Прогнозирование опасных факторов пожара в цехе деревообрабатывающего предприятия

Прогнозирование опасных факторов пожара в цехе деревообрабатывающего предприятия

Курсовая работа

Тема:

Прогнозирование опасных факторов пожара в цехе деревообрабатывающего предприятия

Оглавление

1. Исходные данные

2. Описание интегральной математической модели развития пожара

. Результаты компьютерного моделирования

4. Время достижения пороговых и критических значений ОФП. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещения

4.1 Необходимое время эвакуации из помещения по данным математического моделирования. Свободное развитие пожара

4.2 Расчет необходимого времени эвакуации из помещения по данным ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования

5. Расчет динамики ОФП для уровня рабочей зоны. Анализ обстановки на пожаре на 11 минуте развития пожара

Общий вывод по работе

Литература

1. Исходные данные

Исходное помещение расположено в одноэтажном здании. Здание построено из сборных железобетонных конструкций и кирпича. В этом здании наряду с цехом деревообрабатывающего предприятия имеется цех сборки. Цех деревообрабатывающего предприятия отделен от цеха сборки противопожарной стеной. План здания приведен на рис.1.

А-А

Рис. 1 План здания и разрез цеха деревообрабатывающего предприятия по А-А

I - заготовительный цех; II - цех сборки;

- дверной проем; 2 - оконные проемы;

* - место возгорания ГН, принятое при моделировании ситуации на пожаре

Размеры цеха деревообрабатывающего предприятия в плане:

длина l₁ = 60 м;

ширина 1₂ = 24 м;

высота H = 6 м.

В наружных стенах цеха деревообрабатывающего предприятия имеется 10 одинаковых оконных проемов. Расстояние от пола до нижнего края каждого оконного проема Y_н = 1,2 м. Расстояние от пола до верхнего края проема Y_е = 2,4 м. Ширина каждого оконного проема в = 1,2 м. Суммарная ширина оконных проемов = 24 м. Остекление оконных проемов выполнено из обычною стекла. Остекление разрушается при среднеобъемнoй температуре газовой среды в помещении, равной 300 °С.

В противопожарной стене имеется дверной проем шириной и высотой 2,4 м. Этот проем защищен противопожарными дверями. При пожаре этот проем закрыт.

Цех деревообрабатывающего предприятия имеет один дверной проем, соединяющий цех с наружной средой. Его ширина равна 2,4 м. Расстояние от пола до верхнего края дверного проема Y_в = 3 м. Расстояние от пола до нижнего края дверного проема Y_н = 0 м. При пожаре этот дверной проем открыт, т.е. температура вскрытия 20°С.

Полы бетонные, с асфальтовым покрытием.

Горючий материал представляет собой деревянные заготовки, сложенные в пакеты. Доля площади, занятая ГН  = 80%. Площадь пола, занятая ГМ находится по формуле:

 м²

где  м²- площадь пола.

Количество ГМ на 1 м² Р_о= 30 кг/м². Общая масса горючего материала

M₀= Р_о • S_гм = 30 •1152 = 34560 кг.

Горение начинается в центре прямоугольной площадки, которую занимает ГМ. Размеры этой

 м

 м

Свойства ГН характеризуются следующими величинами:

теплота сгорания Q_н = 13,8 МДж/кг;

удельная скорость выгорания 54 кг/(м ч);

скорость распространения пламени по поверхности ГМ = 0,019 м/с;

дымообразующая способность D = 144 Нпм²/кг;

потребление кислорода         Lо₂ =1,15 кг/кг;

выделение двуокиси углерода Lсо₂ =1,51 кг/кг;

выделение оксида углерода  Lсо = 0,024 кг/кг.

Вентиляция в цехе деревообрабатывающего предприятия, осуществляемая через дверные и оконные проемы. Отопление центральное водяное.

Внешние атмосферные условия:

ветер отсутствует, температура наружного воздуха  давление (на уровне Y = h) Р_а = 760 мм. рт. ст. =101300 Па.

