Технические средства подачи температурно-активированной воды теплоэнергетической установкой для тушения пожаров на объектах энергетики

Огонь принес человеку тепло и горячую пищу, но одновременно он принес ему и неисчислимые бедствия — пожары, с которыми необходимо вести борьбу. На протяжении сотен лет накапливался опыт тушения пожаров. В течение этого времени создавались различные примитивные средства, облегчающие борьбу с пожарами, вырабатывался навык коллективного противостояния огню [1.6].

Постепенно развивалась пожарная техника. В настоящее время она включает первичные средства тушения, пожарные машины, стационарные установки пожаротушения и средства пожарной связи. Она создавалась и совершенствовалась на основе технического прогресса. Ее развитие осуществлялось на протяжении столетий и прошло большой путь от простого снаряжения до мощных средств тушения пожаров. По мере развития техники создавались новые ОВ, средства доставки личного состава и ОВ на пожар [1.6, 1.9, 4.22].

Разработка новых тактических приемов тушения пожаров потребовало совершенствование пожарной техники и подготовки специальных кадров [1.6].

В настоящее время на территории России эксплуатируется более 29 тысяч объектов энергетики [1.30]. Анализ последствий произошедших аварий на данных объектах выявил целый ряд проблем, связанных с обеспечением пожарной и промышленной безопасности. Поэтому вопросы технической оснащенности пожарных подразделений, а также методы тушения пожаров приобретают особую актуальность. В связи с этим для тушения пожаров на объектах энергетики разрабатываются многофункциональные пожарно-спасательные автомобили. Для реализации этого направления большинство разработчиков и производителей пошли по пути расширения функциональных возможностей ПА, в основном, за счёт применения насосов нового поколения — комбинированных насосов со ступенью высокого давления и насосов высокого давления. Использование этих насосов позволило улучшить огнетушащие свойства воды за счёт получения струй ТРВ с размером капель от 100 до 150 мкм [4.14]. Разработкой и внедрением такого оборудования занимались М. Д. Безбородько, С. Г. Цариченко [1.6, 1.21, 2.5, 4.21]. Применение ТРВ позволило сократить расход воды на тушение пожара, уменьшить количество излишне пролитой воды. В тоже время при использовании ТРВ имеются следующие недостатки:

— возможность засора проточных частей стволов для подачи ТРВ;

— быстрое промерзание ТС для подачи ТРВ при отрицательных температурах, особенно при кратковременном перекрытии стволов;

— необходимость расположения позиций ствольщиков вблизи места горения ввиду ограниченной дальности струи воды;

— обеспечение большой скорости струи для подачи ТРВ (от 100 до 200 м/с) из-за малого размера капель, что приводит к интенсивной подаче в очаг пожара воздуха, инжектируемого струей. Вследствие этого при недостаточной интенсивности или подаче огнетушащего вещества мимо очага пожара может произойти не тушение пожара, а увеличение интенсивности его горения.

Увеличение давления воды до 30−40 МПа и использование газодинамического способа позволяет получать ТРВ с размером капель менее 100 мкм. По данным экспериментов, проведенных учеными ВНИИПО и Московского авиационного института, даже при размере капель ТРВ менее 30 мкм (капли воды естественных туманов и облаков с такими диаметрами витают в воздухе), полученных за счет механического дробления воды, не удается обеспечить устойчивого «водяного тумана», обеспечивающего объемное пожаротушение. Такие капли воды быстро сливаются, образуя более крупные, осаждаются, попадают на стены или другие препятствия, стекают по ним, не образовывая «водяного тумана» с необходимой для прекращения горения концентрацией [4.8].

В АГПС МЧС России под руководством В. В. Роенко и В. А. Пряничникова разработана теплоэнергетическая установка для получения ТРВ путем ее температурной активации, которая позволяет получать на выходе из ствола парокапельную смесь с диаметром капель от 1 до 10 мкм. Данный способ, в отличие от ТРВ, не имеет перечисленных выше недостатков [4.17]. Физическая сущность этого способа сводится к подаче воды с расходом от 0,4 до 2,0 л/с под большим давлением (от 1,6 до 10,0 МПа) в специально разработанный прямоточный водотрубный теплообменник, где она сначала нагревается (с помощью дизельной горелки) до температуры 160−280 °С (такую воду принято называть недогретой, поскольку температура жидкости меньше температуры насыщения при заданном давлении), затем вода по гибким или металлическим трубопроводам подается к специальным стволам-распылителям. На выходе.

