Методологические основы совершенствования автоматизированных систем противопожарной защиты предприятий нефтеперерабатывающего комплекса с применением видеоте

Для проектирования и строительства современных нефтеперерабатывающих заводов привлекается большое количество подрядных организаций, в том числе зарубежных, что приводит к непониманию комплексности проблемы и отсутствию единой структуры при создании эффективной системы противопожарной защиты пожароопасного предприятия. Данный факт усугубляется тем, что многие производители оборудования пытаются предложить свои технические решения, как самые лучшие, в основном из коммерческих интересов, и намеренно вводят в заблуждение заказчика. Кроме этого нормативная база в России предусматривает сертификацию только отдельных элементов систем пожарной автоматики. В результате комплексная система, изготовленная из отдельных сертифицированных изделий, оказывается неработоспособной или формально соответствующей нормативным документам, но неэффективной. Кроме этого, существует четкая тенденция к применению программируемых логических контроллеров, в системах управления противопожарной защитой, которые весьма трудно сертифицировать отдельно от аппаратной части системы с учетом программного обеспечения. В результате готовый проект в части пожарной безопасности представляет собой «мозаику» из решений, не стыкующихся между собой. На доработку и доведение до работоспособного состояния смонтированных систем противопожарной защиты в данном случае уходит большое количество времени, а иногда так и не приводит к ожидаемым результатам. Кроме этого существует много потенциально пожароопасных объектов промышленности, на которых до сих пор эксплуатируются системы противопожарной защиты, которые были спроектированы и смонтированы более 30 лет назад и к настоящему времени исчерпали свои возможности, как в моральном, так и в физическом плане [24, 25].

Проведенный анализ позволил выявить следующую группу основных причин, снижающих эффективность применения систем пожарной автоматики [1]:

1. Наличие ложных срабатывания систем пожарной автоматики приводят к тому, что ее отключают либо, что еще хуже, вместо ремонта неисправного шлейфа сигнализации ставят оконечную цепочку прямо в прибор приемно-контрольный пожарный, имитируя его нормальную работу и вводя в заблуждение службу безопасности объекта.

2. Отсутствие срабатываний системы пожарной автоматики длительное время приводит к снижению бдительности пользователей и в критической ситуации влияет на правильность принимаемых решений оператором в случае возникновения пожара.

3. Смонтированные установки автоматического пожаротушения в ряде случаев не способны выполнить своей прямой задачи из-за того, что ввиду опасения несанкционированного выхода огнетушащего вещества отключают цепи запуска системы пожаротушения.

4. Обслуживающие организации систем пожарной автоматики формально делают необходимые записи в журнале технического обслуживания, а регламентными проверками системы пренебрегают.

На основании приведенной классификации можно сделать вывод о том, что помимо технической составляющей сильное влияние на эффективность применения систем пожарной автоматики оказывает «человеческий фактор» [18].

Одним из основных резервов решения проблемы является интеграция систем пожарной автоматики в техническом, технологическом и законодательном плане с системами замкнутого телевидения [13, 16]. Кроме этого, современные технологии, применяемые для обработки сигналов в цифровых телевизионных системах, позволяют создавать новые технические средства обнаружения и тушения пожара, которые в ряде случаев оказываются существенно эффективнее традиционных [14].

На основании проведенного анализа [6, 20] можно предложить следующие пути использования видеотехнологий в автоматизированных системах противопожарной защиты предприятий нефтепереработки:

• видеомониторинг состояния защищаемого объекта по сигналам пожарных извещателей;
• обнаружение пожара с использованием методов видеодетекции;
• применение систем оповещения людей о пожаре с динамически изменяемыми сценариями по сигналам видеодетекторов, а также в автоматизированном режиме – оператором при наличии видеоинформации с телекамер;
• автоматическое тушение пожара с помощью стационарных систем и робототехники с применением системы расчета координат очага на основе видеотехнологий;
• проведение разведки и управление силами и средствами на пожаре с использованием видеоинформации;
• расследование причин пожара и действий персонала с использованием видеоматериалов архива.

Функциональная интеграция видеотехнологий в автоматизированные системы противопожарной защиты предприятия может быть представлена в виде блок-схемы (рис. 1) [23].

Первоначальным и основным направлением исследований по созданию интегрированной системы противопожарной защиты явилась теоретическая проработка возможности применения видеотехнологий в автоматических системах обнаружения пожара наиболее пожароопасных объектов предприятий нефтепереработки.

