Статьи

Аннотация

Рассмотрены проблемные вопросы организации пожаротушения в машинных залах атомных электростанций. На основании анализа пожаров, происшедших в машинных залах электростанций, обоснована необходимость оперативного реагирования на возникновение очага горения в начальной стадии, что не всегда удается обеспечить с использованием существующих способов и средств противопожарной защиты. Предложен концептуальный подход к построению аппаратно-программного комплекса системы пожарной безопасности, базирующегося на использовании цифрового управления, что в перспективе позволит решать вопрос использования искусственного интеллекта на основе нейронных сетей для своевременного обнаружения аварийных ситуаций и выработки управляющих команд многофункциональному комплексу противопожарной защиты.

Ключевые слова: пожар, машинный зал, противопожарная защита, роботизированные установки пожаротушения, огнетушащие вещества.

Введение

Опыт эксплуатации турбогенераторов с водородным охлаждением на атомных электростанциях (АЭС) и тепловых электростанциях (ТЭС) показывает, что обеспечение пожаровзрывобезопасности в машинных залах остается актуальной проблемой ввиду использования горючего масла в маслосистемах турбоагрегатов и наличия водорода в системах охлаждения турбогенераторов.

Анализ аварийных ситуаций, сопровождавшихся пожарами и взрывами, в машинных залах ТЭС и АЭС России и за рубежом в течение нескольких десятков лет [1] показал, что к их быстрому развитию и катастрофическим последствиям с повреждением строительных конструкций и технологического оборудования приводили в основном события, первопричина которых — механическое разрушение узлов турбоагрегатов, а также разуплотнение напорных маслопроводов или системы водородного охлаждения турбогенератора. Кроме того, при ликвидации пожаров в машинных залах, как правило, возникают высокие риски травмирования участников тушения из-за воздействия на них опасных факторов пожара (ОФП), в том числе высокие температуры и тепловой поток, интенсивное задымление продуктами горения, снижение видимости, угроза электрического поражения [2–4].

Так, катастрофические последствия возникли при ликвидации целого ряда пожаров в машинных залах электростанций [4], в том числе Белоярской АЭС 31.12.1978 с обрушением покрытия на площади 960 м2 и травмированием 34 участников тушения (26 чел. получили отравление продуктами горения и обморожение, 8 — облучение), Чернобыльской АЭС 11.10.1991 с полным обрушением покрытия на площади 2448 м2 и травмированием 63 чел. (при ликвидации пожара они получили двухнедельные дозы облучения), Сургутской ТЭС 04.01.2015 с обрушением кровли на площади 1296 м2 и травмированием четверых участников тушения (один человек получил термический ожог и трое — отравление продуктами горения), АЭС Палюэль (Франция) 03.07.2015 и др. При пожаре на АЭС Палюэль температура огня была настолько высокой, что горели части металлического оборудования.

Типовые проектные решения противопожарной защиты машинных залов электростанций на протяжении десятков лет до настоящего времени, как правило, предусматривают стационарные установки пожаротушения с использованием в качестве огнетушащего вещества распыленной воды, применение которой для тушения розливов горючего масла не всегда обеспечивает прекращение его горения и даже может способствовать дальнейшему развитию пожара. При этом охлаждение несущих конструкций кровли машинных залов при пожаре выполняется с помощью лафетных стволов, стационарно установленных на отметках обслуживания турбины. Необходимо учитывать, что управление ими персоналом АЭС в зоне воздействия ОФП до прибытия пожарных требует наличия средств защиты органов дыхания и тела, средств связи, а также допуска на тушение электроустановок, что при реальных временных и температурных параметрах развитии пожаров в машинных залах практически невозможно, так как скорость увеличения площади пожара при растекании горящего турбинного масла может достигать 25 м2/мин. Факелы горящего масла и водорода быстро нагревают элементы металлических ферм до критической температуры, что приводит к их обрушению.

Анализ быстроты реагирования подразделений федеральной противопожарной службы Государственной противопожарной службы (ФПС ГПС) по охране АЭС на ряд пожаров [2–4] показал, что позднее обнаружение пожара, несвоевременный вызов пожарных подразделений, задержка срабатывания автоматических средств пропуска на территорию АЭС, получение допусков на тушение электроустановок увеличивают реальное время их прибытия и начала боевых действий по тушению от нескольких минут до получаса. Это снижает эффективность работы оперативных подразделений, кратно увеличивает риски дальнейшего развития пожаров в данный период и, как следствие, повышает риски травмирования и гибели людей, а также увеличения материального ущерба.