Л Q из стволов вода за доли секунды (10−10 с) переходит в метастабильное состояние, и в результате последующего взрывного вскипания образуются струи температурно-активированной воды, которые по своим свойствам близки к теплому туману и облакам. Под термином «Температурио-активированная вода» понимается парокапельная смесь, полученная в результате мгновенного перехода недогретой воды в область метастабильного состояния и последующего взрывного вскипания.

С 2009 года на снабжение подразделений МЧС России поступил автомобиль с теплоэнергетической установкой получения TAB — АПМ 32/40−1,38/100−100 (43 118) мод. ПиРоЗ-МПЗ1.

1 Основные показатели автомобиля отражаются в структуре его обозначения, где: АПМ — автомобиль пожарный многоцелевой- 3 — вместимость ёмкостей для воды, м3- 2 — производительность теплоэнергетической установки при давлении воды на входе в экономайзер 40 кг/см2, л/с- 40 — давление воды на входе в экономайзер, создаваемое теплоэнергетической установкой при подаче воды 2 л/с, кг/см2- 1,38 — производительность теплоэнергетической установки при давлении воды на входе в экономайзер 100 кг/см2, л/с- 100 — давление воды на входе в экономайзер, создаваемое теплоэнергетической установкой при подаче воды 1,38 л/с, кг/см" - 100 — номинальная мощность электрогенератора, кВт- 43 118 — индекс базового шасси КАМАЗамод. ПнРоЗ — обозначение модели пожарного автомобиля по системе разработчика ООО «Аква-ПиРо-Альянс» и Академии ГПС МЧС РоссииМПЗ — индекс завода изготовителя (Мытищинский приборостроительный завод).

Многофункциональность АПМ заключается в том, что его возможности позволяют эффективно ликвидировать пожары различных классов, осаждать дым, обеспечивать электроэнергией потребителей, отогревать пожарную технику в зимних условиях, производить очистку технологического оборудования от пожароопасных отложений нефти.

При разработке АПМ одной из основных задач являлось определение его тактических возможностей на тушении пожаров, что неразрывно связано с необходимостью разработки ТС для подачи TAB и требований к ним (геометрических параметров, гидравлических и прочностных характеристик). К таким ТС относится следующее оборудование: рукава, разветвления, переходные соединительные головки и стволы, использование которого позволяет формировать энергетическую систему ПА для обеспечения подачи огнетушащих веществ. Особенностью использования ТС подачи TAB у является то, что вода (в жидком состоянии) в них движется с расходом" от 0,4 до 2,0 л/с при температуре от 160 до 210 °C и избыточном давлении от 1,3 до 2,0 МПа. Данные по гидравлическим характеристикам ТС подачи для воды с такими параметрами до настоящего времени отсутствовали. Кроме того при подаче TAB существует возможность разрыва ТС, а также закипание воды до выхода ее из ствола, поэтому необходимо поддерживать определенные режимы работы теплоэнергетической установки, что требует создания комплекса устройств автоматического контроля и управления. Такой комплекс может быть разработан только по результатам исследования гидравлических характеристик ТС подачи TAB.

Целью работы является разработка ТС для тушения пожаров на объектах энергетики с использованием теплоэнергетической установки получения TAB.

2 Здесь и далее величина расхода воды обозначена во внесистемных единицах литр в секунду (л/с). 1 л/с.

1−10″ 3 м3/с.

На основании выше изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

— в результате анализа метода пожаротушения TAB обосновать необходимость разработки ТС;

— разработать методику исследования, создать экспериментальный стенд, определить гидравлические характеристики и параметры работоспособности ТС для подачи TAB от теплоэнергетической установки;

— предложить метод расчета энергетической системы подачи TAB от теплоэнергетической установки для тушения пожаров на объектах энергетики;

— разработать комплекс устройств автоматического контроля и управления теплоэнергетической установкой.

