автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Повышение взрывобезопасности паровых котлов с рабочим давлением до 0,07 МПА в АПК путем инженерно-технических решений

7 4

2 з НОЛ «9«

На правах рукописи

Поландов Юрий Христофорович

ПОВЫШЕНИЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ С РАБОЧИМ ДАВЛЕНИЕМ ДО 0,07 МПА

В АПК

ПУТЕМ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Орел, 1998

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете (ОрелГТУ) и во Всероссийском научно-исследовательском институте охраны труда (ВНИИОТ) Минсельхозпрода РФ.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

в заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Шкрабак B.C.

• доктор технических наук, профессор Николаенко A.B.

• доктор технических наук, профессор Вишняков Э.Х.

» доктор технических наук, профессор Фадин И.М.

• Головное специализированное конструкторское бюро по комплексу оборудования для микроклимата (г. Брест)

Защита состоится 25 декабря 1998 года в 14ч. 30 мин на заседании диссертационного совета Д 120.37.07 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 189620, Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, СПГАУ, ауд. 2529.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 19 ноября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ■

А.П. Майоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкомасштабное внедрение паровых котлов малого давления (с рабочим давлением до 0,07 МПа избыточных, в дальнейшем МПаи) малой тепловой мощности (до 1000 кВт) в агропромышленном комплексе страны привело к появлению на селе принципиально новой опасности - взрывов, а котлы стали самыми травмоопасными из всего стационарного оборудования. Обеспечение взрывобезопасности котлов стало проблемой для АПК.

Эффективность инженерно-технических мероприятий, направленных на повышение взрывобезопасности этой группы оборудования и построенных на опыте эксплуатации паровых котлов более высокого давления и на общих представлениях о физических процессах, протекающих в опасных ситуациях, оказалась недостаточной. Методы и методики исследований, используемые разработчиками котлов и испытателями на машиноиспытательных станциях, принципиально не могли расширить круг знаний об опасных процессах, развивающихся в котлах.

Эти обстоятельства определили необходимость качественно нового подхода к решению проблемы повышения безопасности паровых котлов малого давления, используемых в АПК.

Работа выполнялась в рамках отраслевых научно-технических программ О.СХ 127 Минсельхоза СССР и О.СХ 82 Госагропрома СССР во ВНИИОТ Минсельхозпрода РФ и по темам 01.14.96 и 01.16.97 единого заказ-наряда ОрелГТУ, финансируемого из средств госбюджета Министерством общего и профессионального образования.

Цель исследования - повышение взрывобезопасности паровых котлов малого давления в АПК путем разработки инженерно - технических решений.

Задачи исследования:

• разработка общей концепции, метода, средств и методик исследования взрывобезопасности паровых котлов малого давления в АПК;

• проведение экспериментальных и теоретических исследований физических процессов в котлах во взрывоопасных ситуациях, разработка на-

учных основ повышения взрывобезопасности паровых котлов малого давления;

• разработка инженерно-технических решений, направленных на повышение безопасности паровых котлов малого давления.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Метод исследования взрывоопасных режимов паровых котлов малого давления и методика планирования эксперимента;

2. Механизм работы предохранительных клапанов и методология расчета их рабочих характеристик;

3. Механизм развития внутрикотловых процессов при срабатывании предохранительного клапана и методология расчета конструктивных параметров котла, при которых исключен выброс кипящей воды через предохранительные клапаны;

4. Механизм развития внутрикотловых процессов при упусках воды и методика расчета давления в котле при восстановлении упущенного уровня воды;

5. Механизм развития колебаний давления в отопительной системе и методология расчета энергии взрыва паровых котлов, включенных в систему отопления;

6. Механизм развития взрыва в топках паровых котлов малого давления и методология расчета давления взрыва.

На защиту выносятся:

Методология и пути повышения взрывобезопасности паро'вых котлов малого давления в АПК, в том числе:

1. Метод исследования физических процессов во взрывоопасных ситуациях на паровых котлах малого давления;

2. Результаты исследования работы предохранительных клапанов паровых котлов; математическая модель, описывающая положение грибка предохранительного клапана в зависимости от давления в котле, методология расчета рабочих характеристик предохранительных клапанов для до- и сверхзвукового режимов истечения;

3. Результаты исследования внутрикотловых процессов и выбросов горячей воды из котла при срабатывании предохранительных клапанов; математическая модель процессов и методология расчета конструктивных

параметров котла, при которых исключен выброс кипящей воды через предохранительный клапан;

4. Результаты исследований физических процессов, происходящих в паровых котлах малого давления при частичном и глубоком упусках воды; методика расчета давления в котле при восстановлении упущенного уровня;

5. Результаты исследований физических процессов при использовании паровых котлов малого давления в системах отопления, математическая модель колебаний давления в отопительной системе, условия безопасности при включении котлов в системы отопления;

6. Результаты исследования процесса взрыва парового котла малого давления КВ-300М при перегревах воды и неработоспособности средств защиты, методика оценки мощности взрыва и кинетической энергии осколков;

7. Результаты исследований процесса взрыва в топках паровых котлов малого давления, работающих на жидком топливе; математическая модель взрыва.

Достоверность результатов обеспечивается примененным методом исследований, точностью измерения параметров, обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением рациональных математических методов и подтверждается количественным и качественным согласованием результатов теоретических исследований и экспериментальных данных.

Практическую ценность имеют:

1. Экспериментальная установка, метод и методики испытаний паровых котлов для исследования протекания физических процессов в опасных ситуациях и оценки взрывобезопасности ситуаций и котла в целом.

2. Результаты экспериментальных исследований физических процессов в предохранительных клапанах; результаты экспериментальных исследований внутрикотловых процессов при срабатывании предохранительных клапанов; результаты экспериментальных исследований паровых котлов малого давления при упусках воды и восстановлении ее уровня; результаты .экспериментальных исследований паровых котлов, включенных в систему

отопления без предохранительных клапанов; результаты экспериментальных исследований взрывов топливо-воздушной смеси в топках котлов, работающих на жидком топливе.

3. Найденные в результате исследований зависимости между параметрами физических процессов и состояния котла в опасных ситуациях позволяют разрабатывать котлы, эксплуатация которых будет связана с повышенной безопасностью труда операторов.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в нормативные документы государственного и отраслевого уровней: ГОСТ 12.2.042-79 "ССБТ. Машины и оборудование для животноводства и кормопроизводства. Общие требования безопасности" (раздел "Теплогенериру-ющие и теплоиспользующие изделия"), "Правила безопасности при производстве продукции животноводства в системе Госагропрома СССР (раздел "Теплогенерирующие устройства"), "Рекомендации по профилактике травматизма работников мясного и молочного скотоводства (раздел "Паро- и теплогенераторы"), ОСТ 70.233-80 "ССБТ. Машины и оборудование для животноводства и кормопроизводства. Методы оценки безопасности. Эргономическая оценка", "О внедрении устройства безопасной подпитки котлов" - инструктивное письмо Минсельхоза СССР и ЦК профсоюза работ, сел. хоз. №255 - 6/4 от 24.02.1983 г. , "О мерах по безопасному использованию котельных установок" - инструктивное письмо Минсельхоза СССР № 256 - 6/768 от 09.12.83 г..

Внедренные нормативные документы способствовали снижению числа взрывов паровых котлов малого давления в АПК (рисунок 1).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных Всесоюзных научных конференциях по охране труда в сельском хозяйстве (г. Орел, 1978...1988 гг.), на Всесоюзных межвузовских конференциях "Обеспечение безопасности труда в агропромышленном производстве" (г. Каунас, 1987 г. и 1989 г.), на Всесоюзной научно- технической конференции "Повышение безопасности оборудования и технологических процессов на основе применения средств автоматической защиты и промышленных роботов" (г. Казань, 1981г.), на Всесоюзных научно-практических семинарах по охране труда для руководящих работников системы МСХ республик и инспекторов труда ВЦСПС (г. Москва, 1985

и 1988 гг..), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГТУ (1992... 1998 гг.), Международной научно - технической конференции "Диагностика. Информатика. Экология. Безопасность", (г. Санкт - Петербург, 1997г.), на Межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы обеспечения конкурентоспособности российской машиностроительной продукции", (Орел, 1997).

• Устройству безопасной подпитки котла КВ-300М, разработанному автором и руководимым им коллективом, на первом Всероссийском конкурсе работ по охране труда, объявленном Министерством сельского хозяйства в 1982 году, присуждена вторая премия.

• Работа "Экспериментальное исследование явления упуска воды в котле КВ-300М", проведенная автором и руководимым им коллективом, стала дипломантом в 1984 году по результатам Всесоюзного конкурса научно-исследовательских работ по охране труда, объявленного по всем отраслям народного хозяйства (отмечена специальным дипломом и премией).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 статей, 9 тезисов докладов, составлено 10 научно-технических отчетов, разработано 6 нормативных документов, получено 2 авторских свидетельства и 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Рукопись имеет 298 страниц текста, включая 99 рисунков, 13 фотографий и 11 таблиц. Библиография содержит 272 наименования.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ РАБОТЫ

В первой главе с системных позиций проанализированы и выявлены основные технические причины аварий и взрывов паровых котлов, происшедших в России, СССР и наиболее развитых странах мира.

Показано, что с началом массового внедрения паровых котлов малого давления в АПК появилось принципиально новое опасное оборудование, при взрывах которого погибали люди: уже к середине 70-х годов котлы стали самым травмоопасным (по показателю частоты смертельного травматизма, А:ч=280-10-3—350• 10-3 (1000 чел)/год, из всего стационарного обору-

дования в АПК. А так как котлы включались в технологические процессы, то их взрывы приводили еще и к значительным экономическим потерям.

Испытания паровых котлов малого давления, проводимые разработчиками и на машиноиспытательных станциях, показывали, что работа котлов на режимах, оговариваемых инструкциями по эксплуатации, безопасна. Эта информация дополнялась сведениями из актов Н-1, согласно которым виновными в большинстве случаев взрывов паровых котлов были операторы, так как они допускали опасные отклонения в протекании физических процессов в котле, такие как упуск воды, накопление топливо-воздушной смеси в топках и другие (таблица 1).

Таблица 1 - Распределение травматизма по виду травматических ситуаций при эксплуатации котлов (по данным 1977 года по всему СССР)

1 расм.ин'и-омя ситуация

КН- 300 КИ-300М КЬ- 200 км- 1600 1.1« М-фКл НС V КЗ 5 Ию!.1

Взрыв котла при упуске воды 13 4 р

Взрыв котла при подпитке после упуска 13 1 1 1

Взрыв котла при отсутствии расхода пара и воды 5 1 1 1 5

Взрыв котла при отсутствии циркуляции 3 3

Взрыв топлива 4 3 7

Пожар 6 1 7

Отравление угарным газом 4 1 1 % -

Ожог горячей водой 1 2 1 . 4.

Ксл п.- т.тм | от 44 11 1 1 ' 2 1 2- 68

Рисунок 1. Число зравмирован-ных с летальным исходом при обслуживании паровых котлов малого давления в АПК России

1 - общее число погибших; 2 -число погибших при обслуживании котлов типа КВ-300М; 3- число погибших при упуске воды, 4 - общее число погибших по СССР

--I__1—__Т"'|Г...............