Рис 1. Схема функциональной интеграции видеотехнологий в автоматизированную систему противопожарной защиты нефтеперерабатывающего предприятия: АСПЗ НПЗ – автоматизированная система противопожарной защиты нефтеперерабатывающего завода; СОУЭ – система оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре; ПИ – пожарный извещатель

Во второй главе «Теоретическая модель возникновения и автоматического обнаружения пожара на технологических установках повышенной пожарной опасности» исследованы условия и предложена теоретическая модель процесса образования взрывоопасных зон в паровоздушном пространстве над пожароопасной жидкостью, приводящего к пожару на примере резервуара с нефтепродуктом. Проведен теоретический анализ и практические исследования способов обнаружения пожара на указанном объекте при различных сценариях развития горения. На основании полученных результатов разработано устройство обнаружения пожара с визуальным подтверждением факта срабатывания.

Основную пожарную опасность на предприятии нефтеперерабатывающей отрасли представляет собой емкостное оборудование для хранения нефтепродуктов. Данная пожарная опасность характеризуется большим содержанием веществ на единице площади, причем за расчетный вариант пожара принимается горение в резервуаре с нефтепродуктом.

В последнее время существует тенденция к применению резервуаров с защитной стенкой, которую используют вместо устройства обвалования, как предписывает СНиП 2.11.03-93 «Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы». В данном случае отсутствует достаточный опыт по их эксплуатации и статистике пожаров. Кроме этого не установлены требования к системам противопожарной защиты данных объектов.

До настоящего времени в системах обнаружения пожара обычных стальных цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов применяли тепловые пожарные извещатели максимального принципа действия, которые устанавливали на крыше резервуара. Однако, как показывает статистика [7, 28] в 60% случаев пожар в резервуаре начинается с подрыва крыши, что вызывает выход из строя системы пожарной сигнализации до момента ее срабатывания, и следовательно, всей системы автоматического пожаротушения.

Для совершенствования существующих и разработки новых методов обнаружения пожара, а также их реализации в технических устройствах пожарной сигнализации возникает необходимость теоретической проработки вопроса возникновения и развития пожара в емкостном оборудовании с пожароопасной жидкостью.

В настоящее время оценку пожарной опасности технологических процессов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности принято проводить на основании методик, изложенных в ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» и НПБ 105-03 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности». Методики, приведенные в данных документах, предназначены для оценки и классификации по пожарной опасности производственных и складских помещений, а также наружных технологических установок, что ограничивает их применение для расчетов взрывоопасных зон в паровоздушном пространстве замкнутых технологических аппаратов. Для общей оценки уровня пожарной опасности того или иного объекта вопрос исследования кинетики образования паровоздушных взрывоопасных концентраций с точки зрения обеспечения пожарной безопасности не является основным и лишь усложнит принцип категорирования. Однако процесс образования горючих паровоздушных концентраций в замкнутых объемах неразрывно связан с технологическими операциями при эксплуатации аппаратов с переменным уровнем жидкости, изменяющимися температурой и давлением, что приводит к неоднородности состояния горючей среды к моменту воспламенения, а также кинетике ее сгорания.

Согласно общепринятой модели в задачах пожарной безопасности применяется принцип треугольника [9]: горючее вещество-окислитель-источник зажигания. Данный принцип минимизирует количество необходимых и достаточных условий для возникновения горения, однако, данная теория не учитывает самовоспламенение и самовозгорание, а также ряд других факторов возникновения и развития пожара, которые в целом влияют на пожарную безопасность резервуаров для хранения нефтепродуктов.

На основании принципа минимизации условий (принцип треугольника) предлагается следующая теоретическая модель автоматического обнаружения пожара, которая в частности, может быть применена к емкостному оборудованию с легковоспламеняющейся жидкостью [7]. Модель состоит из трех уровней, верхним из которых является принцип пожарной безопасности (Рис. 2).

Рис. 2. Теоретическая модель автоматического обнаружения пожара. Верхний уровень «Принцип пожарной безопасности»: УВГ – условия возникновения горения, УОГС – условия образования горючей среды, ВЗ – вынужденное зажигание, ПРП – пути распространения пожара; ОКПГ – отсутствие контроля над процессом горения.

Проведенные исследования показали, что процесс образования взрывоопасных концентраций в замкнутых технологических аппаратах с легковоспламеняющейся жидкостью может быть представлен в виде среднего уровня теоретической модели автоматического обнаружения пожара – процесса образования горючей среды (рис. 3).

Рис. 3. Теоретическая модель автоматического обнаружения пожара. Средний уровень «Принцип образования горючей среды».

Как показано в работе [15], определяющим фактором процесса распределения взрывоопасных концентраций по высоте паровоздушного пространства замкнутого пространства является диффузионный и конвективный перенос от поверхности испарения к крыше сосуда. На основании проведения большого количества экспериментальных исследований в лабораторных условиях и их анализа была получена зависимость (1), которая позволила ввести соотношение между диффузионной и конвективной составляющей переноса паров в замкнутом объеме, выраженной через коэффициент (темп) насыщения m и относительный градиент концентрации n.

