технології

1. Основні причини виникнення пожежі в метро
2. Робота аварійних систем при пожежах в метрополітені
3. Моделювання пожежі поїзда в тунелі
4. висновок

20 вересня 2017 р

Зміст статті

Основні причини виникнення пожежі в метро
При аналізі статистики аварійних ситуацій в метро можна виділити основні причини виникнення пожежі та об'єкти, найбільш схильні до пожежної небезпеки
Робота аварійних систем при пожежах в метрополітені
Основним засобом боротьби з задимленістю в надзвичайній ситуації є аварійний режим роботи системи тунельної вентиляції ...
Моделювання пожежі поїзда в тунелі
Для моделювання процесів горіння залізничних поїздів в тунелях був використаний програмний комплекс FDS
висновок

У представленій статті наведені результати чисельного моделювання розвитку пожежі, поширення її небезпечних факторів, а також здійснено вибір ефективних параметрів роботи системи димовидалення в двоколійному тунелі.

Складнощі забезпечення протипожежної безпеки на об'єктах метрополітену пов'язані з великими скупченнями людей, віддаленістю станцій від поверхні, високою щільністю електрообладнання на одиницю площі, особливостями вентиляційної системи, що сприяє швидкому поширенню вогню і диму.

Зниження втрат і витрат при пожежах вимагає ретельно розроблених організаційних, технічних та профілактичних рішень. Для цього необхідна інформація про те, як розвивається і поширюється пожежа, а також як небезпечні фактори пожежі (далі - ОФП) впливають на людей, обладнання та конструкції станції і тунелю. Для вирішення цього завдання в усьому світі прийнято виконувати аналіз динаміки розвитку пожежі та поширення ОФП із застосуванням сучасних технологій комп'ютерного моделювання [1 - 4].

Пожежно-тактичне навчання в Московському метрополітені
Джерело: mchs.gov.ru

Основні причини виникнення пожежі в метро

При аналізі статистики аварійних ситуацій в метрополітені можна виділити основні причини виникнення пожежі та об'єкти, найбільш схильні до пожежної небезпеки. Як показує досвід, найпоширенішою причиною пожеж на об'єктах метрополітену є несправність електрообладнання. Найчастіше пожежі відбуваються в рухомому складі, другим по частоті загорянь об'єктом є перегінні тунелі.

Крім зазначених факторів, загоряння рухомого складу, особливо, що зупинився в тунелі, становлять найбільшу небезпеку для пасажирів в силу швидкого поширення продуктів горіння і зростання температури. Також порятунок пасажирів з тунелю ускладнюється особливостями шляхів евакуації: контактну рейку і обладнання під високою напругою, вузькі габарити проходів. Підтвердженням може служити катастрофа в Бакинському метрополітені. Через загоряння тягового двигуна поїзд був зупинений посеред тунелю, в пожежі загинули 289 осіб. Причиною смерті більшості з жертв стало отруєння продуктами горіння [4 - 6].

Джерело: m.ru.sputnik.az

Вибір оптимальних проектних аварійних ситуацій визначає ефективність проектування системи протипожежної безпеки і дозволяє мінімізувати негативні наслідки від їх настання. В цілому, при розгляді факторів пожежі, що перешкоджають ефективній евакуації, слід виділити зниження видимості, теплоту і токсичні гази. Опіки і задимленість сприяють паніці і дезорієнтації в просторі, продукти горіння, в залежності від концентрації, призводять до безпорадності і смерті. Тому при моделюванні пожеж в метрополітені, вкрай важливо правильно оцінити виділення і поширення продуктів горіння конструкційних матеріалів вагона [7 - 10].

У зв'язку c цим в цій статті будуть приведена оцінка ефективності системи протидимного вентиляції двоколійного тунелю, також побудована залежність необхідного об'ємної витрати димовидалення від відстані між димоприймальним отворами. Для отримання залежності була проведена серія обчислювальних експериментів за сценарієм із загорянням салону вагона рухомого складу з аварійної зупинкою на перегоні.

