Матеріали до теми випускної роботи:
Реферат за темою магістерської роботи
«Обґрунтування структури та дослідження електронної системи виявлення пожежо- та вибухонебезпечної ситуації в умовах промислових підприємств»
Вступ
У багатьох технологічних процесах беруть участь матеріали, що знаходяться в дисперсному стані. Це і вихідна сировина, і напівпродукти, що утворюються та кінцеві продукти. Всередині апаратів і в повітрі промислових приміщень дисперсні матеріали утворюють аерозолі - системи, що складаються з твердих частинок, розподілених в газовому середовищі. Якщо такі аерозолі горючі, то вони становлять потенційну небезпеку і їх наявність вимагає дотримання певних заходів безпеки. В даній роботі такі аерозолі об'єднані під загальною назвою «пил». У це поняття включені дисперсні системи, що складаються з газоподібного середовища і твердої дисперсної фази. [1] Характерна ознака аерозолів - їх нестійкість: під дією сили тяжіння частинки осідають на різних поверхнях, утворюючи осади, а під дією повітряних потоків ці пилові відкладення можуть знову переходити в зважений стан. Пожежну небезпеку представляють як пилові хмари, так і відкладення пилу на будівельних конструкціях та технологічному обладнанні. [1]
Актуальність
У теперішній час на промислових підприємствах енергетичного комплексу ризик виникнення пожежі із загибеллю персоналу знаходиться у діапазоні від 10–3 до 10–5, а в умовах передремонтної підготовки технологічного устаткування ризик значно більший, що істотно перевищує вимоги діючих стандартів в області промислової та пожежної безпеки [1]. На даному етапі розвитку, не дивлячись на значний прогрес у всіх галузях науки і техніки, проблема енергетичного забезпечення розв'язується практично, як і сотні років тому. Основним способом отримання енергії є спалювання викопного палива, причому останнім часом є тенденція зростання споживання твердих видів такого палива. В Україні ця тенденція виявляється у вигляді збільшення споживання вугілля Донецького басейну, головним недоліком яких є висока пожежо- та вибухонебезпека.
Практично будь-яка ланка технологічного кола від видобутку вугілля до спалювання його у топці теплової електростанції в тій чи іншій мірі наражається на небезпеку пожежі або вибуху. Найгостріше ця проблема стоїть для теплоелектростанцій, де будь-яка подія, яка пов'язана із пожежею або вибухом, спричиняє за собою не тільки матеріальні втрати, але і приводить до значних соціальних наслідків. Боротьба з пожежами та вибухами на виробництвах, які пов’язано із використанням кам'яного вугілля, розвивається за декількома напрямами [2]:
– вдосконалення технологічних процесів добичі та переробки кам'яного вугілля із скороченням часу контакту палива із атмосферним повітрям, зменшення пилоутворення, виключення потенційних джерел запалювання (перегріву);
– використання спеціального вибухозахищеного устаткування та спеціальних будівельних конструкцій;
– обробка кам'яного вугілля спеціальними речовинами, які інгібірують процеси самозагорання та перешкоджають виникненню вибуху;
– проведення організаційно-технічних заходів на виробництві, які пов’язано перш за все, із зміцненням виробничої дисципліни;
– використання спеціальних електронних систем контролю за пожежо- та вибухонебезпечними ситуаціями.
Але, варто відзначити, що більшість заходів, які проводяться за цими напрямах, не дає необхідного ефекту. Так технологічно практично неможливо контролювати утворення просипання вугілля, а також виникнення небезпечних концентрацій вугільного пилу в момент запуску чи зупинки устаткування, при аваріях устаткування. Наявність у приміщенні великої кількості кабельних трас, зокрема силових, проведення зварювальних та інших робіт не гарантують, що не відбудеться перегрів або запалювання. Використання ж вибухозахищеного устаткування, конструкцій, а також застосування хімічних засобів призводить до значного збільшення матеріальних витрат та зниження рентабельності. Тому, не дивлячись на значне зміцнення виробничої дисципліни в енергетичних галузях, більшість аварійних ситуацій і, зокрема, пожеж та вибухів, відбувається з вини людини. Єдиним напрямом, розвиток якого може дати істотне підвищення рівня пожежної безпеки енергетичних підприємств у порівнянні із невеликими витратами на впровадження, є застосування електронних систем контролю пожежо- та вибухонебезпечних ситуацій.
