В настоящее время проблемы экологии становятся все более актуальными и
сложными. С каждым годом экологическая обстановка в Украине и мире в целом
ухудшается. Это связано с большим количеством выбросов в окружающую среду
вредных веществ промышленностью и транспортом. Увеличение количества выбросов
вредных веществ связано с увеличением количества оборудования, работающего с
вредными веществами и вследствие того что большинство эксплуатируемого
оборудования выработало свой ресурс. Современное оборудование становится всё
более экологически безопасным и надежным, и урон, наносимый им окружающей среде,
уменьшается. Однако в настоящее время продолжает эксплуатироваться устаревшее
оборудование, которое выработало свой ресурс и наносит большой ущерб окружающей
среде. Кроме того даже новое оборудование имеет свойство ломаться, выходить из
строя. При этом могут случаться аварии, вследствие которых происходят выбросы в
окружающее пространство теплоты и вредных веществ. Это может повлечь за собой
гибель людей, нанести урон окружающей среде и нанести значительный материальный
урон.
Современное оборудование должно быть не только экологичным, но и быть
надежным и безопасным. Отказы в работе оборудования не должны приводить к
авариям и катастрофам. Чтобы обеспечить оборудованию высокий уровень надежности,
необходимо создавать и эксплуатировать его в соответствии с современными
подходами к обеспечению техногенной безопасности. При этом на должны соблюдаться
высокий уровень технического обслуживания и контроля, за состоянием
оборудования.
Современное оборудование должно иметь не только высокие показатели
эффективности (большая производительность, низкая себестоимость выпускаемой
продукции, малые энергозатраты и др.), но и низкий уровень техногенной
опасности. Однако этот показатель не всегда можно сделать достаточно низким,
т.к. в оборудовании происходят процессы при которых образуется или затрачивается
большое количество энергии (потенциальной, химической, кинетической и тепловой),
которая, высвободившись из технического объекта, может нанести ущерб жизни и
здоровью рабочих, окружающей среде и соседнему оборудованию. Кроме того,
повышение уровня техногенной опасности технического объекта влечет за собой
значительное удорожание самого оборудования, а следовательно, и продукции,
производимой в нем.
В этих условиях возникает необходимость создания оборудования, в котором
оптимально сочетались как высокие производственные показатели, так и высокий
уровень техногенной безопасности. Для этого необходимо составить методику
определения уровня техногенной опасности технического объекта и затем провести
оптимизацию этого показателя для оборудования при заданных показателях
стоимости, производительности, себестоимости выпускаемой продукции и др.
В последнее время проблема повышенного уровня опасности в промышленности
стала особо остро. Это связано с множеством факторов: старением фондов;
отсутствием общепринятых систем оценки техногенной опасности объектов; проектных
ошибок. В настоящее время все более актуальными становятся вопросы оценки
техногенной опасности производства (объекта).
В качестве объекта исследования в моей работе был принят котел с кипящим
слоем (Рисунок 1).
Смесь отходов, поступая, по конвейеру, на переработку в наклонные
термолизные печи, подвергается термолизу. В результате процесса термолиза
получается твердый углеродистый остаток.
По своему химическому составу он содержит около 58% горючих веществ, из
которых 57% – углерод. Его низшая теплота сгорания составляет около 20,5 МДж/кг
топлива, в то время как у кокса 33,4 МДж/кг.
Следовательно, его можно применять в качестве топлива для получения
энергоносителя.
После термолизной печи твердый углеродистый остаток попадает в котел с
кипящим слоем. Где происходит его сжигание и извлечение тепла по следующему
принципу.
Через дозатор, топливо попадает в над решетное пространство, одновременно с
подачей топлива осуществляется подача подогретого воздуха под колосниковую
решетку. Так образуется кипящий слой (Рисунок 3).
Рисунок
3 - Котел с кипящим слоем. Образование кипящего слоя
При помощи программного обеспечения, программы Excel, была составлена
математическая модель кипящего слоя.
Вначале вводятся исходные данные для расчета, это такие как: требуемая
температура кипящего слоя, химический состав топлива, характеристики топлива и
т.д.