Будівництво двоколійного тунелю в САКТІ-Петербурзі

Робота аварійних систем при пожежах в метрополітені

Основним засобом боротьби з задимленістю в надзвичайній ситуації є аварійний режим роботи системи тунельної вентиляції. В якості додаткових коштів можуть застосовуватися спеціалізовані системи димовидалення та мобільні пристрої димовидалення пожежних розрахунків. Розглянемо два види пожеж: в перегінному тунелі і на станції.

При пожежі в перегінному тунелі основна умова роботи аварійної вентиляції, що працює за класичною схемою, полягає в тому, щоб евакуація відбувалася назустріч створюваному в тунелі потоку повітря. Основне завдання і основна складність при цьому полягає в тому, що необхідно підібрати такі режими роботи вентагрегатами на лінії або ділянці лінії (як правило по декілька перегонів в кожну сторону від джерела пожежі), щоб забезпечити «свіжу» струмінь назустріч евакуюють і незадимлену суміжних неаварійних ділянок метрополітену.

При витяжці газоповітряної суміші вниз по схилу в тунелі стійкість повітряного потоку забезпечується при перевищенні теплової депресії (тяги) пожежі повним тиском (депресією), що генерується системою аварійної вентиляції. Для виконання цієї умови в тунелях з великим рівнем ухилу необхідне включення додаткових вентиляційних шахт в аварійному режимі з боку вогнища пожежі на витяжку, а з боку станції - на приплив. Це призводить до збільшення зони задимлення і наражає на небезпеку людей, що знаходяться на ділянці від вентиляційної шахти до станції.

Пожежа в лондонському метро на станції Кінгс Кросс, 1987 рік

Недостатня потужність вентустановок, некоректно підібрані параметри їх спільного включення на лінії, навіть вплив умов на денній поверхні можуть призводити до «перекидання» вентиляційного потоку, утворення зворотної течії і повної непрацездатності класичної системи вентиляції. Крім того, такі системи досить інерційні і сложноуправляеми.

Один із способів вирішення цієї проблеми - перекриття тунелю, паралельного аварійній ділянці стаціонарними затворами або бистровозводімимі перемичками. Дане рішення було запропоновано Чижиковим В.П. і групою фахівців Санкт-Петербурзького університету МВС РФ (пізніше - СПбФ ВНІЇПО МНС РФ) [11]. Незважаючи на ефективність, продемонстровану на дослідній ділянці Московського метрополітену, на практиці рішення не прижилося.

У разі ж пожежі на станції, що не обумовленого загорянням рухомого складу, прилеглі шахти включаються на витяжку відразу після звільнення тунелю від поїздів. Станційна шахта в разі пожежі повинна працювати на витяжку постійно. Вентиляційні шахти на ділянках, суміжних з аварійним, працюють на приплив, а сусідні з ними - на витяжку. Решта шахти незначно вплинуть на димовидалення, тому продовжують працювати в стандартному режимі.

При наявності на станції рухомого складу, його необхідно вивести з аварійної зони, рух поїздів перекрити, системи місцевої вентиляції вимкнути.

Результати моделювання розподілу повітря в тунелі, ВАТ «НІПІІ« Ленметрогипротранс »

Зазначені заходи дозволяють забезпечити спадний вентиляційний потік в ескалаторних тунелях. Для його стабілізації можуть бути включені на витяжку перегінні шахти. Недоліком такого аварійного режиму є поширення задимлення по тунелях в обидві сторони від станції аж до перегінних вентиляційних шахт.

У випадку з двоколійними тунелями, які мають більший діаметр, з'являється можливість організувати у верхній частині спеціалізований вентиляційний канал, призначений для подачі / видалення повітря в перегінний тунель, в тому числі в аварійному режимі. Детально це технічне рішення розглянуто в [7, 12, 13], є ноу-хау ВАТ «Ленметрогипротранс» і вперше було застосовано при проектування другої черги Фрунзенського радіусу Петербурзького метрополітену. Подібне рішення дозволяє локалізувати область задимлення і знизити вплив сусідніх ділянок лінії на роботу системи димовидалення на аварійній ділянці.

Крім того, будівництво станцій з боковим примиканням платформ на ділянках з двоколійними тунелями з виділенням транспортного відсіку в окрему зону, дозволяє використовувати модульну структуру станцій, підвищити ефективність роботи вентиляції ділянки лінії, і в окремих випадках повністю відмовитися від перегінних споруд [14].

