logo

Математика и реальность в вопросах гидравлических расчетов систем газового пожаротушения

9 апреля 2018

В данной статье мы рассмотрим возможные варианты оптимального построения автоматических установок газового пожаротушения по результатам гидравлических расчетов трубной разводки и других сопутствующих параметров защищаемого объекта.

Вопросы более эффективного использования огнетушащего вещества.

Главный инженер проекта ООО «АСПТ Спецавтоматика»
В.П. Соколов

Немного истории в вопросе способа гидравлического расчета трубопроводов и определения площади отверстий насадка для установок газового пожаротушения. Теоретически, динамику поведения огнетушащего вещества в трубопроводах по эскизу трубной разводки и расстановки насадков можно проанализировать с помощью математических уравнений и формул, разработанных учеными работающих в данной области науки. Строится математическая модель гидродинамики процесса на базе высшей математики. Математический анализ производится с некоторыми упрощениями в физике происходящего процесса, а также путем задания допустимых границ расчета, использования постоянных констант и ограничения величин задаваемых параметров, используемых в расчетах. Эти упрощения и ограничения определяют погрешность расчетов, которая от сложности расчета может достигать до 14%.

В свое время, нам пришлось пользоваться такой методикой для практических расчетов установок газового пожаротушения, правда, все расчеты проводились ручным методом с по-мощью калькулятора. В зависимости от сложности гидравлического расчета это занимало достаточно много времени, иногда до недели. Расчет заключался в том, что, меняя значения исходных данных, необходимо было пересчитывать уравнения и формулы, пока полученный результат не соответствовал оптимальным значениям всех параметров гидравлического расчета.
Документ, по которому производился гидравлический расчет установки газового пожаротушения, назывался: «Методика гидравлического расчета трубопроводов установок газового пожаротушения». Данная методика была разработана для нас в соответствии с договором № 6719/Н-2.3. ФГУ ВНИИПО МЧС России. Методика разрабатывалась на основе научно-исследовательских работ, проведенных в различных организациях, а также в ФГУ ВНИИПО МЧС России, в области установок газового пожаротушения.

Но время не стоит на месте и сегодня АСПТ Спецавтоматика имеет универсальную компьютерную программу «Vector» для гидравлических расчетов трубной разводки с насадками, расчета массы огнетушащего вещества для создания нормативной огнетушащей концентрации в защищаемом объеме и расчета времени выхода ГОТВ из модулей газового пожаротушения.

Программа «Vector», одна из немногих программ позволяющая достаточно точно и оптимально решать всевозможные сложные задачи в области гидравлического расчета систем газового пожаротушения в короткие сроки.

Для подтверждения достоверности результатов расчета проведена верификация гидрав-лических расчетов по программе «Vector» и получено положительное Экспертное заключе-ние № 40/20-2016 от 31.03.2016г. Академии ГПС МЧС России на использование программы гидравлических расчетов «Vector» в установках газового пожаротушения, производства АСПТ Спецавтоматика со следующими огнетушащими веществами:

  • ФК-5-1-12 (Novec 1230)
  • Хладон 125
  • Хладон 227еа
  • Хладон 318Ц
  • СО2 (двуокись углерода)

Программа «Vector» — это современный программный продукт, имеющий тенденцию к постоянному обновлению, развитию и совершенствованию программного обеспечения, позволяющему пользователю удобно и просто работать с программой на компьютере.

Программа для гидравлических расчетов «Vector» при заданной схеме установки газово-го пожаротушения, включает в себя следующие исходные данные, задаваемые вручную проектировщиком:

  • площадь помещения, м2;
  • высота помещения, м;
  • дополнительный объем, вычитаемый из основного объема, м3;
  • минимальная температура в помещении, град. С;
  • высота помещения над уровнем моря, м;
  • предельно допустимое избыточное давление в помещении, кПа;
  • нормативное время подачи ГОТВ, с;
  • площадь постоянно открытых проемов, м2;
  • параметр «П» учитывающий расположение проемов;
  • тип ГОТВ;
  • нормативная огнетушащая концентрация ГОТВ;
  • плотность паров ГОТВ, кг/ м3;
  • повышающий коэффициент для пожара по СП 5.13130.2009;
  • тип модулей ГПТ;
  • коэффициент загрузки модуля;
  • рабочее (начальное) давление заправки при температуре 20ºС, МПа;
  • тип рукава высокого давления РВД;
  • распределительные устройства РУ (при централизованном ГПТ);
  • стандарт (ГОСТ) применяемых труб.

