Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние безопасности труда в основных отраслях промышленности, использующих ложаровзрывоопасные технологии 15
1.1. Современное состояние безопасности труда в пожаровзрывоопасных производствах нефтегазодобывающих отраслей 15
1.2. Проблемы обеспечения безопасных условий труда в пожаровзрывоопасных отраслях промышленности 29
1.3. Ложаровзрывоопасные факторы в производствах, исполізующих системы и сосуды с высоким давлением и температурой 40
1.4. Обоснование направлений исследований 45
Глава 2. Исследование взрывоопасных процессов в системах и сосудах с высоким давлением и температурой 52
2.1. Особенности процесса взрывного горения газовоздушных смесей 52
2.2. Условия турбулизации газовоздушной смеси и возникновения детонации при взрывном горении 73
2.3. Газодинамическая модель процесса взрывного горения 89
Глава 3. Исследования разрушения взрывом систем и сосудов с высоким давлением и температурой 110
3.1. Анализ аварийных условий при взрывах в пожаровзрывоопасных технологиях 110
3.2. Экспериментальные исследования взрывных процессов при горении газовоздушных смесей в нагревательных и отопительных системах 120
3.3. Исследования взрывных процессов в сосудах с высоким давлением 134
Глава 4. Научные принципы обеспечения безопасных условий труда при эксплуатации систем и сосудов в пожаровзрывоопасных технологиях 157
4.1. Обеспечение пожаровзрывобезопасности устройств, работающих с газовоздушными смесями 157
4.2. Методические требования по проектированию взрывных предохранительных клапанов 173
4.3. Методическое обеспечение безопасности при проектировании и эксплуатации сосудов, работающих
под давлением 181
4.4. Методология формирования системы обеспечения безопасных условий труда в пожаровзрывоопасных технологиях 217
Заключение 225
Литература 232
- Проблемы обеспечения безопасных условий труда в пожаровзрывоопасных отраслях промышленности
- Условия турбулизации газовоздушной смеси и возникновения детонации при взрывном горении
- Экспериментальные исследования взрывных процессов при горении газовоздушных смесей в нагревательных и отопительных системах
- Методические требования по проектированию взрывных предохранительных клапанов
Введение к работе
Современное раскрытие проблемы обеспечения безопасных условий труда - невозможно без анализа многофакторных условий формирования источников опасности и возникновения аварийных ситуаций, и многовариантности решений по их предотвращению и ликвидации последствий.
Необходимость углубления и переосмысления проблемы «охраны труда» обосновывается взаимодействием различных факторов, характеризующих современное состояние нашего общества. К таким факторам относятся принципиальное изменение социально-экономических отношений и появление различных видов собственности на средства производства, снижение влияния государства на промышленную и экономическую политику предприятий, в том числе и на обеспечение безопасных условий труда. Сосуществование в промышленных производствах технологий и оборудования различного уровня качества, созданных в предыдущее столетие. Продолжающимся развитием промышленных технологий как центров концентрации вредных и опасных производственных факторов, воздействие которых приводит к масштабным изменениям условий окружающей среды и жизнедеятельности человека. Кумулятивные эффекты от воздействия вредных и опасных производственных факторов на человека далеко не изучены, а их исследования, как правило, происходят после совершения аварий и катастроф и в значительной мере опосредованы. Принципиальным фактором для раскрытия данной проблемы, является комплексность причинно-следственных связей, совокупное влияние которых является инициатором аварийного или катастрофического процесса. При этом в системе «человек-производство-среда» не всегда возможно выделение приоритетного вида инициатора опасности. Катастрофическое явление или аварийная ситуация проявляется в результате комплексного наложения отклонений в производственных, организационных, технологических процессах и поведении обслуживающего персонала.
Основная идея реализуемого в работе системного подхода к проблеме обеспечения безопасных условий труда в пожаровзрывоопасных технологиях как наиболее ответственных за безопасность жизнедеятельности человека заключается в том, что обеспечение безопасных условий труда и устойчивости соответствующего уровня охраны труда может быть достигнуто только при комплексной реализации производственных, экономических и эколого-социальных решений в едином временном интервале применительно к каждому опасному технологическому процессу и производственному объекту.