Параметры состояния газовой среды внутри помещения перед пожаром следующие:

вариант расчетов. В цехе имеется приточно-вытяжная вентиляция с автоматической системой удаления дыма со следующими характеристиками:

вытяжка 30.000 м³/ч

приток 30.000 м³/ч

время включения противодымной механической вентиляции - 3 мин с начала горения.

3 вариант расчетов. В цехе имеется вытяжная вентиляция с автоматической системой удаления дыма со следующими характеристиками:

вытяжка 30.000 м³/ч

приток 30.000 м³/ч

время включения противодымной механической вентиляции - 3 мин с начала горения.

А также система автоматического пожаротушения со следующими характеристиками:

огнетушащее вещество - азот;

запас огнетушащего вещества - 30 кг;

скорость подачи огнетушащего вещества Gов = 30 кг/мин;

начальная температура огнетушащего вещества

удельная теплоемкость ОВ С_р = 1052 Дж/(кгК);

время включения системы пожаротушения - 5 минут от начала горения.

2. Описание интегральной математической модели развития пожара

Интегральная математическая модель пожара в помещении разработана на основе уравнений пожара, изложенных в работах [1, 2, 5]. Эти уравнения вытекают из основных законов физики - закона сохранения веществ, первого закона термодинамики для открытой системы, и включают в себя:

уравнение материального баланса газовой среды в помещении :

 (1)

где V - объем помещения, м³; р_m - среднеобъемная плотность газовой среды, кг/м³;  - время, с; G_в и G_г - массовые расходы поступающего в помещение воздуха и уходящих из помещения газов, кг/с;  - массовая скорость выгорания горючей нагрузки, кг/с.

уравнение баланса кислорода

     (2)

где x₁ - среднеобъемная массовая концентрация кислорода в помещении; х_1в -концентрация кислорода в уходящих газах; n₁ - коэффициент, учитывающий отличие концентрации кислорода в уходящих газах x_1Г от среднеобъемного значения х₁, n₁ = х_1г/х₁; L₁ -скорость потребления кислорода при горении; p₁ -парциальная плотность кислорода в помещении.

уравнение баланса продуктов горения Vp₂:

          (3)

где х_i - среднеобъемная концентрация i-ro продукта горения; Li - скорость выделения выделение i-ro продукта горения (СО, СО₂); n_i - коэффициент, учитывающий отличие концентрации i-ro продукта в уходящих газах x_iг от среднеобъемного значения х_i, n_i = х_1Г/х_i, р₂ - парциальная плотность продуктов горения в помещении;

уравнение баланса оптического количества дыма в помещении V:

(4)

где  - среднеобъемная оптическая плотность дыма; D - дымообразующая способность ГМ; n₄ - коэффициент, учитывающий отличие концентрации дыма в уходящих из помещения нагретых газах от среднеобъемной оптической концентрации дыма

уравнение баланса энергии U:

(5)

где Р_m - среднеобъемное давление в помещении, Па,

С_рm, Т_m - среднеобъемные значения изобарной теплоемкости и температуры в помещении;  - низшая рабочая теплота сгорания ГН, Дж/кг;

С_рв; Т_в - изобарная теплоемкость и температура поступающего воздуха,

К; i_г - энтальпия газификации продуктов горения ГН, Дж/кг; m - коэффициент, учитывающий отличие температуры Т_г и изобарной теплоемкости С_рг уходящих газов от среднеобъемной температуры Т_m и среднеобъемной изобарной теплоемкости С_рm,  - коэффициент полноты сгорания ГН; Q_w - тепловой поток в ограждение, Вт.

Среднеобъемная температура Т_m связана со среднеобъемным давлением Р_m и плотностью р_m уравнением состояния газовой среды в помещении:

 (6)

Уравнение материального баланса пожара с учетом работы приточно-вытяжной системы механической вентиляции, а так же работы системы объемного тушения пожара инертным газом примет следующий вид:

(7)

где G_np и G_выт - массовые расходы, создаваемые приточно-вытяжной вентиляции, кг/с; - массовая подача огнетушащего вещества кг/с.