1988 1990 1992 1994 1996 год Согласно этим данным получалось, что повышение взрывобезопас-ности паровых котлов малого давления лежит через повышение надежности оператора. Отмечая необходимость развития этого направления, ве-

дущие ученые по охране труда в АПК: Росляков В.П., Шкрабак B.C., Улицкий Е.Я., Русак О.Н., Малахов H.H., Чернышев В.И., Гавриченко А.И., Олянич Ю.Д., Платонов В.В. и др. полагают, что многие вопросы безопасности труда эффективно можно решать путем вмешательства в технологические процессы и конструкцию оборудования.

При выборе пути повышения взрывобезопасности паровых котлов малого давления был учтен тот факт, что в основу всех изначальных требований безопасности, содержащихся в Правилах, разработанных специально для этой категории котлов и утвержденных Госгортехнадзором России в 1960 году, лежал опыт специалистов, относящихся к этому ведомству. В качестве перестраховки они дополнительно ввели фактически требование необходимости более чем шестикратного запаса прочности у конструкции котла и пятикратного - по пропускной способности предохранительных клапанов, чего нет на котлах с более высоким давлением. Этим обстоятельством обосновывается сомнение в том, что процессы, происходящие в котлах малого давления и относящиеся к их разрушению (взрыву), протекают одинаково с теми, что происходят в котлах с более высоким рабочим давлением, а ситуации, опасные для одних, опасны и для других.

Для паровых котлов малого давления согласно актам Н-1 и опубликованным данным наиболее часто встречающимися техническими причинами взрывов являлись следующие:

• упуск воды и последующее включение подпитки котла водой;

• включение паровых котлов малого давления в системы отопления без предохранительных клапанов;

• накопление топливо-воздушных смесей в топках и последующее ее воспламенение;

• попадание горячей воды в рабочую зону оператора котла (обстоятельства неизвестны).

Исходя из этого, исследованиями были охвачены основные технические аспекты проблемы, в своей значительной части очерченные перечисленными причинами взрывов паровых котлов малого давления.

Во второй главе рассмотрены и обоснованы общий подход к решению проблемы, выбор экспериментальной модели, метод и средства экспериментального исследования, принцип планирования эксперимента и методика оценки взрывобезопасности ситуаций и котлов в целом.

В работе показано, что наиболее достоверные и воспроизводимые ре-

зультаты исследований и аргументированные выводы можно получить, проводя исследования взрывобезопасносги на натурных образцах паровых котлов малого давления при намеренном переводе их в опасные состояния. Использование натурных образцов при проведении эксперимента, с одной стороны, исключало необходимость отработки на модели процессов смесеобразования, надежного воспламенения, генерации пара, а с другой - исследование проводилось на конструкции, разработанной в полном соответствии с действующими стандартами, и потому вполне обосновано было ожидать, что специфика развития опасной ситуации в модели в значительной мере окажется типичной для всего класса котлов.

Естественно было полагать также, что возможные взрывы модели будут аналогичны реальным, потому проведение опытов потребовало создание специальной экспериментальной базы, обеспечивающей безопасность персонала испытателей, и соответствующей подготовки персонала.

В качестве экспериментальной модели был выбран самый распространенный в АПК паровой котел малого давления КВ-300М (рисунок 2), составляющий около 80% всего парка котлов, в некоторых случаях для подтверждения полученных результатов проводились исследования и на котле КГ-ЮООА, как одном из наиболее перспективных.

-3400

мерный бак

жаровая труба кипятильные трубы

'//////У

Рисунок 2 - Паровой котел КВ-300М и система датчиков

Т\- места установки датчиков температуры; р, - места установки датчиков давления; ДУ - дистанционный уровнемер

Экспериментальная база (рисунок 3, фотография 1) состояла из бункера управления, рабочей площадки и огражденной территории. Управление котлом, экспериментом и всей базой осуществлялось дистанционно из бункера (фотография 2). Там же располагались регистраторы.

Измерение давления производилось с помощью датчиков типа ДТ и

Рисунок 3 - Схема экспериментальной базы 1- ограждение; 2 - бункер; 3 -вспомогательное оборудование (баки с топливом, стыковочные узлы линий управления и измерения и др.,; 4 - отбойная стенка; 5 - испытуемый котел; б -охраняемая территория.

Фотография 2 - Вид на пульт управления в бункере

МДДФ-УК и регистраторов Н - 3020 или осциллографа НО - 41. Температура пара, воды и отдельных элементов конструкции измерялась термопарами типа ХК и регистраторами типа КСП. Значение уровня воды опреде-

лялось с помощью специально изготовленного дистанционного уровнемера, состоящего из вертикально установленной трубы диаметром 25 мм и вмонтированных в нее автомобильных свеч по ее высоте: при прохождении зеркала воды между электродами изменялось сопротивление цепи.

Для визуального контроля за ходом процесса в котле на пульте управления имелись манометры и термометры.

Точность измерения давления составляла 3%, а температуры - 0,5%.

Принцип планирования эксперимента был основан на постепенном увеличении опасности от опыта к опыту, что давало возможность максимального получения сведений о процессах, развиваемых в опасной ситуации. В качестве параметра, по которому оценивалась степень опасности процесса, принималось давление в котле или топке (в зависимости от характера опытов).

Расчет значений факторов для очередного опыта велся с использованием метода планирования оптимального эксперимента (параметр "оптимизации" - давление), однако вместо расчета по данным четырех опытов прямой регрессии для крутого восхождения по параметру "оптимизации" строилась перпендикулярная ей прямая, которая является касательной к линии равной опасности (рисунок 4). После проведения опытов по этой линии очередной этап опытов предполагал увеличение опасности и построение очередной линии равной опасности. Если наступало разрушение котла, то часть факторного пространства, очерченная последней линией равной опасности, принималась за взрывоопасную зону.

Х|тах

Хцпш

Область неопас-:ого разрушения конструкции

Область опасного разрушения конструкции

Х2

Рисунок 4 - Принцип планирования взрывоопасного эксперимента

Оценка взрывобезопасности. А\ - /-той ситуации производилась по балльной системе 0 и 1: при А\~ 1 - на факторном пространстве эксперимента обнаруживается взрывоопасная зона (в независимости от ее размеров),

при А\ =0 - взрывоопасной зоны нет.

Используя этот подход, можно прогнозировать ожидаемое число взрывов в течение года на всем парке котлов в АПК по формуле

т), 0)

где N - общее количество паровых котлов малого давления в АПК;

г|, - эффективность средств безопасности в / - той ситуации, 0<г),<1;

И; - надежность оператора в / - той ситуации;

Значения показателя эффективности средств безопасности г|, находятся статистическим путем при имитационных или реальных испытаниях.

Значения р,- по причине отсутствия надежных и простых методик определения, можно находить, исходя из опыта эксплуатации реального парка котлов в АПК. В конкретном случае можно принимать во внимание результаты обследований состояния котельных, проведенных во ВНИИОТ, согласно которым на 98% паровых котлах малого давления отсутствовали автоматические средства безопасности. Это позволяет при ^¡=0 считать, что

р, = 1- кв!=1-М11Ы, (2)

где кщ - коэффициент частоты взрывов, связанных с травмированием оператора, (в отсутствии средств безопасности) в /-той ситуации;

М,- - число погибших в течение года при реализации /-той ситуации на всем массиве котлов, лишенных средств безопасности.

В третьей главе приведены результаты исследований опасных ситуаций, которые могут возникнуть и развиться при выходе котла на режим и при работе его на режимах, пограничных с регламентированными.

Показано, что известный по публикациям необъясненный и потому расцененный как возможно опасная ситуация эффект роста давления пара в котле через 5-6 минут после включения горелки, когда вода в котле еще не прогрелась до температуры 100 °С, является ошибкой экспериментаторов.

Дело в том, что конструкция парового котла КВ-300М устроена так, что после проведения гидравлического испытания и слива излишков воды из котла в пароперегревателе ее остается около 10 кг. Именно этот объем воды прогревается раньше основного объема и испаряется, повышая давление в котле раньше времени выхода его на рабочий режим . Показано, что даже при закрытом расходном вентиле этот процесс безопасен, так как давление в котле не превышает 0,04 МПаи (0,4 ати).

Выявлено, что на рабочем режиме во время подачи воды в котел с целью восстановления испарившейся ее части происходит резкое снижение давления пара с 0,06 МПаи до 0,04 МПаи и соответственно паропроизводи-тельности котла. Это колебание давления в отличие от котлов большего давления является следствием того, что величина расхода воды на подпитку котла нормативами никак не ограничена и превышает паропроизводитель-ность котла в 7-10 раз (для больших котлов - не более 120%).

Расчеты показали, что в самом неблагоприятном случае амплитуда колебаний паропроизводительности может составить 19%. Расчеты строились на использовании нестационарного уравнения баланса масс для парового объема и теплового баланса для объема воды в котле при постоянной тепловой мощности горелки.

Из этого следует, что при проектировании в расчетах нужно исходить из того, что пропускная способность предохранительного клапана для паровых котлов малого давления должна превышать среднечасовую паро-производительность котла на 20% (1 процент идет в запас расчетов).

Обнаружено, что после своего срабатывания при давлении в котле 0,07 МПаи (0,7 ати) предохранительный клапан садится обратно на седло при давлениях 0,045 - 0,05 МПаи (рисунок 5), то есть его статическая характеристика имеет петлю гистерезиса. Оказалось также, что в случае, если

/2*г-

0,4 0,2

Разброс

опытных

данных

0

Рисунок 5 - Статическая характеристика клапанов типа КПС (эксперимент - сплошная линия, теория - пунктирная линия)

0,2 0,4 0,6 0,8 pkf Паи

уровень воды в котле выше, чем среднее рабочее положение, из котла через клапан истекает кипящая вода: при исходном положении уровня воды на верхнем рабочем - из котла выбрасывается до 80 кг воды (рисунок 6). Более того, оказалось, что из котла выбрасывается вся вода, находящаяся выше среднего положения уровня: если котел заполнить полностью, то будет выброшена из него при срабатывании предохранительного клапана вся вода, расположенная выше этого уровня (180-200 кг).

Ситуация расценена как опасная. Это обстоятельство важно тем, что согласно инструкции по эксплуатации оператор котла обязан один раз в

смену проверить работоспособность предохранительных клапанов, однако ничего о возможности возникновения опасной ситуации при выполнении

Рисунок 6 - Количество выбрасываемой воды из котла в зависимости от исходного уровня воды (нуль отсчета по h - положение нижнего рабочего уровня)

1 - опытная кривая при работе предохранительного клапана;

2 - расчетная кривая при работе предохранительного клапана;

3 - расчетная кривая для случая работы на h мм ноРмальном режиме.

этой операции ему не сообщается. Не исключено, что именно эта ситуация реализовывалась в тех случаях, когда обнаруживали у погибших операторов ожоги верхних дыхательных путей, а котлы при этом находились в нормальном рабочем состоянии.