Давайте теперь рассмотрим более подробно некоторые наиболее значимые исходные данные для гидравлического расчета из списка перечисленного выше существенно влияющие на результат расчета.

Одним из таких параметров является суммарная площадь постоянно открытых проемов в защищаемом помещении «ΣFн, м2». Данная величина влияет на расчетное количество газа «Мр», так как через постоянно открытые проемы происходит утечка части газа. Значить эти потери должны быть компенсированы, чтобы полученного расчетом количества газа «Мр», хватило на создание нормативной огнетушащей концентрации вещества в защищаемом объеме. Получение реального значения параметра «ΣFн, м2» в защищаемом помещении всегда связано с большой проблемой. Смотрим выкопировку из раздела СП. 5.13130.2009.

8.14. Требования к защищаемым помещениям.

8.14.1 Параметр негерметичности защищаемых помещений не должен превышать значе-ний, указанных в Таблице Д.12 приложения Д. Должны быть приняты меры по ликвидации технологически необоснованных проемов, установлены доводчики дверей, уплотнены ка-бельные проходки.
8.14.3. В системах воздуховодов общеобменной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха защищаемых помещений следует предусматривать автоматиче-ски закрывающиеся при обнаружении пожара воздушные затворы (заслонки или противопо-жарные клапаны).

Требования по пунктам 8.14.1 и 8.14.3 должны безукоризненно выполняться как на стадии проектирования, так и на стадии строительства, по всем помещениям, которые подлежат защите газовым пожаротушением. Часто от Заказчика к Исполнителю поступает техническое задание на автоматизированную установку газового пожаротушения (АУГПТ) в котором указано, что площадь постоянно открытых проемов равна нулю и таким образом помещение считается полностью герметичным. Расчет установки АУГПТ производиться без потерь на утечку газа через открытые проемы. Но в идеально герметизированном объеме куда поступает огнетушащее вещество могут создаваться условия для появления избыточного давления превышающее заданное предельно допустимое избыточное давление в том же объеме. Это чревато нанесению вреда как самому помещению, так и защищаемому оборудованию например серверам. Если в помещении имеются окна, то они могут разрушиться и газ уйдет из помещения, не оказав нужного воздействия на очаг возгорания. Чтобы этого не произошло требуется установка специального клапана (клапанов) сброса избыточного давления (КСИД) площадь которого вычисляется по формулам из Приложения З — «Методика расчета площади проема для сброса избыточного давления в помещениях, защищаемых установками газового пожаротушения» СП 5.13130.2009. В нашем случае КСИД автоматически вычисляется программой гидравлического расчета «Vector».

Но чаще всего имеется другая крайность. В техническом задание указывается параметр негерметичности защищаемых помещений взятый из Таблицы Д.12 приложения Д и вычис-ляемый по формуле:

— параметр негерметичности помещения, м-1; (1)

где: ΣFн — суммарная площадь проемов, м2;

Vр — расчетный объем защищаемого помещения, м3.

Преобразуем вышеописанную формулу (1) для нахождения величины суммарной пло-щади проемов ΣFн, м2 по Таблице Д.12:

ΣFн = Vр δ — суммарная площадь проемов, м2.     (2)

Выкопировка небольшой части начала Таблицы Д.12 из Приложения Д — «Исходные данные для расчета массы газовых огнетушащих веществ».

Д.12 Значения параметра негерметичности в зависимости от объема защищаемого помещения.

Таблица Д.12

Параметр негерметичности, не более Объем защищаемого помещения
0,044 м–1 до 10 м3
0,033 м–1 от 10 до 20 м3
0,028 м–1 от 20 до 30 м3
0,022 м–1 от 30 до 50 м3
0,018 м–1 от 50 до 75 м3
0,016 м–1 от 75 до 100 м3
0,014 м–1 от 100 до 150 м3
0,012 м–1 от 150 до 200 м3

Возьмем для примера первую строку Таблицы Д.12. В соответствие с расчетом по формуле (2) суммарная площадь проемов для объема 10 м3 получается равной 0,44 м2. Это очень большой открытый проем для помещения с газовым пожаротушением с небольшим объемом. А если брать для расчета в Таблице Д.12 строки с большими объемами помещений, то можем получить открытые проемы до 5 м2 и более. Это означает что две, три двери в защищаемом помещении постоянно открыты.

