Представлены результаты моделирования пожара на АЗС. В качестве очага пожара принимается пролив топлива размерами 4 х 4 м. Авторы статьи: Xiao Jun, Zhang Peili, Li Liheng, Li Yuxi, Wu Jingsi, Cai Yunxiong.
Аннотация
Программа PyroSim использовалась для моделирования возникновения и развития пожара автозаправочной станции, получены параметры изменения температуры, CO, распространения дымовых потоков и дальности видимости в процессе пожара. Результаты моделирования показывают, что при возникновении пожара под навесом АЗС, дымовые потоки скапливаются под навесом и не попадают в здание АЗС. Дальность видимости на расстоянии 1 м от здания АЗС не достигает критического значения; максимальная температура рядом с очагом пожара достигает более 1000℃, а температура заправочной колонки со стороны очага пожара может достигать 400℃; максимальная концентрация угарного газа на расстоянии 1 м от здания АЗС составляет 18 промилле, это значение не опасно для человека и не способно причинить вред.
1. Введение
В последние годы, с развитием технологий пожарной безопасности, уровень управления безопасностью на автозаправочных станциях постоянно повышается. Однако, поскольку автозаправочные станции являются местом сосредоточения опасных веществ, с постоянным потоком посетителей и большим количеством автомобилей, время от времени на них происходят пожары. Как видно из многочисленных пожаров на АЗС, после возникновения пожара, он не только приводит к приостановке работы АЗС, но и приводит к большому материальному ущербу и тяжелым жертвам [1-2]. Поэтому изучение процесса пожара, понимания особенностей пожаров на АЗС, особенностей эвакуации имеет важное значение для уменьшения или исключения жертв и материального ущерба.
В данной работе рассмотрен пожар под навесом АЗС, выполнено числовое моделирование с использованием программы PyroSim. Получены значения основных опасных факторов пожара. С одной стороны, методы и выводы исследования могут послужить основой для углубленного изучения особенностей пожаров и разработки планов тушения пожара на автозаправочных станциях; с другой стороны, они могут послужить основой для технически обоснованного проектирования систем пожарной безопасности автозаправочных станций.
2. Разработка модели
2.1. Физическая модель
Модель АЗС показана на рис. 1.
- Общий размер автозаправочной станции составляет 26 м в длину, 26 м в ширину и 7 м в высоту.
- Навес АЗС имеет длину 17 м, ширину 14 м и высоту 7 м и включает четыре заправочных колонки, каждая из которых оснащена заправочным пистолетом.
- Здание АЗС имеет длину 15 м, ширину 4 м и высоту 3 м, имеет две двери и три окна.
В здании АЗС размещены три помещения.
- Помещение в левой части – это электрощитовая, в которой размещаются электрокабели, распределительные устройства и другое оборудование.
- Помещение в центральной части – это подсобное помещение, которое используется для хранения вспомогательного заправочного и противопожарного оборудования и других материалов.
- Помещение в правой части – это комната дежурного персонала, которая используется для отдыха дежурного персонала и других сотрудников. В этом помещении находятся деревянные столы, диваны и металлические шкафы для хранения документов.
Рисунок 1. Трехмерная модель и схема автозаправочной станции
2.2. Параметры модели
Исследования показали, что неосторожное обращение с огнем и неисправность электрооборудования являются основными причинами возникновения пожара на автозаправочных станциях [3]. В данной работе основное внимание уделяется моделированию процесса пожара при неосторожном обращении с огнем. Местом возгорания является заправочная колонка.
Сценарий пожара: Открытое горение, возникшее из-за утечки топлива по причине неправильной эксплуатации в процессе заправки. Очаг пожара находится рядом с заправочной колонкой.