3. Результаты компьютерного моделирования

Учебная компьютерная программа INTMODEL реализует описанную выше математическую модель и предназначена для расчета динамики пожара жидких и твердых горючих веществ и материалов в помещении. Программа позволяет учитывать вскрытие проемов, работу систем механической вентиляции, и объемного тушения пожара инертным газом, а так же учитывает кислородный баланс пожара, позволяет рассчитывать концентрацию оксидов углерода СО и СО₂, задымленность помещения и дальность видимости в нем.

Исходные данные для проведения компьютерных расчетов динамики развития пожара в цехе деревообрабатывающего предприятия:

Блок атмосфера:

давление 760 мм. рт. ст.

температура 10 °С

Блок помещения:

длина 60 м;

ширина 24 м;

высота 6 м;

температура

проемы 2

проем 1 - штатный

нижний срез 0 м

верхний срез 3 м

ширина 3,6 м

вскрытие

проем 2 - штатный

нижний срез 1,2 м

верхний срез 2,4 м

ширина 24 м

вскрытие

для 2 эксперимента: дымоудаление - есть

вытяжка 30000 м³/ч

приток 30000 м³/ч

включение 3 мин

для 3 эксперимента: дымоудаление - есть

пожаротушение - есть

ОВ азот

Запас ОВ 30 кг

подача ОВ 30 кг/мин

температура ОВ

удельная теплоемкость 1052 Дж/кгК

включение 5 мин

Блок нагрузка:

Вид горючего материала - твердый

длина ГН 53,6 м

ширина ГН 21,4 м

количество ГН 34560 кг

выделение тепла 13,8 МДж/кг

потребление кислорода 1,15 кг/кг

дымовыделение 144 Нпм²/кг

выделение СО 0,024 кг/кг

выделении СО₂ 1,51 кг/кг

удельная скорость выгорания 54 кг/м²ч

скорость распространения пламени 1,9 мм/с.

Таблица 1

Рис.2 Изменение среднеобъемной температуры газовой среды от времени развития пожара.

Описание графика: При включенной системе пожаротушения температура газовой среды выше, чем при свободном развитии пожара. Температура увеличивается до своего максимального значения, не достигая температуры в 300 С, вскрытия окон. В течение долгого времени остается практически неизменной.

Выводы по графику: В начальный период развития пожара площадь пожара возрастает, плотность теплового потока возрастает поэтому среднеобъемная температура в помещении тоже возрастает. Затем горение распространяется на всю площадь горючей нагрузки и пожар входит в установившийся режим, температура практически не возрастает. Затем пожар переходит в режим затухания, что связано с выгоранием горючей нагрузки.

Рис.3 Изменение среднеоптической плотности дыма газовой среды от времени пожара

Описание графика: При включении системы пожаротушения оптическая плотность дыма газовой среды немного ниже, чем при свободном развитии пожара. В течении 33 минут плотность дыма не увеличилась, затем в связи с разгоранием пожара стала повышаться.

Выводы по графику: В начальный период развития пожара среднеобъемная плотность газовой среды не увеличивается, а даже уменьшается, что связано с повышением среднеобъемной температуры. При снижении среднеобъемной температуры среднеобъемная плотность газовой среды возрастает.

Рис.4 Изменение дальности видимости в помещении от времени развития пожара

Описание графика: Дальность видимости в помещении со временем развития пожара уменьшается. Дальность видимости оставалась неизменной на уровне 64,62 метров в течении 12 минут, затем упало до 0,06.

Выводы по графику: На данном графике мы видим, что вскрытия оконных проемов не было, т.к. температура не достигла 300С, что привело к резкому падению видимости до конца пожара, что и отраженно на графике в виде плавно убывающей кривой, принимая нулевое значение после 39 минут от начала пожара и далее остается неизменной.

Рис.5. Изменение среднеобъемной концентрации кислорода от времени развития пожара.

Описание графика: При включении системы пожаротушения концентрация кислорода практически не отличается от концентрации при свободном развитии пожара. В связи и увеличением площади горения потребление кислорода увеличивается.

