Локалізація пожеж розливів нафтопродуктів у резервуарних парках

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ ТА У СПРАВАХ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕННЯ ВІД НАСЛІДКІВ ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ КАТАСТРОФИ

УНІВЕРСИТЕТ ЦИВІЛЬНОГО ЗАХИСТУ УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Локалізація пожеж розливів нафтопродуктів у резервуарних парках

Спеціальність 21.06.02 - Пожежна безпека

Улинець Ернест Михайлович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Університеті цивільного захисту України, МНС України, м. Харків

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Абрамов Юрій Олексійович,

Університет цивільного захисту України МНС України,

головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Алексієв Олег Павлович,

Харківський національний автомобільно-дорожний університет МОН України,

завідувач кафедри мехатроніки;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Новак Сергій Вікторович,

Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, нафтопродукт полум'я конвекційний резервуар

заступник начальника інституту з наукової роботи.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Резервуарні парки є основним місцем зберігання сирої нафти і нафтопродуктів на нафтопереробних заводах, перевалочних і розподільних нафтобазах, підприємствах автомобільного, залізничного, водного, повітряного транспорту. Скупчення легкозаймистих і горючих рідин на відносно невеликій площі резервуарного парку приводить до підвищеної пожежної небезпеки таких об'єктів. Розлив і займання нафтопродукту є однією з найнебезпечніших надзвичайних ситуацій, здатних привести не лише до значних матеріальних втрат, а й до людських жертв. Ситуація ускладнюється й економічно обумовленою тенденцією переходу до резервуарів більшого об'єму, що призводить до збільшення об'єму горючих рідин, який припадає на одиницю площі. Це, у свою чергу, підвищує небезпеку поширення пожежі на сусідні резервуари у разі відсутності своєчасної локалізації і ліквідації осередку горіння.

Проектування резервуарних парків, заходи пожежної безпеки, дії підрозділів МНС по локалізації і ліквідації пожежі регламентуються рядом нормативних документів. Але, незважаючи на заходи, що приймаються, кількість пожеж за останні 30 років залишається практично незмінною: протягом року на території СНД відбувається в середньому 12 великих пожеж. З них в Україні - 2 пожежі в 3 роки. При цьому кожна четверта пожежа закінчується повним вигорянням нафтопродукту.

З огляду на зазначену тенденцію до укрупнення резервуарів, ріст споживання нафти і нафтопродуктів в Україні (близько 5% щорічно) і взагалі у світі (близько 2% щорічно), така ситуація буде тільки ускладнюватися.

Процеси горіння рідин досліджувалися В.І. Бліновим, Г.М. Худяковим, В.Ч. Реуттом, І.І. Петровим. Питанням пожежної безпеки резервуарних парків присвячені роботи О.М. Волкова, Г.А. Проскурякова, М.Г. Топольского, А.Ф. Федорова, Ю.О. Абрамова, О.Є. Басманова, D. Burgess, G. Markstein. Форма факела і тепловий потік від нього досліджувався D. Drysdale, Л.М. Куценко, О.П. Созніком, питання теплообміну досліджувалися в роботах Х.І. Ісхакова, Р.Ш. Хабібуліна, С.В. Пузача, гасіння пожеж нафтопродуктів піною розглянуте А.Ф. Шароварниковим, В.П. Молчановим, С.С. Воєводою.

В існуючих на сьогодні роботах розглядаються моделі, що описують горіння нафти і нафтопродуктів у резервуарах, що мають поверхню горіння у виді кола. Зазначені моделі можуть бути застосовані до розливів лише кругової або близької до неї форми. В іншому випадку, такий підхід виявляється занадто грубим. Важливим частинним випадком пожежі розливу є пожежа в обвалуванні резервуара. У цьому випадку застосування традиційних моделей виявляється неможливим через зміну форми факела, а, значить, і теплового потоку від нього, при його контакті з резервуаром і у зв'язку з особливостями обтікання резервуара повітряним потоком в умовах вітру.

Таким чином, ефективне використання сил та засобів підрозділів МНС для локалізації пожежі розливу нафтопродукту є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт Університету цивільного захисту України в рамках науково-дослідної роботи «Підвищення ефективності локалізації і ліквідації пожежі в резервуарних парках» (№ ДР 0101U008303), у якій здобувач брав участь в якості виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності локалізації пожежі розливу нафтопродукту в резервуарному парку шляхом збільшення точності математичного опису цих процесів і автоматизації управлінських рішень.

Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних задач.

1. Побудова математичної моделі випромінюючої поверхні полум'я над розливом нафтопродукту довільної форми, яка враховує вплив вітру і контакту зі стінкою резервуара на форму полум'я.

