XI. Горение двух струй газа

При разрыве подземного газопровода может реализоваться горение двух свободных высокоскоростных струй газа (настильных, т.е. с углом наклона оси факела к горизонту не более 8^◦ - 10^◦, или наклонных, т.е. с углом наклона к горизонту более 8^◦ - 10^◦), истекающих из двух концов (плетей) разрушенного трубопровода, вырванных их грунта (как правило, из «слабонесущего» грунта с низкой вязкостью) на поверхность земли.

В данном случае пламя пожара моделируется в виде усеченного конуса, наклонного или горизонтального. Для критических условий (M = 1 – число Маха) аварийного истечения газа из одного из концов разрушенного участка газопровода (в аварийном выходном сечении участка трубопровода) (индекс «Е») устанавливаются следующие газодинамические параметры потока (скорость, плотность и давление):

, (П.4.83)

, (П.4.84)

, (П.4.85)

где u_E – скорость газа в аварийном сечении трубопровода, м/с; P_E – давление в аварийном сечении трубопровода, Па; ρ_E – плотность в аварийном сечении трубопровода, кг/м³; a_E – местная скорость звука, м/с; f_E = (πd₀²)/4 – площадь поперечного сечения трубы, м²; G_i – массовый расход газа для соответствующей струи (i = 1 – первая, i = 2 – вторая), кг/с.

Для правомерности использования формул (П.4.83) – (П.4.85) необходимо проверить выполнения условия P_E ≥ P_a, где P_a – атмосферное давление, Па. Если данное условие не выполняется, то истечение газа происходит в дозвуковом режиме, размеры зоны загазованности небольшие и ими можно пренебречь по сравнению с размерами зон, наблюдающимися при звуковом истечении.

После выходного сечения на определенном участке (в пределах нескольких диаметров трубы) при превышении статическим давлением на срезе трубы атмосферного давления происходит изоэнтропическое расширение газа с разгоном потока до сверхзвуковых скоростей (M > 1) и формированием системы скачков уплотнения (без изменения расходных характеристик в образующемся струйном течении). Для данного участка течения характерна существенная неравномерность потока. При этом за счет действия скачков уплотнения происходит потеря полного давления. В конце данного участка давление в поперечной плоскости течения выравнивается и становится равным атмосферному. Данное сечение в газовой динамике получил название «изобарическое сечение нерасчетной струи» или «ударная плоскость».

В ударной плоскости (индекс «s») значение газодинамического параметра скорости – числа λ_s определяется как:

. (П.4.86)

Значения температуры, числа Маха, плотности и диаметра эквивалентного сечения струи в ударной плоскости приведены ниже:

, (П.4.87)

, (П.4.88)

, (П.4.89)

. (П.4.90)

Общая длина струи определяется по формуле (П.4.73) с учетом заданной интенсивности истечения G_i.

Отрыв факела пламени от среза разорванной трубы (отверстия) h, м, определяется по формуле:

. (П.4.91)

Длина видимой части пламени (высота усеченного конуса) R_L, м, определяется по формуле:

. (П.4.92)

Ширина малого основания усеченного конуса W₁, м, определяется по формуле:

, (П.4.93)

где ρ_в – плотность воздуха при P_a и 293 К, кг/м³; ρ_г – плотность газа в стандартных условиях, кг/м³.

Ширина большого основания усеченного конуса W₂, м, определяется по формуле:

. (П.4.94)

Общая длина настильной струи (т.е. горизонтальной струи с источником выброса на уровне земли) рассчитывается по формуле:

. (П.4.95)

Угловой коэффициент облученности для данного вида горения рассчитывается по формулам (П.4.76) – (П.4.82), принимая во внимание, что d = , м и H = , м.

