальною площиною, що проходить через вісь цистерни. Початок координат співпадає з серединою цистерни; відстань від цистерни до центра розливу 8 м; діаметр розливу 6 м; висота факела 7,2 м.

Із аналізу рис. 1 випливає, що припущення про рівномірний тепловий потік по всій довжині цистерни призводить до похибки до 35%. Існуючі моделі теплового впливу пожежі на цистерни або вертикальні сталеві резервуари розглядають конвекційний теплообмін стінки з газовим середовищем, що має температуру навколишнього середовища (якщо факел не торкається стінки) або температуру полум'я (якщо факел торкається стінки). Це означає, що в першому випадку не враховується можливість контакту стінки з розігрітим повітрям і продуктами горіння. В такій ситуації модель буде давати занижене розрахункове значення температури, що загрожує небезпечними наслідками.

За результатами аналізу сформульовано задачі дослідження та розглянуто особливості їх розв'язання.

В другому розділі побудовано математичну модель теплового впливу пожежі розлитої горючої рідини на цистерну з нафтопродуктом. Особливістю моделі є врахування нерівномірного нагріву цистерни.

В роботі сформульовано і обґрунтовано припущення, на які спирається математична модель нагріву цистерни з нафтопродуктом під тепловим впливом пожежі.

Для врахування нерівномірного нагріву поверхні цистерни умовно розділимо її на окремі області за допомогою вертикальних площин, розташованих на однаковій відстані одна від одної перпендикулярно вісі циліндра, і горизонтальних площин (рис. 2), розташованих таким чином, що всі області на боковій поверхні циліндра мають рівну площу. Таким чином, одержимо областей на кожній половині сухої (такої, що не контактує з нафтопродуктом) частини бокової поверхні циліндра і по одній області на основах циліндра, тобто разом областей.

Для кожної з областей має місце рівняння теплового балансу:

, ,

де ; - ступінь чорноти поверхні цистерни; , - теплоємність і щільність сталі; - товщина стінки цистерни; - площа області ; - температура області ; - площа взаємного опромінення між областями та ; - температура навколишнього середовища; - ступінь чорноти поверхні нафтопродукту; , - площі взаємного опромінення області з нафтопродуктом і факелом відповідно; , - ступінь чорноти і температура факела; - температура пароповітряної суміші в газовому просторі резервуара; , - коефіцієнти конвекційного теплообміну стінки цистерни з пароповітряною сумішшю і навколишнім середовищем відповідно.

Температура пароповітряної суміші в газовому просторі резервуара описується рівнянням

,

де , -теплоємність і щільність пароповітряної суміші; - об'єм газового простору цистерни; - площа дзеркала нафтопродукту в цистерні; - коефіцієнт конвекційного теплообміну поверхні нафтопродукту з пароповітряною сумішшю.

Система диференціальних рівнянь (1)-(2) разом з початковою умовою дозволяє знайти розподіл температури по сухій стінці цистерни в довільний момент часу .

Площі взаємного опромінення, що входять до рівняння (1), визначаються за формулою:

,

де , - поверхні, для яких обчислюється площа взаємного опромінення; - радіус-вектор, що з'єднує дані точки поверхонь; , - кут між радіус-вектором і нормальними векторами до поверхонь і у даних точках відповідно. В роботі показано, що в ряді випадків чотирикратний інтеграл (3) може бути зведений до однократного або двократного інтеграла.

Для оцінки коефіцієнтів конвекційного теплообміну з пароповітряною сумішшю і навколишнім середовищем використовувалися критеріальні рівняння:

,

,

де , , , - числа Нусельта, Грасгофа, Прандтля і Рейнольдса відповідно. Формула (4) використовувалася для оцінки коефіцієнта конвекційного теплообміну в умовах вільної конвекції (за відсутності вітру), а формула (5) - в умовах вимушеної конвекції (за наявності вітру).

Підстановка виразів для зазначених чисел подібності дає для вільної конвекції

,

де , , - температура, теплопровідність і кінематична в'язкість повітря (або пароповітряної суміші); - температура стінки цистерни. Для вимушеної конвекції, коли напрямок вітру перпендикулярний до вісі цистерни:

,

де - швидкість вітру; - діаметр цистерни.

Рівняння теплового балансу для змоченої стінки цистерни (такої, що контактує з нафтопродуктом) має вигляд:

.

де - температура стінки в даній точці; - коефіцієнт опромінення факелом в даній точці; - коефіцієнт конвекційного теплообміну між стінкою цистерни і нафтопродуктом. Розв'язання диференціального рівняння (8) з початковою умовою дозволяє знайти температуру змоченої стінки цистерни в довільний момент часу.