Мета та задачі роботи
Мета роботи - розробити, обґрунтувати і дослідити структуру електронної системи, яка з достатнім ступенем вірогідності сповіщала б про виникнення пожежо- і вибухонебезпечної ситуації, для своєчасного виявлення процесу самозаймання вугільного пилу в умовах промислових підприємств.
Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
- обґрунтування комплексу фізико-хімічних параметрів індивідуальної системи пилоприготування, які треба контролювати, що дозволить своєчасно виявляти наявність пожежевибухонебезпечної ситуації на ТЕС;
- аналіз методів і засобів контролю параметрів самозаймання вугільного пилу в умовах промислових підприємств;
- розробка математичної моделі виявлення процесу самозаймання вугільного пилу;
- розробка математичної моделі електронної системи виявлення пожежевибухонебезпечної ситуації, що дозволить визначити характеристики вимірювальних каналів і поставити вимоги до системи;
- обґрунтування і розробка структури електронної системи виявлення пожежевибухонебезпечної ситуації в умовах промислових підприємств;
- розробка алгоритму функціонування електронної системи виявлення пожежевибухонебезпечної ситуації в умовах промислових підприємств.
Наукова новизна
Отримала подальший розвиток математична модель виявлення процесу самозаймання пиловугільних аерозолів, яка враховує кінетичні параметри і ендометричні процеси, динаміку температури і концентрації пилу, що дозволить знизити ризик виникнення пожежевибухонебезпечної ситуації в умовах промислових підприємств.
Розроблена структурно-алгоритмічна організація електронної системи виявлення пожежевибухонебезпечної ситуації в умовах промислових підприємств.
Вибір об'єкта контролю
Всі індивідуальні системи пилоприготування на ТЕС поділяються на:
1. Індивідуальна система пилоприготування з прямим вдуванням, рис. 1а.
2. Індивідуальна система пилоприготування з проміжним пиловим бункером, рис. 1б.
Рисунок 1 - Схеми замкнутих індивідуальних систем пилоприготування: а - з прямим вдуванням; б - з пиловим бункером;
1 - бункер із сирим вугіллям; 2 - пристрій для сушки; 3 - млин; 4 - сепаратор пилу; 5 - циклон; 6 - бункер.
Індивідуальна система пилоприготування з прямим вдуванням відрізняється жорстким зв'язком млинового обладнання з парогенератором. Вугілля надходить з бункера в пристрій для сушки, далі в млин, після чого отриманий пил надходить безпосередньо до пальників котла. Зміна навантаження парогенератора тягне за собою зміну роботи млина. При роботі зі зниженим навантаженням млин виявляється недовантаженим. [5]
Індивідуальна система пилоприготування з прямим вдуванням знаходить застосування при роботі на високореакційних бурих і кам'яних вугіллях, що допускають грубе дроблення.
Явний недолік такої схеми - жорсткий зв'язок млин-парогенератор. При відмові млина відбудеться зупинка парогенератора. До переваг відноситься простота експлуатації і невисока вартість такої схеми.
Індивідуальна система пилоприготування з проміжним пиловим бункером незалежить від роботи парогенератора, що є її основним достоїнством. Як і в схемі з прямим вдуванням вугілля проходить пристрій для сушки і млин, а після цього поступає в проміжний бункер, де пил може зберігатися. Після проміжного бункера пил подається до котла. В даній схемі є зв'язок млинових пристроїв окремих агрегатів. Зв'язок здійснюється за допомогою пилових шнеків, що дозволяють передавати пил у разі необхідності від одного парогенератора до іншого. [5]
Наявність проміжного пилового бункера підвищує надійність установки. У системі пилоприготування з проміжним бункером так само є можливість повністю навантажувати млинове обладнання. Вентилятор знаходиться тут у значно більш сприятливих умовах у зв'язку з тим, що основна маса пилу через вентилятор не проходить. До недоліків схеми з проміжним бункером відноситься, зокрема, збільшення витрат на обладнання. [5]
Індивідуальна система пилоприготування з проміжним бункером застосовується для потужних парогенераторів при роботі на тонких та малореакціонних вугіллі, потребують тонкого дроблення.