Метод определения времени от начала пожара
до блокирования эвакуационных путей в результате распространения на них опасных факторов пожара

Время от начала пожара до блокирования эвакуационных путей в результате распространения на них опасных факторов пожара определяется путем выбора из полученных в результате расчетов значений критической продолжительности пожара минимального времени:

. (П5.1)

Критическая продолжительность пожара по каждому из опасных факторов определяется как время достижения этим фактором критического значения на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола. Критические значения по каждому из опасных факторов составляют:

по повышенной температуре - + 70^оС;

по тепловому потоку - 1400 Вт/м²

по потере видимости - 20 м;

по пониженному содержанию кислорода - 0,226 кг·м^-3;

по каждому из токсичных газообразных продуктов горения

(СО₂ - 0,11 кг·м^-3, СО - 1,16·10^-3 кг·м^-3, HCL - 23·10^-6 кг·м^-3).

Для описания термогазодинамических параметров пожара могут применяться три вида моделей: интегральные, зонные (зональные) и полевые.

Выбор конкретной модели расчета времени блокирования путей эвакуации следует осуществлять, исходя из следующих предпосылок:

интегральный метод:

для зданий, содержащих развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации;

для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерными размерами помещения и размеры помещения соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз);

для предварительных расчетов с целью выявления наиболее опасного сценария пожара;

зонный (зональный) метод:

для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз), когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения;

для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения (площадки обслуживания оборудования, внутренние этажерки и т.д);

полевой метод:

для помещений сложной геометрической конфигурации, а также помещений с большим количеством внутренних преград (например, многосветные пространства с системой галерей и примыкающих коридоров);

для помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше (меньше) остальных (тоннели, закрытые галереи и т.д.);

для иных случаев, когда применимость или информативность зонных и интегральных моделей вызывает сомнение (уникальные сооружения, распространение пожара по фасаду здания, необходимость учета работы систем противопожарной защиты, способных качественно изменить картину пожара и т.д.).

В настоящее время для проведения расчетов распространения опасных факторов пожара в здании получили широкое распространение программные продукты, реализующие полевые и зонные модели расчета времени блокирования путей эвакуации. К наиболее широко используемым программным продуктам, реализующим указанные выше модели, следует отнести FDS 6 (Fire Dynamic Simulator – Программа для моделирования динамики развития пожара), моделирующий полевую модель, и CFAST 6 (Consolidated Model of Fire and Smoke Transport - Обобщенная модель распространения огня и дыма), моделирующий зонную модель. Необходимо отметить, что данные программные продукты имеют открытый исходный код и распространяются бесплатно. Перечень необходимых исходных данных для задания свойств очага пожара, выделения дыма и токсичных газообразных продуктов горения в указанных выше программных продуктах на основании документов [10, 19-21] представлен в прил. 1 к настоящему Пособию.

Необходимо отметить, что при использовании полевой модели определение критической продолжительности пожара по условию достижения каждым из опасных факторов пожара предельно допустимых значений в зоне пребывания людей (рабочей зоне) имеет существенные особенности, связанные с тем, что критическое значение в различных точках помещения достигается не одновременно. Для помещений с соизмеримыми размерами время от начала пожара до блокирования эвакуационных путей в результате распространения на них опасных факторов пожара допустимо определять как максимальное из соответствующих времен для эвакуационных выходов из данного помещения (время блокирования последнего выхода).

При рассмотрении сценариев, связанных со сгоранием газо-, паро- или пылевоздушной смеси в помещении категории А или Б, условная вероятность поражения человека в этом помещении принимается равной 1 при сгорании газо-, паро- или пылевоздушной смеси в этом помещении до завершения эвакуации людей и 0 после завершения эвакуации людей.

При наличии в помещении очага пожара установки автоматического водяного и пенного пожаротушения, соответствующей требованиям нормативных документов по пожарной безопасности, при проведении расчетов значение скорости выгорания допускается принимать уменьшенным в 2 раза.

При проведении расчетов распространения опасных факторов пожара линейную скорость распространения пламени в первые 10 мин от начала возникновения пожара допускается принимать равной 50 % от ее максимального значения.