С учетом вышеизложенного, а также на основании целого ряда иных примеров сложности тушения пожаров на взрывопожароопасных промышленных объектах можно сделать вывод, что существующая в России и за рубежом пожарная техника и технологии пожаротушения в настоящее время значительно отстали от прогрессивного развития отдельных направлений промышленности, прежде всего в топливно-энергетическом, военно-промышленном и космическом секторах, в области информационно-цифровых технологий.

Как следствие, они не всегда отвечают задачам обеспечения эффективной локализации и ликвидации крупных техногенных и природных аварий и катастроф, в том числе без непосредственного участия людей в зоне воздействия ОФП и взрывов, ионизирующих излучений на ядерно-опасных объектах и химически опасных веществ.

Назрела необходимость проведения дальнейших исследований, разработки и внедрения новых инновационных средств и технологий автоматического обнаружения и тушения пожаров с минимальной инерционностью реагирования и максимальной эффективностью с учетом специфики и динамики развития пожаров всех классов без непосредственного нахождения персонала и пожарных в зоне воздействия ОФП.

Проблема и пути ее решения

Специалисты АО «Концерн Росэнергоатом» (далее — Концерн) совместно с ООО «ПТО-ПТС», ООО «Инженерный центр пожарной робототехники «ЭФЭР» и АО «Пожгидравлика» разработали опытный образец многофункционального робототехнического комплекса противопожарной защиты (ППЗ) машинных залов АЭС с расширенными тактико-техническими возможностями ППЗ и противоаварийной защиты, обеспечивающий полномасштабное решение возложенных задач. Образец успешно прошел приемочные испытания на Калининской атомной станции (филиал Концерна). Использование цифрового управления его работой позволит в перспективе применить искусственный интеллект на основе нейронных сетей для своевременного обнаружения аварийных ситуаций (образование проливов жидкостей, локальное повышение температуры, истечение газов), предшествующих развитию пожара, и оперативного принятия решений в условиях недетерминированной среды [5].

С учетом высокой степени недетерминированности обстановки в условиях пожара предложена многофункциональная схема применения роботизированных средств с использованием роботизированных установок пожаротушения (РУП) и мобильных роботизированных комплексов пожаротушения. Функциональные возможности РУП позволяют закладывать алгоритмы для работы в разных сценарных событиях, в том числе для защиты машинных залов электростанций (рис. 1) как для охлаждения несущих конструкций, так и для ликвидации очагов горения с использованием различных средств пожаротушения (компрессионная пена, вода) без нахождения в зоне воздействия ОФП персонала АЭС и пожарных [6–8].

Рис. 1. Стационарные роботизированные лафетные стволы в составе РУП
Fig. 1. Stationary robotic carriage trunks as part of the RUP

При проведении приемочных испытаний опытного образца комплекса ППЗ по тушению модельного очага 233В, заполненного смесью турбинного масла ТП-22с и бензина АИ-93, с площадью зеркала 7,1 м2 по ГОСТ Р 51017—2009 «Техника пожарная. Огнетушители передвижные. Общие технические требования. Методы испытаний» фактическое время автоматического обнаружения и тушения очага пожара класса «В» двумя РУП, максимально удаленными от модельного очага, составило не более 120 с (рис. 2).

Рис. 2. Тушение РУП модельного очага пожара 233В с использованием компрессионной пены
Fig. 2. Extinguishing of a model fire 233 In a robotic fire extinguishing system using compression foam

Для ликвидации очагов горения в труднодоступных местах и в условиях повышенного риска для пожарных целесообразно использовать высокоманевренные мобильные роботизированные комплексы пожаротушения (рис. 3), оснащенные, в зависимости от решаемых задач, системами дистанционного или автономного управления [9–10]. Эффективность применение мобильных роботизированных комплексов пожаротушения при пожарах в машинных залах электростанций обоснована в работах [11–12].

Рис. 3. Тушение и защита технологического оборудования с использованием мобильной РУП
Fig. 3. Extinguishing and protection of technological equipment using a mobile robotic fire extinguishing system

Предложенная разработчиками схема построения комплекса ППЗ хорошо интегрируется в общую систему ППЗ объектов, что обеспечивается за счет простоты и унификации технических и цифровых решений, реализованных в системе. Основу любого современного технологического процесса составляет цифровое управление. Выполнение большинства технологических операций подчинено предварительно заложенным алгоритмам. Настройками системы закладываются пороговые значения тех или иных параметров. Оператор из числа персонала объекта управляет системой с автоматизированного рабочего места (АРМ) на блочном пункте управления. При любом сбое, превышении пороговых значений система выдает предупреждение оператору и автоматически корректирует параметры для обеспечения работоспособности всего технологического процесса. Немаловажный фактор эффективности комплекса ППЗ — высокая надежность за счет 100%-ного резервирования основных элементов, а также возможности проведения автоматической самодиагностики исправности и готовности к работе в заданном режиме с выдачей информации на АРМ оператора, наблюдающего за работой системы и вмешивающегося только в исключительных случаях. При тушении пожара и охлаждении несущих конструкций оператор АРМ может перевести режим работы комплекса ППЗ из автоматического в дистанционно управляемый с помощью переносного пульта, имея возможность наблюдать за складывающейся обстановкой на пожаре в видимом и инфракрасном диапазонах.