И так, реально для расчетов мы имеем два крайних значения параметра площади постоянно открытых проемов. Нулевое значение параметра определяет сто процентное появление клапанов КСИД, а значение параметра, определяемое по Таблице Д.12, требует добавление компенсирующего количества огнетушащего вещества (газа) на утечку через открытые проемы. При этом добавленное гидравлическим расчетом количество газа может составлять в процентном отношении от 7 до 15%, что, в зависимости от типа применяемого огнетушащего вещества весьма ощутимо будет сказываться на бюджете Заказчика, используемого для защиты своих помещений систему газового пожаротушения.

Мы не рассматриваем сейчас вариант, когда объект, подлежащий защите системой газового пожаротушения, имеет строительную готовность, и мы можем точно определиться со значением параметра площади открытых проемов. В большинстве случаев гидравлические расчеты требуются уже на стадии начала строительства.

АСПТ Спецавтоматика разработала для внутреннего пользования вариант таблицы для определения, площади постоянно отрытых проемов при расчетах в программе «Vector». Если Заказчиком в техническом задании (ТЗ) не указано значение параметра площади открытых проемов в защищаемом помещении, то мы используем данные Таблицы 1.

Нет идеально герметичных помещений. Проемы все равно существуют. В каждом помещении есть двери, а иногда присутствуют окна. При выпуске огнетушащего вещества (газа) осуществляется воздействие избыточного давления на площадь двери и окна, что способствует к появлению небольших микрощелей. Остается определиться с ними и посчитать значения.

Количественные данные по постоянно открытым проемам в защищаемом помещении для параметра ΣFн, м2 смотри в Таблице 1.

Таблица 1

п/п № Наименование изделия Постоянно открытые проемы, м2
1 Одностворчатая дверь, не более 0,021*
2 Двухстворчатая дверь, не более 0,039*
3 Одностворчатое деревянное окно, не более 0,024*
4 Двухстворчатое деревянное окно, не более 0,036*
5 Одностворчатое евроокно, не более 0,016*
6 Двухстворчатое евроокно, не более 0,024*

* Данные в Таблице 1 получены расчетным путем и соответствуют принятой методике гидравлического расчета установок газового пожаротушения в ООО «АСПТ Спецавтоматика».

Суммарную площадь постоянно открытых проемов в защищаемом помещении вычисляем по формуле:

ΣFн =Кб (ΣFд +ΣFо+ ΣFинж), м2      (3)

где:

ΣFд — суммарная площадь постоянно открытых проемов всех дверей (тип двери по Таблице 1 умножается на их количество имеющихся в защищаемом помещении);

ΣFо — суммарная площадь постоянно открытых проемов всех окон (тип окна по Таблице 1 умножается на их количество имеющихся в защищаемом помещении);

ΣFинж — суммарная площадь постоянно открытых проемов инженерных систем пожарной автоматики и т.п. (при наличии действующих постоянно открытых проемов в стене, на потолке или в полу данные площади вычисляются отдельно и суммируются);

Кб – коэффициент безопасности (постоянная величина) равный — 1,1.

Рассмотрим теперь вопрос расположения модулей газового пожаротушения на защищаемом объекте, общие требования к трубопроводу и насадкам в свете получения достоверности результатов при выполнении гидравлического расчета. Смотрим выкопировку раздела «8» из СП. 5.13130.2009.

8.8 Сосуды для газового огнетушащего вещества.

8.8.3 Сосуды следует размещать, возможно, ближе к защищаемым помещениям…

8.9 Трубопроводы.

8.9.9 Внутренний объем трубопроводов не должен превышать 80% объема жидкой фазы расчетного количества ГОТВ при температуре 20°С.

Неукоснительное выполнение требований пунктов 8.8.3 и 8.9.9 это залог получения наиболее точного и близкого к оптимальным значениям результата гидравлического расчета.

Рассмотрим влияние длины и диаметра труб коллектора, а также распределительного трубопровода на результаты расчета количества массы огнетушащего вещества и нормативное время выпуска. Рассмотрим в качестве примера автоматизированную установку (объемного) газового пожаротушения (АУГПТ) с подачей газа по нескольким направлениям от централь-ной станции пожаротушения. На РИС-1 дан график функциональной зависимости величин «Vтр» от «Vжг» в соответствии с требованием пункта 8.9.9 свода правил СП 5.13130.2009.