Механизм выброса воды из котла основан на увеличении объема воды в случае ее кипения. Математическая модель последнего в простом случае, когда парообразование и темп снижения температуры постоянны по всему объему воды, а форма объема - цилиндрическая, сформулированы сравнительно недавно (Авдеев A.A., 1984 г.).

Процесс увеличения объема кипящей воды в котле при сбросе давления представляет собой более сложную математическую модель, чем известная. В ней учтена, во - первых, зависимость площади горизонтального сечения водяного пространства котла от высоты F=F(h),

c(dT/dt) fl-/Jpi/r= - рiwd(F/)/dh, (3)

где с - удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК); Т- температура воды, К; t - время, с;

/- объемная доля пара, паросодержание; pi - плотность воды, кг/м3; рг - плотность пара, кг/м3; г - теплота парообразования, Дж/кг; w - скорость подъема пузырьков пара, м/с;

Во - вторых, как показали опыты, парообразование в элементарном объеме воды зависит прямо пропорционально от высоты ее слоя: нуль отсчета совмещен с глубиной начала кипения (рисунок 7):

dT/dt=(dT/dt)o(h/hü), (4)

где (¡Т/Ж - темп падения температуры в элементарном объеме, К/с; (с1ТШ)а - темп падения температуры у зеркала воды, К/с; Н - текущее значение высоты уровня воды, м; /го - высота кипящего объема воды, м.

В - третьих, темп температуры верхних слоев воды прямо зависит от темпа уменьшения давления в котле согласно кривой:

0,8 0,6 0,4 0,2 0

* V

>

У

.ш

I V

100 104

108

112 Г, «С

Рисунок 7 - Изменение температуры воды по высоте котаа во времени при срабатывании предохранительного клапана

♦ - температурное поле воды до начала срабатывания клапана;

промежуточные значения поля;

* - температурное поле в конце опыта в момент закрытия клапана

(dT/dt)a=Ldpldt., (5)

Давление в котле определяется расходом пара через расходную магистраль

и предохранительный клапан, с одной стороны, и массой образующегося

пара - с другой, при этом выполняется условие:

тп = /иР, (6)

где расход пара тР рассчитывается по известным газодинамическим функциям, гидравлическим и геометрическим характеристикам проточной части предохранительного клапана F3 и расходной магистрали FP:

mP=m(F3, Fv,p) (7)

Система уравнений (3) - (7) вместе с начальными условиями fh=o=0 замкнута, ее решение позволяет найти функцию J[h): решение возможно только численно.

Приращение объема воды за счет ее кипения находится интегрированием ДА) по высоте кипящего слоя

A V = ]f(h)F(h)dh,

о

После этого сравнивают значение AV с величиной свободного (парового) объема и определяют количество выбрасываемой воды из котла.

На рисунке 6 дается решение системы уравнений применительно к паровому котлу КВ-300М для случая его работы на рабочем режиме и при срабатывании предохранительного клапана: видно достаточно хорошее совпадение с опытными данными. Решение произведено с помощью программного продукта Mathcadplus 6.

Разработанная математическая модель позволяет на стадии проектирования методом подбора определить необходимое сочетание конструктивных параметров котла, исключающих выброс кипящей воды при срабатывании предохранительных клапанов.

Установлено, что процесс кипения воды в котле влияет на показания штатного уровнемера. Расчетным путем и на опытах показано, что устранить влияние кипения воды можно, сообщив нижний трубопровод уровнемера с нижними некипящими слоями воды в котле.

Петля гистерезиса в работе предохранительного клапана, обнаруженная опытным путем, есть результат действия на подвижные части клапана гидродинамических и массовых сил и усилия пружины (если она есть, рисунок 8). В работе предложена математическая модель, описывающая положение грибка предохранительного клапана относительно седла, основа которой представлена уравнением равновесия десгвующих сил:

где р1,рг,ръ,рч - статическое давление пара под грибком до узкого сечения, под грибком за узким сечением, над грибком и атмосферное со отвественно, Паа;

Fiw.Fi- площадь проходного сечения входного патрубка и мидель грибка, м2;

и>1 - скорость пара в патрубке, м/с;

и>2- скорость пара в зазоре между грибком клапана и седлом, м/с; т - расход пара, кг/с;

кг-сова, а- угол разворота струи в зазоре между седлом и грибком; кп - жесткость пружины, Н/м;

ко - предварительное сжатие пружины, м; М - масса подвижных частей клапана (возможно приведенная), кг;

g - ускорение земного тяготения, м/с2.

Конструктивные безразмерные параметры и гидравлические характеристики клапана приняты известными (в работе приводятся результаты

(pl-Pl)Fi+(p2-pъ)(F2-F^)-(pъ-pя)F^+mWl-mW2k2-Mg-kт¡(ho+h)=0 (8)

Рисунок 8 - Обобщенная конструкция предохранительного клапана

продувки клапанов); скорость и другие газодинамические параметры потока и расход через клапан определены через известные газодинамические функции. В результате решения уравнения (8) получено условие равновесия сил в переменных Л* и рк, где Л* =Л йпаШк (рК - давление в котле, Паи; А -диаметр патрубка, м).

Вид этой зависимости приведен на рисунке 9а: слева направо при й*>0 у кривых влияние веса груза клапана убывает, при этом нарастает влияние пружины. Применительно к грузовому предохранительному клапану типа КПС, применяющемуся на паровых котлах малого давления, условие равновесия сил без учета влияния кожуха выглядит достаточно просто, кп-0, к2=0; рз=рг=ра (рисунок 96):

К =10,27

7А. "А

А-А

где рко =1,7-105 Паа - расчетное давление срабатывания клапана.

(9)

й*

0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4

1 тг^

0 2 0 , 0,6 0,! Рк,

4

105 Паи

Рисунок 9а - Семейство кривых И*=к*(рк).

0 0,2 0,4 0,6 0,8 рк, 105 паи

Рисунок 96 - Статическая характеристика клапанов типа КПС

На рисунке 9а ему соответствует левая кривая (при й>0).

Однако, у этих кривых есть особенность: не все их участки являются устойчивыми. Применив первый признак Ляпунова, можно получить, что устойчивыми ветвями являются ветви с положительными значениями производной сИг*Шрк: для клапанов типа КПС ветвь в рабочем диапазоне параметров неустойчива. На рисунке 96 в зоне "3" клапан всегда стремится к закрытию, в зоне"0" - к открытию. В результате этого статическая характеристика этих клапанов выглядит как показано на рисунке 5.

У пружинных предохранительных клапанов для случаев дозвукового течения можно добиться, меняя жесткость пружины, малогистерезисной характеристики.

В случае сверхзвукового течения через пружинный предохранительный клапан, как показано в работе, статическая характеристика выглядит как показано на рисунке 10: 5 - образность объясняется изменением площади, по которой действует давление р\ о+АДй), на ширину посадочного

пояска Ъ, по которому происходит поджатие грибка к седлу за счет изменения положения скачка уплотнения (рисунок 11), которое можно описать уравнением Ц0Г)=ЩК)/Рп = ЦЪ/ЩехрНК-А,//(2а2)]-. Поэтому статическая характеристика описывается уравнением

Рисунок 10 - Петля гистерезиса и условие равновесия у пружинных клапанов при сверхзвуковом истечении

Кривая 1 - экспериментальные данные Кондратьевой Т.Ф., кривая 2 - расчет по формуле (10)

Рисунок 11 - Схема течения в узком месте пружинного предохранительного клапана на сверхзвуковом режиме

С1 - положение скачка уплотнения в момент открытия; С2 - положение скачка уплотнения при промежуточном положении грибка клапана; СЗ - положение скачка уплотнения на конечной стадии открытия клапана

А =-

Ри + Р.¥(К)+К (Ч / ^ )К

(10)

1 + А/(К) + ц1В{0,5[\-£-(! + дд/с/г';]АК -¿/тш}'

где , 8та=сз+с4-ехр(-/г/с5) - отклонение вектора скорости ш в зависимости от положения клапана Л* (опытные данные);

Цк=Цко [1- ехр(-Л7/:)] - коэффициент расхода через клапан иг в зависимости от положения клапана А* (опытные данные);

Математическая модель дает достаточно хорошую сходимость с результатами опытов, в качестве примера на рисунке 10 приведено сравнение расчетной статической характеристики (по уравнению 10) и опытной, полученной Кондратьевой Т.Ф.: 5=0,74; £=0,42; ст=0,1; сз~С4=0,3, С5=0,14, цко-0,95; £=0,14-0,18; /ц=0,29; 6=0,002 м; А-2-2,4.

Разработанная математическая модель предохранительных клапанов позволяет на стадии проектирования рассчитать их рабочие характеристики и методом подбора конструктивных размеров выбрать из них удовлетворяющие необходимым требованиям.

В четвертой главе рассмотрены вопросы безопасности паровых котлов малого давления при упусках воды. На этих режимах уровень воды в котле снижается за счет ее испарения до значений, которые считаются опасными, так как при этом обнажаются, перегреваются и могут разрушиться теплопередающие элементы: жаровая или кипятильные трубы, - что может привести ко взрыву котла.

Экспериментально показано, что упуск уровня воды вплоть до обнажения верха жаровой трубы, то есть на 100 мм ниже положения, трактуемого как аварийное, не представляет опасности для обслуживающего персонала. Подача воды в котел с целью восстановления уровня воды в котле приводит к полному прекращению кипения и снижению давления в котле практически до атмосферного. Развитие технологического процесса после заполнения котла до верхнего рабочего уровня проходит по обычной схеме выхода котла на рабочий режим. Это нарушение требований безопасности не приводит к каким - либо заметным изменениям в работоспособности паровых котлов: после таких испытаний они подтверждали свои технологические данные, а гидравлические испытания при нормативном давлении 2-105 Паи - прочность конструкции.

Упуск воды в котле с обнажением половины высоты жаровой трубы приводит к более существенным отклонениям параметров от рабочего режима в ходе упуска и при восстановлении уровня воды (рисунок 12). Видно, Включение подпитки

0,4 0,3 0,2 0,1

— 400

300

Рисунок 12 - Ход давления пара при восстановлении уровня воды с расходом 1

200 кг/с после упуска до 1/2 100 жаровой трубы

о

5

10

15 г, мин

что после некоторого спада давление в котле при увеличении уровня воды росло, а при достижении верха жаровой трубы - резко уменьшалось до атмосферного. Характер изменения давления в котле объясняется кипением воды и образованием пара только на обнаженных и перегретых теплопере-дающих частях жаровой и кипятильных труб. По окончании опытов жаровая и кипятильные трубы не претерпевали термических деформаций (визуальная оценка), а котлы выходили на рабочий режим по обычной схеме. Гидравлические испытания котлов после опытов не выявляли отклонений от требований безопасности.