Как показывают исследования Б.М. Беляева и Ю.П.Воробьева [21, 22], отдельно взятые конструктивные, организационные или технологические решения, как правило, не обеспечивают необходимый уровень безопасности труда. Основными причинами этого положения являются недостаточная согласованность действий государственных органов исполнительной власти Российской Федерации и субъектов Российской Федерации, акционерных обществ и компаний в разработке комплекса технических, технологических и проектных решений по основным вопросам обеспечения безопасных условий труда, недостаточность нормативно-правового обеспечения и отсутствие достаточной нормативной базы, обеспечивающей на единой методологической основе возможность проведения всесторонней оценки рисков с учетом возможных последствий для персонала, населения и окружающей природной среды. В сочетании с направлениями государственной политики в области охраны труда, структурная схема которой приведена на рисунке 1, система комплекса решений применительно к конкретным технологиям включает следующие основные направления:
1. Оптимизация производственных технологий, процессов, технических средств, реализуемая за счет разработки соответствующих научно-технических и проектно-конструкторских решений.
Направления реализации государственной политики
организационные
методические
санитарно-гигиенические
исследовательские
медицинские
производственные
конструкторские
информационные
другие
Нормативно-правовое и законодательное обеспечение
Правовые акты
Методические рекомендации
Конструкторская и
технологическая
документация
Инструкции
ГОСТы, ОСТы, СНиПы, СН, СП и другие
Рис. 1. Структурная схема государственной политики в области охраны труда
В производственном направлении безопасные условия труда достигаются за счет разработки и внедрения стандартов и норм проектирования, эксплуатации устройств, систем и технологий, работающих, в том числе, с по-жаровзрывоопасными смесями, высоким давлением и температурой, и обеспечивающих необходимый уровень безопасности труда и производства. Стандарты проектирования должны быть согласованы с системой требований сертификации производств и систем повышенной опасности на соответствие безопасным условиям труда с учетом статических и динамических режимов эксплуатации.
Повышение эффективности охраны труда и обеспечение комфортных и функционально удовлетворительных характеристик среды деятельности человека (цех, помещение, промышленная зона и т.п.) реализуется по-средствам комплекса научных, инженерно-технических и производственно-организационных мероприятий. Основой комплекса является система мониторинга окружающей среды, включая контроль параметров среды в зонах воздействия особо опасных технологий (в том числе пожаровзывоопасных).
Создание комплексной, многофункциональной (надзорной, контролирующей, разрешительной и т.п.) системы управления обеспечением безопасных условий труда на всех уровнях управления производством (федеральном, субъектов Федерации, муниципальном, предприятий и хозяйствующих субъектов с различными организационно-правовыми формами и формами собственности). Эффективность взаимодействия элементов системы управления (объектов и субъектов процесса охраны труда) определяется качеством нормативного, законодательного и правового обеспечения, уровнем и профессиональной подготовки управляющего и производственного состава работников, развитием системы непрерывного обучения, переподготовки и повышения квалификации персонала.
Целью работы является научное обоснование и разработка методологии системы обеспечения безопасных условий труда в производственных процессах, использующих взрывоопасные смеси в сосудах и системах с высоким давлением и температурой.
Объектом исследования являются безопасность и охрана труда в отраслях промышленности, использующих опасные смеси (в том числе пожа-ровзрывоопасные) в сосудах и системах с высоким давлением и температурой.
Предметами исследования являются методы и технические средства, обеспечивающие безопасные условия и эффективность охраны труда в отраслях промышленности, эксплуатирующих системы и сосуды с опасными (пожаровзрывоопасными) смесями под высоким давлением и с высокой температурой.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
классификация условий возникновения аварий в системах и сосудах, содержащих взрывоопасные смеси;
выявление факторов, влияющих на безопасность эксплуатации и безопасные условия труда в производственных процессах, использующих системы и сосуды со взрывоопасными (пожаровзрывоопасными) смесями с высоким давлением и температурой;
формирование структурной модели обеспечения безопасных условий труда в производствах с системами и сосудами, использующие опасные (пожаровзрывоопасные) смеси с высоким давлением и высокой температурой;
обоснование методологических принципов и проектирование систем и сосудов со взрывоопасными (пожаровзрывоопасными) смесями под высоким давлением и температурой, обеспечивающих безопасные условия труда;
методическое обоснование формирования зон безопасности в производствах, использующих системы и сосуды с высоким давлением и взрывоопасными смесями;
разработка рекомендаций по проектированию экспериментальных установок для оценки поражающих факторов при взрывах сосудов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, аналитические исследования, лабораторные и натурные эксперименты, методы математической статистики и теории вероятностей.
Основные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:
Обеспечение безопасности труда в производственных процессах базируется на комплексности решений задач охраны труда в технологическом, экономическом, социальном, экологическом и правовом аспектах. На основе стратегии устойчивого развития процесс обеспечения безопасных условий труда является основополагающим в производственной деятельности и рассматривается только в том случае, когда определены структура и наборы технико-экономических показателей технологических процессов. Задачи адаптации объектов, субъектов и предметов обеспечения безопасных условий труда должны решаться на всех стадиях подготовки и реализации производства (проектирование, строительство, испытание, эксплуатация).