У даній роботі був обраний тип індивідуальної системи пилоприготування з прямим вдуванням, так як він є найбільш поширеним і вимагає менших економічних витрат. Сушіння палива виконується димовими газами.
Попередні результати досліджень
Обґрунтування комплексу параметрів, що підлягають контролю, які впливають на ризик виникнення пожежевибухонебезпечної ситуації, згідно з НПАОП-40.3-1.05-89:
1. Температура пилегазоповітряної суміші за млином (сепаратором). Постійна часу вимірювального комплекту (датчик - вторинний прилад) не повинна перевищувати 20 с. Граничні значення температури пред'явлені в табл. 2.1 НПАОП-40.3-1.05-89.
2. Концентрація кисню в пилогазовій суміші. Вибухонебезпечна ситуація може настати при концентрації кисню більше 3%.
3. Концентрація діоксиду вуглецю в пилегазоповітряній суміші при сушінні димовими газами. Вимоги не пред'являються.
Параметри процесу самозаймання вугільного пилу, що підлягають контролю:
1. Температура пиловугільних відкладень.
2. Концентрація зваженої в повітрі вугільного пилу.
На рис. 2 наведена схема індивідуальної системи пилоприготування на ТЕС з прямим вдуванням, на якій вказані контрольовані фізико-хімічні параметри.
Рисунок 2 - Індивідуальна система пилоприготування на ТЕС з прямим вдуванням
Обґрунтування вимог до вимірювальних каналів
Семенов М.М. розробив першу кількісну теорію теплового запалювання (самозаймання). У ній джерела тепла описуються рівнянням Ареніуса, а тепловідведення – законом Ньютона. Умовою виникнення теплового спалаху є результат припинення існування стаціонарної задачі про протікання екзотермічної реакції в умовах тепловідведення [4]. Основні проблеми математичного моделювання процесу теплового вибуху пов'язано із представленням джерела тепловиділення (сильна нелінійність, наявність системи рівнянь у разі складних реакцій, труднощі моделювання утворення продуктів в ході реакції і т.п.) та описом процесу тепловагопереносу у разі складної гетерогенної системи. Багато органічних матеріалів внаслідок хімічної та енергетичної неоднорідності характеризуються різними значеннями кінетичних параметрів: Ігішев В.Г приводить значення енергії активації від бурого вугілля до антрацитів 83 до 138 кДж/моль, Кисельов Я.С., Амельчугов С.П. для бурого вугілля – (45…70) кДж/моль. Аналогічні значення енергії активації набуто і іншими дослідниками. На думку деяких авторів, визначення умов виникнення пожеж та вибухів кам'яного вугілля за кінетичними параметрами процесу самонагрівання дозволяє прогнозувати ці умови виникнення при здобичі, транспортуванні, зберіганні та переробці кам'яного вугілля [4]. Процеси самозаймання, тління та вибуху вугільного пилу супроводжуються наступними факторів:
– збільшення температури;
– зміна концентрації пиловугільної суміші (вигоряння речовини);
– зміна оптичних властивостей пилегазового середовища;
– збільшення потужності оптичного випромінювання в інфрачервоному діапазоні.
У цій роботі увага надана вивченню тих фізичних параметрів, інерційність реєстрації яких порівняно мала. У роботі не досліджуються процеси, які пов'язано із хімічними властивостями середовища, оскільки час їх реєстрації залежить від процесів тепловагопереносу і, тому, не може відповідати вимогам раннього виявлення. Основним джерелом запалювання є вогнище самозаймання вугільного пилу, яке при «завихренні» може стати причиною, як пожежі, так і вибуху. До цього моменту процес самозаймання проходить через ряд стадій, кожна з яких розвивається за власними кінетичними закономірностями. Для визначення умов, при яких наступає самозаймання, питання зміни температури та концентрації пилегазової суміші у часі є не таким значущим [5]. Але для розробки та обґрунтування вимог до електронної системи раннього виявлення процесу самозаймання пиловугільних аерозолів на промислових підприємствах, питання про динаміку температури та концентрації пилегазової суміші є важливим. Оскільки самозаймання відбувається не у певній точці, яка відповідає конкретному значенню температури та концентрації, а в діапазоні температур і концентрацій. На зміну даного діапазону вносять істотний вплив різні фактори: геометрія судини (камери), в якої розглядаються процеси горіння; елементний склад палива; зовнішні дії різної природи та ін.