2. Побудова й експериментальна перевірка математичної моделі теплового випромінювання від розливу нафтопродукту довільної форми, що горить.

3. Побудова математичної моделі теплового впливу пожежі нафтопродукту в обвалуванні на вертикальний сталевий резервуар, яка враховує конвекційний і променевий теплообмін резервуара з факелом і навколишнім середовищем.

4. Реалізація розроблених математичних моделей, методів і алгоритмів у вигляді програмного комплексу, призначеного для оцінки теплового впливу пожежі розливу нафтопродукту на сусідні резервуари, особовий склад і техніку, що приймають участь у його локалізації і ліквідації.

5. Розробка рекомендацій керівнику гасіння пожежі по застосуванню програмного комплексу для підтримки ухвалення рішення, як при розробці оперативних планів пожежегасіння під час штабних навчань, так і в бойових умовах при локалізації і ліквідації пожежі.

Об'єктом дослідження є пожежі розливів нафтопродуктів у резервуарних парках.

Предметом дослідження є тепловий вплив пожеж розливів нафтопродукту на технологічні споруди резервуарного парку, особовий склад підрозділів МНС.

Методи дослідження. У роботі використовуються аналітичні і чисельні методи досліджень. Побудова випромінюючої поверхні над розливом нафтопродукту, що горить, проводилася методами геометричного моделювання. Для врахування впливу повітряного потоку, що обтікає резервуар, на форму полум'я в обвалуванні резервуара застосовувалися методи теорії гідродинаміки. Моделювання нагріву резервуара з нафтопродуктом під тепловим впливом пожежі проводилося на основі теорії тепломасопередачі. Для розв'язання системи диференціальних рівнянь теплообміну застосовувалися чисельні методи.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше побудовано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я над вільним розливом нафтопродукту довільної форми, в якій представлення поверхні полум'я здійснюється за допомогою утворюючих, нахилених під рівним кутом до горизонтальної площини.

2. Вперше побудовано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я над розливом нафтопродукту, який контактує з вертикальною перешкодою. Модель враховує відсутність припливу кисню з боку перешкоди, що приводить до більш пізнього згорання парів горючої рідини, які піднімаються з поверхні нафтопродукту.

3. Подальший розвиток одержали методи врахування впливу вітру на нахил факела: запропонована емпірична залежність висоти факела від швидкості вітру.

4. Вперше побудовано математичну модель теплового випромінювання від розливу нафтопродукту довільної форми, що горить.

5. Вперше запропоновано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я поблизу циліндричного резервуара (РВС), яка базується на турбулентному обтіканні резервуара повітряним потоком.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені моделі, методи, алгоритми є основою для побудови системи підтримки ухвалення рішення керівником гасіння пожежі. Побудований на їх основі програмний комплекс охоплює розробку оперативних планів пожежегасіння під час штабних навчань, розробку планів локалізації і ліквідації пожежі в бойовій обстановці, моніторинг надзвичайної ситуації в ході локалізації і ліквідації пожежі.

Моделі теплового впливу пожежі на резервуари з нафтопродуктами, методи розрахунку температур сусідніх з пожежею резервуарів, методи розрахунку максимально припустимого часу введення сил і засобів для охолодження резервуарів, автоматизований програмний комплекс моделювання пожежі в обвалуванні резервуара були впроваджені в ГУ МНС України в Харківській області. Розроблені моделі були використані при розробці сценарію комплексних навчань підрозділів ГУ МНС України в Харківській області на полігоні в м. Мерефа. При розробці сценарію навчань визначалися найбільш пожежонебезпечні напрямки і з врахуванням цього проводився розрахунок сил і засобів для локалізації пожежі. Використання отриманих у роботі результатів дозволило скоротити час локалізації пожежі на 28% у порівнянні з нормативним.