Параметры модели: отражение элементов при разработке модели являются важным этапом при работе с программой. Для построения геометрической модели автозаправочной станции необходимо сначала установить соответствующую трехмерную систему координат в соответствии с фактической обстановкой на автозаправочной станции, а также задать соответствующие координаты для каждой точки автозаправочной станции учитывая взаимное расположение объектов автозаправочной станции. Представление модели в осях координат показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Расположение АЗС в осях координат
Колонны: В модели присутствуют прямоугольные колонны с длиной сторон 1м и высотой 5,8 м в координатах: (9,7), (18,7), (9,13) и (18,13), которые расположены с наружной стороны на расстоянии 1 м от центра заправочных островков, которые имеют размеры 4 м × 0,6 м × 0,2 м；.
Заправочная колонки: Каждый заправочный остров имеет заправочную колонку с одним пистолетом, размеры колонки 0,4 м × 1,0 м × 2,0 м. Колонки располагаются к центру на на расстоянии 1м от колонн заправочного острова. Заправочные колонки и колонны навеса расположены симметрично относительно центра заправочного навеса.
Навес: Верхняя часть автозаправочной станции изготовлена из бетона и имеет размер 17,0 м × 14,0 м × 1,0 м.
Очаг пожара: Учитывая, что на большинстве АЗС заправочные колонки располагаются в центральной части под навесом АЗС. При утечке топлива на поверхность земли образуется очаг пожара. Принимается размер очага пожара 4 м х 4 м.
Для получения результатов в процессе моделирования пожара, в модели устанавливаются датчики замера температуры в четырех точках. Точки 1 и 3 расположены на расстоянии 1 метр от двери, точка 2 расположена на расстоянии 20 см от бочки с маслом в подсобном помещении, а точка 4 расположена на расстоянии 1 метра от окна дежурного помещения. Все точки расположены на высоте 1,8 м. Были установлены три точки измерения видимости, высоты дымового слоя и других параметров, которые совпадали с точками замера температуры 1, 3 и 4. Плоскости замера температуры, дальности видимости и концентрации CO были расположены в плоскостях X = 19,2 м, Y = 19,2 м и Z = 1,8 м, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Расположение плоскостей замера
2.3. Настройка расчетной сетки
При численном моделировании точность сетки оказывает существенное влияние на точность получаемых результатов. FDS предоставляет метод расчета размера ячейки, формула расчета выглядит следующим образом [4]:
D^{*}=\left(\frac{Q}{\rho_{∞}C_{p}T_{∞}\sqrt{g}}\right)^{\frac{2}{5}}\quad\quad\quad\quad(1)
Где,
- Q – скорость тепловыделения, кВт;
- D^* – характеристический диаметр пожара;
- \rho_{∞} – плотность окружающей среды;
- T_{∞} – температура окружающей среды;
- C_{p} – удельная теплоемкость при постоянном давлении;
- g – ускорение свободного падения.
В соответствии с формулой (1) что условия окружающей среды определяются для конкретной температуры воздуха. В расчете принимается температура окружающего воздуха 20℃. Согласно справочным данным, скорость тепловыделения бензина на единицу площади составляет 2500 кВт. Поэтому при рабочих условиях в данной работе общая скорость тепловыделения поверхности зажигания составляет 40 МВт.
Выполнив расчет по формуле 1 и учитывая скорость выполнения расчета, принимается размер ячейки 0,4 м × 0,4 м × 0,4 м, а общее количество ячеек составляет около 76 050.
3. Результаты моделирования
3.1 Распределение температуры
На рисунке 4 показаны результаты моделирования температуры в плоскостях замеров Z =1,8 м и Y =19,2 м. Как видно из изображения, после пожара тепло, выделяемое очагом пожара, способствует распространению области высокой температуры во всех направлениях. Через 2,8 с момента начала пожара область высокой температуры на в плоскости Z=1,8 м достигает максимального значения, в это время максимальное значение температуры в очаге пожара достигает 1000 ℃.