Решающим фактором повышения эффективности обеспечения безопасных условий в пожаровзрывоопасных производствах и технологиях является формирование альтернативных решений обеспечения безопасности труда в соответствии с вариантами производственных процессов, на основе типового классификационного признака отнесения к пожаровзрывоопасным технологиям - наличие взрывоопасного рабочего вещества, способного к детонации.
Необходимым и достаточным условием обеспечения безопасных условий в пожаровзрывоопасных производствах является эффективная сие-
тема проектирования на основе комплексного анализа многовариантных проектных решений по функциональным требованиям безопасности труда к функциональным характеристикам оборудования технологических процессов, использующих пожаровзрывоопасные рабочие смеси.
Эффективность проектирования сосудов и систем с высоким давлением определяется уровнем структуризации и типизации как самих элементов системы обеспечения безопасных условий труда «производственный процесс - пожаровзрывоопасное рабочее тело- производственная среда - оператор», так и их взаимосвязей, учитывающих изменение производственных, технологических, средовых и человеческих факторов путем управления технологическими параметрами процессов в сосудах и системах с высоким давлением, параметрами производственной среды и профессиональными характеристиками персонала.
Проектирование пожаровзрывоопасных технологий и производств должно предусматривать комплексную оценку возможности возникновения детонации в пожаровзрывоопасных смесях и защиты людей, оборудования и конструкций зданий от аварийных взрывов и пожаров.
Оптимальность параметров проектных решений, исключающих по-жаровзрывоопасность на стационарных и подвижных объектах с сосудами и системами с высоким давлением, обеспечивается за счет систем постоянного контроля за отклонениями в технологических процессах с высоким давлением и предупреждением аварийных ситуаций, а также контролем за характеристиками прочности и сплошности конструкций систем и сосудов с высоким давлением.
Управляемая технология обеспечения безопасных условий труда в производствах с использованием сосудов и систем высокого давления заключается в предварительном определении закономерностей физических процессов взрывного горения пожаровзрывоопасных рабочих смесей, качественной и количественной оценки формирования зон поражения, разлета осколков
при взрыве сосудов с высоким давлением, последовательном и сопряженном выборе параметров сосудов и систем с высоким давлением, параметров технологий их эксплуатации и параметров промышленных сред, в которых они используются, для каждого конкретного случая. Контроль устойчивости безопасных условий эксплуатации сосудов и систем с высоким давлением осуществляется инструментальным путем по критерию «отклонения от нормы», полученному путем анализа ситуаций для каждого конкретного непрерывного или дискретного процесса (взрывное горение, детонация от механического воздействия).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
конкретным использованием математических моделей, созданных на основе апробированных аналитических зависимостей при составлении расчетных алгоритмов;
проверкой результатов технических исследований значительным объемом проанализированных исследований процессов взрывного горения взрывоопасных смесей в различных производствах и взрывов сосудов с высоким давлением;
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований и экспериментов;
положительными результатами производственных испытаний и внедрением результатов исследований.
Научное значение и новизна работы заключается в следующем:
- сформулирована методология формирования системы обеспечения
безопасных условий труда в отраслях промышленности, использующих тех
нологии с системами и сосудами со взрывоопасными (пожаровзрывоопасны-
ми) смесями под давлением и температурой, как открытой динамической
системы взаимодействия внешних процессов, обусловленных научно-
техническим прогрессом, и внутренних, характеризующих развитие потребностей общества;
предложена газодинамическая модель процесса взрывного горения ГВС в топке котла как в объеме сложной конфигурации со встроенными элементами, позволяющая прогнозировать характер протекания взрывного процесса в топках котлов различной конфигурации с разными вариантами размещения встроенных элементов без проведения сложных дорогостоящих натурных экспериментов;
обоснованы возможность типизации пожаровзрывоопасных процессов и применения общих системных принципов обеспечения безопасности труда в пожаровзрывоопасных процессах различных отраслей промышленности;
теоретически и экспериментально обоснованы методы расчета конструкций предохранительных устройств для систем, работающих в статических и динамических режимах горения газовоздушных смесей.