В третьому розділі проводиться імітаційне моделювання пожежонебезпечних ситуацій на залізничному транспорті, обумовлених горінням розлитого нафтопродукту.

Рівняння теплового балансу (1), (2), (8) містять параметри, які залежать від взаємного розташування цистерни і факела (площі взаємного опромінення), швидкості цистерни (коефіцієнт конвекційного теплообміну з навколишнім середовищем). Крім того, у випадку, коли цистерна рухається, площі взаємного опромінення змінюються з часом. Таким чином, імітаційна модель пожежі на залізничному транспорті має включати в себе розташування та геометричні параметри факелу, закон руху цистерни, напрямок та швидкість вітру.

Завдання вказаного комплексу параметрів дозволяє знайти площі взаємного опромінення і коефіцієнти конвекційного теплообміну, що дає можливість розв'язати систему рівнянь теплового балансу. Обчислення площ взаємного опромінення і розв'язання системи диференціальних рівнянь проводилося чисельними методами.

Проведений в роботі аналіз показав, що для врахування нерівномірного нагріву поверхні цистерни достатньо обирати такі значення параметрів розбиття , , щоб довжина області вздовж вісі циліндра складала близько , а вздовж його окружності - . В якості приклада на рис. 4 наведено розподіл температури по сухій частині бокової стінки цистерни моделі 15-890 (діаметр 2,8 м, довжина 10,3 м) внаслідок теплового впливу пожежі розливу бензину діаметром 3 м. Рівень нафтопродукту в цистерні - 2 м; центр розливу розташований на відстані 5 від нижньої точки цистерни перпендикулярно її напрямку (рис. 3); напрямок вісі співпадає з напрямком вісі (рис. 3), а кут відкладається від до .

Аналіз поверхні на рис. 4 свідчить про нерівномірний нагрів стінки цистерни, зверненої в бік пожежі. Припущення про рівномірний нагрів всієї цієї стінки, характерне для існуючих на сьогодні моделей, призводить до похибки близько 50% при прогнозуванні температури стінки (рис. 5).

Для оцінки температури висхідних конвекційних потоків над осередком горіння ї їх теплового впливу на цистерну була використана теорія вільних турбулентних струменів з припущенням, що із області розливу вертикально вгору виходить вісєсиметричний струмінь, що має температуру факелу і початкову швидкість . Це дозволяє одержати оцінки розподілу швидкості і температури по струменю.

Побудована модель може бути використана і для оцінки теплового впливу на цистерну при пожежі в депо. В цьому випадку температура навколишнього середовища буде дорівнювати температурі в зоні цистерни і функціонально залежати від часу: . Ідентифікація такої залежності може бути проведена за допомогою відомих моделей пожежі в приміщенні. тепловий термальний пожежа залізничний

Для перевірки адекватності побудованих моделей було проведено експеримент, в ході якого досліджувався тепловий вплив пожежі розливу бензину на цистерну, виконану у вигляді сталевого циліндра діаметром , довжиною и і товщиною стінки , і заповнену водою до рівня . Горіння бензину відбувалося в прямокутному піддоні , розташованому на відстані від цистерни. Порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними наведено на рис. 6.

Аналіз одержаних результатів свідчить про те, що на початковій стадії (до 5 хв.) похибка складає до 24%; на інтервалі 5-10 хв. - до 17%; при виході на усталений режим - (після 10 хв.) - близько 8%. При цьому середня похибка складає близько 13%.

В четвертому розділі проведено реалізацію побудованих моделей у вигляді програмного комплексу і його інтеграцію в існуючу систему підтримки прийняття рішення керівником гасіння пожежі на залізничному транспорті.

Розглянуті вище моделі теплового впливу пожежі нафтопродукту на цистерну реалізовано у вигляді програмного комплексу, призначеного для підтримки прийняття рішення радіотелефоністом при надходженні сигналу про пожежу, керівником гасіння пожежі в бойовій обстановці, при розробці карток гасіння пожежі під час побудови оперативних планів пожежогасіння, при проведенні штабних навчань.

На сьогоднішній день АСУ залізничним транспортом автоматизує процес збору даних про обстановку на місці аварії. Оцінка варіантів розвитку пожежі, зокрема, загрози вибуху пароповітряної суміші в газовому просторі цистерни, розгерметизації запірних приладів і витікання горючої рідини з цистерни, відбувається на підставі інструкцій, рекомендацій, довідників. Саме на цьому етапі доцільно використовувати розроблений програмний комплекс. При надходженні виклику начальник караулу разом з карткою гасіння пожежі отримує від радіотелефоніста на змінному носії або по безпровідній мережі файл з вихідними даними щодо ситуації на місці аварії.