На 60-й секунде область максимальной температуры в плоскости Y = 19,2 м начинает опускаться вниз к верхней части заправочной колонки. После этого область максимальной температуры не опускается ниже. В процессе моделирования форма и площадь области высокой температуры постоянно изменяются, но поскольку вблизи очага пожара нет горючих материалов, пожар не распространяется за пределы очага пожара, поэтому область максимальной температуры не распространяется за пределы навеса АЗС к зданию АЗС.
Рисунок 4. Распределение температуры
3.2. Концентрация угарного газа
В процессе горения при пожаре образуется множество веществ: твердые частицы дымовых газов, различные токсичные и вредные газы и жидкости. Токсичные и вредные газы, а также некоторые удушающие газы являются основными опасными факторами пожара, которые оказывают влияние на эвакуацию людей при пожаре.
Угарный газ является основным токсичным газом, возникающим при пожаре. Плотность угарного газа сопоставима с плотностью воздуха, и он легко смешивается с воздухом. Отравление возникает при вдыхании избыточного количества угарного газа человеком. Степень вреда угарного газа для человека в зависимости от его концентрации, показан в таблице 1.
Таблица 1. Влияние различных концентраций CO на организм человека [5]
| Концентрация CO (промилле) | Длительность воздействия | Неблагоприятная реакция у человека |
| 16 | 8 ч | Токсический эффект незначительный |
| 30 | 8 ч | Явная физиологическая реакция отсутствует |
| 50 | 2 ч | Никаких видимых последствий |
| 100 | 2 ч | У некоторых людей возникают головные боли и тошнота |
| 500 | 1 ч | Головная боль, головокружение |
| 1000 | 2-3 мин | Потеря сознания, рвота |
| 10000 | 2-10 мин | Причина смерти |
| 20000 | 1-2 мин | Смерть |
На рисунке 5 показаны результаты моделирования концентрации угарного газа в плоскостях замера Z =1,8 м и Y =19,2 м. Результаты показывают, что в очаге пожара происходит интенсивная реакция окисления, высокий уровень потребление кислорода в очаге пожара приводит к увеличению концентрации угарного газа в очаге пожара более 20000 промилле.
Через 60 секунд после начала пожара, под навесом достигается максимальное значение концентрации угарного газа 15000 промилле. На плоскости замера Y = 19,2 м видно две зоны повышенной концентрации угарного газа непосредственно над очагом пожара и под навесом АЗС. За пределами центральной части очага пожара выделение угарного газа не такое интенсивное, так как горение происходит при достаточном количестве кислорода, поэтому образуется CO2. В точке 1 концентрация угарного газа достигла своего пикового значения 16 промилле примерно через 30 секунд, данное значение концентрации угарного газа не оказывает значительного влияния на организм человека.
Рисунок 5. Плоскости замера концентрации угарного газа
3.3. Скорость распространения дыма
На рисунке 6 показано распространения дыма на 3, 4, 300 и 600 секундах с момента возникновения пожара. Результаты моделирования показывают, что при пожаре образуется большое количество дыма и тепла, которые распространяются в окружающую атмосферу. Через 3 секунды после возникновения пожара, дым почти достиг навеса АЗС, начал распространяться вокруг очага пожара. Через 4,5 секунды после возникновения пожара дым почти вышел за пределы навеса АЗС, в это время дымовые потоки также двигаются в сторону здания АЗС.
Через 300 секунд с момента возникновения пожара дым распространяется дальше, и часть дымовых потоков достигает области около двери вспомогательного офиса. На 600-й секунде пожар продолжает развиваться, но распространение дыма в моделируемой области не отличается от того, что было на 300-й секунде. Таким образом, видно, что при возникновении пожара дымовые потоки скапливаются под навесом АЗС и прилегающей территории, и не распространяются в значительном количестве в здании АЗС.
Рисунок 6. Распространение дымовых потоков
3.4. Дальность видимости
На рисунке 7 показаны значения дальности видимости в плоскостях Z =1,8 м и Y =19,2 м при возникновении пожара на АЗС. На изображениях видно, что в зоне горения образуется большое количество сажи, что приводит к значительному снижению дальности видимости вблизи очага пожара. Видимость на уровне 3 м от уровня земли практически нулевая.