Для помещения очага пожара, удовлетворяющего критериям применения интегрального метода, критическую продолжительность пожара t_кр (с) по условию достижения каждым из опасных факторов пожара предельно допустимых значений в зоне пребывания людей (рабочей зоне) можно оценить по формулам:

по повышенной температуре:

; (П5.2)

по потере видимости:

; (П5.3)

по пониженному содержанию кислорода:

; (П5.4)

по каждому из газообразных токсичных продуктов горения:

; (П5.5)

, (П5.6)

где t₀ - начальная температура воздуха в помещении, °С; В - размерный комплекс, зависящий от теплоты сгорания материала и свободного объема помещения, кг; n - показатель степени, учитывающий изменение массы выгорающего материала во времени; А - размерный параметр, учитывающий удельную массовую скорость выгорания горючего вещества и площадь пожара, кг/сⁿ; Z - безразмерный параметр, учитывающий неравномерность распределения опасного фактора пожара по высоте помещения; Q - низшая теплота сгорания материала, МДж/кг; С_Р - удельная изобарная теплоемкость воздуха, МДж/кг; j - коэффициент теплопотерь; h - коэффициент полноты горения; V - свободный объем помещения, м³; a - коэффициент отражения предметов на путях эвакуации; E - начальное освещение, лк; l_ПР - предельная дальность видимости в дыму, м; D_m - дымообразующая способность горящего материала, Нп·м²/кг; L - удельный выход токсичных газов при сгорании 1 кг горючего вещества, кг/кг; Х - предельно допустимое содержание токсичного газа в помещении, кг/м³; - удельный расход кислорода, кг/кг.

Свободный объем помещения соответствует разности между геометрическим объемом и объемом оборудования или предметов, находящихся внутри. При отсутствии данных допускается свободный объем принимать равным 80 % геометрического объема помещения.

Если под знаком логарифма получается отрицательное число, то данный опасный фактор пожара не представляет опасности.

Параметр Z определяется по формуле:

, при H £ 6 м, (П5.7)

где h - высота рабочей зоны, м;

Н - высота помещения, м.

Высота рабочей зоны определяется по формуле:

, (П5.8)

где h_ПЛ - высота площадки, на которой находятся люди, над полом помещения, м; d - разность высот пола, равная нулю при горизонтальном его расположении, м.

Следует иметь в виду, что наибольшей опасности при пожаре подвергаются люди, находящиеся на более высокой отметке. Поэтому при определении необходимого времени эвакуации следует ориентироваться на наиболее высоко расположенные в помещении участки возможного пребывания людей.

Параметры А и n определяются следующим образом:

для случая горения жидкости с установившейся скоростью:

, при n = 1; (П5.9)

для случая горения жидкости с неустановившейся скоростью:

, при n = 1,5; (П5.10)

для случая кругового распространения пламени по поверхности горючего вещества или материала:

, при n = 3; (П5.11)

для вертикальной или горизонтальной поверхности горения в виде прямоугольника, одна из сторон которого увеличивается в двух направлениях за счет распространения пламени:

, при n = 2, (П5.12)

где Y_F - удельная массовая скорость выгорания вещества, кг/(м²×с); F – площадь пролива жидкости; t_СТ – время установления стационарного режима горения жидкости, с; v - линейная скорость распространения пламени, м/с; b - перпендикулярный к направлению движения пламени размер зоны горения, м.

При отсутствии данных значение t_СТ может быть принято в зависимости от температуры кипения жидкости [18]:

для жидкостей с температурой кипения до 100 ^ОС – 180 с;

для жидкостей с температурой кипения от 101 до 150 ^ОС – 240 с;

для жидкостей с температурой кипения более 150 ^ОС – 360 с.

Случай факельного горения в помещении может рассматриваться как горение жидкости с установившейся скоростью с параметром А равным массовому расходу истечения горючего вещества из оборудования и показателем степени
n равным 1.

При отсутствии специальных требований значения a и E принимаются равными 0,3 и 50 лк соответственно, а l_ПР равным 20 м.

При расположении людей на различных по высоте площадках критическую продолжительность пожара следует определять для каждой площадки.

II. Метод определения
расчетного времени эвакуации

Расчетное время эвакуации людей t_pиз помещений и зданий устанавливают по расчету времени движения одного или нескольких людских потоков через эвакуационные выходы от наиболее удаленных мест размещения людей непосредственно наружу или в безопасную зону.

