Введение к работе
Актуальность темы. Взрывы в топках теплогенерирующего оборудования, в которых используется газовое топливо, продолжают составлять проблему в целом по всей газовой отрасли. А наметившаяся в последнее время тенденция децентрализации сетей теплоснабжения в системе ЖКХ, неизбежно связанная с ростом парка газовых котлов малой и средней мощности, способствует увеличению общего потенциала рисков, связанных с использованием газового топлива. Понятно, что в данной ситуации повышение безопасности каждой единицы теплотехнического газового оборудования способствует решению проблемы.
В последние годы для достижения этой цели идут путём широкого применения автоматических систем, хотя, как показали исследования, традиционные пути, такие как обеспечение высоких темпов сброса давления через совершенствование взрывных клапанов, влияющее на развития взрыва в топке, если такой случится, продолжают оставаться эффективными. Понятно, что такие решения должны удовлетворять нормативным требованиям. Попытки совершенствования топок и элементов, обеспечивающих её безопасность, и тем более вносимые изменения должны быть серьёзно аргументированы.
Что касается этого направления, то, к сожалению, имеющиеся в распоряжении разработчиков конструкций топок методики расчетов и нормативные документы явно устарели. Естественно, что предложения по изменению конструкции должны быть результатом как теоретических, так и экспериментальных исследований. Наиболее достоверными и убедительными являются экспериментальные результаты, полученные на натурных объектах или на моделях, близких к ним по своим характеристикам. Конечно, осуществление части таких экспериментов связано с риском для персонала, однако в современной России технология их проведения отработана. Наличествует и соответствующие экспериментам измерительные системы. Что касается теоретических исследований, то ставшие в последнее время очень эффективными численные методы позволяют моделировать процессы с высокой степенью адекватности при минимальных упрощениях. При этом отечественные методы численного моделирования, одним из которых является метод крупных
4 частиц, выходят на первый план. Конечно, проведение численного моделирования требует значительные вычислительные ресурсы, но это требование с каждым годом всё полнее удовлетворяется благодаря стремительным темпам развития компьютерной техники.
Вопрос о возможном влиянии на давление взрыва топливно-воздушной смеси в незамкнутом объёме (топке) места положения взрывного клапана на ограждении топки поднимался, как минимум, 20 лет тому назад, однако удовлетворительного решения он тогда не получил из-за несоответствия технологий того времени условиям решения задачи. В современных условиях это стало возможным.
Работа проведена в рамках выполнения НИР №06-08-963 06-р по теме «Исследование процесса развития взрыва топливно-воздушной смеси в незамкнутых объемах», финансируемой Российским фондом фундаментальных исследований.
Цель исследования - повышение взрывобезопасности газовых топок энергетического оборудования за счёт выбора места установки взрывных клапанов на ограждении топок и разработка программного средства, обеспечивающего моделирование взрыва в реальных топках.
Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи;
-
разработка системы дистанционного управления и сбора экспериментальных данных и программного продукта для автоматической обработки результатов экспериментов;
-
проведение эксперимента по исследованию влияния места установки взрывного клапана на давление взрыва газовой смеси;
-
разработка математической модели развития взрыва газовой смеси на основе метода крупных частиц;
-
разработка программного продукта для численного моделирования взрывов газовой смеси в топках произвольной конструкции;
-
обоснование рекомендаций по выбору места установки взрывных клапанов.
5 Объектом исследования в диссертационной работе являются топки энергетического оборудования, работающие на газообразном топливе.
Предметом исследования являются процессы горения и взрыва газовых смесей в топках энергетического оборудования.
Методы исследования. В ходе исследования использовались следующие методы:
метод исследования опасных процессов в условиях, близких к реальным;
метод крупных частиц для задач газовой динамики при проведении теоретических исследований.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель процесса горения газовой смеси, позволяющая исследовать развитие взрывов в топках с произвольной геометрией;
В результате физических и вычислительных экспериментальных исследований взрывов газовой смеси в объёмах, по своим размерам близким к реальным топкам, получены новые данные о характере влияния взаимного расположения источника воспламенения и взрывного клапана на давление взрыва.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность экспериментальных данных обеспечена методом и методикой проведения опытов, качеством системы измерения и обработки данных, а также объемом испытаний.
Адекватность математической модели обеспечивается применением известных численных методов и подтверждается качественным и количественным согласованием полученных результатов с экспериментальными данными.
Основные положения диссертации базируются на использовании общепринятых гипотез и допущений динамики сплошных сред, физики горения и теории численных методов.
Положения, выносимые на защиту:
результаты эксперимента;
математическая модель процесса горения газовой смеси в незамкнутом объеме с произвольной геометрией;
рекомендации по выбору места установки взрывных клапанов.
Практическую ценность имеют:
экспериментальная установка, метод и методика проведения экспериментов со взрьшами газовой смеси в объемах, близких по размерам к натурным топкам;
результаты экспериментальных исследований по развитию взрыва газовой смеси в замкнутом объеме и полученные значения параметров, определяющих это развитие;
результаты экспериментальных исследований по влиянию места установки взрывного клапана на давление взрыва газовой смеси;
рекомендации по выбору места установки взрывных клапанов на ограждении топки, работающей на газовом топливе;
математическая модель и программный продукт для проведения вычислительных экспериментов по исследованию процессов горения и взрыва газовой смеси в незамкнутых объемах.
Реализация результатов исследования. По результатам исследований разработана и внедрена на заводе ОАО «Возовсельмаш» (п. Возы, Курской области) конструкция топки парового котла КП-0,12. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Орловского Государственного технического университета и Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.
По результатам исследования разработана и зарегистрирована программа «Вулкан-М» (свидетельство о регистрации №2007614950).
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на Международной научной конференции «Современные методы физико-математических наук» (Орел, ОГУ, 2006), VI Международном конгрессе «Актуальные проблемы прикладных наук» (Москва, НАПН РФ, 2007), Международной научно-практической интернет-конференции
7 «Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК» (Орел, ОрелГАУ, 2008), III Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Орел, ОрелГТУ, 2008), VI Международном конгрессе GRACM по вычислительной механике (Греция, Салоники, ун-т им. Аристотеля, 2008).
Работа в полном объеме доложена и одобрена на межкафедральном заседании в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России и рекомендована к защите.
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 6 статей в журналах, определенных перечнем ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, сформированным Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации. Получено свидетельство о регистрации программного продукта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Диссертация содержит 117 страниц основного текста, в том числе 3 таблицы, 33 рисунка, 142 наименований литературы и приложения на 14 страницах.