Практическое значение диссертации заключается в следующем:
разработаны классификации условий возникновения аварий в производственных процессах, использующих системы и сосуды со взрывоопасными (пожаровзрывоопасными) смесями с высоким давлением и температурой, которые на стадии проектирования позволяют прогнозировать эффективность технических решений по обеспечению безопасных условий труда;
разработаны инженерные методы расчета определения зон поражения при взрывах сосудов, работающих под давлением;
разработана методика создания зон безопасности в производствах, использующих системы и сосуды со взрывоопасными (пожаровзрывоопасными) смесями, работающими под давлением и высокой температурой;
разработаны расчетные методы для проектирования конструкций, работающих с пожаровзрывоопасными смесями под давлением и высокой температурой;
сформулирована методологическая база для формирования системы обеспечения безопасных условий труда в пожаровзрывоопасных технологиях.
Результаты работы использованы при составлении следующих нормативных и методических документов:
Методика определения скорости детонации паровоздушных смесей ЛВЖ. -Тбилиси: ГПИ, научные труды, № 9 (178), 1975 г.
Методика расчета зон и вероятности поражения в них объектов при взрывах сосудов, работающих под давлением. - М.: Газовая промышленность, №2, 1980 г.;
Обеспечение экологической безопасности предприятий и объектов топливно-энергетического комплекса. /Труды ИПК Минтопэнерго РФ. -М:1996 г.;
Основные задачи строительных организаций по снижению вредного воздействия их производственной деятельности на окружающую среду. /Труды ИПК Минтопэнерго. -М: 1997 г.;
Охрана окружающей среды от негативного производственного воздействия нефтегазового комплекса. Монография. -М.: Нефтяник, 1997 г.;
Обеспечение охраны труда и экологической безопасности при добыче, хранении, транспортировке и переработке углеводородного сырья. /Труды ИПК Минтопэнерго РФ. -М: 1997 г.;
Эксплуатация энергетических и теплопотребляющих установок, охрана труда, промышленная и пожарная безопасность. /Труды ИПК Минтопэнерго РФ. -М: 1998 г.;
Охрана труда и промышленная безопасность. -М.: Недра, 2000 г.;
Охрана труда и промышленная безопасность. -М.: Нефть и газ, № 3, 2000 г.;
Безопасность эксплуатации электроустановок. -М.: Безопасность труда в промышленности, № 1, 2002 г., -с. 19-22.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-технических конференциях МИСИ им. В.В. Куйбышева; XX, XXII и XXIII научно-технических конференциях Грузинской ССР; Всесоюзной конференции «Экология нефтегазового комплекса»; Всесоюзной конференции «За выживание»; семинарах по экологии нефтегазового строительства, научно-технической конференции «Инженерная экология XXI век»; на заседаниях Ученого совета ИПК Минэнерго России.
Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 34 печатных работах, 22 учебно-методических материалах, двух монографиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, список использованной литературы из 222 наименований, изложена на 249 страницах машинописного текста и содержит 30 таблиц и 79 рисунков.
Структура и объем работы. Работа включает в себя: введение, четыре главы, список литературы и приложение.
Проблемы обеспечения безопасных условий труда в пожаровзрывоопасных отраслях промышленности
Технический прогресс в промышленности связан с созданием новых типов оборудования, отвечающего возрастающим требованиям интенсификации и автоматизации производства, повышению уровня безопасных условий труда и снижению вредного воздействия на окружающую среду. Одновременно с развитием крупного производства в основных отраслях промышленности (нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей, химической, металлургической, горнодобывающей и др.) постоянно возрастает возможность возникновения промышленных аварий и катастроф. По данным ООН, за последние 30 лет ущерб, нанесенный мировой экономике техногенными авариями и катастрофами, увеличился в 3 раза и достигает ежегодно порядка 200 млрд. долларов США. В России за последние годы совокупный материальный ущерб от промышленных аварий превышает 40 млрд. руб. в год.
В 2001 году в России произошло на 7% техногенных катастроф больше, чем ожидалось и тенденция к ухудшению техносферы продолжается. В 2002 году прогнозируется рост чрезвычайных ситуаций на 31% от реального уровня 2001 года, причем только касающихся пожаров и аварий на коммунально-энергетических сетях и магистральных трубопроводах и на производствах с химически опасными веществами [4].
Усложнение технологий, использующих в производственных процессах пожаровзрывоопасные смеси, высокое давление и температуру, приводит к изменению типов промышленных аварий, которые стали иметь все более катастрофический характер [1, 2, 3, 4]. Подобные явления отмечаются практически во всех основных отраслях промышленности, включая нефтегазодобывающие и перерабатывающие отрасли, химическую, машиностроительную, металлургическую отрасли, строительную индустрию и ряд других. В частности, на современных химических и нефтехимических производствах сосредоточено огромное количество горючих, взрывоопасных и токсичных продуктов. На более чем 5 тысячах предприятий отечественной химии находится свыше 170 тысяч пожаровзрывоопасных и химически опасных объектов при ухудшающихся условиях их эксплуатации, так как износ основных фондов достигает более 80%. На протяжении последних 5 лет количество аварий в следствие низкого качества оборудования составляет более 40%) от их общего числа. Снижение качества используемого оборудования обусловливается рядом причин, в том числе: низким качеством конструкционных материалов, снижением уровня входного контроля поступающего оборудования, нарушением технологий сварочных работ при монтаже, необъективностью оценки результатов испытаний аппаратов высокого давления на прочность и герметичность и т.п.