Начальник караулу під час слідування до місця виклику проводить попередню оцінку ситуації, виявляючи найбільш небезпечні напрямки розвитку пожежі і визначаючи першочергові задачі щодо локалізації пожежі. Після прибуття на місце і проведення розвідки у вихідні дані вносяться уточнення і корегуються попередньо визначені бойові задачі. В ході локалізації та ліквідації пожежі програмний комплекс використовується керівником гасіння пожежі для моніторингу обстановки на пожежі.

Загальний вигляд програмного комплексу наведено на рис. 7.

Візуальне відображення результатів моделювання аварії: 1 - табличне представлення вихідних даних; 2 - напрямок і швидкість вітру; 3 - цистерна і області на її стінці, що отримують найбільший тепловий вплив; 4 -розлив, що горить, і графічне відображення щільністю теплового потоку від нього; 5 - відповідність між температурою стінки цистерни та її кольором; 6 - відповідність між щільністю теплового потоку від пожежі та її кольором

Проведений аналіз модельних надзвичайних ситуацій на залізничному транспорті, пов'язаних з пожежами розливів нафтопродуктів, засвідчив що висновки експертів стосовно можливості вибуху цистерни, спалахування парів на виході з її дихальних пристроїв або розгерметизації запірної арматури внаслідок теплового впливу пожежі досить добре збігаються з результатами імітаційного моделювання. При цьому у випадку відсутності вітру всі експерти одностайно вказали цистерну, якій загрожує вказана небезпека. Важкими для експертів виявилися питання щодо граничного часу початку охолодження і щодо можливості евакуації цистерни, в ході якого вона тимчасово наближалася до осередку горіння: 86% експертів відповіли, що вони не проводили б евакуацію, оскільки не можуть визначити наслідків такої дії. Але найбільшу складність для експертів мала ситуація, коли факел відхилявся під впливом вітру: у 42% експерти залишили без охолодження одну з цистерн, отже мало відбутися розповсюдження пожежі на неї. В середньому, використання програмного комплексу дозволило на 28% підвищити ефективність локалізації пожежі, тобто уникнути розповсюдження пожежі на сусідні цистерни. При цьому вдалося скоротити кількість залучених сил та засобів на 38%.

ВИСНОВКИ

У роботі одержано нові науково обґрунтовані результати, які у сукупності забезпечують розв'язання науково-практичної задачі підвищення ефективності локалізації пожеж нафтопродуктів на залізничному транспорті шляхом автоматизації управлінських рішень з використанням математичного опису цих процесів підвищеної точності.

1. Побудовано математичну модель теплового впливу пожежі горючої рідини на залізничну цистерну з горючою рідиною, яка враховує нерівномірність нагріву її поверхні. Модель враховує теплообмін цистерни випромінюванням і конвекцією з пожежею і навколишнім середовищем. Модель дозволяє одержати розподіл температур по поверхні цистерни в довільний момент часу. Показано, що використання традиційного підходу, що припускає рівномірний нагрів поверхні цистерни, зверненої у бік факела, веде до похибки близько 50% при прогнозуванні температури стінки цистерни.

2. З використанням теорії турбулентних струменів побудовано модель теплового впливу факела, сформованого висхідними потоками, на залізничну цистерну. Її особливістю є врахування променевого і конвекційного теплообміну цистерни з пожежею. Дана модель є узагальненням граничних випадків: променевий теплообмін з факелом, віддаленим від цистерни, і теплообмін з полум'ям, яке контактує з цистерною.

3. Експериментальна перевірка побудованої моделі засвідчила, що середня похибка при прогнозуванні максимальної температури цистерни складає близько 13%, а максимальна похибка не перевищує 24%.

4. Побудовано імітаційну модель пожежі на залізничному транспорті, яка дозволяє виявити найбільш небезпечні варіанти розвитку пожежі в різних умовах: для цистерни на відкритій місцевості, що рухається або не рухається, для цистерни у вагонному депо. В її основі лежить розв'язання системи рівнянь теплового балансу цистерни чисельними методами.