Выводы по графику: Несущественное изменение концентрации кислорода объясняется уравнением баланса, в котором одно значение сбалансирует значение другого показателя.

Рис.6. Изменение положения плоскости равных давлений от времени развития пожара.

Описание графика: При включении системы пожаротушения плоскость равных давлений практически не отличается от свободного развития пожара, затем она стабилизируется приблизительно на 1,29 метра с незначительными изменениями, по сравнению с незначительным убыванием уровня при свободном горении равным 0,87 метра.

Выводы по графику: В начальный период развития пожара происходит резкое увеличение плоскости равных давлений при включенной системе пожаротушения. Это связано с тем, что работает вытяжка. Последующее выравнивание говорит о том, что задымленность помещения стала высокой, но за счет системы пожаротушения плоскость выше, значит и выше уровень, на котором возможна работа пожарного.

Рис.7. Изменение среднеобъемной концентрации СО от времени развития пожара.

Описание графика: Данный график мо можно описать следующим образом, с течением времени огонь распространяется на новые участки, сл. площадь горения таким образом возрастает, таким образом увеличивается концентрация угарного газа.

Выводы по графику: Это можно объяснить тем, что при пожаре с увеличением времени горения так же увеличивается изменение среднеобъемной концентрации СО, что мы и видим на графике, в виде плавно возрастающей кривой, принимая свое максимальное значение в последние минуты пожара.

Рис.8. Изменение среднеобъемной концентрации СО₂ от времени развития пожара.

Описание графика: Данный график мо можно описать следующим образом, с течением времени огонь распространяется на новые участки, сл. площадь горения таким образом возрастает, таким образом увеличивается концентрация углекислого газа.

Выводы по графику: Это можно объяснить тем, что при пожаре с увеличением времени горения так же увеличивается изменение среднеобъемной концентрации углекислого газа, что мы и видим на графике, в виде плавно возрастающей кривой, принимая свое максимальное значение в последние минуты пожара.

Рис.9. Изменение среднеобъемной плотности газовой среды от времени развития пожара.

Описание графика: Среднеобъемной плотность газовой среды в начальный момент времени уменьшается до 0,7591кг/м^3, а затем постепенно стабилизируется.

Выводы по графику: Такое поведение графика можно объяснить зонной моделью развития пожара ,после 42 минуты развитие пожара перешло во вторую зону -зону стабилизации горения.

Рис.10. Изменение притока свежего воздуха в помещение от времени развития пожара.

Описание графика: Притока свежего воздуха на 46 минуте горения достигает своего максимального значения - 7,512кг/с, а затем начал спадать.

Выводы по графику: Возрастающий отток нагретых газов в начале развития пожара объясняется тем, что нагретые газы сначала накапливаются, а после 48 минуты помещение стало настолько заполненным нагретыми газами, что газы начали “делит” проемы с притоком свежего воздуха и из-за этого отток снизился.

Рис.11. Изменение оттока нагретых газов из помещения от времени развития пожара.

Описание графика: Отток нагретых газов идет интенсивно до 35 минуты, затем постепенно стабилизируется, незначительно возрастая.

Выводы по графику: Возрастающий отток нагретых газов в начале развития пожара объясняется тем, что нагретые газы сначала накапливаются, а после 39 минуты помещение стало настолько заполненным нагретыми газами, что газы начали “делит” проемы с притоком свежего воздуха и из-за этого отток снизился.

Рис.12. Изменение разности давлений от времени развития пожара.

Описание графика: Разность давлений резко увеличивается до 42 минуты, затем идет стабильно, незначительно возрастая.

Выводы по графику: Возрастание разности давлений в начале развития пожара объясняется тем, что плоскость равных давлений со временем развития пожара опускается все ниже. А после 47 минуты плоскость равных давлений достигла проемов и оттоков газов, практически сравнился с притоком свежего воздуха.

Рис.13. Изменение площади горения при пожаре от времени развития пожара.

Описание графика: Площадь пожара на всем промежутке распространения пламени возрастает.