Моделі пожеж розливів нафтопродуктів, алгоритми розрахунку температур сусідніх з пожежею резервуарів, оцінки теплового впливу пожежі на особовий склад підрозділів МНС, що приймають участь у локалізації і ліквідації пожежі, у вигляді програмного комплексу були впроваджені в ГУ МНС України в Черкаській області. На їх підставі були сформовані вимоги до розробки планів пожежогасіння на підприємствах. Навчання, проведені на підставі скорегованих планів, показали зменшення часу на локалізацію пожежі на 15-20%.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійної роботи автора. В роботі [2] побудовано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я при горінні нафтопродукту в обвалуванні вертикального сталевого резервуара. В [1], [3] розглянуто вплив вітру на форму випромінюючої поверхні полум'я при горінні вільного розливу нафтопродукту і розливу в обвалуванні резервуара. В роботах [6], [4] побудовано математичну модель теплового впливу пожежі в обвалуванні на резервуар з нафтопродуктом. В [5] запропоновано схему використання програмного комплексу оцінки теплового впливу пожежі для підтримки ухвалення рішення керівником гасіння пожежі в бойовій обстановці і моніторингу надзвичайної ситуації в ході локалізації і ліквідації пожежі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на постійно діючих науково-технічних семінарах в Університеті цивільного захисту України (Харків, 2007-2008 р.р.); шостій міжнародній науково-практичній конференції «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и локализация» (Мінськ, 2008 р.); другій міжнародній науково-практичній конференції «Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту» (Черкаси, 2008 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 5 статтях у спеціальних наукових виданнях, включених до переліку ВАК, 2 тезах доповідей і матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 158 стор. і включає 62 рис. та 5 табл.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі проаналізовано сучасний стан пожежної безпеки в резервуарних парках. Наведено класифікацію резервуарних парків і резервуарів для зберігання нафти і нафтопродуктів, проаналізовано статистику пожеж. Проведено аналіз моделей горіння нафтопродуктів та методів оцінки їх теплового впливу на споруди резервуарного парку і особовий склад підрозділів МНС, що приймають участь у локалізації і ліквідації пожежі.

Для зберігання нафти і нафтопродуктів використовуються, головним чином, вертикальні сталеві резервуари (РВС). У зв'язку з їх поширеністю саме на них припадає близько 90% пожеж в резервуарних парках. При цьому понад 50% складають пожежі бензину, близько 33% - сирої нафти, близько 15% - мазут, гас, дизельне паливо та інші нафтопродукти.

Наведені в нормативних документах алгоритми розрахунку сил та засобів для локалізації і ліквідації пожежі в резервуарному парку спираються на спрощену модель, яка припускає горіння в резервуарі за відсутності вітру і не враховує особливостей рідини, що горить (висоти факела, його температури і ступеня чорноти). Аналіз пожеж показує, що в ряді випадків для локалізації і ліквідації пожежі доводилося підвищувати інтенсивність подачі води на охолодження у порівнянні з нормативною у 2,5-3 рази, вогнегасних засобів - в 2,5-4 рази. Отже існуючі на сьогодні рекомендації щодо розрахунку сил та засобів для локалізації пожежі розливу нафтопродукту в резервуарному парку є недостатньо ефективними.

Горіння рідини являє собою дифузійне горіння її парів у повітрі. При цьому певна форма факела (конус) існує лише для невеликих осередків горіння (діаметром до 0,3 м). При більших діаметрах осередку горіння носить турбулентний характер, форма факела постійно змінюється. Тому при моделюванні теплового випромінювання від факелу, як правило, розглядають його у вигляді конуса. Для розливів горючої рідини приймають їх форму у вигляді кола, площа якого дорівнює площі розливу. Однак такий підхід може бути застосований лише для розливів кругової або близької до кругової форми, в іншому ж разі таке наближення буде занадто грубим. Зокрема, важливим частинним випадком є пожежа в обвалуванні резервуара - розлив контактує з резервуаром і має неопуклу форму. Крім того, контакт розливу з вертикальною перешкодою у вигляді стінки резервуара, призводить до відсутності притоку кисню в зону горіння з цього боку і витягуванню полум'я вздовж стінки.

На форму випромінюючої поверхні при пожежі в обвалуванні впливає і викривлення ліній току при обтіканні повітряним потоком резервуара в умовах вітру. При цьому в кожній точці в околі резервуара швидкість повітряного потоку буде відрізнятися не лише напрямком, а й величиною. В той же час існуючі моделі впливу вітру на факел виходять із постійної за напрямком і величиною швидкості вітру і не враховують впливу можливих перешкод на лінії току.

Вплив пожежі на сусідні резервуари в існуючих моделях розглядається для випадку горіння нафтопродукту в резервуарі. При горінні в обвалуванні окрім вказаних вище особливостей необхідно також враховувати конвекційний теплообмін резервуара с осередком пожежі.

Математичні моделі, що описують теплові процеси при пожежі, характеризуються складністю і великими об'ємами обчислень. Отже їх використання неможливо без відповідного програмного забезпечення, яке реалізує дані моделі. На сьогоднішній день існує ряд програмних продуктів, орієнтованих на моделювання тих або інших надзвичайних ситуацій техногенного характеру, в тому числі і пожеж в резервуарах нафтопродуктів. Основна проблема з їх застосуванням полягає в тому, як їх використовувати: до виникнення надзвичайної ситуації в умовах штабних навчань або в оперативному режимі під час її локалізації і ліквідації. Особливої актуальності це питання набуває для пожеж у резервуарних парках: велике скупчення горючих і легкозаймистих рідин вимагає негайного прийняття рішення.