Вычисления производились по формуле:

80%     (4)

где: Vтр — внутренний обьем труб аксонометрической схемы, л;

Vжг — объем жидкой фазы расчетного количества ГОТВ (хладон 227еа) при температуре 20°С и рабочем давлении 4.2 МПа, л.

Дополнительная ось на графике РИС-1 это «Мг,кг » — расчетное количество массы ГОТВ (хладон 227еа) при температуре 20°С и рабочем давлении 4.2МПа в килограммах. Расчет производился по формуле:

Мг =k Vжг, кг      (5)

где: Vжг — объем жидкой фазы расчетного количества ГОТВ (хладон 227еа) при температуре 20°С и рабочем давлении 4.2 МПа, л;

k — коэффициент равный — 1,85, кг/л.

График построен с помощью интерполяции по нескольким расчетным точкам. График является линией раздела между двумя зонами. Условно назовем их зона над графиком и зона под графиком.

В начале гидравлического расчета по программе «Vector» производиться расчет массы огнетушащего вещества необходимого для тушения защищаемого помещения. Затем рисуется аксонометрическая схема трубной разводки от модуля газового пожаротушения до выпускных насадок. Имея результат расчета количества огнетушащего вещества и его значение равное объему жидкой фазы ГОТВ в соответствии с построенным графиком получаем значение «Vтр» внутренний объем труб аксонометрической схемы, который по п. 8.9.9 мы не имеем права превышать.

Возможны два варианта расчета. Первый мы не превысим эту величину в 80% находимся в зоне под графиком и получаем готовый расчет. В случае превышения этой величины программа «Vector» укажет на эту ошибку.

Выход из этой ситуации:

— первое, необходимо размещать оборудование как это требует п. 8.9.3 (сосуды следует размещать, возможно, ближе к защищаемым помещениям…);

— второе, если аксонометрическую схему оптимизировать нельзя, необходимо увеличивать количество огнетушащего вещества «Мг, кг» до тех пор, пока, например, точка «В» (см. РИС-1) не окажется в зоне под графиком. В нашем примере это вместо 555кг. (Хладона 227еа) придется выпускать по этому направлению газового пожаротушения 740кг. В некоторых случаях с использованием автоматической станции пожаротушения, которая находится на первом этаже, а защищаемое помещение находится на 10 этаже и удалено от нее на 80 — 100 метров увеличение количества газа может достигать в несколько раз. Это весьма сложно объяснить Заказчику.

Экономя, Заказчик хочет централизованной станцией автоматического газового пожаро-тушения обеспечить тушение всех направлений ГПТ, а длины и диаметры труб аксономет-рической схемы по зданию, а также получаемое количество газа не дает преимуществ перед модульным пожаротушением. Можно например взять чтобы часть помещений тушилась централизованной автоматической станцией пожаротушения, а удаленные помещения имели модульное пожаротушение.

График функциональной зависимости величин «Vтр» от «Vжг» в соответствии с требованием пункта 8.9.9 свода правил СП 5.13130.2009.

Мы рассмотрели в этой статье наиболее важные и чувствительные параметры, которые оказывают влияние на конечные результаты гидравлических расчетов, выполненных в про-грамме «Vector». Но это еще не все подводные камни, с которыми приходиться встречаться. Реальные объекты, на которых реализуются системы газового пожаротушения, представляют собой великое многообразие трудностей, которые приходиться преодолевать разработчикам. Тем ценней, что развитие возможностей компьютерной техники позволило упростить нам свою работу в этой области. С появлением специализированных программ таких как «Vector» трудозатраты по гидравлическим расчетам сократились в десятки раз и особенно это ценно, когда требуется посчитать для сравнения несколько вариантов одного и того же гидравлического расчета.

Программа «Vector» использует в своих расчетах только оборудование производства ООО «АСПТ Спецавтоматика», которое на сегодняшний день является одним из самых надежных, технически совершенным и оптимальным с точки зрения финансовых затрат.

В нашей организации регулярно проводится бесплатное обучение по программе гидравлических расчетов «Vector», где вы сможете получить наиболее полные ответы на все возникающие вопросы, а также получить любые консультации в области потивопожарной защиты.

Надежность и высокое качество – наш главный приоритет.