Кроме того, часть дымовых потоков распространилась рядом с подсобным помещением, что привело к незначительному снижению дальности видимости в этой зоне. Поскольку дымовые потоки не распространяются по зданию АЗС, дальность видимость внутри здания АЗС существенно не изменилась.
Рисунок 7. Дальность видимости
4. Выводы
Рассматривая типичный процесс пожара на автозаправочной станции, в данной работе использовалась программа для моделирования пожара PyroSim. Выполнено численное моделирование процесса возникновения и развития пожара под навесом автозаправочной станции, произведена количественная оценки пожарного риска и описаны особенности изменения опасных факторов пожара, таких как температура, CO, распространение дымовых потоков и дальность видимости в процессе пожара.
Результаты моделирования:
- 1. При возникновении открытого пожара дым на АЗС в основном распространяется под заправочным навесом, некоторая часть дымовых потоков будет распространяться в сторону здания АЗС. Дымовые потоки не попадают в помещения АЗС. Дальность видимости на расстоянии 1 м от здания АЗС не достигает критических значений.
- 2. Максимальное значение температуры в зоне горения может достигать более 1000℃. Область, где температура превышает 1000℃, располагается рядом с поверхностью горения и нижней частью заправочной колонки. Температура поверхности заправочной колонки со стороны очага горения достигает 400℃.
- 3. Благодаря достаточному количеству кислорода в месте возникновения пожара, концентрация угарного газа на расстоянии 1 м от здания АЗС составляет менее 18 промилле, это значение не опасно и не способно причинить вред организму человека.
Благодарность
Выражаем благодарность за поддержку данной работы, оказанную Национальным фондом естественных наук Китая (№ 51704301), Проектом программы укрепления фонда (№ 2019-JCJQ-JJ-024) и Молодежным фондом Академии армейской логистики (№ LQ-QN-202014).
Ссылки
[1] Анализ пожарного риска на автомобильной заправочной станции. Tian Weilue. Fire Risk Analysis of Automobile Gas Station [J]. Chemical Management,2018(11),118-119.
[2] Анализ пожарного риска и противопожарные мероприятия на автомобильной автозаправочной станции. ZOU Zhongqi. Fire Risk Analysis and Fire Prevention Countermeasures of Automobile Gas Station [J]. Science and Technology Innovation Herald, 2011(19),89-91.
[3] Анализ причин пожара на автозаправочной станции и меры по предотвращению пожара. Wang Honglong. Discussion on the Cause of Gas Station Fire Accident and PreventionCountermeasures [J]. Safety, Health and Environment, 2011(9): 52-53.
[4] Моделирование пожара и эвакуации. LYU Shuran. Simulation of Fire and Escape [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2014.
[5] Исследование по оценке пожарного риска и контролю рисков источников опасности при строительстве железных дорог. Li Qianjin. Research on Identification, Risk Assessment and Risk Control of Railway Construction Hazard Sources [D]. Xi ‘an: Xi ‘an University of Architecture and Technology Management Science and Engineering, 2004.
[6] Наука и технологии пожарной безопасности. Liao Shujiang, Luo Qicai. Fire Protection Science and Technology,2004,23(3):249-251.
[7] Процесс восстановления гипса и его валидация с использованием модели Mintek Pyrosim. The gypsum reduction process and its validation using the Mintek Pyrosim model[J]. R. K. Tewo,J. P. Maree,S. Ruto, H. L. Rutto,L. K. Koech. Chemical Engineering Communications. 2017(12).
[8] Моделирование выплавки ферросплавов в дуговых печах постоянного тока с использованием Pyrosim и FactSage. Simulation of ferro-alloy smelting in DC arc furnaces using Pyrosim and FactSage[J]. Rodney T. Jones, Markus W. Erwee. Calphad.