5. Проведене імітаційне моделювання пожежі засвідчило, що у всіх випадках найбільшій небезпеці піддається суха стінка цистерни, нагрів якої до температури самоспалахування парів рідини може призвести до вибуху пароповітряної суміші в газовому просторі цистерни, або виникненню факельного горіння парів горючої рідини на дихальних пристроях. Побудована модель дозволяє виявити ділянки стінки, що нагріваються до критичної температури, і оцінити граничний час введення сил та засобів для початку охолодження цистерни.

6. Показано, що при пожежі у вагонному депо тепловий вплив на цистерну є більш інтенсивним порівняно з аналогічною пожежею, але на відкритій місцевості. Причиною тому є зростання температури повітря в приміщенні. З іншого боку, таке зростання температури є джерелом інформації про небезпечний фактор пожежі по температурі для датчиків первинної інформації системи ослаблення наслідків надзвичайної ситуації

7. Розроблено програмний комплекс моделювання і підтримки прийняття рішення при пожежі на залізничному транспорті, пов'язаної з горінням розливу горючої рідини. Програмний комплекс призначено для проведення штабних навчань, розробки оперативних планів пожежогасіння, вироблення плану локалізації і ліквідації пожежі в бойовій обстановці.

8. Порівняння методів прогнозування розвитку пожежі і вироблення рекомендацій з її локалізації, заснованих на використанні програмного комплексу і застосуванні експертного методу, показало, що використання розробленого програмного комплексу дозволяє підвищити ефективність локалізації пожежі на 28%, скоротивши при цьому кількість залучених сил та засобів на 38%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Байтала М.Р. Идентификация параметров модели чрезвычайной ситуации на железнодорожном транспорте / М.Р. Байтала // Проблеми надзвичайних ситуацій. Зб. наук. праць УЦЗ України. - Х.: УЦЗУ, 2009. - Вип. 10. - С. 38-43.

2. Байтала М.Р. Математическая модель нагрева смоченной стенки цистерны с нефтепродуктом / М.Р. Байтала, И.Я. Криса // Проблемы пожарной безопасности. - Х.: УГЗУ, 2009. - Вып. 26. - С. 12-17.

3. Байтала М.Р. Математична модель пожежі нафтопродукту на залізничному транспорті / М.Р. Байтала // Пожежна безпека: теорія і практика: Збірник наукових праць. - Черкаси: АПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2009. - №4. - С. 10-13.

4. Садковой В.П. Имитационное моделирование процесса определения динамического параметра датчика первичной информации системы ослабления последствий аварии / В.П. Садковой, В.В. Коврегин, М.Р. Байтала // Проблеми надзвичайних ситуацій. - Х.: УЦЗУ, 2008. - Вип. 7. - С. 105-110.

5. Садковой В.П. Моделирование теплового воздействия пожара на цистерну с нефтепродуктом / В.П. Садковой, М.Р. Байтала // Об'єднання теорії і практики - залог підвищення оперативно-рятувальних підрозділів. Матеріали науково-технічної конференції. - Х.: НУЦЗУ, 2009. - С. 170-171.

6. Байтала М.Р. Тепловое воздействие факела, формируемое восходящими потоками, на цистерну с нефтепродуктами / М.Р. Байтала, В.П Садковой // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: НУГЗУ, 2010. - Вып. 28. - С. 27-32.

АНОТАЦІЯ

Байтала М.Р. Підвищення ефективності локалізації пожеж нафтопродуктів на залізничному транспорті. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. Національний університет цивільного захисту України, Харків, 2011.

В дисертації запропоновано та обґрунтовано підхід щодо прийняття управлінських рішень при локалізації пожежі нафтопродукту на залізничному транспорті. Побудовано математичну модель нагріву цистерни з нафтопродуктом під тепловим впливом пожежі, яка враховує нерівномірність її нагріву. Модель дозволяє отримати розподіл температур по поверхні цистерни в довільний момент часу. Показано, що використання традиційного підходу, заснованого на припущенній про рівномірний нагрів поверхні цистерни, призводить до похибки близько 50% при оцінці температури цистерни. Побудовано модель теплової дії на цистерну потоків нагрітого повітря та продуктів горіння, що підіймаються над осередком горіння. Експериментальна перевірка моделі засвідчила середню похибку при оцінці температури близько 13%. Побудовано імітаційну модель пожежі на залізничному транспорті, яка дозволяє визначити найнебезпечніші варіанти розвитку пожежі в різних умовах: для цистерни на відкритій місцевості, яка рухається або не рухається; для цистерни в депо. Розроблено програмний комплекс, який реалізує побудовані моделі і призначений для проведення штабних навчань, побудови оперативних планів пожежогасіння, розробки плану локалізації та ліквідації пожежі в бойовій обстановці. Порівняння методів прогнозування розвитку пожежі і розробки рекомендацій щодо її локалізації, заснованих на використанні програмного комплексу і застосуванні експертного метода, показало, що використання програмного комплексу дозволяє підвищити ефективність локалізації пожежі на 28%, скоротивши при цьому кількість сил та засобів на 38%.