Высокая аварийность наблюдается в горнорудной промышленности, в металлургии, на объектах котлонадзора и газоснабжения. Основными причинами аварийности являются: неудовлетворительное техническое состояние оборудования, на которое приходится до 50% от всех аварий; нарушение технологической и производственной дисциплины (соответственно 21 и 7%); неудовлетворительная организация и проведение опасных видов работ (13%); нарушения при пуске установок после их ремонта и длительного простоя (5% ); неработоспособность средств автоматики и контроля (5%) [9, 10, 12]. В химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях во взрывопожароопасных производствах свыше 50% сосудов, работающих под давлением, отработали свои нормативные сроки эксплуатации и не имеют объективной возможности их дальнейшей работы.
В последнее время растет производство технической продукции без разработки соответствующих технологических регламентов и инструкций по обеспечению их безопасной эксплуатации. Существенным фактором, влияющим на снижение технологической дисциплины, потере квалификации персонала и, соответственно, снижение уровня безопасности работ, является неритмичность работы предприятий в рыночных условиях, связанных с изменением их организационно-правовых форм, перехода в управление новых собственников, аннулирование, замещение традиционных поставщиков оборудования, в том числе зарубежными, что приводит к рассогласованию технических и технологических условий эксплуатации, банкротству и ряд других причин.
На предприятиях нефтегазодобывающей отрасли и геологоразведки аварийность и травматизм также связаны с недостаточной надежностью оборудования, обусловленной его старением; с низким контролем за состоянием промышленных объектов; с недостаточной подготовкой руководителей и специалистов в области промышленной безопасности и охраны труда, со слабой подготовкой персонала по ведению опасных работ и низкой производственной дисциплиной.
В результате анализа факторы, ответственные за обеспечение безопасных условий труда, группируются по следующим направлениям: - технологические факторы, определяющие безопасные условия эксплуатации систем с высоким давлением на всех стадиях создания и эксплуатации оборудования и зависящие от качества конструкций, надежности, технологичности, соответствия технологическим режимам производства; - организационно-производственные факторы, определяющие безопасность эксплуатации сосудов и систем с высоким давлением и зависящие от надежности контроля качества оборудования, соблюдением технологических регламентов работы установок, устойчивости и надежности контрольно-измерительных систем и средств автоматизации; - «человеческие факторы», определяемые уровнем квалификации рабочего и управленческого персонала, способностью выработки решений, обеспечивающих безопасность труда, внедрением современных методов охраны труда.
Условия турбулизации газовоздушной смеси и возникновения детонации при взрывном горении
Как отмечают многочисленные исследования [9, 37, 38], главным фактором, приводящим к детонации является турбулизация потока газов. Перестройка ламинарного потока в турбулентный в области, непосредственно примыкающей к поверхности стенок, осуществляется следующим образом.
При движении реального вязкого потока вблизи твердой поверхности устанавливается переменная по сечению скорость, возрастающая от нуля на этой поверхности до скорости V невозмущенного потока. Эту область переменной по сечению скорости называют пристеночным или пограничным слоем.
Режим течения в пограничном слое в первую очередь зависит от числа Рейнольдса. При малых числах Рейнольдса (Re 2300) течение в пограничном слое, как правило, будет ламинарным. С увеличением числа Рейнольдса в пограничном слое происходит переход от ламинарного режима течения к турбулентному в точке перехода (рис. 2.17).
Для участка Lx, на котором ламинарный поток в пограничном слое переходит в турбулентный, определяется критическим числом Рейнольдса.
Толщина пограничного слоя не является определенной величиной, так как не существует резкой границы между внешним течением и пограничным слоем. С увеличением расстояния от стенки местная скорость асимптотически стремится к скорости внешнего течения. Обычно ее принимают как точку, в которой местная скорость составляет 99% скорости внешнего течения.
В расчетах пограничного слоя чаще используют интегральный параметр, называемый толщиной вытеснения пограничного слоя 5", который учитывает разницу в расходах несжимаемой жидкости и реального вязкого потока, протекающих через одинаковое поперечное сечение потока.