Расчетное время эвакуации определяется только для эвакуационных путей и эвакуационных выходов, параметры которых (минимальная ширина и высота) соответствует требованиям нормативных документов по пожарной безопасности.

При определении расчетного времени эвакуации учитывается пропускная способность всех имеющихся в помещениях, на этажах и в здании эвакуационных выходов.

При расчете весь путь движения людского потока подразделяют на участки (проход, коридор, дверной проем, лестничный марш, тамбур) длиной l_i и шириной δ_i. Начальными участками являются проходы между рабочими местами, оборудованием, рядами кресел и т.п. При определении расчетного времени эвакуации учитывается пропускная способность всех имеющихся в помещениях, на этажах и в здании эвакуационных выходов.

При определении расчетного времени длину и ширину каждого участка пути эвакуации для проектируемых зданий и сооружений принимают по проекту, а для существующих – по факту. Длину пути по лестничным маршам, а также по пандусам измеряют по длине марша. Длину пути в дверном проеме принимают равной нулю. Проем, расположенный в стене толщиной более 0,7 м, а также тамбур следует считать самостоятельными участками горизонтального пути, имеющими конечную длину l_i.

Расчетное время эвакуации людей t_pследует определять как сумму времени движения людского потока по отдельным участкам пути t_i по формуле

t_p = t₁ + t₂ + t₃ +... + t_i, (П5.13)

где t₁ – время движения людского потока на первом (начальном) участке, мин; t₂, t₃,..., t_i – время движения людского потока на каждом из следующих после первого участка пути, мин.

Время движения людского потока по первому участку пути t_i, мин, определяется по формуле

, (П5.14)

где l₁ – длина первого участка пути, м; v₁ – скорость движения людского потока по горизонтальному пути на первом участке, м/мин (определяют по таблице П5.1 в зависимости от плотности D).

Плотность однородного людского потока на первом участке пути D₁, определяется по формуле

, (П5.15)

где N₁ – число людей на первом участке, чел.; f – средняя площадь горизонтальной проекции человека, м², принимаемая равной 0,125; δ₁ – ширина первого участка пути, м.

Скорость v₁ движения людского потока на участках пути, следующих после первого, принимают по табл. П5.1 в зависимости от интенсивности движения людского потока по каждому из этих участков пути, которая определяется для всех участков пути, в том числе и для дверных проемов, по формуле

, (П5.16)

где δ_i,δ_i–1 – ширина рассматриваемого i-го и предшествующего ему участка пути, м; q_i, q_i–1 – интенсивности движения людского потока по рассматриваемому i-му и предшествующему участкам пути, м/мин.

Интенсивность движения людского потока на первом участке пути q = q_i–1 определяют по табл. П5.1 по значению D₁,установленному по формуле (П5.15).

Таблица П5.1

Интенсивность и скорость движения людского потока
на разных участках путей эвакуации в зависимости
от плотности потока

Примечание.Интенсивность движения в дверном проеме при плотности потока 0,9 и более, равная 8,5 м/мин, установлена для дверного проема шириной 1,6 м и более, а при дверном проеме меньшей ширины интенсивность движения следует определять по формуле q_i = = 2,5 + 3,75 × δ.

Если значение q_i,определяемое по формуле (П5.16), меньше или равно q_maх,то время движения по участку пути t_i,мин, равно

, (П5.17)

при этом значения q_maх,м/мин, следует принимать равными:

16,5 – для горизонтальных путей;

19,6 – для дверных проемов;

16,0 – для лестницы вниз;

11,0 – для лестницы вверх.

Если значение q_i, определенное по формуле (П5.16), больше q_maх,то ширину δ_i данного участка пути следует увеличивать на такое значение, при котором соблюдается условие

q_i ≤ q_max. (П5.18)

При невозможности выполнения условия (П5.18) интенсивность и скорость движения людского потока по участку i определяют по таблице П5.1 при значении D = 0,9 и более. При этом следует учитывать время задержки движения людей из-за образовавшегося скопления.