Полный упуск воды в котле (рисунки 13 и 14) приводил к появлению р, 105Паи 0,5

500

Рисунок 13 - Изменение давления и температуры в ходе полного упуска воды в паровом котле КВ-ЗООМ

I

7 час

105 Паи ^^

НРУ ВРУ

тл

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Рисунок 14 - Изменение давления и температуры в ходе восстановления уровня воды после его полного упуска в паровом котле КВ-ЗООМ (расход на подпитку - 1,0 кг/с).

Условные обозначения: НРУ - нижний рабочий уровень;

ВРУ - верхний рабочий уровень.

значительных деформаций не только жаровой и кипятильных труб, но иногда и наружного барабана. Давление пара в ходе полного упуска воды не выходило за рамки рабочих значений, хотя температура пара значительно

увеличивалась. Восстановление уровня воды было связано с ростом давления пара при снижении его температуры.

Всего проведено 10 испытаний с полным упуском воды, в течение которых разрушений (взрывов) котлов не наблюдалось. Результаты гидравлических испытаний котлов, проведенных после опытов, выявили в двух случаях наличие неплотностей (течей) в сварных швах жаровой трубы.

Разогрев пустого котла вплоть до выхода температурных полей его конструкции н& стационарный режим и последующая подача воды в пустой котел представлял наиболее жесткий режим упуска воды, который на практике, возможно, никогда не реализуется. При этой серии опытов на 5 котлах из 10 термические деформации привели к появлению в сварных швах на жаровой трубе трещин, размеры которых обуславливали течи, не позволявшие продолжать опыты. Однако, оказалось, что после производства ремонта котлов проведение таких опытов становилось возможным. На рисунке 15 приведены результаты восстановления уровня воды после разогрева пустых котлов при разных значениях расхода воды на подпитку.

/>,105Паи

Рисунок 15 - Изменение давления в котле при восстановлении уровня воды после разогрева пустого котла при разных значениях расхода воды на подпитку котла 0 1 2 3 4 5 6 7 МО"3, с

Результаты полного упуска воды на паровом котле КГ-1000А паропроизво-дительностыо 1000 кг/час, работающего на природном газе (рисунок 16), полученные при содействии ГСКБ по комплексу оборудования для микроклимата (г, Брест), представлены на рисунках 17 и 18. В течение опытов давление пара в котле не поднималось выше рабочего. По окончании опыта обнаружено, что легкоплавкая пробка выплавилась, однако установить точное время этого не удалось, так как никаких внешних признаков появления течи в топке во время опыта не наблюдалось. Осмотр жаровой трубы и дымогарных труб и котла в целом после опыта не выявил заметных дефектов. После восстановления целостности легкоплавкой пробки котел был

подвергнут гидравлическому испытанию в 0,2 МПаи, в течение которого отклонений от нормы замечено не было.

Используя уравнение расхода пара через расходный клапан, уравнение теплового баланса при испарении воды на перегретых элементах и темп

Рисунок 16 - Схема парового котла КГ-1000А (с препариров-кой)

1 - место подвода воды; 2

- дистанционный уровнемер; 3 - наружный барабан; 4 - горелка; 5 - дымогарные трубы; б - легкоплавкая пробка; 7 - топка; 8 - взрывной клапан; "Л ...Т5- места установки датчиков температуры; рк

- места установки датчиков давления.

Т, °С 600 400 200 0

рк, 105 Паи

0,3 0,2 0,1 0

0 0,2 0,4 0.6 0 8 1,0 1,2 Я, м

Л1Л2Л3 Л4Л5 Лб Й7 Нз

Рисунок 17 - Изменение давления пара и температур при упуске воды в

котле КГ-1000А

Рте - давление пара; Т\ - температура металла на высоте 0,4 м от верха пароводяного пространства; Тг - температура металла 0,47 м от верха; 7з - температура металла на высоте 0,55 м от верха; - температура металла рядом с легкоплавкой пробкой; Т6 -температура газов в дымовой трубе; Тп - температура пара на выходе из котла. А1 -положение верхнего рабочего уровня воды; />2 - положение нижнего рабочего уровня; Лз - аварийный уровень; Л4 - ось первого ряда труб; Ы- ось второго ряда труб; Не -ось третьего ряда труб; Л7 - верх жаровой трубы; Ы - ось жаровой трубы;

Т, Г2 V 1 - Тъ Т,

лГ

^-Гп

нарастания уровня воды при включении подпитки, можно получить, что в процессе восстановления упущенного уровня воды давление в котле будет

Г, °С 600 400 200 0

0,3 0,2 0,1 0

____ \

Ат6

Гп ъ

1

р,. Ю'Паи

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

равно

Pt =

Н, м т. В

rZKh 'p. F,

Рисунок 18 - Изменение давления пара и температуры в ходе восстановления упущенного уровня воды в котле КГ-ЮООА (обозначения idem)

(И)

где сж, рж - теплоемкость и плотность стали, Дж/(кгК) и кг/м3; г, рв - теплота испарения и плотность воды, Дж/кг и кг/м3; АТ~Тж,-Тп - температура перегрева I элемента при упуске воды, К; 5Ж(- ширина г перегретого элемента при его горизонтальном сечении .(рисунок 19), м;

5ву- ширина зеркала воды на у участке (рисунок 19), м; тв - расход воды на подпитку, кг/с;

В - газодинамическая функция, зависящая от /?к/ра и Тп, м/с; Л - эффективная площадь проходного сечения расходной сети, м2. /,• - длина участка линии смачивания по элементу с одинаковой температурой и шириной (рисунок 19), м;

1} - длина участка линии смачивания по зеркалу воды с одинаковой шириной, м;

п - количество перегретых элементов одинаковых ширины сечения и температуры;

т - количество участков зеркала воды одинаковой ширины.

Рисунок 19 - К определению характерных линейных размеров 5/

Если не принимать в расчет зависимость коэффициента В от давления и температуры в котле, то давление пара при восстановлении уровня воды

после упуска прямо зависит от величины расхода воды на подпитку, что качественно подтверждается результатами опытов (рисунок 15).

Проведенные совместно с представителями Подольской машиноиспытательной станции опыты по упуску воды на наиболее жестких режимах - разогреве пустого котла и включении после этого подпитки водой - на котле КВ-300М подтвердили основные результаты исследований: упуск воды в котлах малого давления не представляет опасности для обслуживающего персонала.

Так как все паровые котлы малого давления изготавливаются в соответствии с действующим стандартом, то проведенные опыты позволяют утверждать, что все они безопасны при упускал воды.

Принимая во внимание, что исследованию подвергались паровые котлы, не имевшие накипи на теплопередающих элементах, следует ограничить область распространения выводов только на новые копты.

В пятой главе приведены результаты исследований характера протекания физических процессов в паровых котлах малого давления при прямом их включении в системы отопления и оценена взрывобезопасность.

Выяснено, что предохранительные клапаны типа КПС не приспособлены для работы на воде - они протекают, что объясняет их демонтаж при установке котлов в системы отопления. В таком случае при перегреве системы отопления в ней возможно нарастание давления вплоть до разрушающих значений. Однако, если верх пароводяного пространства котла соединен трубопроводом с атмосферой через расширительный бак, то этот трубопровод может выступать в качестве средства безопасности.

На рисунке 20 приводится полученная опытным путем зависимость

Рк, 105Паи 2,0 —

1,5 1,0

0,5 0 ,

Рисунок 20 - Зависимость давления в котле КВ-300М от диаметра соединительной трубы при перегреве в отопительной системе.

20

30

40

50 (I, мм

давления в котле от диаметра трубопровода на стационарном режиме работы котла КВ -300М (через 5 минут после начала кипения в котле). При

внутреннем диаметре соединительной трубы 12 мм (0,5') следует ожидать давление в системе равным 4,5-105 Паи (получено расчетом). Безопасными значениями могут быть приняты только значения меньшие 0,7-Ю5 Паи, что обеспечивается диаметром соединительной трубы больше 28 мм.

Получено, что при перегреве системы (например, в отсутствие циркуляции воды) при диаметре соединительного трубопровода более 50 мм в первые 3 минуты в ней появляются колебания давления (рисунок 21) со средними параметрами: 7»7 с и Арк«0,04-105 Па. Колебания давления сопровождаются звуком гидроударов в котле и трубопроводах, их вибрацией и раскачиванием котла (до 5 мм в верхней части котла: измерение органо-лептическое). Вода из расширительного бака за счет прорывов пара начинает выплескиваться толчками, а бак начинает раскачиваться. ^к,105 Паи

0,3 0,2 0,1 О

ми

ш т

«¡ВО*:.

Рисунок 21 - Колебания давления в котле при перегреве системы (диаметр трубопровода 50 мм)

0 25 50 75 100 125

150

Г, с

Хотя за время опытов не были отмечены разрушения котла и разгерметизация стыков, трактовать этот режим работы системы отопления как безопасный сложно. В то же время наличие колебаний давления в системе отопления может служить сигналом ее перегрева и принятия оператором срочных мер безопасности, среди которых наиболее радикальная - выключение топки.

При диаметрах трубопровода 32 мм и меньше колебания давления едва регистрируются системой измерения: котел на этих опытах плавно переходит на паровой режим работы.

Рассмотрим механизм колебания давления (рисунок 22). Отметим, что трубопровод с диаметром 50 мм и длиной 15 м имеет пропускную способность, близкую к значению, характерному для предохранительного клапана, поэтому при развитом кипении из котла должно быть вытеснено около 200 кг воды (рисунок 6).

С началом кипения накапливающийся в верхней части котла пар и перегретая вода попадает в трубопровод, вытесняя оттуда холодную воду.

Перегретая вода при своем движении вдоль трубопровода продолжает кипеть, в результате чего в конце трубопровода пар согласно расчетам занимает более 50% объема. На этом "снарядном" режиме работы трубопровода изменение давления в котле можно описать полуфеноменологической моделью, основой которого является уравнение энергии

M*cLdpldl=q- r[2pc(i)(pK -/>,)] 1/2Д» (12)

где Мв - масса воды в котле, кг;

с - удельная теплоемкость воды, кДжДкгК);

рс(0 - функция средней плотности смеси пара и воды в трубопроводе (рисунок 23), кг/м3; L - из уравнения (5), К/Па; q - мощность топки, Вт; г - теплота парообразования, Дж/кг;

F3 - эффективная площадь проходного сечения трубопровода, м2. В уравнении (12) слева расположен член, учитывающий прогрев воды в котле, справа первое слагаемое - энергию, подводимую топкой, второе слагаемое - вынос энергии с расходом пара через трубопровод.

Рисунок 23 - Вид функции рс(/) - зависимость средней плотности смеси пара и воды в трубопроводе и ее соответствие по времени колебанию давления

Время нарастания давления в котле совпадает со временем разгона воды в трубопроводе, рассчитываемым по уравнению динамики для переменной массы переменного значения силы (трубопровод по пару "заперт"

Л=0),

(1-х)/ч/орв(^х/Л2)=.Рт(ф/Л)г, а ¿рШ=д1(сМвЬ), (13)

где л: - координата вдоль трубопровода, м; /о - длина трубопровода, м;

Рв - плотность воды, кг/м3;

Гт - площадь поперечного сечения трубопровода, м2. и равно около 4 секунд. Это дает основание полагать, что описанный механизм колебаний правомочен.