Опыт работы на крупных и технически сложных объектах показывает, что в большинстве случаев системы ППЗ не «привязаны» к защищаемому технологическому процессу. Кроме того, нередко сами системы ППЗ (установки пожарной сигнализации, пожаротушения, оповещения людей о пожаре и т.п.) не синхронизированы между собой для адаптации к возможным сценариям развития ситуации. Данная проблема связана с отсутствием понимания у заказчика реальных задач, стоящих перед системой ППЗ объекта. К сожалению, наличие на объекте сертифицированных технических средств ППЗ, смонтированных в соответствии с действующими нормативными документами, но без учета технологических и объемно-планировочных особенностей объекта защиты, не гарантирует эффективного решения поставленных задач в случае пожара.

В этой связи разработаны и апробированы технические решения по интеграции РУП не только в существующую систему ППЗ эксплуатируемого объекта, но и в систему его противоаварийной защиты в части предупредительного мониторинга отдельных параметров технологического процесса в защищаемой зоне, в том числе по температуре, давлению, наличию взрывопожароопасных концентраций газо- и парообразований и т.д. Такой подход позволяет оперативно передавать полученную информацию оператору для идентификации рисков наступления предаварийного или аварийного события, а также реагировать на них по заложенному проектом алгоритму действий элементов РУП в рамках общей системы комплексного управления ППЗ объекта.

Результаты и их обсуждение

Предлагаемые технические решения реализованы при создании многофункционального комплекса ППЗ объекта и его интеграции в действующий технически сложный объект. При работе учитывались не только технические параметры самого комплекса, но и возможность адаптации к существующей технологической системе, объемно-планировочным решениям, а также алгоритмизация под вероятные сценарные события.

В основу концептуального решения по созданию комплекса ППЗ положено создание инновационной системы с расширенными техническими возможностями и технологиями пожаротушения, адаптированными к динамике развития и изменения обстановки на пожарах, с использованием робототехнических средств и современных огнетушащих веществ, на основе программно-цифровых решений для обеспечения комплексной полномасштабной защиты объектов от пожаров, аварий и взрывов.

Это позволило реализовать возможность дистанционного видео- и тепловизионного предупредительного мониторинга, блиц-мониторинга защищаемых зон по температуре, газам и возгораниям с учетом включения в программу комплекса ППЗ наиболее вероятных исходных сценарных событий проектных (запроектных) аварийных ситуаций в машинном зале АЭС, связанных с пожарами и оповещением оператора о превышении безопасной температуры технологического оборудования, утечке водорода, образования горючей среды или возгорания в зоне контроля.

Минимальная инерционность реагирования на возникновение нештатных исходных событий (пожары, аварии) в сочетании с возможностью комплексного тушения очагов возгорания компрессионной пеной или распыленной (компактной) водой, обеспечение защиты технологического оборудования (турбогенератор, демпферные баки водорода и масла, главный маслобак, питательные насосы и др.) с применением стационарных РУП, мобильных роботизированных комплексов пожаротушения и локальных оросителей обеспечивают высокую эффективность пожаротушения при минимальном экономическом ущербе на объекте защиты.

Возможность адресного (локального) орошения перекрытий машинных залов (фермы, связи, балки, колонны) в автоматическом режиме с учетом температуры нагрева несущих конструкций и с использованием системы процессного управления (рис. 4, здесь 1 — пожарный робот ПР-ЛСД-С20У; 2 — несущие балки, расположенные по осям 1–9; 3 — рабочие зоны орошения в горизонтальной плоскости; 4 — рабочие границы траекторий струй в вертикальной плоскости) исключает возможность потери их несущей способности и обрушения.