Сам расчет был разбит на несколько этапов расчета: определение скорости
псевдоожижения, оценочный расчет скорости и времени выгорания топлива,
определение расхода воздуха, определение объема продуктов сгорания и их состав,
тепловой баланс кипящего слоя, определение К.П.Д., и тепловой мощности топки,
расчет погруженной площади поверхности теплообмена.
В результате расчета были получены оптимальные характеристики кипящего слоя,
что позволяет более эффективно сжигать топливо в кипящем слое. Все результаты
просчетов были сведены в единую таблицу.
В процессе сжигания топлива выделяется избыточное тепло и образуется
побочный продукт горения – зола, которая удаляется из кипящего слоя через
гидравлический золоудалитель.
Тепло, в результате теплообмена поглощается теплообменными, поверхностями –
экономайзер, кипятильные трубы, пароперегреватель.
Смесь пар – вода, образующаяся в кипятильных трубах, попадает в барабан, где
идет отделение воды от пара. После чего пар, нагревается в пароперегревателе до
определенной температуры и поступает на турбины для выработки электроэнергии.
Как говорилось выше в топке происходит сжигание топлива. Одно из главных свойств топлива - низшая теплота сгорания.
Ниже приведен расчет этой величины с использованим Java Script.
В качестве показателя, позволяющего оценить уровень техногенной опасности производства (объекта), на этапе
его эксплуатации, был принят показатель уровня опасности объекта (W).
где Р – показатель потенциала опасности объекта;
Q – показатель состояния объекта;
n1 … n3 – порог уровня опасности.
Условно показатель уровня опасности подразделяется на четыре уровня:
1 уровень – Нормальное состояние объекта – объект находится в хорошем (нормальном) техническом состоянии, неспособном
привести к человеческим потерям, а так же нанести материальный и экологический ущерб.
2 уровень – Потенциально опасное состояние объекта – любой источник потенциального ущерба жизненно важным интересам
человека.
3 уровень – Опасное состояние объекта – объект, который характеризуется такими отклонениями технических и/или
технологических параметров от регламентных значений, при которых может возникнуть аварийная ситуация и/или
произойти разрушение оборудования, домов, сооружений, привести к человеческим потерям и нанесения ущерба окружающей
среде.
4 уровень – Аварийное состояние объекта – состояние потенциально опасного объекта, которое характеризуется
нарушением пределов и/или условий безопасной эксплуатации, но не перешло в аварию, при котором, все неблагоприятные
влияния источников опасности на персонал, население и окружающую среду удерживаются в приемлемых пределах при
помощи соответствующих технических средств, предусмотренных проектом.
Под показателем потенциала опасности объекта следует понимать сумму всех накопленных энергии в объекте.
Порог уровня опасности, для каждого объекта будет иметь свое значение и устанавливается на основе экспериментальных и
теоретических заключений о данном объекте.
Сам объект, можно рассматривать как техническую систему (Рисунок 4), состоящую из множества элементов
(металлоконструкция, обшивка, футеровка, барабан, теплообменные поверхности, короб и т.п.), каждый из которых влияет на
уровень техногенной опасности объекта; тем, что все эти элементы обладают набором технических параметров (толщина стенки,
площадь поперечного сечения, коэффициент запаса прочности и т.п.), которые с течением времени деградируют. Что и может
привести к техногенной опасности.
Рисунок 4 - Техническая система объекта (котла)
Также, система обладает связями, связями между элементами (внутренние связи), и внешние связи. Внешние связи –
связи между элементами не входящие в данную техническую систему (Y1 – насос, Y2 – дозатор, Y3 – компрессор и т.д.).
Все эти связи тоже обладают определенными парамтрами (например, Y1-X6 расход, температура, давление воды).
При оценке состояния структуры системы в качестве критерия принято понятие информационная энтропия. Следовательно,
показатель состояния объекта есть не, что иное, как информационная энтропия.
где Рi – вероятность нахождения элемента в данном состоянии.
Как уже говорилось, элементы системы со временем деградируют. Следовательно, и падает вероятность нахождения элемента
в данном состоянии.
Основная причина деградации элементов тепловых агрегатов заключается в уменьшении поперечного сечения металлоконструкций,
толщин стенок теплообменных поверхностей и т.д. Это обуславливается действием внешних и внутренних сред, повышенной
температурой, т.е. происходит процесс коррозии элементов системы.
