Лактионов Иван СергеевичМатериалы по теме выпускной работы:
Введение
Во многих технологических процессах участвуют материалы, находящиеся в дисперсном состоянии. Это и исходное сырье, и образующиеся полупродукты или конечные продукты. Внутри аппаратов и в воздухе производственных помещений дисперсные материалы образуют аэрозоли – системы, состоящие из твердых частиц, распределенных в газовой среде. Если такие аэрозоли горючи, то они представляют потенциальную опасность и их наличие требует соблюдения определенных мер безопасности. В данной работе такие аэрозоли объединены под общим названием «пыль». В это понятие включены дисперсные системы, состоящие из газообразной среды и твердой дисперсной фазы. [1] Характерный признак аэрозолей – их неустойчивость: под действием силы тяжести частицы осаждаются на различных поверхностях, образуя осадки, а под действием воздушных потоков эти пылевые отложения могут вновь переходить во взвешенное состояние. Пожарную опасность представляют как пылевые облака, так и отложения пыли на строительных конструкциях и технологическом оборудовании. [1]
Актуальность
В настоящее время в мире происходит более 7 млн пожаров, а риск гибели людей на пожарах превышает 10-5. На предприятиях энергетического комплекса этот риск колеблется от 10-3 – 10-5, а при ликвидации и предремонтной подготовке технологического оборудования риск ещё выше, что существенно превышает требования действующих стандартов в области промышленной и пожарной безопасности. [2]
Таким образом, наиболее склонными к возникновению пожаро- и взрывоопасными промышленными предприятиями являются предприятия энергетического комплекса. [2]
На данном этапе развития человечества, несмотря на значительный прогресс во всех отраслях науки и техники, проблема энергетического обеспечения цивилизации решается практически, как и сотни лет назад. Основным способом получения энергии является сжигание ископаемого топлива, причём в последнее время замечается тенденция роста потребления твёрдых видов такого топлива. В Украине эта тенденция проявляется в виде увеличения потребления углей Донецкого бассейна, главным недостатком которых является высокая пожаро- и взрывоопасность.
Практически любое звено технологической цепочки от добычи угля до сжигания его в топке тепловой электростанции в той или иной мере подвергается опасности пожара или взрыва. Наиболее остро эта проблема стоит для ТЭС, где любое происшествие связанное с пожаром или взрывом, влечёт за собой не только материальные потери, но и приводит к значительным социальным бедствиям. Борьба с пожарами и взрывами на производствах, связанных с использованием каменных углей, развивается по нескольким направлениям [3-4]:
· совершенствование технологических процессов добычи и переработки каменного угля в целях сокращения времени контакта топлива с атмосферным воздухом и влагой, уменьшение пылеобразования, исключение потенциальных источников зажигания (перегрева);
· использование специального взрывозащищённого оборудования и специальных строительных конструкций;
· обработка каменного угля специальными веществами, ингибирующими процессы самовозгорания и препятствующими возникновению взрыва;
· проведение организационно-технический мероприятий на производстве, связанных, прежде всего, с укреплением производственной дисциплины;
· использование специальных электронных систем контроля за пожаро- и взрывоопасными ситуациями.
К, сожалению, стоит отметить, что большинство мероприятий, проводимых по этим направлениям, не дают должного эффекта. Так в технологии практически невозможно контролировать образование просыпей угля, а также возникновение опасных концентраций угольной пыли в момент запуска и останова оборудования, при авариях оборудования. Наличие в помещении большого числа кабельных трасс, в том числе силовых, проведение сварочных и других работ не гарантируют, что не произойдёт перегрева или зажигания. Использование же взрывозащищённого оборудования, конструкций, а также применение химических средств приводит к значительному увеличению материальных затрат и снижению рентабельности. И, несмотря на значительное укрепление производственной дисциплины в энергетических отраслях, большинство аварийных ситуаций и, в том числе, пожаров и взрывов, происходит по вине человека. [4]
Единственным направлением, развитие которого может дать существенное повышение уровня пожарной безопасности энергетических предприятий при сравнительно небольших затратах на внедрение, является применение электронных систем контроля пожаро- и взрывоопасных ситуаций.
Таким образом, разработка структуры и исследование электронной системы контроля пожаро- и взрывоопасной ситуации на промышленных предприятиях является важной научно-технической задачей.
