Электрические станции, 2001, ¹ 9	13

ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Оценка безопасности объектов электроэнергетики

Демкин В. В., èíæ.

РАО “ЕЭС России”

В российской электроэнергетике до принятия Федерального закона ¹ 116 “О промышленной бе­ зопасности опасных производственных объектов” не существовало достаточно четкого понятия, что такое опасное производство, опасная технология, опасное оборудование и т.д.

Вместе с тем, подспудно понималось, что ис­ пользование в технологическом цикле горючих и взрывоопасных веществ, теплоносителей с высоким потенциалом или эксплуатация вращающихся и грузоподъемных машин и механизмов, оборудо­ вания с высоким напряжением, а также гидротех­ нических сооружений может создать непосредст­ венную угрозу жизни и здоровью обслуживающе­ го персонала и сторонних лиц, техническому со­ стоянию оборудования, зданий и сооружений, окружающей природной среде. Допускалось смешение понятий “безопасность” и “надежность”.

Было выделено несколько направлений деяте­ льности в энергетике, за которыми осуществлялся усиленный надзор со стороны государственных контрольных органов. К таким видам деятельно­ сти были отнесены:

1.Котлы и котельные установки, в которых сжигается органическое топливо.

2.Сосуды, работающие при избыточном (выше 0,07 МПа) давлении среды.

3.Трубопроводы водяного пара и горячей воды с температурой теплоносителя выше 115°С.

4.Системы снабжения электростанций природным газом с давлением до 1,2 МПа.

5.Грузоподъемные машины и механизмы. Надзор осуществлялся, как правило, путем ви­

зуального внутреннего и внешнего осмотра обору­ дования, а также проведения необходимых тестов и испытаний. В последнее время все успешнее внедряются методы приборного контроля текуще­ го состояния оборудования, а также делаются попытки вероятностных оценок остаточного ресурса работы ответственных элементов оборудования.

С принятием закона “О промышленной безо­ пасности опасных производственных объектов” было четко определено понятие “опасный производственный объект” (ОПО), разработаны крите­ рии отнесения промышленных производств к ОПО. В соответствии с указанными критериями для тепловой энергетики сфера опасных произ­ водств была расширена и к ним были отнесены объекты, на которых осуществляется хранение,

транспортирование и подготовка к сжиганию жид­ кого и твердого топлива, паровые и газовые турбины.

Расширение сферы применения положений о промышленной безопасности на энергетических объектах потребует всесторонней и комплексной оценки потенциально опасных факторов (ПОФ), наступления нежелательных событий (НС), разра­ ботки критериев опасности, их ранжирование по степени опасности (частота наступления, возможные последствия).

Для разработки практических мер организаци­ онно-технического характера, которые необходимы для повышения общей промышленной безо­ пасности энергетического объекта, целесообразно определиться с терминами и понятиями. Итак, предлагается:

безопасность – состояние защищенности жиз­ ненно важных интересов личности и общества от аварий на ОПО и последствий указанных аварий (Федеральный закон ¹ 116 “О промышленной бе­ зопасности...”);

надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслужива­ ния, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-89 “Надежность в технике”);

авария – разрушение сооружений и (или) тех­ нических устройств, применяемых на ОПО, неконтролируемый взрыв и (или) выброс опасных веществ (Федеральный закон ¹ 116 “О промышленной безопасности...”);

инцидент – отказ или повреждение техниче­ ских устройств, применяемых на ОПО, отклоне­ ние от режима технологического процесса (Федеральный закон ¹ 116 “О промышленной безопас­ ности...”).

Перед началом проектирования любого энерге­ тического объекта необходимо определить, какое число оборудования попадает под действие закона “О промышленной безопасности...”, т.е. является опасным производственным объектом.

В дальнейшем будут рассматриваться только аспекты, связанные с обеспечением безопасного функционирования опасного промышленного объ­ екта в тепловой энергетике. Целесообразно огра­ ничиться тепломеханической частью, поскольку

14	Электрические станции, 2001, ¹ 9

на нее приходится более 80% всех ОПО, на которые распространяется действие закона “О промышленной безопасности...”.

В частном случае, при проектировании тепло­ вой электрической станции, работающей на орга­ ническом топливе, к ОПО можно отнести котлы, сосуды, работающие под давлением, трубопроводы пара и горячей воды, систем газоснабжения, паровые турбины, мазутное хозяйство и хозяйство газотурбинного и дизельного топлива, системы пылеприготовления и др.