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

В другому розділі побудовано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я над вільним розливом нафтопродукту довільної форми і над розливом, який контактує з резервуаром.

Під вільним розливом розуміється розлив, не обмежений вертикальними перешкодами, або обмежений перешкодами, висота яких значно менша порівняно з висотою полум'я. В роботі сформульовано і обґрунтовано припущення, на яких базується математична модель випромінюючої поверхні полум'я над розливом такого типу.

За відсутності вітру вигорання парів нафтопродукту, що підіймаються з поверхні розливу і утворюють у горизонтальному перерізі на висоті область (рис. 1), призводить до стискання контуру по нормалі.

Саме на границях областей відбувається горіння парів рідини. Отже, поверхня, утворена із цих границь, і є випромінюючою поверхнею полум'я. Вона може бути описана рівняннями:

(11)

з початковою умовою

, (22)

де - границя області розливу ; - одиничний нормальний вектор до границі поперечного перерізу випромінюючої поверхні; - стала, значення якої визначається типом нафтопродукту, що горить: для легкозаймистих рідин, для горючих рідин.

Рівняння (1)-(2) описують поверхню, у якій дотичні прямі, що лежать у вертикальній площині, яка містить нормальний вектор до границі, утворюють однаковий кут із горизонтальною площиною. Це означає, що поверхня полум'я утворена відрізками прямих, що мають однаковий кут нахилу до горизонтальної площини. Тоді поверхня факела може бути представлена в параметричному вигляді:

(33)

де ; - відстань від точки до границі області розливу . У тому частинному випадку, коли область розливу є колом, формула (3) буде давати конус висотою або в залежності від виду нафтопродукту, що відповідає експериментальним дослідженням горіння нафтопродуктів у резервуарах. Опис випромінюючої поверхні у вигляді (3) може бути застосований до будь-якої форми розливу, зокрема, і до області з негладкою границею. З точки зору зручності практичного застосування було обрано опис границі області розливу у вигляді замкненої ламаної лінії.

Для горіння вільного розливу нафтопродукту в умовах вітру швидкістю запропоновано емпіричну формулу для кута нахилу полум'я (кут відхилення від вертикалі):

.

Тоді випромінююча поверхня полум'я в умовах вітру може бути представлена в параметричному вигляді:

(44)

де - вектор, що визначає напрямок вітру. На рис 2 проілюстровано вплив вітру на випромінюючу поверхню полум'я над розливом сирої нафти.

Рис. 22. Вплив вітру на факел над розливом нафти: а) форма розливу; б) факел за відсутності вітру; в), г) факел при швидкості вітру

При горінні розливу, що контактує з вертикальною перешкодою (наприклад, стінкою резервуара при пожежі в обвалуванні) приток кисню з боку перешкоди відсутній. Через брак кисню пари рідини згорають пізніше, внаслідок чого полум'я витягується вздовж стінки резервуара. В параметричному вигляді випромінююча поверхня може бути записана:

3(55)

де ; - висота вертикальної перешкоди в точці границі області розливу ; - відстань від точки до точки . Формула (5) аналогічна (3), але в ній відстань до границі розливу обчислюється із врахуванням висоти перешкоди .

В роботі сформульовано і обґрунтовано припущення, на яких базується математична модель випромінюючою поверхні факела при пожежі нафтопродукту в обвалуванні циліндричного резервуара в умовах вітру. Показано, що рух повітряних мас при обтіканні резервуара має турбулентний характер (). Якщо систему координат обрано таким чином, щоб напрямок вітру співпадав з віссю , то для випромінюючої поверхні полум'я запропоновано параметричний опис:

,

,

,(66)

де - радіус резервуара; - швидкість вітру в нескінченно віддаленій від резервуара точці; ; ; ; ; ; - розв'язок рівняння

,

в якому - висота полум'я над точкою за умови відсутності вітру (формула (5)).

На рисунку 4 проілюстровано вплив вітру на форму випромінюючої поверхні полум'я в залежності від напрямку вітру.

Порівняння розрахункової висоти факела в умовах вітру з експериментальними значеннями засвідчило похибку близько 20%, в той час, як традиційний метод розрахунку дає похибку до 45%.

Для перевірки адекватності побудованої моделі випромінюючої поверхні полум'я було проведено порівняння площі поперечного переріза полум'я при горінні відпрацьованого дизельного палива в прямокутному басейні розмірами і площі поперечного переріза випромінюючої поверхні, отриманої в результаті моделювання. Відносна похибка склала близько 14%.

