Мультикритериальные автоматизированные системы управления противопожарной защитой на опасных предприятиях

Техногенные аварии и катастрофы стали реальной угрозой жизни людей, поэтому их предупреждение – одна из важных задач государственного значения. Увеличение числа аварий и ухудшение работы производств из-за износа оборудования, халатности человека, образования опасных утечек, технической неисправности и т.д. требует создания интеллектуальной системы непрерывного автоматического контроля загазованности территории, газоаналитического контроля параметров раннего обнаружения пожара (СО, Н2 и О2), раннего обнаружения пламени (вспышки) на открытой территории и в технологических помещениях объектов повышенной опасности, критически важных, социально значимых и жизненно важных.

Своевременное распознавание развивающейся пожароопасной обстановки или раннее обнаружение очагов возгорания – это задача для нового поколения интеллектуальных систем и приборов – газовых извещателей и интеллектуальных извещателей пламени.

Интерес к системам раннего обнаружения пожаров во всем мире всегда был большой. С развитием микроэлектронной технологии появились новые способы обнаружения очагов загорания по газовыделению на стадии тления (пиролиза) горючих материалов.

Таким образом, основным назначением интеллектуальной системы газоаналитического контроля на основе газовых извещателей, газоанализаторов и извещателей пламени является обнаружение загорания на ранней стадии его развития и формирование сигнала тревоги при достижении величины контролируемой концентрации и параметров меньше опасной для человека и регламентного функционирования производства.

Газовые извещатели во многих случаях могут заменить широко используемые дымовые извещатели, а в некоторых условиях они единственно востребованы, так как не боятся запыленной атмосферы и высокой влажности.

Структура системы

Для обеспечения комплексной безопасности возникает необходимость внедрения мультикритериальной системы на потенциально опасных предприятиях для раннего обнаружения техногенных аварий, пожаров, интеллектуального обнаружения пламени и экологической напряженности контролируемого объема на основе газоаналитических систем и раннего обнаружения пожара (аварии). На рис.1 представлена структурная схема данной системы.

Газовый извещатель как один из элементов системы

В автоматизированную систему управления входят следующие подсистемы:

1. Газоаналитическая система раннего обнаружения пожара.
2. Система интеллектуального обнаружения пламени.
3. Система экологического мониторинга контролируемого объема.
4. Система технологической и промышленной безопасности.

Рис. 1. Мультикритериальная автоматизированная система управления технологической, промышленной, противопожарной и экологической защитой потенциально опасных предприятий при техногенных авариях на основе газоаналитической системы раннего обнаружения пожара (аварии), системы интеллектуального обнаружения пламени и системы экологического мониторинга контролируемого объема

Газоаналитическая система раннего обнаружения пожара

При установке в охраняемом помещении газоаналитических систем газового контроля можно по изменению состава атмосферы в помещении зафиксировать появление газов, характерных для термического разложения органических материалов, включая изоляцию кабелей, упаковки, древесины, ткани и т.д.

Применение такого класса извещателей позволяет более комплексно строить систему пожарной безопасности объектов. Газовые извещатели во многих случаях могут заменить широко используемые дымовые извещатели, а в некоторых условиях они единственно востребованы, так как не боятся запыленной атмосферы и высокой влажности.

Эти приборы дают сигнал не только о пожароопасной обстановке, но и о неблагополучных условиях загазованности атмосферы токсичными газами, опасными для здоровья людей. Для теоретического понимания сущности метода раннего обнаружения следует напомнить экспериментальную зависимость выделения газа. На рис. 2 предоставлен график зависимости выделения газа от горящей сигареты, упавшей на матрас.

Рис.2. График работы газового извещателя по регистрации монооксида углерода

В настоящее время для обнаружения пожара применяется целый ряд различных типов извещателей, действие которых основано на фиксировании опасных факторов пожара (наличия дыма, повышения температуры, открытого пламени и т.д.) на защищаемой площади. Но для всех этих устройств характерен один недостаток: такие извещатели реагируют на уже возникшие и присутствующие опасные факторы пожара, то есть когда пожар уже возник (пусть еще небольших размеров и площади).

В этих случаях на помощь стандартным пожарным извещателям приходят извещатели сверхраннего обнаружения пожара, действие которых основано на контроле химического состава воздуха, резко изменяющегося из-за термического разложения, пиролиза, перегретых и начинающих тлеть горючих материалов.

Именно на этой стадии развития пожара можно принять адекватные меры для его тушения, а в случае перегрева приборов и оборудования – вовремя их отключить автоматически по сигналу от газового извещателя, ликвидировав тем самым пожарную опасность на самой ранней стадии ее развития.

Конечно, ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяется составом материалов, включенных в этот процесс, однако в подавляющем большинстве случаев можно уверенно выделить основные характерные газовые компоненты. Такого рода исследования проводились ВНИИПО в стандартной камере, используемой для имитации пожара объемом 60 куб. м. Состав выделяющихся при горении газов определялся при помощи хроматографии.

Результаты эксперимента таковы: окись углерода (СО) является основным характерным газовым компонентом, выделяющимся на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве.
На начальной стадии пожара при тлении концентрация СО быстро увеличивается до 20–100 мг/куб. м. Но при появлении пламени концентрация СО, наоборот, падает из-за сгорания, зато растет концентрация двуокиси углерода (СО2) до уровня более 5000 мг/куб. м, что соответствует сгоранию 40–50 г древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 куб. м или эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. С другой стороны, такой уровень СО2 достигается в результате присутствия в помещении двух человек в течение одного часа.

