Разработка электрического способа тушения пожара на газопроводах низкого давления
 Скачать 3.36 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» На правах рукописи  Пермяков Арсений Владимирович РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ТУШЕНИЯ ПОЖАРА НА ГАЗОПРОВОДАХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор химических наук, старший научный сотрудник профессор Султанов Р.М. Уфа – 2019 2 ОГЛАВЛЕНИЕ
АНАЛИЗ СТАТИСТИКИ ПОЖАРОВ. СПОСОБЫ ТУШЕНИЯ
4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования Повреждения газопроводов низкого давления рассматривается как особо опасное аварийное состояние, связанное с выбросом большого количества газа и образованием горючей среды на большой площади, называемой пожароопасной зоной. Эта зона в зависимости от диаметра газопровода, давления газовой смеси, метеорологических условий и рельефа местности может распространяться на существенные расстояния от газопровода. Появление в этой зоне источника зажигания приводит к воспламенению паро- и газовоздушной смеси. На сильно загазованной территории может произойти взрыв. Тушение пожаров на газопроводах представляет собой сложный процесс, который занимает продолжительное время. Кроме того, газопроводы низкого давления имеют развитую сеть и могут располагаться в жилых, административных, общественных и складских зданиях. В зависимости от места расположения газопровода пожар может привести к значительному социальному и материальному ущербу. В связи с этим актуальной темой является разработка новых быстродействующих способов тушения пожара на газопроводах, в том числе с применением электрического поля высокой напряженности. Степень разработанности темы моменту начала работы над диссертацией в российских и зарубежных периодических изданиях публиковались результаты работ по исследованию пламени горения различных горючих материалов: древесина, спирты, парафин при наложении н а н и х электрического поля высокой напряженности т а к и м и авторами, как: Абруков С.А., Гуляев Г.А., Дьячков Г., Исаев Н.А., Попков Г.А., Степанов Г.М., B.N. Ganguly, L.P.H. deGoey, J. Lauton, S.D. Marcum, A.V. Sepman и др. Исследования, 5 направленные на изучение тушения пламени электрическим полем, проводились следующими авторами: Дудышев В.Д., Масляков М.Д., Башаричев А.М., Кропотова Н.А. Несмотря на крупные достижения упомянутых выше ученых ими не были проведены исследования по тушению электрическим полем горючих углеводородных газов, подаваемых под давлением. связи с этим, до настоящего времени исследования по тушению пожаров на газопроводах электрическим способом не проводились. Соответствие паспорту заявленной специальности Тема и содержание диссертационной работы соответствуют формулам специальности 05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): – «исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров» (п.6); - «научное обоснование принципов и способов обеспечения промышленной и пожарной безопасности на предприятиях промышленности, строительства и на транспорте» (п.3). Цель работы Разработка способа и оценка влияния электрического поля высокой напряженности на пламенное горение углеводородов при пожарах на газопроводах низкого давления. На основании вышеизложенного определены основные задачи исследования: 1 Исследование и обоснование возможности применения электрического поля высокой напряженности в качестве способа тушения пожаров газопроводов низкого давления. Предложение технического решения по конструкции лабораторной установки пожаротушения на основе генератора высокого напряжения, 6 позволяющую гасить открытое пламя на модели газопровода с помощью электрического поля высокой напряженности. Экспериментальные исследования по тушению пламени с помощью экспериментального генератора, создающего электрическое поле высокой напряженности, на модели газопровода с изменяемыми параметрами (давление газа, диаметр отверстия, площадь электродов). Разработка способа ликвидации открытого горения газопровода с применением электрического поля. Научная новизна На основе экспериментальных исследований процесса тушения пламени модели газопровода электрическим полем выявлены закономерности между напряжением гашения и межэлектродным расстоянием, зависящие от давления газовой смеси, диаметра отверстия и площади электродов. Установлено, что при увеличении межэлектродного расстояния на 1 см, требуемое напряжение гашения возрастает и находится в диапазоне 1,37–1,71 кВ. Результаты исследований позволили предложить уравнение для определения минимальной энергии электрического поля для тушения пламени углеводородов, в результате чего определена величина минимального напряжения гашения. Теоретическая значимость работы заключается в исследовании и установлении закономерностей влияния электрического поля на пламя модели газопровода, разработке предложений и исходных данных для разработки технического задания на создание технических средств для тушения пожаров на газопроводах низкого давления электрическим полем высокой напряженности. Научно-методологические основы тушения горючих газов можно использовать при разработке планов и карточек тушения для газопроводов низкого давления. 