В работе [39] приводятся основные расчетные формулы для простейшего случая обтекания плоской стенки (безградиентное течение) несжимаемой жидкостью, из которых следует, что толщина вытеснения 8 уменьшается при переходе от ламинарного к турбулентному режиму течения тем больше, чем выше число Рейнольдса (табл. 2.6). Таблица 2.7
Характеристики изменения режима течения потока Основные характеристики пограничного слоя Режим пограничного слоя ламинарный турбулентный Закон распределения скорости по течению слоя V 8 UJ UJ 4 LJL) Толщина неограниченного слоя 8 5,83 1 K5,83XRe 8 «0,211 ( v V - --— Xі 0,211XRe Толщина слоя вытеснения і 8 «l,72XRe «0,35 1 5 0,02JTRe ? «0,0958
Толщина пограничного слоя связана с шероховатостью поверхности, которая характеризуется высотой выступов шероховатости А. Если толщина ламинарного пограничного слоя больше выступов, то есть 8 А, то они целиком покрываются этим слоем.
Благодаря преобладанию сил вязкости при ламинарном режиме при малых скоростях поток плавно обтекает неровности и они не оказывают никакого влияния на характер потока. С возрастанием числа Re начинают преобладать силы инерции, пропорциональные квадрату скорости, толщина ламинарного подслоя уменьшается и при достижении известного значения Re она может стать меньше высоты выступов, то есть 8 А. При этом обтекание выступов начинает происходить с отрывом струи и вихреобразованием. Возмущения, образующиеся при обтекании выступов, будут влиять на движение в непосредственной близости от стенки. Это значит, что элементы шероховатости действуют как искусственные источники вихрей и противодействуют демпфирующему влиянию вязких сил вблизи стенки. Исследования показали, что отрыв потока от поверхности элемента шероховатости приводит к переходу в турбулентный режим при условии, что высота одиночного элемента сравнима с 5 [40, 41, 44, 45], а собственно возникновение турбулентности является зависимым от числа Рейнольдса (рис. 2.18).
Шероховатость весьма существенно влияет на механизм горения газо вых смесей. Шероховатость стенок труб сокращает преддетонационный участок и расширяет концентрационные пределы перехода горения в детонацию. Имеются смеси (например, бензол-воздух), сгорающие без перехода горения в детонацию в трубах с гладкими стенками и детонирующими в трубах с шероховатыми стенками.
Таким образом, действие шероховатости в процессе развития горения сказывается по трем направлениям. Прежде всего, как было показано выше, шероховатость способствует турбулизации потока свежего газа перед фронтом пламени. Во-вторых, между элементами шероховатости остаются некоторые объемы свежей смеси, которая воспламеняется и догорает по мере прохождения фронта горения, тем самым увеличивая его поверхность и количество смеси, сгорающей в единицу времени. И наконец, от выступов шероховатости отражаются ускоряющиеся волны сжатия и ударные волны, которые, с одной стороны, при прохождении через зону горения увеличивают флуктуацию поверхности пламени, с другой - подвергают местному адиабатическому сжатию объемы свежего газа, находящиеся между элементами шероховатости вплоть до их воспламенения, тем самым изменяя механизм воспламенения пламени. Во всех этих трех случаях следствием является ускорение фронта пламени вплоть до перехода горения в детонацию.
При рассмотрении влияния параметров турбулентности на скорость распространения пламени следует отметить, что несмотря на значительное количество исследовательских работ, касающихся природы и закономерностей турбулентного горения, единая точка зрения по этому вопросу в настоящее время отсутствует. Теоретические работы в этой области можно разбить на три основные группы.
Экспериментальные исследования взрывных процессов при горении газовоздушных смесей в нагревательных и отопительных системах
Анализ конструкций котлов, печей и сушил, показал, что пожаровзры-вобезопасность в основном обеспечивается применением взрывных предохранительных клапанов, а также регулированием технологического режима горения за счет изменения внутренних конструктивных элементов. Конструктивные элементы, как вытекает из аналитических исследований (глава 2) являются определяющими в образовании турбулентности газовоздушной смеси, приводящей в конечном итоге к детонации. Печи и сушила, как правило, имеют два варианта конструктивных особенностей: без установления взрывных клапанов и со взрывными клапанами. Общим для всех типов рассматриваемых пожаровзрывоопасных устройств является протекание процесса взрывного горения.