Проектная организация должна всесторонне оценить наличие потенциально опасных факторов в совокупности для всех ОПО, входящих в состав ТЭС. К ним могут относиться:

наличие пара и воды высоких параметров (T > 545°C è Ð > 32,0 ÌÏà);

наличие горючих газов и пыли, способных образовывать взрывоопасные концентрации в смеси с воздухом;

наличие горючих и легковоспламеняемых жид­ костей, способных в определенных условиях са­ мовоспламеняться и устойчиво гореть;

наличие на открытых складах и в емкостях твердого топлива, способного к самоокислению и возгоранию;

наличие химически опасных веществ, способных наносить ущерб здоровью и жизни обслужи­ вающего персонала, сторонним лицам, состоянию окружающей природной среды;

наличие грузоподъемных машин и механиз­ мов, работающих в непосредственной близости от действующего оборудования

Указанные потенциально опасные факторы (ПОФ) сами по себе являются только носителем возможных аварий и инцидентов. Необходим про­ гноз развития аварий и их последствий. Этого тре­ бует и закон “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” в части раз­ работки декларации безопасности для любого опасного промышленного объекта.

Реализация ПОФ осуществляется через на­ ступление нежелательных событий. Так, напри­ мер, использование в технологическом процессе горючих жидкостей, находящихся в герметичном сосуде или трубопроводе, не является нежелательным событием (НС), однако ее попадание на горя­ чую поверхность в результате разгерметизации ап­ парата или трубопровода приводит, как правило, к воспламенению и пожару (НС).

Вполне понятно, что любое НС, а также их со­ четание носит вероятностный характер. Поэтому очень важно для принятия необходимых превентивных мер с наибольшей степенью достоверно­ сти определить вероятность наступления того или иного НС или их сочетания, а также оценить воз­ можность наступления одного НС быть причиной другого.

Необходимость принятия предупредительных мер по снижению вероятности наступления НС должна определяться на стадии проектирования и исходить из следующего:

необходима достоверная оценка вероятности наступления того или иного НС;

необходима оценка затрат, связанных со сни­ жением вероятности наступления НС или с его предупреждением (Ç1);

необходима оценка затрат, связанных с недопу­ щением развития аварии, как следствия наступле­ ния НС (Ç2);

необходима оценка затрат, связанных с восста­ новлением исходного технического состояния объ­ екта и ликвидацией последствий возможных ава­ рий, вызванных наступлением НС (Ç3).

Вполне понятно, что принятие существующих технических решений или разработка новых, направленных на снижение вероятности наступле­ ния НС, требует определенных затрат ресурсов (финансовых, материальных, людских).

Ресурсы также потребуются, если наступление НС привело к аварии или инциденту.

В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.010 “Взрывобезопасность” производственные процессы должны разрабатываться таким образом, чтобы вероятность возникновения взрыва (а при исполь­ зовании органического топлива именно это явля­ ется превалирующим опасным фактором) на лю­ бом взрывоопасном участке в течение 1 года не превышала 10 – 6.

Исследования и практический опыт эксплуата­ ции показали, что нежелательное событие с веро­ ятностью менее 10 – 6 в год практически неосуще­ ствимо (маловероятно).

НС с вероятностью более 10 – 6 считается возможным. В этом случае, сопоставляя затраты Ç1, Ç2, Ç3, проектная организация располагает неско­ лькими вариантами обеспечения безопасности

энергетического объекта.

Вариант 1. На стадии проектирования разра­ ботать ряд организационно-технических решений, позволяющих перевести отдельные НС или их со­ четания в разряд маловероятных.

При этом необходимо, чтобы Ç1 < Ç2 + Ç3. Вариант 2. Если НС не удается перевести в

разряд маловероятных – оно считается возможным. В этом случае необходима разработка превентивных мер по недопущению развития аварии при наступлении одного или сочетании несколь­ ких НС.

Как пример – работа пылесистем котлов с факельным сжиганием твердого топлива. Из-за мно­ гообразия факторов, определяющих работу пылесистемы (разные марки твердого топлива, флукту­ ация его качества), прогнозирование вероятности пожара или взрыва в пылесистеме представляется довольно сложной математической задачей. В этом случае необходимо сразу полагать, что веро-

Электрические станции, 2001, ¹ 9	15

ятность наступления НС (взрыва или пожара) превышает значение 10 – 6 в год и в соответствии с ГОСТ 12.1.010. “Взрывобезопасность” требуется устранение воздействия опасных факторов на лю­ дей.