Рис. 4. Возможная схема орошения несущих конструкций машинных залов АЭС пожарными роботами Fig. 4. A variant of the irrigation scheme for the load-bearing structures of the NPP engine rooms by fire robots

Комплекс ППЗ (рис. 5) объединяет спринклерные установки пожаротушения 1, стационарные и мобильные РУП 2, пожарные извещатели 3, пенный трубопровод 4, локальную систему пожаротушения 5, пожарных роботов 6, видеокамеры с возможностью съемки в инфракрасном диапазоне 7, газоанализаторы 8, универсальный насадок 9, дисковый электрический затвор 10, блок питания 11, мобильный пункт управления 12, стационарную установку компрессионной пены 13, пожарный водопровод 14, пожарный прибор контроля и управления 15, центральный модуль системы видеомониторинга 16, систему управления и устройства сопряжения с объектом 17, автоматизированное рабочее место дежурного 18. Системы установок автоматического пожаротушения и внутреннего противопожарного водопровода могут подавать как воду, так и водопенные составы и компрессионную пену.

Рис. 5. Принципиальная схема комплекса ППЗ
Fig. 5. Schematic diagram of the PPZ Complex

Система контроля и управления РУП на верхнем уровне обладает расширенными функциями контроля и управления остальными установками. В зависимости от получаемых сигналов от адресной пожарной сигнализации активируется тот или иной алгоритм работы систем ППЗ. Видеомониторинг используется для удаленного слежения за развитием событий с возможностью оперативного перевода системы в дистанционный режим и обратно. Для объективности применяется двухдиапазонная видеокамера, работающая в видимом и инфракрасном спектре. Это позволяет оператору, находящемуся на значительном расстоянии от места аварии, идентифицировать происходящее с большей точностью.

Благодаря реализованным техническим решениям комплекс ППЗ и в частности роботизированная установка пожаротушения решают следующие задачи:

обнаружение возгорания в защищаемой зоне извещателями пожарной сигнализации, определение координат очага возгорания техническими средствами РУП;
определение перегрева строительных конструкций и (или) технологического оборудования;
автоматический либо ручной дистанционный выбор алгоритма работы системы ППЗ, включая выбор вида огнетушащего вещества и управление режимами функционирования насосных станций и пенных установок;
подача различных видов огнетушащего вещества в защищаемую зону с использованием пожарных роботов, спринклеров с принудительным пуском, локальных систем пожаротушения, а также пожарных кранов в целях локализации и ликвидации очагов горения, защиты и охлаждения технологического оборудования, несущих и ограждающих конструкций от воздействия открытого пламени и теплового излучения;
создание в установленных зонах защитных завес (экранов) из распыленной воды в целях обеспечения безопасной эвакуации персонала;
осаждение продуктов неполного сгорания в защищаемом объеме распыленными водяными струями для тушения возможного пожара в условиях задымления;
осаждение и разбавление опасных концентраций горючих газов и паров, химически опасных веществ;
дистанционный контроль и видеомониторинг защищаемой зоны с использованием стационарных и переносных (радиоканальных) пультов управления.
Подобное техническое решение комплекса ППЗ позволяет предусматривать вариативность применения способов защиты технологического процесса в зависимости от возникающего сценарного события. Кроме того, при наличии взаимосвязи с аппаратурой управления технологическим процессом комплекс позволяет реагировать на аварийные режимы до возникновения пожара, например:

при разгерметизации технологического оборудования с разливом горючей жидкости на поверхности розлива создается воздушно-пенная подушка для предотвращения возгорания;
при разгерметизации технологического трубопровода с горючим газом или химически активным веществом формируется водяная завеса для нейтрализации, разбавления и осаждения смеси;
при перегреве технологического оборудования сверх установленных пороговых значений происходит орошение распыленными водяными струями для снижения температуры.
Заключение

Алгоритмы реагирования комплекса противопожарной защиты на наиболее вероятные исходные сценарные события и управления его работой должны разрабатываться еще на стадии формирования технического задания на проектирование, объединяя профессиональные компетенции многих специалистов — проектировщиков, технологов, пожарных и эксплуатантов. Традиционные проектные решения, заключающиеся в защите объектов по площади помещения или защите отдельного оборудования с учетом специфики и динамики развития пожаров, в данном случае не работают. Любой сложный технологический процесс подвергается серьезному анализу и выявлению возможных сценариев развития ситуации.

Исходя из задач по минимизации последствий каждого из сценарных событий определяется общая модель комплекса противопожарной защиты. Ее построение не описано ни в одном нормативном документе в области пожарной безопасности. Предложенный комплекс противопожарной защиты с входящими в него отдельными системами и подсистемами отличается от традиционной схемы. Он полностью соответствует условиям возможных сценарных событий для конкретного объекта защиты и позволяет сформировать систему противопожарной защиты, которая в своем построении опирается не на общие требования (нормативы), а на реальные проектные (запроектные) аварийные события с учетом динамики их вероятного развития. Такой подход не только обеспечивает безусловную эффективность обнаружения и ликвидации горения, но и позволяет сократить материальный ущерб и исключить человеческие жертвы.