Экспериментальные исследования проводились с целью уточнения и повышения эффективности работы взрывных предохранительных клапанов различных конструкций и определения соответствия действующих требований к конструкции топок, с точки зрения безусловного обеспечения пожаров-зрывобезопасности. Для достижения этих целей экспериментальные исследования включали: определение влияния на характер взрыва объема камеры, степени ее загазованности и места инициирования взрыва; выявление роли трубных пучков и перегородок в интенсификации процесса горения во взрывной камере при перетекании части несгоревшей смеси через камеру догорания в объем газоходов; влияние трубного пучка и перегородок в газоходах на процесс интенсификации в случае, когда фронт пламени с самого начала распространения встречал на своем пути турбулизующие элементы; исследование динамики процесса горения в камере в случае перетекания с большой скоростью части турбулизированной ГВС в свободный объем топки с последующим там догоранием.
В качестве типовой конструкции котлов был принят стационарный паровой двухбарабанный вертикально-водотрубный котел типа ДКВР-4-13, работающий на различных видах топлива. Котлы типа ДКВР-4-13 состоят из двух барабанов: верхнего удлиненного и нижнего укороченного, соединенных между собой кипятильными трубами. Топочное пространство, находящееся между верхним и нижним барабаном, разделено на три части: собственно топку, камеру догорания и газоходы (рис. 3.3).
На котлах ДКВР предусматривается установка предохранительных клапанов в верхней зоне топочного пространства, непосредственно над топкой и газоходами, за котлом на хвостовой поверхности нагрева, в верхнем газоходе экономайзера и на газоходе от дымососа до борова. Металлические короба взрывных клапанов располагаемых над топкой, во избежание перегрева и коробления изнутри футеруются огнеупорным кирпичом.
Над газоходами клапаны устанавливаются без футеровки. Компоновочные схемы расположения клапанов на котле представлены на рис. 3.4 и 3.5.
Эксперименты проводились во всем диапазоне взрываемости от нижнего до верхнего предела воспламенения ГВС. Особое внимание было уделено взрывоопасным концентрациям, близким к стехиометрическим. В качестве модели газообразного топлива была выбрана пропан-бутановая газовоздушная смесь, анализ которой на хроматографе показал, что все компоненты газовоздушной смеси (табл. 3.4) являются представителями предельных углеводородов и по своим физико-химическим свойствам близки к природному газу, основной горючей составляющей которого является метан (80н-90%).
Нормальные скорости горения и теплоты сгорания у всех компонентов примерно одинаковы и близки друг другу. Следовательно, количество тепловой энергии и темп ее выделения при взрывном горении как у метана, так и у модельной пропан-бутановой смеси будут идентичными, в результате чего взрывные нагрузки, полученные на модельной ГВС, будут соответствовать взрывным нагрузкам при сгорании метановоздушной смеси.
В качестве основных параметров, характеризующих процесс взрывного горения в опытной камере при проведении экспериментов, были выбраны избыточное давление продуктов сгорания и скорость его нарастания, а также видимая скорость распространения пламени.
Анализ полученной зависимости показывает, что даже при площади сбросных отверстий в 6 раз превышающей нормативную (0,2 м ) для взрывных предохранительных клапанов, устанавливаемых на топках котлов, нагрузки на обмуровку при аварийных взрывах существенно выше нормативных (0,02 -105 Па), регламентируемых техническими требованиями по взры-вобезопасности котельных установок.
Методические требования по проектированию взрывных предохранительных клапанов
Экспериментальными исследованиями и теоретическими расчетами показано, что при взрывах ГВС в топках котлов могут возникать нагрузки, значительно превышающие нормативные, в результате чего возможно разрушение обмуровки котла и даже всего котельного агрегата.
Переходя к оценке и определению требований к эффективности работы взрывных предохранительных клапанов, следует отметить, что в проведенных экспериментах и расчетах рассматривались наиболее неблагоприятные аварийные ситуации по загазованности всего объема топки и газоходов, которые могут иметь место, например, при обрыве факела. Однако на практике, как показывает анализ аварий, часто хлопки и взрывы случаются при растопке котла, когда в топке присутствует какое-то количество газа, который образует локальную загазованность. Естественно, взрывные нагрузки при локальной загазованности должны быть меньше, а следовательно, и вероятность разрушения обмуровки также должна быть меньше.
В связи с этим была поставлена дополнительная задача по оценке эффективности использования взрывных предохранительных клапанов при локальной загазованности объема топки.
В качестве оценочного критерия была принята возможность образования такой локальной концентрации ГВС, которая при сгорании в режиме взрывного горения в топке могла создать нагрузку, превышающую нормативную величину внутреннего давления на каркасы топок и газоходов, равную 0,02-105 Па согласно требованиям но взрывобезопасности котельных установок. Оценка производилась на основании данных, получаемых по формуле строительных норм СН-502-77. В этих нормах при заданном коэффициенте сброса рассчитывалась величина АР в зависимости от величины локального объема, заполненного газовоздушной смесью стехиометрической концентрации.