Так как физические характеристики пара одинаковы у паровых котлов малого давления при одном и том же допустимом рабочем давлении 0,07 МПаи, то, как следует из опытов, при установке парового котла литого давления в систему отопления минимальный диаметр трубопровода, соединяющего верх котла и расширительный бак, должен быть выбран из условия РТ>56Л0~4-тк [м2], где гт. - среднечасовая паропроизводительность котла, кг/с. Завышение этого значения более чем в 2 раза приводит в случае перегрева системы к появлению в ней колебаний давления и гидроударов.

В случае замкнутости системы отопления получено, что паровые котлы КВ-300М разрушаются со взрывом при давлении 6-105 Паи (1 опыт, рисунок 24, фотографии 3 и 4) и 6,4-Ю5 Паи (2 опыт, рисунок 25). Обращает на себя внимание, что котлы этой же партии, полученные на Зарайском механическом заводе, на гидросгенде разрушились при давлении 4,2 и 4,5-105 Паи: жаровая труба потеряла устойчивость с образованием выпучины в сторону топки, в сварных швах появились трещины, при этом давление в

Рисунок 24 - Схема разрушения Рисунок 25 - Схема разрушения котла при первом взрыве котла при втором взрыве

котле не увеличивалось, несмотря на работу насоса (рисунок 26). Столь большая разница между давлениями при разрушениях котлов на гидростенде и на опытах, воспроизводящих реальные случаи, может быть объяс-

нена

только

тем,

что

29 потеря

устойчивости элементами

ы

ЛТИП!_Г

о

Ш1

пароводяной объем

I с

Гв

! топка

ПИрИЗШЕТОЯЗГ"

О-

Рисунок 26 - Схема и результаты испытаний парового котла КВ-ЗООМ на гидростенде Зарайского механического завода

А, В - места разрушения сварных швов; С - место выпучины.

котла и начальное местное разрушение сварных швов при действии давления еще не есть начало взрывного разрушения конструкции и то, что по сравнению с расчетными данными конструкция котла имеет дополнительный запас прочности. Места расположения трещин в сварных швах совпали с линиями разрушения котлов при взрыве. Длительность шума при разрушении конструкции котла на опытах и истечения пароводяной смеси составляла около 1 секунды. Основная составляющая энергии взрыва представлена энергией перегретой воды и равна 3-Ю8 Дж: при мгновенной разгерметизации котла вода, нагретая до температуры, соответствующей давлению взрыва, в условиях нормального давления объемно вскипает. Кинетическая энергия разлета осколков, судя по траектории выброса корпуса котла (рисунок 27 и фотография 3), равна 1,5-106 Дж (масса котла - 600 кг,

Рисунок 27 - Траектория выброса корпуса котла КВ-300М при взрыве

расчетная скорость его вылета - 50 м/с). Коэффициент "полезного действия" при реализации располагаемой энергии взрыва в кинетическую энергию осколков составляет около 0,5 %. Среднее расчетное усилие, действующее на корпус котла при истечении струи в течение 1 с равно приблизительно 30-Ю4 Н, что совпадает со значением усилия разрыва котла в осевом направлении в начале взрыва. Во врем? взрыва образуется около 140 кг пара: этот параметр является важным при расчетах возможных разрушений помещения котельной.

Фотография 3 - След траектории котла в лесонасаждениях (1 опыт)

Характер разрушения конструкции котла и энергия взрыва, полученные на опытах, оказались типичными для реально происходящих.

Ввиду того, что все паровые котлы малого давления изготовлены в сооветствии с действующим стандартом, при расчетах энергии взрыва необходимо исходить из условия, что их взрывы происходят при давлениях, превышающих давление разрушения котла на гидростенде на 50%.

В шестой главе исследовалась взрывобезопасность топок паровых котлов, работающих на жидком топливе, на примере топки котла КВ-ЗООМ. Эта топка работает на печном бытовом топливе, подаваемом самотеком и распыливаемом в диффузоре с помощью вентилятора (тТ= 0,0082 кг/с, средний диаметр распыливаемых капель - 0,045 мм, скорость вдува топливо-воздушной смеси на выходе из горелки - 5 м/с). Диаметр топки составляет 900 мм, длина - 1900 мм, диаметр дымовой трубы - 250 мм и высота ее - 2 м (на опытах).

При температуре стенок топки, равной температуре окружающего воздуха (15±10 °С) получено, что в топке невозможно получить давление воспламенения (взрыва) больше чем давление штатного зажигания (60 Паи) в пределах изменения времени задержки воспламенения от 0 до 90 с.

В случае прогрева стенок котла до рабочих температур (в нижней части - 100 °С, в верхней - 114 °С) развитие процесса взрыва (рисунки 28 и 29) зависит от времени задержки и (рисунок 30) . Однако эта зависимость имеет место только до значений ?,=40 с, после чего ход процесса взрыва остается неизменным, а максимальное давление взрыва устанавливается на значении, не превышающем 0,01-105 Паи.

Столь малые значения давления взрыва объясняются тем, что при температуре стенок 100-110°С на ней испаряется не более 10% попавшего в

Рисунок 28 - Типичная запись давления взрыва на осциллограмме

задаваемое время задер- I времени индукции жки воспламенения, гз воспламенения

1 времени взрыва

топку топлива, а распыленная ее часть, находящаяся в капельном состоянии вдали от горелки, не поддерживает горения.

В работе получено, что давление при взрыве в топке мо^но рассчитать по формуле (истечение из топки при взрыве дозвуковое)

ф А

где А= Д(2р.р)»2/М и £=и>(е-1)/Рк;.

- эффективное проходное сечение всех отверстий, через которые истекают продукты сгорания и несгоревшая смесь при взрыве, м2;

О 0,1 0,2 0,3 0,4 I, с Рисунок 29 - Экспериментальные кривые давления взрыва при различных значениях задержки воспламенения

1-/3=0...10с; 2-й =15 с; 3 - и =20 с; 4-г, =30 с; 5 г, =40 с;

Рисунок 30 - Максимальные значения давлений взрыва в зависимости от времени задержки

.........- ширина доверительного интервала

при у=0,95

р = р^ра - Рк, р* - давление в топке и атмосферное соответственно, Па;. й- площадь, по которой происходит горение топливной смеси, м2; р - плотность воздуха (и смеси), кг/м3; М - масса воздуха в топке, кг; и' - скорость нормального горения смеси, м/с;

е =Л27У(7?1 Т\) - отношение газовых постоянных и температуры смеси после горения и до горения соответственно; Ук - объем топки, м3.

Величина площади должна удовлетворять условию

,а=ус, (16)

о

Ус - объем топливо-воздушной смеси, способной к воспламенению и находящейся вдали от горелки, м3;

Л - время полного выгорания топливо-воздушной смеси в топке, с.

Пары топлива, способные к воспламенению, концентрируются вдоль поверхности топки, на которой образуется топливная пленка (рисунок 31). Расчеты показали, что, если не принимать во внимание переходный процесс - сгекание по стенке излишков топлива - толщина пленки изменяется от 6 мкм в верхней части топки до 2 мм в нижней. Излишки топлива стекают по стенке и собираются в виде лужи в нижней части топки.

Первый пик давления является следствием воспламенения объема У\, в котором топливо находится в капельном состоянии и достаточной концентрации: этот пик давления имеет место всегда, в том числе и в холодной топке. Второй пик давления - это результат воспламенения смеси испарившегося топлива и воздуха в объеме Ус. Увеличение времени задержки

Рисунок 31 - Месторасположение воспламеняющихся объемов

У\ - объем в окрестности горелки, Ус - объем в окрестности стенок жаровой и кипятильных труб.

Г'

воспламенения приводит к росту давления взрыва при воспламенении объема Ус и слиянию первого и второго пиков давления.

Если задать закон изменения площади фронта горения Рг в виде суммы двух нормальных кривых с различными математическими ожиданиями, то, подбирая значения констант, характеризующие эти кривые, при начальных условиях Iо=0 и р =1, можно получить с помощью уравнения (16) изменение давления в топке при взрыве, соответствующее опытным данным. При этом получается, что величина воспламеняющегося объема Ус изменяется от 0 до 0,011 м3, если это стехиометрическая смесь, что составляет всего 1 % от всего объема топки. Это обстоятельство дает основание трактовать взрыв в топке как вспышку паров на внешней поверхности пленки топлива в слое топливо - воздушной смеси толщиной около 1 мм.

Котел КВ-300М после проведения более 300 взрывов в топке остался работоспособным, хотя взрывной клапан, состоящий из асбокартона, разрушился (все опыты были проведены без взрывного клапана), что позволяет оценить задержку воспламенения при работающем вентиляторе в паровых котлах малого давления как безопасную ситуацию.

Проведенные совместно с представителями Подольской машиноиспытательной станции опыты по оценке взрывобезопасносги топки парового котла КВ-300М подтвердили основные результаты исследований: развиваемое давление взрыва не представляет опасности для обслуживающего персонала.

Теоретически решена задача о наиболее благоприятном положении взрывного клапана на ограждении топки. Принято было, что топка имеет цилиндрическую форму, причем длина ее значительно больше, чем диаметр; а фронт горения перпендикулярен оси топки (рисунок 32). Массопри-ход продуктов сгорания определяется нормальной скоростью горения, а время горения - переносной (видимой) скоростью горения. Процесс в топке можно описать уравнением

продукты ) несгорсвшая Рисунок 32 - Схема распространения

сгорания Л—смесь, Vi ----

N пламени в топке

J Vz

1 - устройство зажигания; 2 - фронт горения; 3 - взрывной клапан.

(1о -—

— + =В, (17)

си

где В=(€-1)и„о1Ь, 8=^7)2/(^7)! (18)

к - постоянная Больцмана.

Видимая скорость горения определяется суммой нормальной скорости и скоростей, обусловленных сдвигом слоев газа за счет их расширения при сгорании и за счет расхода через взрывной клапан.

Температура продуктов сгорания и топливо-воздушной смеси в топке изменяется не только за счет сгорания, но перераспределяется между ними при адиабатическом сжатии. Время достижения продуктами сгорания взрывного клапана зависит от его положения; а по достижении - чере? клапан начинает истекать не смесь, для случая которой

дЬГ

а продукты сгорания, имеющие более высокую скорость истечения, при

(20)

этом

(21)

qLF^t

С помощью уравнения (17) и изложенных соображений с использованием программного продукта Mathcadplus 6 найдено численным решением (рисунок 33), что наиболее благоприятным расположением взрывного кла-

пана является начало и конец топки. Объясняется это тем, что при расположении клапана в начале топки давление взрыва уменьшается за счет более высокой скорости истечения через него. Если же клапан расположен в конце топки, то через него выбрасывается значительное количество несго-ревшей смеси, что также приводит к снижению давления взрыва. Решение

Рисунок 33 - Зависимость максимального давления взрыва в топке от места расположения взрывного клапана (расчет) от положения взрывного клапана

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ИЬ

этого уравнения искалось при начальных условиях р =1 и х=0 при г=0. Расчет произведен для топки со следующими конструктивными данными: Ь-0,5 м, /э=10-4 м2, /2=10"3 м2 и газодинамических параметрах: #=1,3; (Л7)1=9-104м2/с2; р=1,3 кг/м3; и„о=0,4м/с; £=1,4;

Расчетами показано (на опытах подтверждено), что верхняя секция дымовой трубы при взрывах сдергивается. Объясняется это тем, что при взрывах на козырьке дымовой трубы вектор скорости истекающих газов меняет свое направление, в результате чего на дымовую трубу действует усилие более чем втрое превышающее вес верхней секции. А так как на котле КВ-300М секции трубы между собой не закреплены, то взрыв может привести к ее одергиванию. На практике верхняя секция трубы часто находится на уровне чердачного помещения вне поля зрения оператора, поэтому продолжение работы котла после взрыва может привести к попаданию в чердачное помещение продуктов сгорания и пожару.

