Применение потенциала горючести и эксергетического показателя для оценки пожарной опасности грузов железнодорожного транспорта

Введение. Проблемы обеспечения пожарной безопасности при транспортировке опасных грузов (ОГ) на железнодорожном транспорте не решены в полном объеме. Отмечается недостаточная объективность оценки горючести веществ и материалов, отсутствие комплексного показателя, позволяющего с единых методологических позиций решать задачи повышения энергетической эффективности и обеспечения экологической и пожарной безопасности.
Цель настоящей работы — обоснование возможности и преимуществ эксергетического подхода для оценки пожарной опасности ОГ на железнодорожном транспорте.

Материалы и методы. Применение потенциала горючести как комплексного показателя пожарной опасности грузов имеет ряд ограничений. Перспективным для оценки и прогнозирования пожарной опасности является эксергетический подход. Обоснование целесообразности его применения проведено на примере существующих и перспективных грузов железнодорожного транспорта.

Результаты и их обсуждение. Были установлены зависимости показателей пожарной опасности (температуры вспышки, пределов распространения пламени, температуры самовоспламенения, теплоты сгорания) компонентов жидких и газообразных топлив от химической эксергии.
Изменение физической эксергии при разливе и горении изучали на примере сжиженного природного газа и сжиженных углеводородных газов различного состава. Получены модели изменения физической эксергии рассматриваемых продуктов в зависимости от температуры и давления.
Для самовозгорающихся грузов определены зависимости физической эксергии от энергии активации, критической температуры окружающей среды, теплоемкости самонагревающихся материалов. Установлено влияние коэффициента теплопроводности и влажности на значение эксергии.
Определены изменения эксергии в зависимости от элементного состава твердых коммунальных отходов, зольности, содержания летучих веществ и фиксированного углерода. Наибольшими значениями рассматриваемого показателя обладают полимеры и резины.
Для оценки пожарной и экологической опасности веществ и материалов введен эксергетический показатель, который положен в основу классификации грузов.

Выводы. Применение эксергетического показателя позволяет повысить объективность оценки, дает возможность учитывать в единой системе технико-экономические, экологические критерии и показатели пожарной опасности.

1. Huang W., Shuai В., Zuo В., Xu Y., Antwi Е. A systematic railway dangerous goods transportation system risk analysis approach: The 24 model // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 61. Pp. 94–103. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.05.021

2. Ovidi F., van der Vlies V., Kuipers S., Landucci G. HazMat transportation safety assessment: Analysis of a “Viareggio-like” incident in the Netherlands // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. Vol. 3. Р. 103985. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103985

3. Huang W., Zhang Y., Zuo В., Yua Y., De Dieu G.J., Xu Y. Using an expanded Safety Failure Event Network to analyze railway dangerous goods transportation system risk-accident // Journal of Loss Pre ion in the Process Industries. 2020. Vol. 65. Р. 104122. DOI: 10.1016/j.jlp.2020.104122

4. Huang W., Liu Y., Zhang Y., Zhang R., Xu М., De Dieu G.J. et al. Fault tree and fuzzy D-S evidential reasoning combined approach: An application in railway dangerous goods transportation system accident analysis // Information Sciences. 2020. Vol. 520. Рр. 117–129. DOI:10.1016/j.ins.2019.12.089

5. Huang W., Zhang R., Xu М., Yu Y., Xu Y., De Dieu G.J. Risk state changes analysis of railway dangerous goods transportation system: Based on the cusp catastrophe model // Reliability Engineering & System Safety. 2020. Vol. 202. Р. 107059. DOI: 10.1016/j.ress.2020.107059

6. Бочаров Б.В., Жуков В.И., Стручалин В.Г. Комплексная безопасность на железнодорожном транспорте и метрополитене : монография : в 2 ч. Ч. 2 : Безопасность движения и безопасность в чрезвычайных ситуациях / под ред. В.М. Пономарева, В.И. Жукова. М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2015. 494 с.

7. Vincent С., Corn S., Longuet С., Aprin L., Rambaud G., Ferry L. Experimental and numerical thermo-mechanical analysis of the influence of thermoplastic slabs installation on the assessment of their fire hazard // Fire Safety Journal. 2019. Vol. 3. Р. 102850. DOI: 10.1016/j.firesaf.2019.102850

8. Bariha N., Mishra I.M., Srivastava V.C. Fire and explosion hazard analysis during surface transport of liquefied petroleum gas (LPG): A case study of LPG truck tanker accident in Kannur, Kerala, India // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016. Vol. 40. Рр. 449–460. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.01.020

9. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. 2-е изд., перераб. М. : Химия, 1979. 424 с.