Объектом исследования являются ТС подачи TAB от теплоэнергетической установки.

Предметом исследования являются режимы подачи TAB теплоэнергетической установкой.

Достоверность представленных в работе результатов подтверждается использованием фундаментальных законов физики и корректного математического аппаратаприменением современных приборовудовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчётов с экспериментальными данными, полученными при проведении натурных экспериментов.

В числе информационных источников диссертации использованы:

— научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, материалов научных конференций;

— статистические источники ВНИИПО;

— официальных документов в виде государственных стандартов, руководящих документов, правил и норм пожарной безопасности;

— результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— получены ранее неизвестные гидравлические характеристики ТС подачи TAB, на основе которых определены коэффициенты их гидравлических сопротивлений;

— по результатам исследований режимов подачи TAB разработан комплекс устройств автоматического контроля и управления, обеспечивающий устойчивую и надежную работу теплоэнергетической установкивпервые предложен метод расчета подачи TAB от теплоэнергетической установки для тушения пожаров.

Практическая значимость работы заключается работы в следующем:

— разработана рабочая конструкторская документация и изготовлены ТС подачи TAB Российского производства;

— предложен инженерный метод расчета энергетической системы, позволяющий решать задачи использования новой технологии пожаротушения, аналогов которой в мире нет;

— разработан комплекс устройств автоматического контроля и управления, который позволяет контролировать работу теплоэнергетической установки АПМ.

Результаты работы использованы: при разработке технического задания на проектирование измерительно-управляющего комплекса теплоэнергетической установки АПМ в научно-производственном центре «Навигатор» г. Москва;

— при разработке технического задания на изготовление рукавов для подачи TAB на Курском заводе резинотехнических изделий;

— в виде Программ и методик предварительных, государственных испытаний АПМ 3−2/125−1,38/100−100 (43 118) мод. ПиРоЗ — МПЗ, Руководства по эксплуатации АПМ 3−2/125−1,38/100−100 (43 118) мод. ПиРоЗ — МПЗ, выполненных для разработчика АПМ ООО «Аква-ПиРо-Альянс»;

— при проведении предварительных и государственных испытаний АПМ 3−2/125−1,38/100−100 (43 118) мод. ПиРоЗ — МПЗ на Мытищинском приборостроительном заводена сооружениях Саяно-Шушенской ГЭС при ликвидации последствий чрезвычайной ситуаций в феврале 2010 года;

— в учебном процессе АГПС по дисциплинам: пожарная техника, управление технической службой, пожарная тактика, гидравлика и противопожарное водоснабжение.

Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре «Современные средства и способы обеспечения пожарной безопасности» 5-ой юбилейной Московской международной промышленной ярмарке «МПР-2006» (Москва, 2006), на научно-практической конференции с международным участием «Современные системы и средства обеспечения пожарной безопасности», в рамках 7-й международной специализированной выставки «Пожарная безопасность XXI века» (Москва, 2008), на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образовательной и инновационной деятельности в образовательных учреждениях МЧС России. Опыт, проблемы, перспективы» (Москва, 2008), на международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации» (Гомель, 2008), на международной конференции «Методические основы повышения качества образовательной деятельности по направлениям подготовки 280 100 «Безопасность жизнедеятельности» и 280 700 «Техносферная безопасность» (Москва, 2010), на международной конференции «Лесные пожары: Управление и международное сотрудничество в области предупреждения лесных пожаров в регионе Азиатско-Тихоокеанского экономического сотрудничества» (Хабаровск, 2010), на научно-практической конференции «Школа молодых ученых» (Иваново, 2010), на Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5) (Москва, 2010).

Основные результаты работы опубликованы в семи научных статьях:

1. Храмцов, С. П. Исследования движения перегретой воды по пожарным рукавам [Текст] / С. П. Храмцов // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. — 2006. — № 6. — С. 112—120.

2. Храмцов, С. П. Вода для тушения пожаров [Текст] / С. П. Храмцов // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — № 4. — С. 72—75.