Моделювання пожежі поїзда в тунелі

Для моделювання процесів горіння залізничних поїздів в тунелях був використаний програмний комплекс FDS, який реалізує польову модель тепломасопереносу при пожежах.

За допомогою системи рівнянь Нав'є-Стокса для багатокомпонентного неізотермічного течії в істотно дозвуковом наближенні були описані турбулентні течії реагує суміші. Система рівнянь включає в себе рівняння збереження маси, імпульсу і енергії, які замикаються рівняннями стану ідеального газу і ентальпії одиниці маси, певне через масові частки компонентів газової суміші і ентальпію кожного з компонентів.

Для вираження тензора напружень в рівнянні руху використовується лінійна залежність його від тензора швидкості деформацій. Моделювання турбулентності проводилося за допомогою моделі великих вихорів. Для моделювання горіння використовувалася модель змінної змішання. За допомогою рішення одновимірного рівняння теплопровідності задавалася передача енергії всередину огороджувальних конструкцій [12].

Малюнок 1. Вид розрахункової моделі 1

Допущення, прийняті в розрахунку: пожежа починається в центрі навантаження і поширюється радіально з постійною швидкістю (1 м / с), матеріал огороджувальних конструкцій тунелю - бетон. Теплообмін з ґрунтовим масивом НЕ моделювався, тому що за час моделювання виконується умова півпростору з боку грунту.

При моделюванні переносу теплового випромінювання не враховувався розсіювання. Відзначимо, що розсіювання в основному обумовлено присутністю аерозолю в потоці. В інфрачервоному діапазоні виконується умова, при якому коефіцієнт розсіювання значно менше поглинання, що справедливо для сажистого аерозолю, що утворюється в полум'я.

Було виконано аналіз конструктивних рішень, проведена оцінка пожежної небезпеки рухомого складу і визначено сценарій розвитку пожежі у вагоні, який приймається для проведення розрахунків умов безпечної евакуації людей. Об'єкт, на якому можливо виникнення пожежі - вагон рухомого складу. Ймовірне місце розташування вогнища пожежі: підвагонне простір, салон вагона, кабіна машиніста.

Кількість горючої навантаження: підвагонне простір - 2 ... 4 кг · м -2; салон вагона - 18 ... 20 кг · м -2; кабіна машиніста - 4 ... 6 кг · м -2. Оцінка кількості і місць розміщення горючої навантаження в вагоні проводилася на підставі досліджень, наведених в [16]. При моделюванні хімічної реакції приймалося допущення, що під час пожежі одночасно протікають хімічні реакції горіння всіх матеріалів, а їх вклад в загальний вихід продуктів горіння визначається масовою часткою матеріалів конструкції вагона і стехиометрическими коефіцієнтами в реакціях.

В якості критичного значення висоти незадимленої зони приймається рівень 1,7 м від рівня аварійного проходу в тунелі.

Щоб зробити оцінку ефективності системи протидимного вентиляції тунелю, побудуємо залежність необхідного об'ємної витрати димовидалення від відстані між димоприймальним отворами. Для отримання залежності проведемо серію обчислювальних експериментів, яка дозволить вибрати найбільш ефективний витрата димовидалення. Вибір будемо виробляти по одному з ОФП - задимлення.

Опис моделі 1: в якості розрахункової моделі використовувався двоколійний тунель (ширина тунелю 8 метрів, висота 4,5 метрів), на висоті 4,5 метрів розташовані два клапана видалення газоповітряної суміші з розрахункової області на відстані 100 метрів один від одного. На висоті 1,7 метрів розташовані 10 датчиків видимості.

Вагон з осередком пожежі розташовується в центральній частині рухомого складу. Критична тривалість пожежі визначається з умови досягнення одним з НФП гранично допустимого значення в робочій зоні по втраті видимості. Проводилася серія з п'яти випробувань. Витрата димовидалення на клапанах в обчислювальних експериментах змінювався від 50 до 150 м 3 / с, результати яких зведені в таблицю 1.