В мировой практике при оценке коррозионного износа, определяют гамма – процентный ресурс. Эта методика реализует
традиционно сложившийся подход, базирующийся на предположении, что средняя скорость коррозии, определенная на момент
прогнозирования, сохранится и в будущем. Однако практика доказывает, что скорость коррозии, как правило, не постоянна,
а реальная картина развития коррозионного процесса выглядит следующим образом.
Поскольку в каждой точке поверхности элемента происходит случайный процесс изменения толщины металла во времени,
то изменение толщины металла есть функция от времени S = f(t).
Пучок кривых Si(t) отражает зависимость изменения толщины стенки s в различных точках поверхности объекта
во времени эксплуатации t.
Изменение толщин стенки объекта можно получить в момент его диагностирования tk-j, в ходе которой формируют
выборки значений Si(tk-j). Эта графическая модель дает возможность установить время наступления предельного
состояния и остаточного ресурса Т? при доверительной вероятности ?. Т.е. пока линия зависимости Si(tk-j) не
пересечется с линией Sr (расчетная толщина стенки объекта) объект пригоден для эксплуатации.
Исходя из изложенного подхода, и после математических преобразований можно утверждать, что:
В магистерской работе заложена основа нового подхода к обеспечению техногенной безопасности технических объектов.
Подход является перспективным, т.к. учитывает влияние на уровень опасности, величин, имеющих физический, механический и
геометрический смысл. Эти величины можно изменять в зависимости от того какой уровень техногенной безопасности нам
необходимо получить.
Таким образом, определив уровень опасности каждой единицы оборудования можно просчитать и составить карту опасностей
для отделения, цеха или всего завода. Это позволит значительно уменьшить количество травм на производстве, безопасно
располагать оборудование в цехе. В случае выхода из строя или аварии одной единицы оборудования не должны терять
работоспособности другие единицы оборудования, расположенные вблизи.
Данная методика расчёта техногенной безопасности будет реализована в виде расчётной программы на ЭВМ. Программа
будет составлена для всех видов оборудования, в неё необходимо будет ввести лишь исходные данные – параметры технического
объекта. Программа будет определять уровень опасности самого технического объекта, а также определять уровень опасности на
различных расстояниях и с различных сторон от технического объекта.
После детального изучения конструкции термолизной печи и процессов происходящих в ней будет составлено «дерево отказов»,
на основании которого будет написана программа. С помощью программы можно будет просчитать как поломка или несколько
поломок сразу повлияют на работу оборудования, не вызовет ли данная поломка аварии или катастрофы, как она скажется на
производительности оборудования, как повлияет на параметры работы оборудования (давление, температура и др.).
Применение расчётных программ на ЭВМ позволит значительно упростить расчёт уровня опасности технических объектов.
Это позитивно скажется на работоспособности заводского оборудования, здоровье работающего персонала и экономических
показателях предприятия. Кроме того, зная уровень опасности каждой единицы оборудования можно разработать
организационно-технические мероприятия по повышению техногенной безопасности производства.
Проведя оптимизацию технического объекта по показателю уровень техногенной опасности технического объекта (P),
можно определить наиболее оптимальный вариант технического объекта, при заданных ограничениях.
Разработанный подход является универсальным, т.к. позволяет оценивать уровень техногенной опасности технического
объекта как для проектируемого нового оборудования, так и для существующего
1. Махутов Н.А., Грацианский Е.В., Осипов В.И. и др. Фундаментальные и
прикладные разработки по проблемам безопасности природно- техногенной сферы. //
Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. 2001г №1.
2. Седуш В.Я. Надежность ремонт и монтаж металлургических машин.
М.:ВШ,1976,228с.
4. Промышленная безопасность коксохимического производства: материалы
междунар. Семинара. 3-5 февраля 2003г./РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.,2003.,148с.
5. Джелали В.В., Рубчевский В.Н., Шакун Г.В. и др. Механизмы разрушения
шамотной футеровки. Способы их подавления. //Кокс и химия. 1999г. №3. С. 18-22.
6. Ткачев В. С., Остапенко М. А. Оборудование химических заводов. М.:
Металлургия, 1983, 360с.