В третьому розділі побудовано математичні моделі теплового випромінювання від факелу розливу і впливу пожежі розливу в обвалуванні на резервуар з нафтопродуктом.

При горінні нафтопродукту в обвалуванні резервуара тепловий потік до резервуара буде визначатися променистою і конвекційною складовою. Для врахування нерівномірного нагріву резервуара його сталеву поверхню (суху стінку і покрівлю) умовно розділено на областей, а поверхню нафтопродукту - на областей. Рівняння теплового балансу для кожної з областей сталевої поверхні має вигляд:

, ,(77)

де , - температура і площа області ; - товщина стінки резервуара; , , - ступінь чорноти, щільність і теплоємність сталі; ; , - температура і ступінь чорноти факела; - площа взаємного опромінення між факелом і областю ; - площа взаємного опромінення між областями , ; - температура повітря; - температура пароповітряної суміші в газовому просторі резервуара; - температура зовнішнього середовища, з яким контактує область ; , - коефіцієнти конвекційного теплообміну із пароповітряною сумішшю і зовнішнім середовищем. Для тих областей, які контактують з полум'ям, під зовнішнім середовищем розуміється зона горіння, температура якої приймається рівною температурі факела , для інших областей - це навколишнє повітря з температурою .

Рівняння теплового балансу для пароповітряної суміші в газовому просторі резервуара набуває вигляду:

, (88)

де - об'єм газового простору; , - щільність та теплоємність при сталому тиску пароповітряної суміші.

При побудові моделі нагріву нафтопродукту виділено поверхневий шар нафтопродукту, який приймає участь в променевому теплообміні з сухими стінами і покрівлею резервуара, конвекційному теплообміні з пароповітряною сумішшю і нижніми шарами нафтопродукту.

На основі теорії подібності для товщини поверхневого шару нафтопродукту одержано оцінку

, (99)

де - кінематична в'язкість нафтопродукту, - коефіцієнт теплопровідності; - коефіцієнт об'ємного розширення; - теплоємність; - щільність. Підстановка значень в формулу (9) дає товщину поверхневого шару близько 1-5 мм в залежності від виду нафтопродукту і різниці температур між пароповітряною сумішшю і нафтопродуктом. Мала товщина поверхневого шару дозволяє розглядати його температуру однаковою по всій його товщині. Тоді рівняння теплового балансу для поверхні нафтопродукту набуває виду

,(1010)

де - температура області на поверхні нафтопродукту; ; - коефіцієнт конвекційного теплообміну поверхневого шару з товщею нафтопродукту:

.

Сумісне розв'язання системи диференціальних рівнянь (7), (8), (10) дозволяє знайти розподіл температур по резервуару в довільний момент часу і, тим самим, відповісти на запитання про те, які саме частини резервуара потребують охолодження і який максимально припустимий час початку охолодження.

Рівняння (7) містить площі взаємного опромінення між факелом і областями, на які умовно розділено сталеву поверхню резервуара. Їх обчислення проводилося на основі моделей випромінюючої поверхні полум'я, отриманих в другому розділі:

,

де - випромінююча поверхня факела, задана в параметричному вигляді (3), (4), (5) або (6) в залежності від розташування розливу і наявності вітру; - поверхня області резервуара, що нагрівається; , - кути між вектором , що з'єднує точки поверхонь , і нормальними векторами до цих поверхонь.

Адекватність моделі теплового випромінювання перевірялася шляхом експериментального дослідження горіння відпрацьованого дизельного палива в басейні прямокутної форми (рис. 5). Експериментальні і розрахункові значення теплового потоку наведені в таблиці 1. Порівняння результатів розрахунків щільності теплового потоку з експериментальними даними показує, що розбіжність між ними лежить в межах 30%. При цьому середнє відхилення складає близько 12%. Традиційний підхід (апроксимація колом рівної площі) призводить до збільшення максимальної похибки в 2 рази (з 30% до 60%) і середньої похибки в 1,5 рази (з 12% до 17%).

Таблиця 11

Щільність теплового потоку від факела розливу

№ точки	Щільність теплового потоку,
	Розрахунок, прямокутний розлив	Розрахунок, еквівалентне коло	Експеримент ()
1	4,7	4,4	4,9
2	3,0	2,7	4,9
3	4,2	4,5	5,6
4	2,3	2,6	1,4
5	4,7	5,4	3,5
6	5,2	4,5	6,3
7	8,0	6,9	5,6
8	3,2	2,9	3,5
9	2,9	3,0	2,1
10	3,8	4,5	2,1

В четвертому розділі побудовані математичні моделі застосовуються для аналізу типових надзвичайних ситуацій в резервуарних групах, пов'язаних з розливом і горінням нафтопродукту.