3. Храмцов, С. П. Измерительный комплекс для исследования работы пожарно-технического оборудования при подаче температурно-активированной воды [Текст] / С. П. Храмцов // Автомобильная промышленность. — 2008. — № 7. — С. 34−36.

4. Храмцов, С. П. Эколого-экономический эффект использования температурно-активированной воды при тушении пожаров [Текст] / С. П. Храмцов // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — № 4. — С. 72−79.

5. Храмцов, С. П. Инновационные технологии пожаротушения температурно-активированной водой [Текст] / С. П. Храмцов, Е. Д. Додонов, А. В. Пряничников, А. П. Кармес // Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации: сб. материалов международной научно-практической конференции. — в 2-х ч. — 4.1. — г. Гомель: ГИИ. — 2008. — С. 84−91.

6. Храмцов, С. П. Разработка стволов подачи температурно-активированной воды для тушения с нулевой отдачей и полным раскрытием струи при использовании автомобиля пожарного многоцелевого [Текст] / С. П. Храмцов, А. В. Пряничников, П. В. Никишин, А. П. Кармес // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — № 11. — С. 44^-8.

7. Храмцов, С. П. Практический метод расчета энергетической системы подачи температурно-активированной воды от теплоэнергетической установки для тушения пожаров [Текст] / С. П. Храмцов // Энергосбережение и Водоподготовка. — 2011. — № 3. — С. 61−64.

Выводы:

1 Местное гидравлическое сопротивление в разветвлении в среднем составили значения:

— 2,9 — для разветвления трехходового 25×16 мм;

— 8,7 — для разветвления трехходового 25×13 мм;

— 4,1 — для переходной соединительной головки 25×16 мм;

— 1,5 — для переходной соединительной головки 16×13 мм. 2 Потери напора /?м составили не более:

— 6,0 м — для разветвления трехходового 25×16 мм;

— 6,2 м — для разветвления трехходового 25×13 мм;

— 1,9 м — для переходной соединительной головки 25×16 мм;

— 2,4 м — для переходной соединительной головки 16×13 мм.

Исходя из полученных результатов, целесообразно использовать в качестве магистральных рукавных линий рукава диаметром 25 мм, разветвления 25×16 мм, переходные соединительные головки 25×16 мм, а для рабочих рукавных линий применять рукава диаметром 16 мм. А.

1 — АПМ- 2 — рукав- 3 — вставка- 4 — ствол- 5 — датчик избыточного давления- 6 — датчик температуры- 7 — расходомер- 8 — соединительный кабель- 9 — разъем- 10 — датчик разности давлений- 11 — импульсная трубка- 12 — исследуемое разветвление- 13 — регистратор многоканальный технологический Рисунок 2.29 — Схема подачи TAB при проведении эксперимента для определения гидравлических характеристик разветвлений.

АРМ.

3 Р б.

1 — АПМ- 2 — рукав- 3 — вставка- 4 — ствол- 5 — датчик избыточного давления- 6 — датчик температуры- 7 — расходомер- 8 — соединительный кабель- 9 — разъем- 10 — датчик разности давлений- 11 — импульсная трубка- 12 — исследуемая головка соединительная переходная- 13 — регистратор многоканальный технологический.

Рисунок 2.30 — Схема подачи TAB при проведении эксперимента для определения гидравлических характеристик переходных соединительных головок.

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 л/с.

• Разветвление 25×16.

Разветвление 25×13 мм Переходная соединительная головка 25×16 мм Переходная соединительная головка 16×13 мм.

31 — Гидравлические характеристики разветвлений и переходных соединительных головок.

Глава 3. Разработка комплекса устройств автоматического контроля и управления теплоэнергетической установки для подачи температурно-активированной воды на различных режимах работы.

3.1 Предлагаемый комплекс устройств автоматического контроля и управления. Назначение, общее устройство, принцип действия.

На экспериментальных моделях автомобилей с теплоэнергетической установкой (до 2007 г.) для измерения, регистрации и контроля параметров воды применялись приборы, которые не могли обеспечить поддержания требуемых режимов работы установки для пожаротушения.