10. Steen-Hansen A., Storesund K., Sesseng C. Learning from fire investigations and research A Norwegian perspective on moving from a reactive to a proactive fire safety management // Fire Safety Journal. 2020. Vol. 3. P. 103047. DOI: 10.1016/j.firesaf.2020.103047

11. Jiao Z., Escobar-Hernandez H.U., Parker T., Wang Q. Review of recent developments of quantitative structure-property relationship models on fire and explosion-related properties // Process Safety and Environmental Protection. 2019. Vol. 129. Рp. 280–290. DOI: 10.1016/j.psep.2019.06.027

12. Корольченко А.Я. Проблемы определения горючести веществ // Пожаровзрывобезопасность/ Fire and Explosion Safety. 2015. Т. 24. № 12. С. 6–10. DOI: 10.18322/PVB.2015.24.12.6-10

13. Шебеко Ю.Н., Иванов А.В., Ильин А.Б. О расчете концентраций горючего и флегматизатора в экстремальной точке области воспламенения // Физика горения и взрыва. 1981. № 4. С. 33–35.

14. Guoa F., Hase W., Ozaki Y., Konno Y., Inatsuki М., Nishimura K. et al. Experimental study on flammability limits of electrolyte solvents in lithium-ion batteries using a wick combustion method // Experimental Thermal and Fluid Science. 2019. Vol. 109. Р. 109858. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2019.109858

15. Королева Л.А., Хайдаров А.Г., Ивахнюк Г.К., Коваль Д.Н. Эксергетический подход к оценке энергоэкологической эффективности и пожарной опасности грузовых перевозок на железнодорожном транспорте // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2018. Т. 27. № 7–8. С. 43–52. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.43-52

16. Хайдаров А.Г., Королева Л.А., Ивахнюк Г.К. Эксергетическая оценка пожарной опасности перевозок на железнодорожном транспорте // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2018. Т. 27. № 10. С. 26–37. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.10.26-37

17. Khila Z., Baccar I., Jemel I., Houas A., Hajjajia N. Energetic, exergetic and environmental life cycle assessment analyses as tools for optimization of hydrogen production by autothermal reforming of bioethanol // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. Issue 39. Pр. 17723–17739. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.07.225

18. Bellos E., Tzivanidis C., Tsifis G. Energetic, Exergetic, Economic and Environmental (4E) analysis of a solar assisted refrigeration system for various operating scenarios // Energy Conversion and Management. 2017. Vol. 148. Pр. 1055–1069. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.06.063

19. Eini S., Shahhossein H., Delgarm N., Lee M., Bahadori A. Multi-objective optimization of a cascade refrigeration system: Exergetic, economic, environmental, and inherent safety analysis // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 107. Pр. 804–817. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.07.013

20. Боровков Ю.Н., Воронцова В.М. Возможности использования эксергетического метода в экологическом менеджменте // Научный журнал. 2018. Т. 27. № 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vozmozhnosti-ispolzovaniya-eksergeticheskogo-metoda-v-ekologicheskom-menedzhmente (дата обращения: 04.09.2020).

21. Ghannadzadeh A. Exergetic balances and analysis in a process simulator: A way to enhance process energy integration. Toulouse : Institut National Polytechnique, 2012. 215 р.

22. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения / под ред. В.М. Бродянского. М. : Энергоатомиздат, 1988. 287 с.

23. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии. М. : Химия, 1988. 280 с.

24. Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 2019610945 РФ. Программный комплекс для проведения эксергетического анализа и оценки пожаро-взрывоопасности веществ, материалов и изделий (ПК эксергетика) / А.Г. Хайдаров, Л.А. Королева : правообл. А.Г. Хайдаров, Л.А. Королева. № 2018665631; заявл. 28.12.2018; опубл. 18.01.2019.

25. Gundersen T. The concept of exergy and energy quality. Norway : Norwegian University of Science and Technology Trondheim, 2009. 25 p.

26. Киселев Я.С., Хорошилов О.А., Демехин Ф.В. Физические модели горения в системе пожарной безопасности / под общ. ред. В.С. Артамонова. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 348 с.

27. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник : в 2 ч. 2-е изд., перераб. и доп. Ч. I. М. : Пожнаука, 2004. 713 с.

28. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник : в 2 ч. 2-е изд., перераб. и доп. Ч. II. М. : Пожнаука, 2004. 774 с.

29. Eboh F.C., Ahlström P., Richards T. Estimating the specific chemical exergy of municipal solid waste // Energy Science & Engineering. 2016. Vol. 4. Issue 3. Рр. 217–231. DOI: 10.1002/ese3.121

30. Козлов Г.В., Ивахнюк Г.К. Морфологический состав твердых коммунальных отходов по регионам мира в XX и начале XXI века (обзор) // Известия СПбГТИ (ТУ). 2014. № 24 (50). С. 58–66. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=21730915

31. Zhou H., Meng А., Long Y., Li Q., Zhang Y. Classification and comparison of municipal solid waste based on thermochemical characteristics // Journal of the Air & Waste Management Association. 2014. Vol. 64 (5). Pр. 597–616. DOI: 10.1080/10962247.2013.873094