Номер експериментуСумарний витрата видалення диму через два клапана, м 3 / сДостатність умов для безпечної евакуації

1 50 Мало 2 75 Мало 3 100 Досить 4 125 Надмірно 5 Пробіг: 150 Надмірно

Порівняльний аналіз результатів експериментів по моделі 1

По моделях аналогічним моделі 1 були проведені серії обчислювальних експериментів з декількома ступенями свободи: відстань між клапанами, кількість працюючих одночасно клапанів, витрата димовидалення на клапанах. За підсумками моделювання найбільш ефективною системою вентиляції виявилася система, що складається з двох клапанів, розташованих на відстані 90 - 120 м, сумарна витрата видалення диму через які яких становить 100 м 3 / с.

Отримані результати перевірили на більш докладної моделі, в якій більш детально розглянули поширення ОФП на зону палаючого вагона і на вагони поза зоною горіння.

Опис моделі 2: в якості моделі приймається двоколійний тунель (довжина розрахункової зони тунелю 500 м, ширина 10 м, висота 6 м), на висоті 6 метрів розташовані два клапана видалення газоповітряної суміші з розрахункової області на відстані 100 метрів один від одного. Джерелом спалаху є рухомий склад з аварійної зупинкою на перегоні. Розташування вогнища приймаємо в центральній частині рухомого складу. Максимальна площа горіння відповідає трьом площам вагона, з поступовим «вигоранням» у міру зниження навантаження.

Малюнок 2. Форма розрахункової моделі 2

Пожежа починається в центрі навантаження і поширюється зі швидкістю 1 м / с. Сумарна витрата диму через два клапана 100 м 3 / с. Результати розрахунку моделювання представлені на малюнках 3 і 4.

В ході експерименту були отримані поля небезпечних факторів пожежі, аналіз яких показує, що блокування евакуаційних шляхів не відбувається, так як протягом всього часу пожежі показники видимості та інших ОФП не досягають критичних значень. Малюнки 3 і 4 показують, що протягом необхідного для евакуації людей часу димової шар утримується між двома працюючими клапанами, що гарантовано дозволяє провести заходи з порятунку людей і приступити до локалізації та гасіння пожежі.

Малюнок 3. Зміна видимості під час пожежі в тунелі

Таким чином можна стверджувати, що прийняті проектні рішення і вибрані параметри системи димовидалення забезпечують безпеку людей під час пожежі. Крім того, одним з незаперечних переваг подібної системи вентиляції є її більш низька інерційність (в порівнянні з класичною схемою), можливість регулювання і управління ситуацією в тунелі, стійкість до впливу умов на сусідніх ділянках лінії метрополітену.

Малюнок 4. Робота протидимного клапана під час пожежі рухомого складу

висновок

Досвід проектування і експлуатації об'єктів метрополітену показує, що однією з найважливіших підсистем протипожежного захисту є протидимна вентиляція, вибір і обгрунтування режимів і параметрів роботи якої - складна інженерна задача, що вимагає системного підходу і використання коштів комп'ютерного моделювання фізичних процесів.

До особливостей підвищену пожежну небезпеку тунелів метрополітену можна віднести:
- глибина залягання, як наслідок, проблеми забезпечення доступу з поверхні;
- специфіка технологічного процесу;
- конструктивні особливості тунелів і станцій;
- характеристики використовуваних матеріалів і устаткування.

Застосування інноваційних будівельних та інженерних рішень на об'єктах метрополітену дозволяє підвищити його безпеку і надійність при різного роду надзвичайних ситуаціях. Однак розробка і реалізація подібних рішень, вибір оптимальних проектних параметрів різних систем без докладного моделювання фізичних процесів - неможливо.

У даній роботі був проведений підбір оптимальних параметрів системи протидимного вентиляції двоколійного тунелю, що складається з двох клапанів, розташованих на відстані 100 м, сумарна витрата видалення диму через які яких становить 100 м 3 / с. В ході моделювання було доведено, що прийняті проектні рішення і вибрані параметри системи димовидалення забезпечують безпеку людей під час пожежі на час, необхідний для евакуації і порятунку людей, а також проведення заходів локалізації та гасіння пожежі.