Цель и задачи работы
Цель работы - разработать, обосновать и исследовать структуру электронной системы, которая с достаточной степенью вероятности оповещала бы о возникновении пожаро- и взрывоопасной ситуации, для своевременного обнаружения процесса самовозгорания угольной пыли в условиях промышленных предприятий.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- обоснование комплекса контролируемых физико-химических параметров индивидуальной системы пылеприготовления, что позволит своевременно обнаруживать наличие пожаровзрывоопасной ситуации на ТЭС;
- анализ методов и средств контроля параметров самовозгорания угольной пыли в условиях промышленных предприятий;
- разработка математической модели выявления процесса самовозгорания угольной пыли;
- разработка математической модели электронной системы выявления пожаровзрывоопасной ситуации, что позволит определить характеристики измерительных каналов и поставить требования к системе;
- обоснование и разработка структуры электронной системы выявления пожаровзрывоопасной ситуации в условиях промышленных предприятий;
- разработка алгоритма функционирования электронной системы выявления пожаровзрывоопасной ситуации в условиях промышленных предприятий.
Научная новизна
Получила дальнейшее развитие математическая модель выявления процесса самовозгорания пылеугольных аэрозолей, которая учитывает кинетические параметры и эндометрические процессы, динамику температуры и концентрации пыли, что позволит снизить риск возникновения пожаровзрывоопасной ситуации в условиях промышленных предприятий.
Разработана структурно-алгоритмическая организация электронной системы выявления пожаровзрывоопасной ситуации в условиях промышленных предприятий.
Выбор объекта контроля
Все индивидуальные системы пылеприготовления на ТЭС делятся на:
1. Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием, рис. 1а.
2. Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным пылевым бункером, рис. 1б.
Рисунок 1 – Схемы замкнутых индивидуальных систем пылеприготовления: а — с прямым вдуванием; б — с пылевым бункером;
1 — бункер с сырым углем; 2 — устройство для сушки; 3 — мельница; 4 — сепаратор пыли; 5 — циклон; 6 — бункер.
Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием отличается жесткой связью мельничного оборудования с парогенератором. Уголь поступает из бункера в сушилку, далее в мельницу, после чего полученная пыль поступает непосредственно к горелкам котла. Изменение нагрузки парогенератора влечет изменение работы мельницы. При работе со сниженной нагрузкой мельница оказывается недогруженной. [5]
Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием находит применение при работе на высокореакционных бурых и каменных углях, допускающих крупный помол.
Явный недостаток такой схемы – жесткая связь мельница-парогенератор. При отказе мельницы последует остановка парогенератора. К достоинствам относится простота эксплуатации и невысокая стоимость такой схемы.
Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным пылевым бункером независима от работы парогенератора, что является ее основным достоинством. Как и в схеме с прямым вдуванием уголь проходит сушилку и мельницу, а после этого направляет в промежуточный бункер, где пыль может храниться. После промежуточного бункера пыль подается в котел. В данной схеме есть связь мельничных устройств отдельных агрегатов. Связь осуществляется с помощью пылевых шнеков, позволяющих передавать пыль в случае необходимости от одного парогенератора к другому. [5]
Наличие промежуточного пылевого бункера повышает надежность установки. В системе пылеприготовления с промежуточным бункером так же имеется возможность полностью загружать мельничное оборудование. Мельничный вентилятор находится здесь в значительно более благоприятных условиях в связи с тем, что основная масса пыли через вентилятор не проходит. К недостаткам схемы с промежуточным бункером относится, в частности, увеличение затрат на оборудование. [5]
Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным бункером применяется для мощных парогенераторов при работе на тощих и малореакционных углях, требующих тонкого помола.
В данной работе был выбран тип индивидуальной системы пылеприготовления с прямым вдуванием, так как он является наиболее распространенным и требует меньших экономических затрат. Сушка топлива выполняется дымовыми газами.
Предварительные результаты исследований
Обоснование комплекса контролируемых параметров, которые влияют на риск возникновения пожаровзрывоопасной ситуации, согласно НПАОП-40.3-1.05-89:
1. Температура пылегазовоздушной смеси за мельницей (сепаратором). Постоянная времени измерительного комплекта (датчик - вторичный прибор) не должна превышать 20 с. Предельные значения температуры предъявлены в табл. 2.1 НПАОП-40.3-1.05-89.
2. Концентрация кислорода в пылегазовой смеси. Взрывоопасная ситуация может наступить при концентрации кислорода более 3 %.
3. Концентрация диоксида углерода в пылегазовоздушной смеси при сушке дымовыми газами. Требования не предъявляются.
Контролируемые параметры процесса самовозгорания угольной пыли:
1. Температура пылеугольных отложений.
2. Концентрация взвешенной в воздухе угольной пыли.