Діапазон зміни температури пиловугільних аерозолів може бути знайдено із умови, що температура пилегазової суміші поступово збільшується, тобто dT/dτ>0. Введемо заміну змінної θ=RT/E, де R – універсальна газова постійна та E – енергія активації речовини. Діапазон контрольованої температури може бути знайдений із наступного рівняння [7]:
де α – коефіцієнт тепловіддачі; θс=RTc/E – температурний параметр стінок судини (камери).
Дане рівняння має безліч рішень, але фізичне значення мають тільки ті рішення, при яких виконується умова: θ>0 . Застосовуючи поняття теорії стійкості, можна сказати, що для виникнення процесу самозаймання, необхідне виконання двох умов [7]:
Звідси:
Аналіз першого рівняння: θ <1/2. Отже, для вугілля Донецького басейну мінімальна температура самозаймання дорівнює 1245 К, а верхня температурна межа самозаймання вугільного пилу не перевищує 5000 К.
Аналіз другого рівняння: визначено температурний діапазон стінок камери, при якому самозаймання неможливо 1340 К<Tс<18640 K (теоретична інформація). Згідно НПАОП-40.3-1.05-89, дані вимірювання не мають практичного інтересу.
Необхідною умовою для процесу теплового самозаймання є наявність достатнього ступеня концентрації вугільного пилу. Ця концентрація знаходиться у діапазоні між нижньою та верхньою концентраційною межею вибуховості. Мінімальну вибухонебезпечну концентрацію пиловугільних аерозолів, відповідно до [6], можна розрахувати за формулою:
де – теплота згорання вугілля, для вугілля Донецького басейну вона приблизно складає 24134 кДж/кг.
Максимальна вибухонебезпечна концентрація пиловугільних аерозолів, згідно [6], може бути розрахована за формулою:
де V0ру - теоретично необхідна кількість повітря для горіння 1 кг вугільного пилу в робочих умовах.
Отримуємо: Сmin=33 г/м3; Сmax=110 г/м3.
Динаміка зміни концентрації пиловугільних аерозолів може бути визначена за формулою [8]:
де С0 - початкова концентрація вугільного пилу, значення якої дорівнює 110 г/м3; Т0 - початок відліку температури, рівний нижній температурній межі самозаймання 1245 К.
Динаміка процесу вигоряння речовини представлена на рис. 3.
Рисунок 3 - Динаміка зміни концентрації пиловугільних аерозолів
На підставі отриманих даних, був отриманий загальний вигляд ймовірнісної залежності виникнення пожежевибухонебезпечної ситуації на ТЕС:
де TПО - температура пиловугільних відкладень; СПИЛУ - концентрація вугільного пилу в млині-сепараторі; СCO2 - концентрація діоксиду вуглецю за млином-сепаратором; СO2 - концентрація кисню за млином-сепаратором; ТПС - температура пилогазової суміші за млином-сепаратором.
Анімація технологічного процесу
На рис.4 представлена анімація декількох стадій процесу самозаймання вугільного пилу всередині млина-вентилятора (М-В). М-В є технологічним об'єктом процесу пилоприготування на ТЕС, згідно [12], близько 60% пожеж і вибухів на ТЕС виникає через самозаймання вугільного пилу, саме, в даному технологічному об'єкті.
Рисунок 4 - Анімація процесу виникнення пожежевибухонебезпечної ситуації на ТЕС. Основні параметри анімації: кількість кадрів - 8; обсяг - 80 КВ; кількість циклів повторення - 6
Висновки
1. В роботі було виконане обґрунтовання комплексу контрольованих фізико-хімічних величин індивідуальної системи пилоприготування на ТЕС.
2. Виконано аналіз існуючих методів і засобів контролю процесів самозаймання вугільного пилу в умовах промислових підприємств.
3. Розроблено математичну модель, що описує процес самозаймання вугільного пилу в умовах ТЕС.
4. Визначено межі зміни температури самозаймання пиловугільних відкладень і діапазон зміни вибухонебезпечної концентрації зваженого в повітрі вугільного пилу.
Література
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.
Примітка
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2011 Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.