Взрыв в топке пожароопасен.

В качестве одного из критериев определения причины взрыва при расследованиях можно использовать уровень энергии взрыва. В обоснование этого в таблице 2 приводится значение энергии взрыва парового котла в зависимости от возможной причины взрыва. Значение энергии взрыва парового котла, включенного в систему отопления без предохранительных клапанов, взято из опытных данных; энергия взрыва парового котла в ситуации упуска воды (если допустить, что взрыв может иметь место) рассчи-

тана, исходя из предположения максимально возможной - при давлении в котле 0,7-Ю5 Паи и воде, нагретой до 114 °С - ркУк+Мв-АТ-с-

Таблица 2 - Энергия взрыва котла КВ-ЗООМ в зависимости от причины

Возможная причина взрыва Энергия взрыва Сосч ношение оперши

Перегрев отопительной системы в отсутствие средств защиты 3-108 Дж 3-10s

Упуск воды в котле 6-107Дж 6-Ю^

Включение подпитки после упуска воды 105Дж 100

Накопление в топке топливо-воздушной смеси 103 Дж 1

=0,7-105-l,3+103-14-4,2-103s6'107 СДж]. При включении подпитки после упуска температура^воды в котле ниже температуры кипения, поэтому при взрыве в этом ^ случае может участвовать только энергия сжатого пара [Дж]. Энергия взрыва топливо-воздушной смеси в топке определена по данным опытов: />тКт=0,01-10Ч=103 [Дж].

При возможных взрьшах в первом случае выбрасывается в помещение котельной 200 м3 пара, во втором - 30 м3 пара, в третьем - 1 м3 пара, в четвертом - 0,11м3 продуктов сгорания. Разрушения котельной следует ожидать пропорциональными этим значениям.

Соотношение уровней энергии взрывов является типичным и для всех паровых котлов малого давления.

Социально - экономическая эффективность результатов исследования при их внедрении оценивается по уменьшению числа людей, погибающих при взрывах котлов. Согласно формуле (2) из рассмотрения должны быть исключены взрывы по ситуациям упуска воды, взрывов в топке и выбросов горячей водой (таблица 1), что дает при расчете прогнозного значения числа взрывов снижение практически вдвое. Наблюдаемое фактическое снижение числа взрывов, происшедшее с 1990 года по 1997 (рисунок 1), подтверждает этот результат. Постепенное исключение в рассматриваемый период упуска воды и взрывов в топке из состава указываемых причин взрывов котлов является показателем внедрения в том числе и результатов данной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В представленной работе решены основные научные и инженерно -технические аспекты проблемы повышения взрывобезопасности паровых котлов малого давления. Принятая в работе концепция повышения взрывобезопасности паровых котлов малого давления оказалась плодотворной, а разработанный и использованный при исследованиях метод намеренного перевода натурных образцов паровых котлов малого давления во взрывоопасные состояния обеспечил новизну результатов исследований, позволил получить достоверную информацию о протекающих физических процессах во взрывоопасных ситуациях и дал возможность разработать математические модели с высокой степенью адекватности описываемым процессам.

2. На стационарном режиме работы топки паропроизводительность котла колеблется в связи периодическим включением подачи воды в котел в пределах 20%. При 10% нормативном запасе пропускной способности предохранительного клапана последний не может обеспечить допустимое значение давления в котле на максимальном режиме парообразования, что можно считать опасной ситуацией.

3. При срабатывании предохранительных клапанов имеет место явление гистерезиса по давлению: для клапанов типа КПС открытие клапана происходит при давлении в котле 0,07 МПаи, а закрытие - при давлении 0,045-0,05 МПаи. Гистерезис в работе предохранительного клапана и недостаточный размер парового объема котла приводят к выбросу из парового котла кипягцей воды, что представляет опасность для обслуживающего персонала.

Применение разработанной математической модели, описывающей положение грибка предохранительного клапана в зависимости от давления в котле, дает возможность расчета статической и расходной характеристик клапанов. Математическая модель, описывающая взаимодействие котла и предохранительного клапана, позволяет рассчитать минимально необходимый размер парового объема, при котором исключен выброс воды из котла.

4. Неглубокий упуск воды (до 10% по высоте жаровой трубы) для котлов малого давления не представляет опасности: эта ситуация практически

не отражается на технологическом процессе и состоянии котла. Глубокий упуск воды также не явлется опасным, хотя при этом появляются термические деформации и разрушения жаровой и кипятильных труб: процесс приводит к выводу из строя котла как технологической единицы.

Предложенная методика позволяет рассчитать давление в котле при восстановлении упущенного уровня воды в зависимости от конструктивных особенностей котла и режима подпитки.

5. При прямом включении парового котла в систему отопления применяемые на всех типах котлов малого давления предохранительные клапаны не обеспечивают необходимой герметичности системы, что влечет за собой необходимость их демонтажа. В случае соединения верха парового пространства котла и расширительного бака трубопроводом длиной менее 15 м площадью сечения РТ>1ЪЛ0 Л-тк при перегреве системы в ней возникают колебания давления (/«к - среднечасовая паропроизводительносгь котла, кг/с).

Если площадь сечения соединительной трубы Л<56-10"4-тк, то при перегреве системы в котле нарастает давление, при котором возможно разрушение котла. Котлы разрушаются при давлениях 6 - 6,510'5 МПаи, что на 40...50% превышает то значение, при котором фиксируется разрушение на гидростенде. Энергия взрыва и количество образующегося при взрыве пара определяются из энергии воды, перегретой относительно 100°С. Энергия разлетающихся частей котла составляет около 0,5% от общей энергии взрыва.

6. Взрывы в топках, работающих на жидком топливе, случающиеся при задержках воспламенения, накоплении в топке топливо - воздушной смеси и последующем ее воспламенении при работающем вентиляторе, не могут приводить к разрушению конструкции котла, так как развиваемое при этом давление не превышает значений 0,001 МПаи (0,01 ати), что позволяет расценить эту ситуацию как безопасную.

Разработанная модель взрыва трактует его как вспышку паров над пленкой топлива, оседающего на стенках топки, и позволяет рассчитать давление взрыва в зависимости от конструктивных особенностей топки.

С целью повышения взрывобезопасности паровых котлов малого давления в АПК и в соответствии с результатами исследований рекомендованы следующие инженерно-технические решения:

1. Предохранительный клапан, устанавливаемый на котле, должен быть полноподъемным, его петля гистерезиса по давлению не должна превышать 0,02-105 Па. Клапан должен быть работоспособным при установке котла в систему отопления. Пропускная способность клапана должна превышать на 20% среднечасовую паропроизводительность котла.

2. Размер парового объема котла должен выбираться из условия, что при срабатывании предохранительного клапана в положении уровня воды "верхний рабочий" исключается выброс кипящей воды из котла.

3. Требования безопасности, касающиеся упуска воды, рекомендуется перевести в разряд технологических требований (при условии, что требования безопасности к конструкции паровых котлов малого давления не изменятся).

4. Требования безопасности, касающиеся задержки воспламенения топливо-воздушной смеси в топке котла, работающей на жидком топливе, можно упростить.

5. При появлении колебаний давления и гидроударов в системе отопления необходимо немедленно выключать горелку топки;

6. Секции дымовой трубы должны иметь узлы крепления между собой;

7. При проектировании взрывных окон котельных, в которых устанавливаются паровые котлы малого давления напрямую в отопительную систему, необходимо учитывать, что за 1 секунду в котельную при взрыве выбрасывается количество пара, определяемого из расчета перегрева воды в котле на 65 °С.

8. При проведении анализа технических причин взрывов паровых котлов малого давления среди других критериев необходимо учитывать энергию взрыва и характер разрушения котла и котельной.

Рекомендации 1-7 адресованы проектным организациям и для включения в нормативные документы, а 8 - комиссиям по расследованию причин взрывов котлов.

основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Поландов Ю.Х., Горбачева И.А. Теплогенерирующие и теплоис-пользующие изделия // ГОСТ 12.2.042 - 79. Машины и оборудование для животноводства и кормопроизводства. Общие требования безопасности. Введ. в действие с 01.01.1980 по 01.01.85. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - С. 44 - 52. (Система стандартов безопасности труда). Груцпа Т 58. СССР.

2. Поландов Ю.Х., Горбачева И.А. О причинах недостаточной эффективности предохранительных клапанов грузового типа при упусках воды II Безопасность сельскохозяйственной техники: Сб. науч. тр. / ВНИИОТСХ. -1980.-№ 1 -С. 74-81.

3. Поландов Ю.Х. Математическое моделирование процесса подпитки котла после глубокого упуска // Безопасность труда в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. / ВНИИОТСХ. - 1981. - № 2. - С. 86 - 97.

4. Поландов Ю.Х., Малахов H.H. О причинах недостаточной эффективности автоматики безопасности, применяемой на сельскохозяйственной технике // Повышен, безопасн. оборудования и технолог, процессов на основе применен, средств автомат, защиты и промыш. роботов: Тез. докл. на Всес. науч. - техн. конф., 2 февр. 1981 г. - Казань, 1981. - С. 230.

5. Поландов Ю.Х. Исследование взрывобезопасности паровых котлов // Безопасность труда в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. / ВНИИОТСХ. -1982. -№3. - С. 124- 129.

6. Поландов Ю.Х. Модель системы управления безопасностью труда в сельском хозяйстве // Охрана труда в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. / ВНИИОТСХ. - 1981. - № 4 - С. 43 - 49.

7. Платонов В.В., Поландов Ю.Х., Соловьев В.А. и др. ОСТ 70.2.33 - 80 "ССБТ. Машины и оборудование для животноводства и кормопроизводства. Методы оценки безопасности. Эргономическая оценка". - Утв. и введ. вдейст. МСХ СССР в 1980 г. -М.: Колос, 1981,- С. 132.

8. Поландов Ю.Х. Повышение безопасности паровых котлов при упусках воды // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1982. -№ 7. - С. 6.

9. Поландов Ю.Х., Ладенков Н.В., Дьячков А.М. Экспериментальное исследование безопасности паровых котлов типа KB при снижении уровня воды ниже допустимого // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1982.-№ 8. - С. 32 - 34.