Автори статті:

А.І. Данилов, аспірант кафедри ПБЗіАСП Санкт-Петербурзького університету ДПС МНС Росії, головний спеціаліст з пожежної безпеки та ГОЧС ВАТ «НІПІІ« Ленметрогипротранс »,

І.А. Сиваков, к.т.н., начальник відділу автоматизації проектування ВАТ «НІПІІ« Ленметрогипротранс », асистент кафедри КТФіЕМ

Н.В. Пилипенко, д.т.н., професор, професор кафедри КТФіЕМ Університету ИТМО

П.А. Костерева, магістрант кафедри КТФіЕМ Університету ИТМО

В.Н. Озірна, магістрант кафедри АЕС СПбДПУ

1.NFPA 130 Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems 2003 Edition. National Fire Protection Association, 1 Batterymarch Park, Quincy, MA, USA

2.Haack, A., Real fires and design fires, Proceedings of the Jornada Técnica sobre Fuego en Túneles , Barcelona, Spain, 5 May 2011.

3. Haack, A .: Latest achievement and perspectives in tunnel safety; proceedings of the 30th ITAAITES World Tunnel Congress "Underground Space for Sustainable Urban Development; Singapore 22-27 May 2004; Tunneling and Underground Space Technology, Vol. 19, No. 4-5, July - September 2004

4. FIT, Fire in Tunnels Annex2. Technical Report - Part 1. Design Fire Scenarios. Fire in Tunnels, Brussels, Belgium, Jan. 4, 2006. - 161 p.

5. Nathan White Fire Development in Passenger Trains, Research Master thesis, Victoria University. 2010, p.323

6. Barnett, Jonathan. Events Driving Fire Safety for Sea Road and Rail . Sea Road Rail Fire Safety Confereence, Rocarm pty ltd, Melbourne, Australia, 2005

7. Вагін А.В., Данилов О.І., Сиваков І.А. Оцінка теплового впливу пожежі поїзда в двоколійному тунелі метрополітену // Проблеми управління ризиками в техносфери. -2015. - № 2 (34). - С. 26-34.

8. B. Giachetti, D. Couton, F. Plourde. Smoke spreading analysis from an experimental subway scale model / B. Giachetti, D. Couton, F. Plourde.// Fire Safety Journal. - 2016. - Volume 86, Pages 75-82

9.YH Xi, J. Mao, G. Bai, JW Hu. Safe velocity of on-fire train running in the tunnel / YH Xi, J. Mao, G. Bai, JW Hu. // Tunnelling and Underground Space Technology .- 2016. - Volume 60, Pages 210-223

10. Myungsung Lee, Nahmkeon hur. A detailed cfd simulation of the 2003 daegu metro station fire / Myungsung lee, Nahmkeon Hur.//International journal of air-conditioning and refrigeration. - 2012. - vol. 20, no. 03, - 1250014

11. В.П. Чижиков Забезпечення безпечної евакуації людей при пожежах в транспортних тунелях: дис. ... канд. техніч. наук. Санкт-Петербурзький університет МВС РФ, Санкт-Петербург, 2002 139 с.

12. В.А.Маслак, Д.А.Бойцов, С.Г.Гендлер, А.І.Данілов, Е.К.Левіна Інноваційні рішення щодо підвищення безпеки та ефективності експлуатації двоколійних тунелів // Підземні горизонти №8, 2016, - с.84-87

13. V.Maslak. D.Boytsov, A.Danilov, E.Levina, S.Gendler Innovative engineering solutions for improving operation safety and efficiency of subways with two -way tunnels // proceedings of the 15 th World Conference of Associates Research Centers for the Urban Underground Space , St.Petersburg, Russia, 12-15 September 2016, pp 318-324

14. V.Maslak. D.Boytsov Modular design of subway facilities // proceedings of the 15 th World Conference of Associates Research Centers for the Urban Underground Space , St.Petersburg, Russia, 12-15 September 2016, pp 315-318.

15. Fire Dynamic Simulator (Version 6). Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model. - Washington: NIST Special Publication 1018-5, 20015. - 173p

16. Висновок ВНІЇПО МНС Росії № 014-03.13 «Оцінка відповідності вагонів метрополітену моделей 81-556, 81-557 та 81-558 вимогам НПБ 109-96« Вагони метрополітену. Вимоги пожежної безпеки ».