7 Практическая значимость работы Результаты исследований используются в учебном процессе кафедры «Пожарная и промышленная безопасность» ФГБОУ ВО «УГНТУ», а именно: – для бакалавров по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» по профилям «Пожарная безопасность», «Пожарная и промышленная безопасность» – для специалистов по специальности20.05.01 «Пожарная безопасность»; – для магистров по направлению20.04.01 «Техносферная безопасность» по программе «Системы техносферной безопасности в нефтегазовой отрасли». Методология и методы исследования Для достижения цели и решения поставленных задач был осуществлен комплексный подход к исследованиям, состоящий из натурных экспериментов, а также методов математического моделирования с применением программного комплекса Elcut 6.3, а также методов прямых и косвенных измерений. Для обработки и оценки результатов экспериментальных исследований применялись методы математического анализа (метод Монте-Карло, трехпараметрическая регрессия). Положения, выносимые на защиту Научно-методологическое обоснование применимости способа тушения пожара газопроводов низкого давления электрическим полем высокой напряженности. Результаты экспериментальных исследований по тушению пламени на модели газопровода электрическим полем высокой напряженности. Новое техническое решение по реализации технологии тушения реальных пожаров на газопроводах электрическим полем высокой напряженности. Степень достоверности и апробация результатов Достоверность и обоснованность полученных при проведении исследований результатов и выводов подтверждается методами измерения, 8 прямыми и косвенными, методами математического анализа, а также сходимостью результатов лабораторных исследований и масштабирования c доверительной вероятностью 95%. Основные результаты проведенных исследований докладывались: – на 64-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2013 г.); – на X Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники-2017» (Уфа, 2017г.); – на I Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и тенденции развития техносферной безопасности в нефтегазовой отрасли» (Уфа, 2018 г.). Публикации По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы, приложения. Содержание диссертации изложено на 1371376 страницах, включая 72 рисунка, 51 таблицу, список литературы из 121 наименований. 9 1 АНАЛИЗ СТАТИСТИКИ ПОЖАРОВ. СПОСОБЫ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ. ТУШЕНИЕ ПЛАМЕНИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ 1.1 Способы тушения пожаров. Классы пожаров Все пожары подразделяют на классы по виду горючего материала. Существуют следующие классы пожаров: А – пожары твердых горючих веществ и материалов, – пожары горючих жидкостей или плавящихся твердых веществ и материалов, С – пожары газов, – пожары металлов, Е – пожары горючих веществ и материалов электроустановок, находящихся под напряжением, F – пожары ядерных материалов, радиоактивных отходов и радиоактивных веществ, Все пожары классифицируются на группы: на открытых площадях; на закрытых площадях; внутри ограждающих конструкций. настоящее время используются следующие способы тушения пожаров (Рисунок 1.1): - удаление твердых материалов; охлаждение очага до точки, ниже значений воспламенения горючих веществ; механическое воздействие на пожар для срыва пламени; замедление горения введением реагентов в пламя; создание преград распространению пожара; 10  Рисунок 1.1 – Способы тушения пожаров ограничение доступа окислителя в зону горения; разбавление концентрации веществ в очаге; механический срыв пламени над очагом пожара обеспечивается подачей мощной струи воды из оросителя, пожарного ствола, стационарного лафета; изолирование, прекращение доступа О2 в зону пожара может быть обеспечено наложением на очаг пожара специального полотна или кошмы, а также подачей на него воздушно-механической пены различной кратности; ингибирование реакции горения вводом в очаг пожара хладагентов; охлаждение – подачей в очаг пожара, на ограждающие строительные конструкции водных солевых растворов, воды, углекислоты; разбавление пожароопасной, обеспечивающей горение концентрации газов, паров горючих жидкостей в очаге производится с помощью инертных газов; обеспечение полосы пожаротушения с использованием имеющихся средств на возможных путях распространения огня [1-5]. 