10. Поландов Ю.Х. Инженерный способ расчета параметров пара при упуске воды и критерии безопасности парового котла в этой ситуации //

Безопасность труда в животноводстве: Сб. науч. тр. / ВНИИОТСХ. - 1983. - № 2. - С. 76 - 84.

11. Поландов Ю.Х. Результаты испытаний паровых котлов КВ-300М с устройством безопасной подпитки // Экспресс-информация / ЦНИИ ин-форм. технико-экон. исследов. - 1983, № 3. - С. 21 - 23.

12. А. с. N 1105178 СССР, МКИ А 23 К 1/12. Способ гидробаротерми-ческой обработки грубых кормов и устройство для его осуществления / Поландов Ю.Х., Зеленский В.И. - Опубл. 07.02.84, Бюл. № 3. - С. 4.

13. Поландов Ю.Х. Чтобы не было аварий котлов // Охрана труда и социальное страхование. - 1983. - № 7. - С. 122.

14. Поландов Ю.Х. Устройство безопасной подпитки паровых котлов КВ-300М и КВ-300МТ// Животноводство. - 1983. - № 8. - С. 142.

15. Поландов Ю.Х. Энергия взрыва паровых котлов в результате перегрева воды и характер разрушения конструкции // Безопасность труда в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. / ВНИИОТСХ. - 1985. - № 6. - С. 67 - 75.

16. А. с. N1308234 СССР, МКИ А 23 К 1/22. Способ термохимической обработки кормов и устройство для его осуществления / Поландов Ю.Х. -Опубл. 02.11.85, Бюл. № 4. - С. 5.

17. Поландов Ю.Х., Зеленский В.И., Талатынов Ю.С. Устройство безопасной подпитки паровых котлов КВ-300М и КВ-300МТ // Рекомендации по профилактике травматизма работников мясного и молочного скотоводства. Одоб. Госагропромом СССР 29.01.86. - Орел, ВНИИОТСХ. - 1986. -С. 51-78.

18. Поландов Ю.Х., Зеленский В.И. Водогрейные и паровые котлы с рабочим давлением до 0,07 МПа // Правила безопасности при производства продукции животноводства в системе Госагропрома СССР / Введ. в действ. Госагропромом СССР с 01.01.89 г. - Орел: Орелиздат. - 1988. - С. 34 - 41.

19. Поландов Ю.Х., Малахов Н.Н. Причины взрывоопасности электроводонагревателей типа САОС // Обеспечение безопасности труда в агропромышленном производстве: Тез. докл. на межвуз. конф. 19 - 21 мар. 1989 г. - Каунас, 1989. - С. 122.

20. Поландов Ю.Х. Рабочие характеристики грузовых предохранительных клапанов II Безопасность труда при производстве продукции животноводства: Сб. науч. тр. IВНИИОТ. - 1989. - С. 89 - 102.

21. Поландов Ю.Х. Обоснование метода оценки взрывобезопасности топок тепловых машин на современном этапе // Обеспечение безопасности труда в АПК: Тез. докл. на межвуз. конф., 19 - 21 мар. 1989 г. - Каунас, 1989.-С. 123- 124.

22. Поландов Ю.Х. Основы расчета предохранительных клапанов паровых котлов малого давления // Пути улучшения охраны труда в пищевой промышленности: Сб. науч. тр. / ВНИИОТ. - 1990. - С. 178 - 191.

23. Поландов Ю.Х. Выбросы воды в паровых котлах через предохранительные клапаны // Сб. науч. тр. / ОрелГПИ. - 1994. - № 5. - С. 197 -201.

24. Поландов Ю.Х. Экспериментальная оценка взрывоопасное™ топки парового котла КВ-300М // Тез. докл. на науч. - техн. конф. ОрелГПИ, 20

- 23 апр. 1994 г. - Орел, 1994. - С. 67.

25. Поландов Ю.Х. Изменение показаний уровнемера паровых котлов при кипении воды // Сб. науч. тр. / ОрелГПИ. - 1995. - № 6. - С. 156 - 164.

26. Поландов Ю.Х. Условия безопасности при прямом включении котла КВ- ЗООМ в систему водяного отопления // Сб. науч. тр. / ОрелГПИ. -

1995.-№7.-С. 78-86.

27. Поландов Ю.Х. Влияние места установки взрывного клапана на давление взрыва в незамкнутом объеме // Сб. науч. тр. / ОрелГПИ. - 1996. -№ 8. - С. 234- 238.

28. Поландов Ю.Х., Загрядц::ий В.И. Испытания оборудования оборудования при намеренном переводе его в опасные состояния - наиболее информативный метод оценки взрывобезопасносги // Диагностика. Информатика. Экология. Безопасность: Тез. докл. на междунар. конф., 21 — 24 июня 1996 г. - С.Петербург, 1996.-С. 75.

29. Поландов Ю.Х. Исследование влияния задержки воспламенения на давление взрыва в топке котла КВ- ЗООМ II Диагностика. Информатика. Экология. Безопасность: Тез. докл. на междунар. конф., 21 — 24 июня 1996 г.

- С. - Петербург, 1996. - С. 76.

30. Пат. РФ № 2094616 МКИ6 Р 01 Б 15/08. Турбопривод / Ю.Х. Поландов - Опубл. 27.01.97. - Бюл. № 30. - С. 2.

31. Поландов Ю.Х. Планирование взрывоопасного эксперимента II Сб. науч. тр. / С - Петербург, аграр. универс. - 1997. - № 9. - С. 111 - 114.

32. Поландов Ю.Х. Основы планирования многофакторного эксперимента по определению взрывоопасных зон на натурных топках // Сб. науч. тр. / ОрелГТУ. - 1997. - № 10. - С. 243 - 249.

33. Поландов Ю.Х. Расчет давления полного открытия предохранительных клапанов // Известия вузов. Машиностроение. - 1997. - № 4 - 6. -С. 45 - 50.

34. Поландов Ю.Х. Испытания взрывоопасного оборудования в опасных состояниях - необходимый аспект оценки его конкурентоспособности II Проблемы обеспечения конкурентоспособности российской ма-

шиностроительной продукции: Сб. тез. докл. на межрегион, науч. -практ. конф. - Орел, 1997.

35. Пат. РФ № 2096689 МКИ6 Б 23 М 11/00. Топка теплотехнического устройства / Ю.Х. Поландов. - Опубл. 20.11.97. - Бюл. № 32. - С. 2.

36. Поландов Ю.Х. О взрывобезопасности парового котла КБ- 300М на режиме упуска воды // Известия вузов. Машиностроение. - 1997. - № 7 -9. С. 75-79.

37. Поландов Ю.Х. Механизм взрыва в топке котла, работающего на жидком топливе // Сб. науч. тр. / ОрелГТУ. - 1998. - № 13. - С. 217 - 224.

38. Поландов Ю.Х. Об одной возможной причине возникновения пожаров при эксплуатации котлов КБ- ЗООМ // Сб. науч. тр. / ОрелГТУ. -1998.-№13.-С. 225 - 226.

39. Поландов Ю.Х., Загрядцкий В.И. Упуск воды в малом паровом котле КГ- 1000АII Известия вузов. Машиностроение. - 1998. - № 1 - 3. -С. 54-61.

Поландов Юрий Христофорович.

повышение взрывобезопасности паровых котлов с рабочим давлением до 0,07 мпа в апк путем инженерно - технических решений.

Набрано и сверстано на компьютере.

Подписано в печать 1 сентября 1998 г. Формат 60x84 1/16. Объем 2 п. л. Заказ ^ 1Й8. Тир. 120 экз

Типография ОрелГТУ: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29.

Орловский государственный технический университет (ОрелГТУ) Всероссийский научно-исследовательский институт охраны труда Минсельхозпрода РФ (ВНИИОТ)

На правах рукописи Поландов Юрий Христофорович

ПОВЫШЕНИЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ С РАБОЧИМ ДАВЛЕНИЕМ ДО 0,07МПА

В АПК

ПУТЕМ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Специальность - 05.26.01. Охрана труда

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор B.C. Шкрабак

Орел, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................ 8

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОБЛЕМЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................. 12

1.1. Анализ развития систем обеспечения взрывобез-опасности котлов.............................................................................. 12

1.2. Анализ состояния безопасности котлов, подконтрольных Госгортехнадзору........................................................... 20

1.3. Анализ причин взрывов котлов, происшедших в последние годы за рубежом.............................................................. 22

1.4. Характеристики паровых котлов малого давления, используемых в АПК, в связи с их взрывоопасностью............... 29

1.5. Анализ технического состояния и условий безопасной эксплуатации паровых котлов малого давления в хозяйствах АПК.................................................................................................... 32

1.6. Причины взрывов паровых котлов малого давления в АПК.................................................................................................... 39

1.7. Анализ методов и результатов оценки безопасности паровых котлов малого давления на машиноиспытательных станциях........................................................................................... 45

1.8. Обобщенный анализ выполненных исследований по проблеме. Цель и задача исследований....................................... 46

Выводы.................................................................................. 49

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОД И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АПК................................................................................... 51

2.1. Описание экспериментального образца парового котла малого давления....................................................................... 52

2.2. Основные положения метода исследования - метода намеренного перевода паровых котлов во взрывоопасные состояния............................................................................................. 59

2.2.1.Безопасность персонала испытателей....................... 61

2.2.2. Система дистанционного управления........................ 67

2.2.3. Система дистанционного измерения......................... 69

2.3. Планирование эксперимента......................................... 71

2.4. Методика оценки взрывобезопасности паровых котлов,

используемых в АПК.......................................................... 77

Выводы............................................................................. 81

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПАРОВЫХ КОТЛАХ НА РЕЖИМАХ, ПОГРАНИЧНЫХ С ОПАСНЫМИ.................. 82

3.1. Общие сведения об измеряемых параметрах............ 82

3.2. Исследование взрывобезопасности парового котла

при выходе его на рабочие параметры.

83

3.3. Исследование минимально допустимого запаса пропускной способности предохранительного клапана парового котла................................................................................................. 88

3.4. Исследования внутрикотловых процессов при сраба-

95

тывании предохранительных клапанов на паровых котлах........

3.5. Механизм и математическая модель выброса воды

из котла при работе предохранительного клапана..................... 98

3.6. Исследование физических процессов и математическая модель предохранительных клапанов, работающих на сверхзвуковых режимах................................................................... 111

3.7. Исследование и математическая модель предохранительного клапана, работающего на дозвуковых режимах истечения............................................................................................ 124

3.8. Анализ устойчивости поведения клапана при условии равновесия действующих сил......................................................... 135

3.9. Расчет и построение статической и расходной характеристик предохранительных клапанов.................................. 139

3.10. Исследование влияния кипения воды на другие показатели безопасности котла........................................................ 142

Выводы................................................................................ 146

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО УПУСКУ ВОДЫ В КОТЛАХ МАЛОГО ДАВЛЕНИЯ В СВЯЗИ С ИХ ВЗРЫВООПАСНОСТЬЮ........................... 149

4.1.Сведения об упуске воды и методике проведения

опытов............................................................................................. 149

4.2. Экспериментальные исследования упуска воды в паровом котле КВ-300 M и оценка взрывобезопасности котла

151

на этом режиме..............................................................................