Время задержки t_заддвижения на участке i из-за образовавшегося скопления людей на границе с последующим участком (i+1) определяется по формуле

, (П5.19)

где N – количество людей, чел.; f – площадь горизонтальной проекции, м²; q_D– интенсивность движения через участок (i+1) при плотности 0,9 и более, м/мин; d_i+1 – ширина участка, м, при вхождении на который образовалось скопление людей; q_i – интенсивность движения на участке i, м/мин; d_i – ширина предшествующего участка i, м.

Время существования скопления t_ск на участке i определяется по формуле

. (П5.20)

Расчетное время эвакуации по участку i, в конце которого на границе с участком (i+1) образовалось скопление людей, равно времени существования скопления t_cк. Расчетное время эвакуации по участку i допускается определять по формуле

. (П5.21)

1 — начало участка i

Рис. П5.1. Слияние людских потоков

При слиянии в начале участка i двух и более людских потоков (рис. П5.1) интенсивность движения q_i,м/мин, определяется по формуле

, (П5.22)

где q_i–1 – интенсивность движения людских потоков, сливающихся в начале участка i, м/мин; d_i–1 – ширина участков пути слияния, м; d_i – ширина рассматриваемого участка пути, м.

Если значение q_i,определенное по формуле (П5.22), больше q_max, то ширину δ_i данного участка пути следует увеличивать на такое значение, чтобы соблюдалось условие (П5.18).

ЛИТЕРАТУРА

1. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (утверждена приказом МЧС от 10.07.2009 г № 404, изменения утверждены приказом МЧС России от 14 декабря 2010 г № 649).

2. Постановление Правительства РФ от 31 марта 2009 г. № 272 "О порядке проведения расчетов по оценке пожарного риска".

3. Федеральный закон от 22 июля 2008 года № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».

4. СП 12.13130.2009*. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.

5. Федеральный закон от 21 июля 1997 г. №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»

6. Постановление Правительства РФ № 87 от 16 февраля 2008 г. «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию».

7. Пожароврывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ. Изд.: в 2 книгах / А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. – М., Химия, 1990.

8. Монахов В.Т. Показатели пожарной опасности веществ и материалов. Анализ и предсказание. Газы и жидкости. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2007. -248 с.

9. Пособие по применению СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» / И.М. Смолин [и др.]. М.: ВНИИПО, 2014. 147 с.

10. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Учебное пособие. – М: Академия ГПС МВД России, 2000. – 118 с.

11. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещений при пожаре. Рекомендации: – М.: ВНИИПО МВД СССР, 1989. – 22 с.

12. Failure Rate and Event Data for use within Land Use Planning Risk Assessment. Health and Safety Executive, UK.

13. PD 7974-7:2003. Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Part 7: Probabilistic fire risk assessment, British Standards Institution (BSI), London, UK, 2003 (перевод ООО «СИТИС», 2010 г.)

14. IEC 61025:1990. Fault Tree Analysis (гармонизированный национальный стандарт РФ ГОСТ Р 51901.13-2005 «Менеджмент риска. Анализ дерева неисправностей»).

15. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и пожарных отсеках различных классов функциональной пожарной опасности (утверждена приказом МЧС от 30.06.2009 г № 382, изменения утверждены приказом МЧС России от 12 декабря 2011 г № 749 и приказом МЧС России от 2.12.2015 г № 632).

16. СП 131.13330.2012 Строительная климатология.

17. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика.

18. Средства пожарной автоматики. Область применения. Выбор типа. Рекомендации. – М.: ВНИИПО, 2004. – 96 с.

19. Пособие по применению «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности». 2-ое изд., испр. и доп. / А.А. Абашкин [и др.]. М.: ВНИИПО, 2014. – 226 с.

20. Карькин И.Н. Работа в программном комплексе FireCat. Библиотека реакций и поверхностей горения в PyroSim. Редакция 3, 2014. – 27 с.

21. СИТИС 2-09 (Редакция 5). Методические рекомендации по использованию программы CFAST, 2009. – 64 с.

22. PD 7974-7:2003. «Применение принципов пожарно-технического анализа при проектировании зданий. Часть 7: вероятностная оценка риска».