Для измерения, регистрации и контроля температуры применялись термометры манометрические показывающие (рисунок 3.1). Недостатками таких устройств являлись:

— большая инерционность (более 1 мин) — не обеспечивало требуемых режимов работы установки по температуре воды;

— большой диаметр погружного термобаллона (до 20 мм), что приводило к вскипанию воды в местах установки;

— наличие стрелок, которые от вибрации отпадали в процессе эксплуатации.

Рисунок 3.1 — Термометр манометрический показывающий ТКП-100Эк-М1.

Для контроля параметров избыточного давления воды применялись манометры показывающие и сигнализирующие. Основными недостатками которых являлись:

— наличие импульсных трубок от места установки до щита оператора, которые размораживались при отрицательных температурах в зимних условиях эксплуатации;

— наличие стрелок, которые от вибрации отпадали в процессе эксплуатации.

На рисунке 3.2 представлен щит оператора АПМ 3−1/16−50 (43 118) мод. ПиРо (02) — МПЗ (2003 год выпуска), который был выполнен в соответствии с гидравлической схемой (рисунок 3.3).

Рисунок 3.2 — Щит оператора АПМ 3−1/16−50 (43 118) мод. ПиРо (02) — МПЗ.

РК.

В4 нх.

В5.

4 {Х].

Вб.

1X3О.

КР1.

В? ] вз ?<}т—{ХЬ вш.

0'.

Т-1.

ЕП % •.

Т1.

МЗ V тз.

0'.

• ИК1 • им •пш.

1 ".. Е1 Е2 ЕЗ * «.

• ¦

КШ1.

— ш Г.

ТО.

КС1 ксз р кии.

1 • Ф- .-О.

2−4- / ©-КШХ.

МВ.

0 МН 0.

КО О.

КС2.

М1: ч Ф1 пг нп.

Рисунок 3.3 — Принципиальная гидравлическая схема теплоэнергетической установки АПМ 3−1/16−50 (43 118) мод. ПиРо (02) — МПЗ.

Обозначения на принципиальной гидравлической схеме приведены в таблице 3.1.

Заключение

.

1. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий исследовать гидравлические характеристики ТС подачи TAB, с помощью которого получены ранее неизвестные коэффициенты гидравлических сопротивлений рукавов, переходных соединительных головок, разветвлений и стволов.

2. На основании экспериментальных данных рассчитан коэффициент а, позволяющий определить коэффициент линейного гидравлического сопротивления рукавов при подаче TAB по формуле В. Ф. Тольцмана. Для рукавов диаметром 25, 16 и 13 мм коэффициент, а изменяется в пределах соответственно: от 0,49 до 0,58- от 0,53 до 0,64- от 0,52 до 0,58.

3. Обоснованы требования к ТС подачи TAB на основе их гидравлических характеристик. Особенностью ТС является то, что вода (в жидком состоянии) в них движется с расходом от 0,4 до 2,0 л/с при температуре от 160 до 210 °C и избыточном давлении от 1,3 до 2,0 МПа. Установлено, что диаметр условного прохода труб и трубопроводной арматуры после насосов в теплоэнергетической установке составляет 21 мм, поэтому для уменьшения гидравлических сопротивлений и исключения местных вскипаний недогретой воды целесообразно использовать в качестве магистральных рукавных линий рукава диаметром 25 мм, для рабочих — рукава диаметром 16 мм, разветвления 25 на 16 мм и стволы с диаметрами насадков от 4,8 до 6,0 мм.

4. Разработаны технические задания на рукава, разветвления и стволы для подачи TAB от теплоэнергетической установки АПМ, который принят на снабжение в системе МЧС России для оснащения подразделений.

5. Разработан комплекс устройств автоматического контроля и управления, обеспечивающий устойчивую и надежную работу теплоэнергетической установки на различных режимах подачи TAB при тушении пожаров на объектах энергетики.

6. Предложен метод расчета энергетической системы подачи TAB от теплоэнергетической установки с учетом полученных коэффициентов гидравлических сопротивлений ТС и рабочих параметров системы.