Что очень важно, вместе с СО при тлении всех органических материалов выделяется водород (Н2), который отсутствует в обычных условиях в атмосфере. Несмотря на небольшие концентрации водорода, выделяемого в воздух помещения (до 10 мг/куб. м), его легко детектировать при наличии высокочувствительных и селективных извещателей водорода.

Научные работы, проведенные фирмой Dreger¹, констатируют, что с выделением опасного газа – монооксида углерода (CO) всегда выделяется и цианистый водород (HCN):"Их называют "ядовитыми близнецами", потому что там, где присутствует один, обязательно будет и другой. Каждый газ опасен сам по себе. Но вместе их вред возрастает в геометрической прогрессии: они образуют токсичную смесь, которая может вызвать как сердечный приступ прямо во время пожара, так и рак спустя десятилетия".

Проведенные эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара для большинства газов, в том числе для основных компонентов водорода Н2 и монооксида углерода СО, должен находиться на уровне 40 мг/куб. м (СО) и 10 мг/куб. м (Н2) в атмосферном воздухе при нормальных условиях, а быстродействие системы необходимо иметь не хуже чем 10 с. Именно такой подход можно рассматривать как основополагающий и достаточный для разработок целого ряда мультикритериальных газоаналитических систем раннего обнаружения пожара (аварии) и осуществления экологического мониторинга контролируемого объема (с определенным изменением алгоритма работы и алгоритма распознавания экологической напряженности).

Система интеллектуального обнаружения пламени

Для контроля пожарной обстановки в помещениях большой площади с высокими потолками и на открытых площадках, а также на особо ответственных объектах нефтеперерабатывающей промышленности требуются извещатели, реагирующие на первичный фактор многих возгораний – пламя (огонь). Для решения подобных задач необходимы оптические извещатели пламени.

Электромагнитное излучение пламени имеет область ультрафиолетового, видимого и инфракрасного (ИК) спектра. Каждый спектр занимает определенный диапазон и содержит волны определенной длины.
К ультрафиолетовой (УФ) области относится излучение с длинами волн от 0,1 до 0,4 мкм.

Видимой области соответствует диапазон длин волн от 0,4 до 0,76 мкм, что составляет ничтожную часть электромагнитного спектра. Диапазон ИК-излучения (примерно от 0,8 до 100 мкм) рассматривают как три области:

• коротковолновая область (ближнее ИК-излучение);
• средневолновая;
• длинноволновая (дальнее ИК-излучение).

При горении горючие газы, пары и жидкости являются источником электромагнитного излучения, который имеет свои особенности в области излучающего спектра.

Отличие разности спектров определило разновидности типов извещателей, способных оптически улавливать контролируемое электромагнитное излучение и преобразовывать его в электрическую энергию. Каждый очаг горения имеет свою индивидуальную спектральную характеристику, поэтому для раннего обнаружения очага пламени необходимо использовать интеллектуальные извещатели пламени, которые имеют три канала обнаружения с видеорегистрацией, каждый из которых постоянно контролирует свой определенный спектральный диапазон, а интеллектуальное математическое соотношение между тремя каналами обнаруживает конкретные длины волн инфракрасного излучения, характерного для каждого инфракрасного источника.

Таким образом определяется различие между ранним обнаружением (с видеофиксацией) и фоновыми (или другими) помехами, имеющими инфракрасный диапазон излучения. Каждый такой источник имеет свои спектральные границы, а трехканальная интеллектуальная система точно, селективно, с высокой скоростью (2–3 с) определяет контролируемый параметр.
Принимая во внимание соотношение между тремя ИК-каналами и видеообнаружением, очаги пламени детектируются практически без ложных срабатываний.

Конечно, выбор типа извещателя необходимо проводить с учетом особенностей источников возможного излучения, расположенных в зоне его контроля.

Ключевые преимущества и выгоды

Основным назначением мультикритериальной автоматизированной системы управления технологической, промышленной, противопожарной и экологической защитой потенциально опасных предприятий при техногенных авариях на основе газоаналитической системы раннего обнаружения пожара (аварии), системы интеллектуального обнаружения пламени и системы экологического мониторинга контролируемого объема является:

1. Раннее обнаружение аварии, пожара, экологической напряженности на ранней стадии возникновения.
2. Формирование сигнала тревоги при достижении величины контролируемой концентрации и параметров меньше опасной для человека и регламентного функционирования производства.

Так как нарастание контролируемых концентраций и параметров может происходить с достаточно высокой скоростью, своевременное обнаружение повышенной концентрации и параметров при загорании (возможном загорании) и возникновение аварийных режимов позволит исключить развитие пожаровзрывоопасной ситуации, при необходимости провести эвакуацию людей с объекта защиты и произвести превентивные технические меры по функционированию технологического оборудования, приборов и систем.

Основное преимущество таких систем заключается в использовании современных газочувствительных сенсоров и высокотехнологичного интеллектуального программного обеспечения, применяющего дифференциальный подход и собственный алгоритм работы.

Одним из актуальных вопросов работоспособности таких систем является передача тревожных сигналов и контролируемой информации на центральный пост оператора, который может находиться на удаленном расстоянии, например на потенциально опасных объектах нефтеперерабатывающей, газовой промышленности и других критически важных предприятиях. Данная задача решается с помощью современной передачи извещений по радиоканалу, которая реализована на технологии Trusted Wireless и самоорганизующейся беспроводной сети Mesh. В таком случае дальность передачи информации может достигать десятков километров.

¹https://www.draeger.com/ru_ru/Fire-Services/Hot-Topics/Toxic-Twins

Опубликовано в каталоге "Пожарная безопасность" – 2021

Фото: ru.freepik.com

Иллюстрации предоставлены автором