Выводы по графику: Возрастание площади пожара объясняется тем, что пламя заполняло весь объем помещения.

Описание обстановки на пожаре в момент времени 11 мин:

В начальные моменты времени при свободном развитии пожара параметры газовой среды в помещении достигают следующих значений: T_m = 33 ^оС, µ = 0,024 Нп/м, L_вид = 64,62 м, Х_О2 = 22,807%, концентрация угарного газа - 0,004 %, концентрация углекислого газа - 0,231 %, Р_m = 1,1528 кг/м³, Y = 1,22 м, G_в = 2,294 кг/с, G_г = 3,992 кг/с, разность давлений  Р=0,92 и площадь горения - 4,94 м².

При наличии вытяжной вентиляции эти параметры в начальные моменты времени изменяются: L_вид = 64,62 м, Х_О2 = 22,833%, и Y = 1,17 м.

При наличии вытяжной вентиляции и подаче в помещение инертного газа обстановка на пожаре в начальные моменты времени следующая: температура газовой среды в помещении 32⁰C, оптическая плотность дыма 0,021 Нп/м.

Таким образом, расчеты показали, что с точки зрения людей, которые могут находиться в помещении при возникновении пожара, необходимо покидать помещение вследствие постепенного наступления ПДЗ.

4. Время достижения пороговых и критических значений ОФП. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещения

Согласно ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования», необходимым временем эвакуации считается минимальное время достижения одним из опасных факторов пожара своего критического значения.

.1 Необходимое время эвакуации из помещения по данным математического моделирования. Свободное развитие пожара

Таблица 2. Время достижения пороговых значений ОФП.

В данном случае минимальным временим для эвакуации из цеха деревообрабатывающего предприятия является время достижения предельно допустимых значений предельной температуры газовой среды, равное 8,5 мин.

Вывод: Для увеличения необходимого времени эвакуации из цеха деревообрабатывающего предприятия необходимо обеспечить охлаждение ограждающих конструкций и подачи воды в очаг пожара, так как введение азота, как показали расчеты математического моделирования, увеличивает температуру газовой среды в помещении, но уменьшает время развития пожара.

4.2 Расчет необходимого времени эвакуации из помещения по данным ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования

Рассчитываем необходимое время эвакуации для помещения размерам 60х24х6, пожарной нагрузкой в котором является древесина. Начальная температура в помещении -20 ⁰С.

Исходные данные.

помещение:

свободный объем  м³

безразмерный параметр

температура t₀=20 ⁰С

ГН

Вид горючего материала - древесина - ТГМ, n=3;

тепла сгорания Q = 13,8 МДж/кг

удельный расход кислорода 1,15 кг/кг

дымовыделение D = 144 Нпм²/кг

удельный выход СО L_C0 = 0,024 кг/кг

удельный выход СО₂ L_C02 = 1,51 кг/кг

удельная скорость выгорания Ψ₀ = 54 кг/м²ч = 54/3600 = 1,510^-2 кг/м²с;

линейная скорость распространения пламени

полнота сгорания ГМ η = 0,95

коэффициент теплопоглощения (теплопотерь) φ = 0,6;

другие параметры:

коэффициент отражения α = 0,3;

начальная освещенность Е = 50 Лк;

удельная изобарная теплоемкость С_р = 1,00310^-3 МДж/кгК;

предельная дальность видимости

предельные значения концентрации токсичных газов

Расчет вспомогательных параметров:

кг/с³

кг

с³

Расчет критического времени наступления предельно-допустимых значений ОФП:

) повышенной температуре:

с

) по потере видимости

3) по пониженному содержанию кислорода

) по углекислому газу СО₂

;

под знаком логарифма получается отрицательное число  данный фактор не представляет опасности;

) по угарному газу CO:

;

под знаком логарифма получается отрицательное число  данный фактор не представляет опасности.

Критическая продолжительность пожара

с

Критическая продолжительность пожара обусловлена временем наступления предельно-допустимого значения дальности видимости (менее 20 м).