Безусловное преимущество комплекса противопожарной защиты заключается, прежде всего, в многовариантности его исполнения и комплектации под конкретный проектируемый и строящийся объект защиты, а также в возможности интеграции в технологические процессы на действующих объектах промышленности и на любых технически сложных взрывопожароопасных объектах.

Технические решения, применяемые в программно-аппаратном комплексе управления противопожарной защитой, новизна которых подтверждена патентами, позволили расширить функциональные возможности интегрированных в комплекс противопожарной защиты технических средств различного назначения, включая роботизированные установки пожаротушения, и создать многоуровневую систему обеспечения безопасности от предупредительного мониторинга до управления пожаром, не имеющую аналогов в мире.

Список литературы

1. Солдатов Г.Е., Голоднова О.С. О путях снижения риска пожаров в машинных залах АЭС// Атомкон. — 2009. — № 2 (3). — С. 42–46.
2. Временной механизм воздействия опасных факторов пожара на персонал АЭС и комплексная защита от них/ С.В. Пузач, О.С. Лебедченко, А.Д. Ищенко, И.С. Фогилев// Пожаровзрывобезопасность. — 2017. — Т. 26. — № 8. — С. 15–24. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.08.15-24
3. Ищенко А.Д. Теория локализации пожаров в зданиях объектов энергетики: автореф. дис. … д-ра техн. наук. — М.: АГПС МЧС России, 2021. — 48 с.
4. Фогилев И.С. Обеспечение действий оперативного персонала при возникновении пожаров в помещениях атомных электростанций: дис. … канд. техн. наук. — М.: АГПС МЧС России, 2018. — 154 с.
5. Early warning fire detection system using a probabilistic neural network/ S.L. Rose-Pehrsson, S.J. Hart, T.T. Street et al.// Fire Technology. — 2003. — Vol. 39. — P. 147–171. DOI: 10.1023/A:1024260130050
6. Горбань Ю.И., Синельникова Е.А. Системы пожаротушения для защиты машинных залов ТЭЦ, АЭС и ГЭС: проблемы и решения// Алгоритм безопасности. — 2011. — № 3. — С. 32–36.
7. Горбань Ю.И., Синельникова Е.А. Автоматические установки пожаротушения на базе роботизированных пожарных комплексов АУП РПК для защиты машинных залов АЭС, ТЭЦ и ГЭС// Пожарная безопасность. — 2012. — № 3. — С. 136–142.
8. Защита пространственных металлических конструкций машинных залов энергетических объектов от воздействия высоких температур в условиях пожара/ В.И. Томаков, М.В. Томаков, Е.Г. Пахомова и др.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. — 2018. — Т. 8. — № 1 (26). — С. 67–80.
9. Rakib T., Sarkar M.A.R. Design and fabrication of an autonomous fire fighting robot with multisensor fire detection using PID controller// 2016 5th International Conference on Informatics, Electronics and Vision (ICIEV). — Dhaka: IEEE, 2016. — P. 909–914. DOI:10.1109/ICIEV.2016.7760132
10. Development of Fire Fighting Robot (QRob)/ M. Aliff, M.I. Yusof, N.S. Sani, Z. Azavitra// International Journal of Advanced Computer Science and Applications. — 2019. — Vol. 10. — Iss. 1. — P. 142–147. DOI:10.14569/IJACSA.2019.0100118
11. Применение робототехнических комплексов для тушения пожаров на объектах энергетики/ М.В. Алешков, А.В. Рожков, О.В. Двоенко и др.// Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. — 2016. — № 1. — С. 48–53.
12. Обеспечение пожарной безопасности объектов энергетики путем разработки и применения мобильной робототехники пожаротушения// М.В. Алешков, С.Г. Цариченко, А.Л. Холостов, И.А. Гусев// Пожаровзрывобезопасность. — 2018. — Т. 27. — № 9. — С. 35–49. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.09.35-49

Авторы:

С.Г. Немчинов, ген. директор ООО "Инженерный центр пожарной робототехники "ЭФЭР"

В.А. Харевский, руководитель проекта ООО "Инженерный центр пожарной робототехники "ЭФЭР"

Ю.И. Горбань, гл. специалист ООО "Инженерный центр пожарной робототехники "ЭФЭР"

С.Г. Цариченко, д-р техн. наук, проф. НИУ МГСУ, Москва, Россия

Безопасность труда в промышленности. 2022. No 2