Розглянуті вище математичні моделі випромінюючої поверхні полум'я над розливом нафтопродукту, теплового випромінювання, впливу пожежі в обвалуванні на резервуар з нафтопродуктом було реалізовано у вигляді програмного комплексу (рис. 6).

Проведений аналіз типових надзвичайних ситуацій в резервуарних групах, пов'язаних з розливом нафтопродукту і виникненням пожежі в обвалуванні резервуара, порівняння отриманих результатів з висновками експертів засвідчило ідентичний результат при виявленні резервуарів, для яких існує небезпека вибуху або виникнення факельного горіння на дихальних клапанах. Розходження в пропозиціях експертів спостерігалося при виборі черговості початку охолодження резервуарів в умовах дефіциту сил та засобів. Намагаючись захистити резервуар з підвітряного боку, експерти виділяли більшу кількість стволів на його охолодження, на шкоду іншим резервуарам з резервуарної групи. Це призводило до збільшення до 30% необхідної кількості сил та засобів у порівняння з розрахованими по моделі. Враховуючи нестачу сил та засобів на початковій стадії пожежі, їх неефективне використання може призвести не лише до збільшення часу на локалізацію пожежі, а й до розповсюдження пожежі на сусідні резервуари.

В роботі розглянуто і проаналізовано наступні варіанти застосування програмного комплексу:

· для аналізу типових надзвичайних ситуацій, пов'язаних з пожежою розливу нафтопродукту, і розробки плану локалізації і ліквідації пожежі в ході штабних навчань;

· для побудови плану локалізації пожежі під час слідування на пожежу на підставі отриманої разом з викликом інформації;

· для побудови плану локалізації пожежі на підставі інформації про пожежу, отриманої після прибуття на місце і проведення розвідки;

· для моніторингу поточної ситуації під час локалізації і ліквідації пожежі.

На основі аналізу переваг та недоліків кожного із варіантів запропоновано схему використання програмного комплексу - рис. 7.

Результати вимірювання напрямку і швидкості вітру надходять до чергового радіотелефоніста з деякою дискретністю. При надходженні виклику, який містить інформацію про розташування та площу розливу, черговий радіотелефоніст із бази даних найбільш небезпечних надзвичайних ситуацій обирає найбільш близьку і повідомляє керівника гасіння пожежі (КГП), а потім із бази даних резервуарних груп обирає відповідну резервуарну групу, вказує вихідні дані щодо місця і площі розливу, напрямку і швидкості вітру. Після цього зберігає вихідні дані у файл і разом з оперативним планом гасіння пожежі передає КГП. Робота програмного комплексу відбувається під час слідування підрозділів МНС до місця виклику. Після прибуття місце пожежі відбувається розгортання сил та засобів. Інформація про поточну ситуацію періодично заноситься до програмного комплексу, дозволяючи КГП корегувати свої дії в залежності від обставин.

ВИСНОВКИ

У роботі одержані нові науково обґрунтовані результати, які у сукупності забезпечують розв'язання науково-практичної задачі підвищення ефективності локалізації пожежі розливу нафтопродукту в резервуарному парку шляхом збільшення точності математичного опису цих процесів і автоматизації управлінських рішень.

1. Вперше побудовано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я над вільним розливом нафтопродукту довільної форми. Особливістю моделі є представлення поверхні полум'я за допомогою утворюючих, нахилених під рівним кутом до горизонтальної площини. Побудована модель призначена для обчислення площ взаємного опромінення і розрахунку променистого теплового потоку від пожежі до навколишніх об'єктів. Порівняння площ поперечного переріза полум'я, отриманої в експерименті і розрахованої з моделі, показало, що похибка моделі складає 14 %.

2. Вперше побудовано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я над розливом нафтопродукту, що контактує з вертикальною перешкодою. Особливістю моделі є врахування відсутності доступу кисню з боку перешкоди, що призводить до більш пізнього згорання парів, що піднімаються з поверхні нафтопродукту.

3. Подальший розвиток одержали методи врахування впливу вітру на нахил факела: запропоновано емпіричну залежність висоти факела від швидкості вітру. Перевірка адекватності показала, що розбіжність між розрахованим значенням і експериментом не перевищує 20% для швидкостей вітру до 5 м/с, у той час як існуючі моделі дають похибку до 45%.

4. Вперше побудовано математичну модель теплового випромінювання від розливу нафтопродукту довільної форми, що горить. Проведений експеримент показав збіг з результатами розрахунків з точністю до 30%. Традиційний же підхід (апроксимація розливу колом рівної площі) дає похибку до 60%. Відсутність врахування вітру збільшує цю похибку до 135%. Модель дозволяє оцінити щільність теплового потоку, що впливає на особовий склад, техніку, споруди, виявити безпечні зони для розміщення пересувної техніки й особового складу.