, (1)

где m – темп насыщения, с-1; D – коэффициент диффузии паров жидкости в воздухе, м2/с; F – площадь испарения жидкости, м2; V – объём паровоздушного пространства, м3; n – относительный градиент концентрации паров, максимальное значение в идеальных условиях составляет 2,47 [4]; Н – высота паровоздушного пространства, м, s – концентрация насыщенных паров жидкости (1-s – поправка Стефана).

Анализ данных по распределению паровоздушных концентраций в свободном объеме пространства над зеркалом жидкости показывает, что рассчитанные по зависимости (1) относительные градиенты концентрации с поправкой Стефана для различных жидкостей принимают одно и то же значение, равное 1,541 ±0,057 (рис. 3), что говорит о том, что достижение полностью диффузионного переноса в паровоздушном пространстве замкнутого объема с пожароопасной жидкостью, даже в лабораторных условиях, весьма затруднительно. Однако, можно с достаточной точностью учесть такие факторы, влияющие на образование взрывоопасных паровоздушных зон, как конвективный перенос и конденсация паров на внутренних стенках сосуда.

Рис. 4. Расчетные значения относительных градиентов концентрации с поправкой и без поправки Стефана для различных жидкостей: 1 – октан; 2 – ксилол;3 – гептан; 4 – циклогексанон; 5 – толуол; 6 – гексан; 7 – пентан; 8 – бутанол; 9 – изобутиловый спирт; 10 – ацетон; Dспр – справочные коэффициенты диффузии.

В реальных технологических аппаратах основное влияние на кинетику образования взрывоопасных паровоздушных концентраций оказывает конвективный перенос от поверхности жидкости к крыше резервуара (аппарата). Данный перенос усиливается при проведении технологических операций и изменении технологических параметров процесса.

На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что в закрытой емкости с легковоспламеняющейся жидкостью перед воспламенением паровоздушной смеси горючая среда может находиться в однородном состоянии, что вызовет взрыв, либо в раздельном состоянии, что может вызвать сгорание горючей среды в виде огненного шара. Оба эти состояния являются начальными, затем, как правило, происходит диффузионное горение на поверхности жидкости.

На основании данных исследований можно сформулировать показатели низшего уровня теоретической модели автоматического обнаружения пожара, позволяющие определить информационные признаки развития пожара в начальной стадии на емкостном технологическом оборудовании с легковоспламеняющейся жидкостью, имеющем паровоздушное пространство, которые могут быть обнаружены с помощью средств пожарной автоматики (рис. 5).

Рис. 5. Теоретическая модель автоматического обнаружения пожара, нижний уровень «Принцип обнаружения пожара на ранней стадии»: X – тип пожарного извещателя, Y-принцип обнаружения, Z-способ размещения.

Из рис. 5 следует, что для обнаружения пожара при различных сценариях развития горения невозможно однозначно выбрать тип технических средств пожарной сигнализации -X, а в ряде случаев принцип обнаружения пожара – Y и способ размещения пожарных извещателей - Z для их эффективного функционирования.

Обзор существующих средств пожарной автоматики вызвал необходимость поиска новых принципов обнаружения пожара и способов их реализации. Проведенный анализ показал, что на основе современных достижений науки и техники могут регистрироваться следующие информационные признаки, соответствующие опасным факторам пожара [8]:

• изменение температуры: локальное повышение, динамика роста и флуктуация в месте возникновения и развития очага горения;
• изменение газового состава среды: повышение концентрации диоксида и оксида углерода, наличие примесей паров углеводородных топлив в воздухе;
• изменение оптических свойств газовой среды: под воздействием тепловыделения очага пожара локально изменяется температура, и как следствие, коэффициент преломления света в воздухе, кроме того, часть продуктов горения выделяется в виде дыма;
• выделение продуктов горения в виде аэрозольных компонентов, что в свою очередь ведет к появлению интенсивного ослабления и рассеивания световых лучей;
• изменение интенсивности и спектральных характеристик оптического фона защищаемого объекта в инфракрасном, ультрафиолетовом и видимом диапазоне;
• изменение волновых характеристик акустического шума.

Дальнейшие исследования и практические проверки позволили выявить следующие основные искажающие факторы и определить граничные условия применения различных способов обнаружения пожара (Табл. 1) [8, 29, 30].

Таблица 1. Искажающие факторы при обнаружении пожара различными способами

Искажающие факторы	Способ обнаружения
	Газо-вый	Пла-мени	Дымовой иониза-ционный	Дымовой оптический точечный	Дымовой оптический линейный	Теп-ловой
Тепловые флуктуации	+	+	-	-	-	+
Фоновая освещенность	-	+	-	+	+	-
Воздушные потоки	-	-	-	+	+	-
Воздействия солнечных лучей	-	+	-	+	+	-
Воздействие аэрозолей (пыль, туман)	+	-	+	+	+	-