4.2.1. Исследование процессов при упуске воды до верха жаровой трубы, восстановлении уровня и оценка взрывобезопасности котла на этом режиме.................................................. 153

4.2.2. Исследование процессов при упуске воды до половины высоты жаровой трубы, восстановлении уровня и оценка

155

взрывобезопасности котла на этом режиме................................

4.2.3. Исследование процессов при полном упуске воды в котле, восстановлении ее уровня и оценка взрывобезопасности котла на этом режиме.......................................................... 157

4.2.4. Исследование процессов при разогреве пустого котла, восстановлении уровня воды и оценка взрывобезопасности котла на этом режиме......................................................... 160

4.3. Математическая модель и методика расчета давления в котле при восстанавливании уровня воды после упуска...

4.4. Исследование процессов при упуске воды в паровом котле малого давления КГ-1000 А, восстановлении уровня воды и оценка взрывобезопасности котла на этом режиме........... 170

4.5. Результаты государственных испытаний котла КВ-300 М на упуск воды в связи с его взрывоопасностью................ 175

Выводы ................................................................................. 178

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ МАЛОГО ДАВЛЕНИЯ, ВКЛЮЧЕННЫХ В СИСТЕМЫ ОТОПЛЕ-

180

НИЯ..................................................................................................................

5.1. Исследование процессов в котлах без предохранительных клапанов при соединении верха котла с расширительным баком с помощью трубопровода........................................... 181

5.1.1. Опытная установка и программа испытаний............ 181

5.1.2. Результаты испытаний............................................... 183

5.1.3. Анализ колебаний давления в отопительной системе при перегревах котла............................................................. 186

5.1.4. Модель автоколебательного процесса в отопительной системе при перегреве котла................................................. 189

5.2. Перегрев котла КВ - 300 М, включенного в систему отопления без защитных устройств.............................................. 195

Выводы................................................................................... 204

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВОВ В ТОПКАХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ МАЛОГО ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩИХ НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ....... 206

6.1. Анализ действующей в АПК нормативной документации и выполненных исследований................................................ 206

6.2. Механизм взрыва в топке котла, работающего на жидком топливе, и его математическая модель.......................... 216

6.3. Влияние места расположения взрывного клапана на давление взрыва в топке............................................................... 228

6.4. Об одной возможной причине возникновения пожаров

при эксплуатации котлов КВ-300 М................................................ 235

6.5. Результаты государственных испытаний топки котла КВ-300 М на взрывобезопасность................................................. 238

6.6. О критерии выбора причины взрыва паровых котлов малого давления.................................................................................. 241

6.7. Социально - экономическая эффективность результатов исследований............................................................................. 243

Выводы....................................................................................................................................................................243

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................................................................245

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................................................................249

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................................279

ВВЕДЕНИЕ

В начале 70-х годов в агропромышленном комплексе страны в связи с переходом к интенсивным технологиям началось широкомасштабное внедрение паровых котлов малого давления (до 0,07 МПа избыточных: в дальнейшем МПаи) малой тепловой мощности (до 1000 кВт). Насыщение ими нарастало с каждым годом, и к концу 80-х годов в АПК эксплуатировалось около 265 тысяч единиц оборудования (по СССР) [118, 214], суммарная установочная тепловая мощность которого была равна около 0,8-108 кВт, что составляло заметную долю в общем теплоэнергетическом балансе страны [85, 235]. В настоящее время паровые котлы малого давления вместе с теплогенераторами производят около 80% всей тепловой энергии, потребляемой в агропромышленном производстве [63, 64].

Использование паровых котлов в сельскохозяйственном производстве привело к появлению на селе принципиально нового вида опасности: взрывов. При этом, как известно, органы Госгортехнадзора отказались от контроля за производством и эксплуатацией этой группы паровых котлов, и в большой степени поэтому, несмотря на усилия ведомственных служб охраны труда АПК и Технической инспекции труда профсоюзов, число взрывов котлов нарастало с каждым годом [35]. И, хотя на переломе 80-х годов положение несколько стабилизировалось, котлы к тому времени стали наиболее травмоопасным (по показателю смертельного травматизма) из всего стационарного оборудования в АПК: /сч=280 -350-10"3 (1000 чел)/год [197]. Взрывы котлов связаны не только с человеческими утратами, но с большими материальными потерями, так как они приводили к нарушениям технологических процессов.

Обеспечение взрывобезопасности паровых котлов малого давления стало проблемой для АПК.

Касаясь поиска путей решения проблемы, необходимо отметить, что испытания паровых котлов малого давления, проводимые на машиноиспытательных станциях (МИС) [187 - 193], показывали, что работа котлов на режимах, оговариваемых инструкциями по эксплуатации, безопасна. Эта информация дополнялась сведениями из актов Н - 1 [35], согласно которым виновными в большинстве случаев взрывов паровых котлов были операторы, так как они допускали опасные отклонения при эксплуатации котлов, и руководители хозяйств, не обеспечившие необходимый уровень обучения операторов и соблюдение ими правил техники безопасности. Согласно данным МИС и актам Н - 1 получалось, что путь снижения числа взрывов паровых котлов малого давления лежит через повышение надежности оператора (в системе "человек - машина").

Однако, принимая во внимание, что ведущие ученые по охране труда в АПК: Е. Я. Улицкий, В.П. Росляков, B.C. Шкрабак, О. Н. Русак, В. И. Чернышов, Н. Н. Малахов, А. И. Гавриченко, Ю. Д. Олянич, В. В. Платонов и другие полагают, что, при всей необходимости развития этого направления, решение вопросов обеспечения безопасности труда во многом возможно путем вмешательства в технологические процессы и конструкцию оборудования, поиски решения проблемы в этом направлении могут быть эффективными.

Оказалось, что эффективность разрабатываемых инженерно-технических мероприятий, направленных на повышение взрывобезопасности паровых котлов малого давления и построенных на общих представлениях о физических процессах, протекающих в опасных ситуациях, была недостаточной. При этом было понятно, что в большой степени неэффективность разрабатываемых мероприятий могла быть объяснена тем, что представления о физических процессах, протекающих в паровых котлах малого давления, и о возможных опасных ситуациях черпались из опыта эксплуатации паровых котлов более высокого давления, распространенных в других отраслях народного хозяйства и имеющих серьез-

ные конструктивные отличия от паровых котлов малого давления. Расширение же круга знаний об опасных вариантах протекания физических процессов в паровых котлах малого давления традиционными методами и методиками исследований, используемыми разработчиками паровых котлов малого давления и испытателями на машиноиспытательных станциях, оказалось принципиально невозможным.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Метод исследования взрывоопасных режимов работы паровых котлов малого давления;

2. Механизм течения рабочего тела в проточной части предохранительного клапана и методология расчета рабочих характеристик предохранительных клапанов;

3. Механизм развития внутрикотловых процессов при срабатывании предохранительного клапана и методология расчета конструктивных параметров котла, при которых исключается выброс кипящей воды через предохранительные клапаны;

4. Методика расчета давления в котле при восстановлении упущенного уровня воды;

5. Механизм развития колебаний давления в отопительной системе и методология расчета энергии взрыва котла;

6. Механизм развития взрыва в топках паровых котлов малого давления и методология расчета давления взрыва.

На защиту выносятся:

Методология и пути повышения взрывобезопасности паровых котлов малого давления в АПК, в том числе:

1. Метод исследования физических процессов во взрывоопасных ситуациях на паровых котлах малого давления;

2. Результаты исследования работы предохранительных клапанов паровых котлов; математическая модель, описывающая положение грибка предохранительного клапана от давления в котле, и методология расчета рабочих характеристик предохранительных клапанов для до- и сверхзвукового режимов истечения;

3. Результаты исследования внутрикотловых процессов и выбросов горячей воды из котла при срабатывании предохранительных клапанов; математическая модель процессов и методология расчета конструктивных параметров котла, при которых исключен выброс кипящей воды через предохранительный клапан;

4. Результаты исследований физических процессов, происходящих в паровых котлах малого давления при частичном и глубоком упусках воды; методика расчета давления в котле при восстановлении упущенного уровня;

5. Результаты исследований физических процессов при использовании паровых котлов малого давления в системах отопления, математическая модель колебаний давления в отопительной системе, условия безопасности при включении котлов в системы отопления;

6. Результаты исследования процесса взрыва паровых котлов малого давления при перегревах воды и неработоспособности средств защиты, методика оценки мощности взрыва и кинетической энергии осколков;

7. Результаты исследований процесса взрыва в топках паровых котлов малого давления, работающих на жидком топливе; математическая модель взрыва.

Работа выполнялась во ВНИИОТ Минсельхозпрода РФ в рамках

отраслевых научно-технических программ О.СХ 127 Минсельхоза СССР и О.СХ 82 Госагропрома СССР и по темам 01.14.96 и 01.16.97 Единого заказ-наряда ОрелГТУ, финансируемым Министерством общего и профессионального образования из средств госбюджета.

Диссертационная работа представлена на 278 страницах машинописного текста и включает следующие разделы: введение, 1-6 главы, общие выводы и рекомендации, литература и приложение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОБЛЕМЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ

КОТЛОВ

Широкое использование котлов началось со времен создания паровой машины Джеймсом Уаттом и Иваном Ползуновым [21, 207, 237, 249, 260]. Первые промышленные котлы представляли собой клепанные конструкции из медных листов. Следует отметить, что уже тогда изобретатели отчетливо представляли себе уровень опасности взрыва котла, поэтому уже на первых котлах устанавливались предохранительные клапаны.

Согласно классификации, проведенной А. Цинценом [265], можно выделить отдельные этапы формирования конструкции паровых котлов, которые показаны на рисунке 1.1. Основные элементы котла, такие как замкнутый объем, указатель уровня воды, предохранительные клапаны, запорная арматура и топка, сформировались уже к началу 18 века. К этому времени наметился переход от медных конструкций к конструкциям со стальными и чугунными элементами. Этот этап завершился полным переходом на стальные конструкции с разработкой способа получения мягкой стали по методу Сименса-Мартена [207]. Чугун продолжали применять только в качестве небольших добавок к материалам, не подверженным непосредственному нагреванию. Применение меди в качестве теплопередающих элементов, работающих под давлением, сохранилось только на локомобилях до конца 19 века.

Паровые котлы и машины на транспортных системах составляли конкуренцию двигателям внутреннего сгорания вплоть до недавнего времени. Для стационарных мощных силовых установок в современных

условиях продолжают использоваться промышленные котлы,

V_У

Г N

в)

Г >

Ч_/

V_; V_/

^Хк р^к, рХк^

Г)

г >ч

К )

Т

н

т

(УХКк, ^^ ЛР^Ъ

т

Д) е) ж) з)

Рисунок 1.1. Этапы формирования основных элементов котла

а) варочный котел; б) варочный котел с крышкой; в) паровой котел с отбором пара; г) паровой котел с вентилем отбора пара; д) паровой котел с вен