5. Вперше запропоновано математичну модель випромінюючої поверхні полум'я поблизу циліндричного резервуара (РВС), засновану на турбулентному обтіканні резервуара повітряним потоком. Побудована модель призначена для розрахунку конвекційного і променистого теплового потоку від пожежі до резервуара.

6. Порівняння планів локалізації пожежі розливу нафтопродукту в резервуарній групі, розроблених на підставі запропонованих моделей, із планами, побудованими на підставі опитування експертів, свідчить про більш ефективне використання сил і засобів у першому випадку: кількість стволів, необхідних для охолодження резервуарів і створення водяних завіс, скорочується на 30%.

7. На підставі розроблених математичних моделей, методів і алгоритмів побудовано програмний комплекс, призначений для оцінки впливу пожежі розливу нафтопродукту на технологічні споруди резервуарного парку, особовий склад і техніку, що приймають участь у його локалізації і ліквідації. Розглянуто чотири варіанти застосування програмного комплексу в практичній діяльності підрозділів МНС: для штабних навчань і складання планів пожежогасіння; для оперативного розрахунку необхідних сил і засобів при надходженні виклику; для підтримки прийняття рішення КГП після прибуття на пожежу і проведення розвідки; для моніторингу ситуації в ході локалізації пожежі.

8. Проведене порівняння запропонованих варіантів використання програмного комплексу за критеріями оперативності, точності і простоти реалізації дозволило виробити загальну схему застосування програмного комплексу, що охоплює розробку оперативних планів пожежогасіння під час штабних навчань, розробку планів локалізації і ліквідації пожежі в бойовій обстановці, моніторинг надзвичайної ситуації в ході локалізації пожежі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Улинец Э.М. Влияние ветра на форму излучающей поверхности пламени при пожаре разлива нефтепродукта / Э.М. Улинец // Науковий вісник будівництва. - 2008. - Вип. 48. - С. 268-272. 1

2. Улинец Э.М. Математическая модель факела над разливом нефтепродукта в обваловании резервуара / Э.М. Улинец // Проблемы пожарной безопасности. - 2008. - Вып. 23. - С. 217-220. 2

3. Улинец Э.М. Математическая модель пожара в обваловании резервуара в условиях ветровой нагрузки / Э.М. Улинец // Науковий вісник будівництва. - 2008. - Вип. 50. - С. 223-228. 3

4. Улинец Э.М. Математическая модель теплового воздействия пожара разлива нефтепродукта на резервуар / Э.М. Улинец // Проблемы пожарной безопасности. - 2008. - Вып. 24. - С. 227-231. 4

5. Улинец Э.М. Особенности использования программных продуктов поддержки принятия решения при локализации и ликвидации чрезвычайных ситуаций / Э.М. Улинец // Проблеми надзвичайних ситуацій. - 2008. - Вип. 8. - С. 215-220. 5

6. Улинец Э.М. Математическая модель нагрева резервуара с нефтепродуктом при пожаре в обваловании / Э.М. Улинец // Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту: II міжнародна науково-практична конференція, 23-24 жовтня 2008 р.: Тези доповідей. - Черкаси, 2008. - С. 28-30. 6

АНОТАЦІЯ

Улинець Е.М. Локалізація пожеж розливів нафтопродуктів у резервуарних парках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. Університет цивільного захисту України, Харків, 2008.

В дисертації запропоновано та обґрунтовано підхід щодо прийняття управлінських рішень при локалізації пожежі розливу нафтопродукту в резервуарному парку. Побудовано математичні моделі випромінюючої поверхні факела над розливом довільної форми. Моделі враховують напрямок та швидкість вітру, зміну форми факела при його взаємодії з вертикальними перешкодами при горінні в обвалуванні і особливості обтікання повітряним потоком циліндричного резервуара. Експериментальна перевірка показала зменшення похибки оцінки теплового потоку від факела у 1,5-2 рази у порівняння з традиційними моделями, заснованими на апроксимації розливу колом рівної площі. Побудовано модель теплового впливу пожежі в обвалуванні на резервуар з нафтопродуктом. Модель враховує променевий і конвекційний теплообмін резервуара з пожежою та навколишнім середовищем і дозволяє оцінити максимально припустимий час початку охолодження. Запропоновані моделі і методи реалізовано у вигляді програмного комплексу. Проаналізовано застосування програмного комплексу для вивчення типових надзвичайних ситуацій під час штабних навчань і виявлення небезпечних сценаріїв розвитку пожежі, для розробки плану локалізації пожежі керівником гасіння пожежі під час слідування на пожежу і після проведення розвідки, для моніторингу поточної ситуації під час локалізації і ліквідації пожежі. Виділено переваги і недоліки кожного з підходів і запропоновано загальну схему використання програмного комплексу підрозділами МНС, що охороняють резервуарні парки нафтопродуктів.