Ключові слова: залізничний транспорт, розлив нафтопродукту, нагрів цистерни, локалізація пожежі.

Baytala M.R. Improving localization of oil fires at the rail transport. - Manuscript.

Thesis for the candidate degree of technical science on the specialty 21.06.02 - “Fire safety”. National Civil Defense University of Ukraine, Kharkiv, 2011.

The approach concerning making of the administrative decisions of localization of oil fires at the rail transport is offered and proved in this thesis. A mathematical model of heating tanks under thermal flow of fire is constructed. The unique feature of model is irregular heating of the tank. The model allows obtaining the temperature distribution on the surface of the tank at any time. It is shown that using a traditional approach for estimating the temperature of the tank based on the assumption of regular surface heating of the tank resulting in about 50% error. The model of tank heating under the flow of heated air and combustion products raise above the center of burning is constructed. Experimental verification of the model showed that error is about 13%. Simulation model of fires in railway transport which allows specifying fires scenarios in different conditions: for moving and not moving tanks at the open area, for the tank depot is constructed. A software package that implements these models is built. It designed for staff training, building operational plans of fire extinguishing, plan of localization and liquidation of fire. Comparison of prediction methods of fire spreading and development recommendations for its localization based on the software package and on the expert methods showed that the using the software package improves fire localization efficiency at 28% and reduces the number of man and power facilities at 38%.

Keywords: rail transport, leaks of petroleum, heating of tank, fire localization.

Байтала М.Р. Повышение эффективности локализации пожара нефтепродуктов на железнодорожном транспорте. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - пожарная безопасность. Национальный университет гражданской защиты Украины, Харьков, 2011.

В диссертации предложен и обоснован подход по принятию управленческих решений при локализации пожара нефтепродукта на железнодорожном транспорте.

В первом разделе проанализировано современное состояние пожарной безопасности на железнодорожном транспорте. Приведена классификация грузов, перевозимых железнодорожным транспортом, проанализирована статистика пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей. Рассмотрены модели теплового воздействия пожара на цистерны с нефтепродуктом и последствия такого воздействия. Основным недостатком существующих на сегодня моделей является предположение о равномерном нагреве части цистерны, обращенной в сторону факела, отсутствие учета теплового воздействия на цистерну поднимающихся от очага горения конвективных потоков, образованных разогретым воздухом и продуктами горения.

Во втором разделе построена математическая модель теплового воздействия пожара разлива горючей жидкости на цистерну с нефтепродуктом, учитывающая неравномерность нагрева ее поверхности. Модель учитывает теплообмен излучением и конвекцией. Построенная система уравнений теплового баланса позволяет получить распределение температур по поверхности цистерны в произвольный момент времени. Модель используется для прогнозирования времени достижения цистерной температуры самовоспламенения нефтепродукта. Показано, что предположение о равномерном нагреве ведет к ошибке при прогнозировании температуры до 50%.

В третьем разделе построена имитационная модель пожара на железнодорожном транспорте, предназначенная для выявления наиболее опасных вариантов развития пожара в различных условиях: для подвижного и неподвижного состава на открытой местности, для цистерны в вагонном депо. С использованием теории свободных турбулентных струй построена модель теплового воздействия на цистерну восходящих над очагом горения конвективных потоков, образованных нагретым воздухом и продуктами горения. Эксперимент, проведенный для проверки адекватности построенных моделей, показал, что средняя погрешность при оценке температуры стенки цистерны составляет около 13%.

В четвертом разделе проведена реализация рассмотренных в работе моделей, методов и алгоритмов в виде программного комплекса, предназначенного для проведения штабных учений, разработки оперативных планов пожаротушения, выработки плана локализации и ликвидации пожара в боевой обстановке. Показана интеграция разработанного программного комплекса в существующую на железнодорожном транспорте систему поддержки принятия решения руководителем тушения пожара. Показано, что применение программного комплекса позволяет на 28% повысить эффективность локализации пожара по сравнению с экспертным методом, основанным на существующих инструкциях и рекомендациях, сократив при этом количество используемых сил и средств на 38%.

Ключевые слова: железнодорожный транспорт, разлив нефтепродукта, нагрев цистерны, локализация пожара.

Размещено на Allbest.ru

...