Необходимое время эвакуации людей из цеха деревообрабатывающего предприятия:

8,7 мин

Чтобы увеличить необходимое время эвакуации людей из цеха деревообрабатывающего предприятия необходимо увеличить освещаемость цеха, с помощью, например, увеличения оконных проемов.

Вывод: различие в значениях необходимого времени эвакуации, полученных по данным математического моделирования и по расчетам по ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования обусловлено тем, что интегральная математическая модель пожара позволяет учесть потери теплоты на нагрев конструкции, освещаемость помещения, теплоемкость материалов и их отражательную способность.

5. Расчет динамики ОФП для уровня рабочей зоны. Анализ обстановки на пожаре на 11 минуте развития пожара

Уровень рабочей зоны, согласно ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования», принимается равным 1,7 м.

Связь между локальными и среднеобъемными значениями ОФП по высоте помещения имеет следующий вид:

(ОФП_п - ОФП_о) = (ОФП_m - ОФП_о)Z,

где ОФП_п - локальное значения ОФП,

ОФП_о - начальное значение ОФП,

ОФП_m - среднеобъемное значение ОФП,

Z - безразмерный параметр,

 0,42;

Расчеты проведены в программе Excel.

Таблица 3. Динамика развития ОФП на уровне рабочей зоны

Таблица 4. Время достижения ПДЗ ОФП в помещении на уровне рабочей зоны

Анализ обстановки на пожаре на 11 минуте развития пожара.

При свободном развитии пожара идет постепенное развитие пожара и площадь пожара достигает 4,94 м².

Температура на уровне рабочей зоны не превышает ПДЗ и равна 26,72^оС

Наблюдается задымление, дальность видимости в помещении составляет

Концентрация кислорода 22,89% что превышает ПДЗ

Парциальная плотность СО и СО₂ достигают ПДЗ и равны соответственно

,0021 и 0,126%

Рис.14 Схема газообмена в помещении в момент времени 11 мин

На 11 минуте газообмен протекает достаточно интенсивно, со следующими показателями: приток холодного воздуха составляет 2,294 кг/с, а отток нагретых газов из помещения 3,992 кг/с. В верхней части дверного проема идет отток задымленных нагретых газов из помещения , плоскость равных давлений опускается до уровня 1,38, что на 0,32 м ниже уровня рабочей зоны.

Вывод: исходя из анализа обстановки на пожаре на 11 минуте развития пожара, действия пожарных должны быть следующими: немедленно приступить к тушению пожара ,вероятность найти живых велика из-за не превышения ПДЗ.

Общий вывод по работе

В данной курсовой работе мы использовали два наиболее распространенных метода математического моделирования динамики опасных факторов пожара: это расчет необходимого времени эвакуации из помещения по данным ГОСТ 12.1.004-91. и второй способ, это расчет необходимого времени эвакуации из помещения по данным математического моделирования, которое производится с помощью программы Intel Model. Оба способа одобрены и санкционированы соответствующими органами надзора и являются верными. Однако между ними существует не значительное расхождение в итоговых результатах, что объясняется кардинально разной методикой ведения расчетов, приближенными вычислениями, погрешностью в самих формулах и неточностью в самом методе расчета.

По сей день, пожар - это процесс неконтролируемый и мы не можем с точностью сказать, что один из этих методов расчета является более точным, чем второй.

В результате выполнения курсовой работы были закреплены и углублены знания в области математического моделирования динамики ОФП, были получены навыки пользования компьютерной программой Intel Model при исследовании пожаров. Были получены навыки в области определения наиболее опасного фактора для находящихся в помещении людей, из которых впоследствии можно делать выводы, с чего начинать пожаротушение.

Литература

пожар моделирование опасный фактор

1.       Абросимов Ю.Г. и др. Методические указания к выполнению курсовой работы по прогнозированию опасных факторов пожара в помещении. М. 1997. - 62.

2.       Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Учебное пособие. М., 2000.

.        ГОСТ 12.1.004-91 Пожарная безопасность. Общие требования.

.        Кошмаров Ю.А. и др. Термогазодинамика пожаров в помещениях. - М. 1988.