11 Огонь возникает в результате взаимодействия физических и химических процессов при горении. Наиболее высокотемпературная поверхность пламени находится в поверхностном слое, ограждающем пламя, где протекают окислительно-восстановительные реакции (ОВР), называется фронтом. Во фронте пламени протекают окислительные реакции с выделением продуктов горения и выделением теплоты, а также ионизация продуктов горения [6-10]. При горении не перемешанной горючей смеси важную роль играют процессы диффузии окислителя, газов и паров в пламени. Интенсивность диффузии кислорода в зону горения определяется его концентрацией внутри пламени и в окружающем воздухе. С уменьшением этой разности концентраций скорость диффузии кислорода уменьшается, и при ее снижении горение прекращается [11-15]. [16] отмечается, что в большинстве случаев все реакции в пламени идут по цепному разветвленному механизму – с участием молекул с ненасыщенными валентностями, радикалов и атомов. В пламени продукты горения и окислитель находятся в ионизированном состоянии, при которых происходит реакция горения. При горении древесины сгорают в основном продукты разложения, теплотворная способность которых ниже, чем у природных полимеров. Древесина образована молекулами целлюлозы (Рисунок 1.2), – и лигнина (Рисунок 1.3) – ароматического полимера, входящего в состав растений. Горение древесины может протекать одновременно в двух режимах – гетерогенном и гомогенном.  Рисунок 1.2 - Химическая структура целлюлозы 12  Рисунок 1.3 - Химическая структура мономера лигнина. Поэтому при горении древесины выделяют две фазы: гомогенная фаза - пламенное горение газообразных продуктов разложения; гетерогенная фаза - горение образовавшегося твердого углеродистого остатка. Горению предшествует фаза нагрева поверхности, при которой начинается пиролиз – процесс разложение древесины при нагревании. При этом образуются газообразные и жидкие продукты, и также твердый остаток – уголь. В основе пиролиза древесины лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции лигнина, целлюлозы и гемицеллюлоз, протекающие при 200–260, 240–350 и 250–400 °C соответственно [17-22]. Пиролиз древесины – процесс, при котором выделяется большое количество тепла (1090 - 1150 кДж/кг). Если пиролиз протекает без доступа окислителя, то при увеличении температуры до 170 °C из древесины выделяется вода. Тление – беспламенное горение волокнистых и пористых материалов, которые при нагревании образуют твердый углеродистый остаток. Это режим горения, при котором образующиеся горючие газы не горят, а происходит гетерогенное горение углеродного остатка. Тление может проходить и за счет кислорода воздуха, и за счет кислорода, находящегося в химической структуре материала. К материалам, поддерживающим тление, относится широкий спектр материалов растительного происхождения (опилки, целлюлозные ткани, бумага), пластмассы (пенополиуретан, пено- 13 фенопласты). Материалы, которые могут плавиться или при разложении давать мало углеродистого остатка, не способны к тлению. Процесс горения является химической реакцией между горючим веществом и кислородом, которая протекает экзотермически. Часть тепла расходуется в зоне химических реакций на нагрев продуктов горения, часть – передается в окружающую среду, другая часть – идет на нагрев горючих материалов и поддержание горения. Для тушения твердых горючих материалов необходимым условием является ликвидация факела горения. В этом слое сосредотачивается тепло, запас которого может быть достаточен для выделения газов со скоростью, нужной для образования над поверхностью горючей смеси после ликвидации пламени. Образование ионов при горении углеводородов в воздухе (Рисунок 1.4). пламени, в результате химической реакции, концентрация заряженных частиц составляет 1012 ионов/см3, а электрическая напряженность – 0,2 кВ/см. Положительно и отрицательно заряженные частицы содержатся приблизительно в равном количестве. Распределение их по пламени не однородно. Положительно заряженные частицы расположены по краю пламени, отрицательные в середине [23-27]. Если пламя поместить между электродами, которые подключены к источнику высокого напряжения, создающего напряженность электрического поля между электродами, например 1–3 кВ/см, то разноименно заряженные продукты горения и окислитель будут интенсивно притягиваться к электродам, имеющим противоположный знак заряда, в результате чего ОВР во фронте пламени прекратится и пламя погаснет [28]. 