На рис. 2 приведена схема индивидуальной системы пылеприготовления на ТЭС с прямым вдуванием, на которой указаны контролируемые физико-химические параметры.
Рисунок 2 – Индивидуальная система пылеприготовления на ТЭС с прямым вдуванием
Постановка требований к измерительным каналам
Семенов Н.Н. разработал первую количественную теорию теплового возгорания (самовозгорания). В ней источники тепла описываются уравнением Аррениуса, а теплоотвод - законом Ньютона. Условием возникновения теплового воспламенения является результат прекращения существования стационарной задачи о протекании экзотермической реакции в условиях теплоотвода [4]. Основные проблемы математического моделирования процесса теплового взрыва связано с представлением источника тепловыделения (сильная нелинейность, наличие системы уравнений в случае сложных реакций, трудности моделирования образования продуктов в ходе реакции и т.п.) и описанием процесса тепломассопереноса в случае сложной гетерогенной системы. Многие органические материалы в результате химической и энергетической неоднородности характеризуются различными значениями кинетических параметров: Игишев В.Г приводит значение энергии активации от бурых углей до антрацитов 83 до 138 кДж / моль, Киселев Я.С., Амельчугов С.П. для бурого угля - (45 ... 70) кДж / моль. Аналогичные значения энергии активации получены и другими исследователями. По мнению некоторых авторов, определение условий возникновения пожаров и взрывов каменного угля по кинетическим параметрам процесса самовозгорания позволяет прогнозировать возникновение пожаровзрывоопасной ситуации при добыче, транспортировке, хранении и переработке каменного угля [4]. Процессы самовозгорания, тления и взрыва угольной пыли сопровождаются следующими факторами:
- увеличение температуры;
- изменение концентрации угольной пыли (выгорание вещества);
- изменение оптических свойств пылегазовой среды;
- увеличение мощности оптического излучения в инфракрасном диапазоне.
В этой работе основное внимание уделено изучению тех физических параметров, инерционность регистрации которых сравнительно мала. В работе не исследуются процессы, которые связаны с химическими свойствами среды, поскольку время их регистрации зависит от процессов тепломассопереноса и поэтому не может отвечать требованиям раннего обнаружения. Основным источником пожаров является очаг самовозгорания угольной пыли, который при «взвихривании» может стать причиной, как пожара, так и взрыва. До этого момента процесс самовозгорания проходит через ряд стадий, каждая из которых развивается по собственным кинетическими закономерностями. Для определения условий, при которых наступает самовозгорание, вопросы изменения температуры и концентрации пылегазового смеси во времени является не таким значимым [5]. Но для разработки и обоснования требований к электронной системе раннего выявления процесса самовозгорания пылеугольных аэрозолей на промышленных предприятиях, вопросы о динамике температуры и концентрации пылегазового смеси являются важными. Поскольку, самовозгорание происходит не в определенной точке, соответствующей конкретному значению температуры и концентрации, а в диапазоне температур и концентраций. На изменение данного диапазона вносят существенное влияние различные факторы: геометрия сосуда (камеры), в которой рассматриваются процессы горения; элементный состав топлива; внешние воздействия различной природы и др.
Диапазон изменения температуры пылеугольных аэрозолей может быть найдено из условия, что температура пылегазового смеси постепенно увеличивается, т.е. dT/dτ>0. Введем замену переменной θ=RT/E, где R - универсальная газовая постоянная и E - энергия активации вещества. Диапазон контролируемой температуры может быть найден из следующего уравнения [7]:
где α - коэффициент теплоотдачи, θс=RTc/E - температурный параметр стенок сосуда (камеры).
Данное уравнение имеет множество решений, но физический смысл имеют только те решения, при которых выполняется условие θ>0. Применяя понятия теории устойчивости, можно сказать, что для возникновения процесса самовозгорания, необходимо выполнение двух условий [7]:
Отсюда:
Анализ первого уравнения: θ<1/2. Следовательно, для углей Донецкого бассейна минимальная температура самовозгорания равна 1245 К, а верхний температурный предел самовозгорания угольной пыли не превышает 5000 К.
Анализ второго уравнения: определен температурный диапазон стенок камеры (сосуда), при котором самовозгорание невозможно 1340 К<Tc<18640 K (теоретическая информация). Согласно НПАОП-40.3-1.05-89, данные измерения не представляют практического интереса.