Ключові слова: резервуарний парк, розлив нафтопродукту, випромінююча поверхня факела, локалізація пожежі.

Ulynets E.M. Localization of fuel leak fire at the fuel tank stores. - Manuscript.

Thesis for the candidate degree of technical science on the specialty 21.06.02 - “Fire safety”. Civil Defense University of Ukraine, Kharkiv, 2008.

The approach concerning making of the administrative decisions of localization of a fuel leak fire at the fuel tank store is offered and proved in this thesis. The mathematical models of radiating surface of a fire above the leak are constructed. The models consider a direction and speed of a wind. These models consider changes of the flame form under its interaction with wall of the tank. In case when leak takes place near the cylindrical tank features of air streaming are consider. The experiments shown reduction of an error of thermal flow estimation from a flame at 1,5-2 times in matching with traditional models based on approximations of leak by circle. The model of thermal influence of a fire at the fuel tank with petroleum is constructed. The model considers heat exchange of the tank with a fire and environment by radiation and convection. It allows estimate a maximum time to starting the cooling. The offered models and methods are realized as a program complex. It can be used for analyze of typical extreme situations during headquarter exercises and for detection of the most dangerous variant of fire growth, for development the fire response plan during following to the fire and after it reconnaissance, for monitoring the current situation during localization and liquidation of a fire. Advantages and imperfection of each of these approaches are shown and general approach of using the program complex by firefighting brigades is offered.

Key words: fuel tank store, leaks of petroleum, radiating surface of a fire, fire localization.

Улинец Э.М. Локализация пожаров разливов нефтепродуктов в резервуарных парках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - пожарная безопасность. Университет гражданской защиты Украины, Харьков, 2008.

В диссертации предложен и обоснован подход по принятию управленческих решений при локализации пожара разлива нефтепродукта в резервуарном парке.

В первом разделе проанализировано современное состояние пожарной безопасности в резервуарных парках. Приведена классификация резервуарных парков и резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, проанализирована статистика пожаров. Рассмотрены модели горения нефтепродуктов и методы оценки их теплового воздействия на сооружения резервуарного парка и личный состав подразделений МЧС, принимающих участие в локализации и ликвидации пожара. Основным недостатком таких моделей является представление разлива в форме круга, отсутствие учета взаимодействия факела со стенкой резервуара и особенностей обтекания его воздушным потоком при пожаре в обваловании.

Во втором разделе построены математические модели излучающей поверхности факела над разливом произвольной формы. Поверхность пламени представляется с помощью образующих, наклоненных под равным углом к горизонтальной плоскости. Модели учитывают изменение формы факела в зависимости от направления и скорости ветра. Для случая пожара в обваловании учтено отсутствие притока кислорода в зону горения со стороны стенки резервуара и вытягивание, вследствие этого, пламени вдоль стенки. Учтены особенности обтекания воздушным потоком цилиндрического резервуара в условиях ветра.

В третьем разделе построена модель теплового излучения от горящего разлива нефтепродукта. Проведенная экспериментальная проверка показала уменьшение погрешности оценки плотности теплового потока от факела в 1,5-2 раза по сравнению с существующими моделями, основанными на аппроксимации разлива кругом той же площади. Построена модель нагрева резервуара с нефтепродуктом под тепловым воздействием пожара в обваловании. Модель учитывает лучистый и конвективный теплообмен резервуара с пожаром и окружающей средой и позволяет оценить максимально допустимое время начала охлаждения.

В четвертом разделе рассмотрены варианты применения программного комплекса, реализующего предложенные модели и методы, подразделениями МЧС. Предложены варианты применения программного комплекса для анализа типовых чрезвычайных ситуаций, связанных с пожаром разлива, и выявления наиболее опасных сценариев развития пожара в ходе штабных обучений, для разработки плана локализации пожара руководителем тушения пожара во время следования на пожар и после проведения разведки, для мониторинга текущей ситуации во время локализации и ликвидации пожара. Показаны преимущества и недостатки каждого из подходов и предложена общая схема использования программного комплекса подразделениями МЧС, защищающих резервуарные парки нефтепродуктов.

Ключевые слова: резервуарный парк, разлив нефтепродукта, излучающая поверхность факела, локализация пожара.

Размещено на Allbest.ru

...