14  Рисунок 1.4 - Образование ионов работе [29] приводится результат эксперимента, когда при тушении пламени высотой в 1 м потребовалось всего 3 секунды при электрической мощности 3–4 ватта, при напряженности электрического поля 3 кВ/см, чтобы пламя потухло, то есть способ является достаточно быстродействующим. Данный эксперимент показывает также, что для реализации данного способа тушения пламени мощность источника тока необходима небольшая. Дудышев В.Д. утверждает, что, исходя из типа пламени, его размера и его интенсивности, требуемая напряженность электрического поля может изменяться в пределах от 1 до 3 кВ/см. Анализируя способ тушения пламени, электрическим полем, следует признать его эффективным, но только в случае тушения открытого пламени. Он не будет эффективным при тушении беспламенного горения (тлении). При тлении образуются продукты неполного горения, при определенных условиях которые, способны привести к пламенному горению. Устройство, созданное на основе способа тушения 15 пламени электрическим полем, может обеспечить возможность спасателю пройти в горящее здание и вывести из него людей, то есть спасти их от гибели и самому не погибнуть. Учитывая, что человеческая жизнь бесценна, такое устройство окупит затраты на его производство. Автор способа тушения пламени электрическим полем (Дудышев В.Д.) предложил переносной электроогнетушитель для его реализации [30-31]. Устройство для тушения пламени электростатическим полем следует рассматривать также для тушения пламени горящих веществ, находящихся в твердом и жидком агрегатном состоянии. В случае газов и пыли в открытом пространстве горение будет происходить взрывом, и применение предлагаемого устройства будет нецелесообразным. В настоящее время, исследователи уделяют внимание электропламенной технологии борьбы с пожарами, которая рассматривалась академиком В.Д. Дудышевым [32]. Данная технология воздействия на пламя горящего вещества вплоть до его исчезновения состоит в воздействии на пламя сильным электрическим полем с электрической напряженностью от 1 до 3 кВ/см. Сущность предлагаемого метода заключается в том, что любое пламя содержит заряженные частицы, а значит с помощью электрического поля можно управлять горением, в частности тушить пламя. Исследования показали, что электрическое поле способно гасить пламя на безопасном расстоянии для человека. С помощью воздействия электромагнитного поля с портативным электродом, защищенного стеклокерамикой, оказалось возможным разделение между источником пламени и его зоной горения за счет создания потока заряженных частиц. Поскольку пламя и зона горения оказались в разных точках пространства, горение прекратилось. Преимущества этого способа хороши, если его применять во время эвакуации людей для отклонения больших языков пламени для возможности создания прохода в 16 сплошных огненных полосах. Возможно эффективное применение в качестве принципиально нового средства для бесконтактного тушения пламени. Сильное электрическое поле (до 30 кВ) генерируемое модульной установкой, влияет на заряженные частицы внутри очага (электроны, сажу, ионы) и заставляет их передвигаться. А эти заряженные частицы, оказывают влияние на потоки газа в огне, нарушая его стабильность, и в итоге отделяют пламя от его источника. Тушить возгорания при помощи данной технологии можно будет на расстоянии. А это не только создаст безопасные условия для пожарных, но и избавит их от необходимости подвода воды и прочих огнетушащих веществ месту пожара. В любом случае, традиционных огнетушащих веществ пожаротушения потребуется меньше, чем применяется в настоящее время. Предложенная новая технология пожаротушения электрическим полем высокой напряженности более прогрессивна по сравнению с аналогами, поскольку не требует расходных материалов и проста в реализации [33-37]. Данная технология обладает высоким быстродействием (секунды), и может быть применена в действие и дистанционно, на расстоянии автоматически или диспетчером. Данная бесконтактная технология является также и эффективным противопожарным средством, и средством ограждения от фронта огня. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||