Необходимым условием для возникновения процесса теплового самовозгорания является наличие достаточной степени концентрации угольной пыли. Эта концентрация находится в диапазоне между нижним и верхним концентрационным пределом взрываемости. Минимальную взрывоопасную концентрацию пылеугольных аэрозолей, согласно [6], можно рассчитать по формуле:
где Q - теплота сгорания угля, для углей Донецкого бассейна она приблизительно составляет 24134 кДж/кг.
Максимальная взрывоопасная концентрация пылеугольных аэрозолей, согласно [6], может быть рассчитана по формуле:
где V0ру - теоретически необходимое количество воздуха для горения 1 кг угольной пыли в рабочих условиях.
Получаем: Сmin=33 г/м3; Сmax=110 г/м3.
Динамика изменения концентрации пылеугольных аэрозолей может быть определена по формуле [8]:
где С0 - начальная концентрация угольной пыли, значение которой равно 110 г/м3; Т0 - начало отсчета температуры, равный нижней температурной границы самовозгорание 1245 К.
Динамика процесса выгорания вещества представлена на рис. 3.
Рисунок 3 – Динамика изменения концентрации пылеугольных аэрозолей
На основании полученных данных, был получен общий вид вероятностной зависимости возникновения пожаровзрывоопасной ситуации на ТЭС:
где TПО - температура пылеугольных отложений; СПЫЛИ - концентрация угольной пыли в мельнице-сепараторе; СCO2 - концентрация диоксида углерода за мельницей-сепаратором; СO2 - концентрация кислорода за мельницей-сепаратором; ТПС - температура пылегазовой смеси за мельницей-сепаратором.
Анимация технологического процесса
На рис.4 представлена анимация нескольких стадий процесса самовозгорания угольной пыли внутри мельницы-вентилятора (М-В). М-В является технологическим объектом процесса пылеприготовления на ТЭС, согласно [12], около 60 % пожаров и взрывов на ТЭС возникает из-за самовозгорания угольной пыли, именно, в данном технологическом объекте.
Рисунок 4 - Анимация процесса возникновения пожаровзрывоопасной ситуации на ТЭС. Основные параметры анимации: количество кадров - 8; объем - 80 КВ; количество циклов повторения - 6
Выводы
1. Обоснован комплекс контролируемых физико-химических величин индивидуальной системы пылеприготовления на ТЭС.
2. Выполнен анализ существующих методов и средств контроля процессов самовозгорания угольной пыли в условиях промышленных предприятий.
3. Разработана математическая модель описывающая процесс самовозгорания угольной пыли в условиях ТЭС.
4. Определены пределы изменения температуры самовозгорания пылеугольных отложений и диапазон изменения взрывоопасной концентрации взвешенной в воздухе угольной пыли.
Литература
1. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. – М.; Химия, 1986. 216 с.: ил.
2. Федеральный закон от 21 декабря 1994 г. № 69 – ФЗ «О пожарной безопасности».
3. Правила взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива. Нормативные документы для тепловых электростанций и котельных. РД 153-34.1-03.352-99. РАО ЕЭС России. М.: 2000.
4. Захаренко Д.М. Проблемы раннего обнаружения очагов пожаров, тления, взрывов угольной пыли / Д.М. Захаренко // Сибирский вестник пожарной безопасности. – Красноярск, 2000. – Выпуск 4. – С. 36 – 47.
5. ipages [Электронный ресурс]: – Электронные данные. – Режим доступа http://www.ipages.ru/index.php?ref_item_id=179&ref_dl=1. – Дата доступа: март 2011. – Загл. с экрана.
6. sci-lib [Электронный ресурс]: – Электронные данные. – Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/article094468.html. – Дата доступа: март 2011. – Загл. с экрана.
7. СО 153-34.03.352-2003 Инструкция по обеспечению взрывобезопасности топливоподач и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива [нормативные документы для тепловых электростанций и котельных]. – М., 2004. –45 c.
8. РД 153-34.1-03.352-99. Правила топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива [нормативные документы для тепловых электростанций и котельных]. – Москва, 2000.
9. Труды первого международного научно-практического семинара «Повховские научные чтения»/ Под общ. ред. Ступина А.Б. – Донецк: ДонНУ, 2010. – с.213 – 217.
10. X міжнародна науково-технічна конференція аспірантів і студентів. "Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих". Збірник наукових праць. с. 77-80.
11. Труды XI международной научно-практической конференции "СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ", c. 174.
12. pozhproekt [Электронный ресурс]: – Электронные данные. – Режим доступа: http://pozhproekt.ru/nsis/PPB/Ppbo/157-90.htm. – Дата доступа: апрель 2011. – Загл. с экрана.
Примечание
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.