Из графиков следует, что для того, чтобы в топке котла ДКВР-4-13 при взрывном сгорании локальной ГВС могли возникнуть нагрузки, близкие к нормативным, достаточно в топке создать локальную загазованность 0,82% от общего объема топки. Это соответствует загазованности 0,16 м3 объема тонки (WT = 19,5 м3) при концентрации С=5% об., что в пересчете на газ составляет 0,008 м3.
Определяемое аналогичным путем количество газа для котлов ДКВР-2,5-13 и ДКВР-10-13 составляет 0,0022 м3 и 0,02 м3. Возможность накопления таких количеств газа в топках котлов в перерывах между их работой за счет утечек через неплотности в соединениях газовых систем не исключается, что подтверждается данными анализа аварий.
В рабочем режиме котлов попадание опасных количеств газа в объем топки возможно при обрыве факела. При этом количество газа, которое может попасть в топку, зависит от секундного расхода газовых горелок, инерционности срабатывания систем защиты при потускнении и погасании факела и от скорости закрытия запорной арматуры.
Рассмотрение инерционности автоматики, предназначенной для обеспечения взрывобезопасности котлоагрегатов, не входило в задачи работы, так как является предметом специальных исследований. Однако, судя по публикациям, посвященным защите котлоагрегатов при потускнении и погасании факела в топке [20, 21, 22], существующие приборы для защиты при погасании факела имеют большую инерционность, обладают серьезными недостатками и не обеспечивают надежной защиты, в силу чего находят ограниченное применение. Статистические данные свидетельствуют о том, что более 80% изученных аварий взрывов произошло на котлах, оснащенных защитой при погасании факела в топке.
Учитывая изложенное, можно считать, что возможность попадания в объем топки опасных количеств горючего газа при обрыве факела достаточно велика. Следовательно, при существующих проходных сечениях защита топок котлов с помощью взрывных предохранительных клапанов неэффективна даже в случаях локальной загазованности объема топки.
В связи с тем, что взрывные предохранительные клапаны, как показано выше, не обеспечивают защиту топок котлов от разрушений в случае аварийных взрывов ГВС, мероприятия, направленные на повышение взрывозащиты паровых котлов малой и средней мощности, должны базироваться на создании надежных малоинерционных систем автоматики взрывобезопасности топки, исключающих возможность скопления взрывоопасных горючих смесей в объеме топочного пространства и газоходах. Особое внимание должно быть обращено на создание высоконадежных быстродействующих способов контроля пламени и мгновенного прекращения подачи топлива при погасании факела в топке.
Исходными параметрами для проектирования безынерционных систем автоматики безопасности могут явиться полученные данные по времени попадания в объем топки опасного количества газа при обрыве факела, которое для котлов серии ДКВР находится в пределах 0,04...0,2 с.
Для печей и сушил величина допускаемой нагрузки на обмуровку тамбура при взрыве ГВС внутри объема зависит в первую очередь от площади сбросного отверстия, естественно полагать, что эффективность сброса продуктов сгорания при взрыве ГВС в этих условиях будут различными для разных объемов тамбуров печей.
В реальности сбросные проемы печей закрыты клапанами различного типа с металлической диафрагмой, а в самом тамбуре находятся садки на закалочных столах, что приводит к значительному увеличению взрывных нагрузок. Существенные различия в экспериментальных и расчетных значениях нагрузок были отмечены во всех изучаемых конструкциях термоагрегатов.
Оценка взрывобезопасности печей и сушил производится исходя из величины возможной взрывной нагрузки АРгвс и зависит от комплексного сочетания ряда технологических и конструктивных характеристик процесса: геометрических и конструктивных параметров рассматриваемого агрегата (конфигурации, формы, объема, наличия внутренних преград, наличия отверстий или крышек в ограждающих конструкциях); характеристик и параметров газовоздушных смесей (типа, взрывоопасной концентрации, степени заполнения объема); характера источника воспламенения и прочностных показателей ограждающих конструкций печей и сушил.
Влияние преград на режим взрывного горения было рассмотрено в главе 3. При оценке возможности обеспечения пожаровзрывобезопасности при работе с печами и сушилами следует еще раз подчеркнуть, что размещение нагреваемых элементов внутри теплоагрегата всегда будет способствовать созданию турбулентности потока ГВС и всегда будет противоречить требованиям взрывобезопасности.
Похожие диссертации на Развитие научных основ обеспечения безопасных условий труда в пожаровзрывоопасных производственных процессах и технологиях нефтегазовой и строительной промышленностей