Все дальнейшие мероприятия должны быть направлены на снижение последствий или недопу­ щение взрывов и пожаров. Эти мероприятия могут быть двух видов:

организационными (наблюдением за содержа­ нием кислорода, температурой аэросмеси, за от­ сутствием тлеющих очагов топлива или проведе­ ния огневых работ и др.);

техническими (оснащение пылесистем систе­ мами противопожарной защиты и взрывоподавления, увеличение толщины стенок ограждающих поверхностей, организованный отвод продуктов взрыва через специальные разгрузочные отвер­ стия и др.).

Эти затраты будут несопоставимо меньше, не­ жели связанные с ликвидацией последствий развившейся аварии и полным восстановлением ис­ ходного технического состояния разрушенных пылесистем и иного оборудования.

Ïðè ýòîì Ç2 << Ç3.

Вариант 3. Математическая оценка показывает, что вероятность наступления НС составляет менее 10 – 6 в год и его свершение считается маловероятным.

В этом случае можно затраты, которые плани­ ровались для снижения последствий НС и недопу­ щения возникновения аварии (Ç2), следует напра­ вить на дальнейшее уменьшение вероятности на­ ступления события. В этом случае Ç2 < Ç3 – Ç1.

Характерным примером может служить обес­ печение взрывобезопасности при растопке котла на природном газе.

Известно, что взрыв – процесс окисления орга­ нического вещества (природного газа), протекаю­ щий с высокой скоростью, – характеризуется лавинным нарастанием давления и высокой темпера­ турой продуктов окисления. Однако для его воз­ никновения необходимо одномоментное сочета­ ние ряда непременных условий, в частности:

1.Наличие горючего вещества.

2.Наличие окислителя.

3.Образование смеси горючего вещества взрывоопасной концентрации (для природного газа – 5 – 15% в смеси с воздухом).

4.Наличие источника зажигания (запала) до­ статочно большой мощности.

Исключение хотя бы одного из условий не по­ зволит произойти взрыву природного газа в зам­ кнутом объеме топочной камеры котла.

Процесс растопки котла на природном газе яв­ ляется одним из наиболее ответственных и опасных при эксплуатации тепломеханического обору­ дования. Положение усугубляется тем, что при растопке необходимо постоянное присутствие об­

служивающего персонала непосредственно у горе­ лок или гляделок котла. Любое отклонение от рег­ ламента розжига горелок, вызванное, как правило, ошибками персонала, приводило к наступлению нежелательного события (взрывам и “хлопкам”). По статистике более 60% взрывов и хлопков при­ ходится именно на процесс растопки котла.

До недавнего времени взрывобезопасность растопки обеспечивалась исключением первого и третьего условий. Второе условие – наличие в то­ почной камере кислорода воздуха, как окислителя

– при всем желании исключено быть не может. На­ личие санкционированного запала специально сдвигалось по времени до начала сознательного образования взрывоопасной смеси в устье горелочных устройств.

Преждевременная подача горючего газа в го­ релки обеспечивалась закрытием запорной арматуры и контролем ее плотности. Однако контроль плотности производился персоналом вручную, од­ норазово для всей арматуры и повторить его, не прекращая растопку котла, было невозможно.

Допуская протечку газа через неплотную арма­ туру, для исключения взрывоопасной концентра­ ции в замкнутом объеме производилась принуди­ тельная вентиляция топочной камеры котла с по­ мощью тягодутьевых механизмов.

Особенностью подобного регламента растопки оставался визуальный контроль ряда важнейших параметров, проводимый персоналом (остаточная загазованность в топочной камере, наличие факе­ ла запальника и факела основной горелки, плот­ ность системы газоснабжения и др.), что часто яв­ лялось источником ошибочных действий.

При таком подходе вероятность наступления нежелательного события (“хлопков”, взрывов) была достаточно высока. Как значительные оцени­ вались затраты на предотвращение аварии Ç2, на восстановление котла и ликвидацию других по­ следствий аварий Ç3.

В данном случае Ç2 связаны с установкой взрывных клапанов необходимой площади, усиле­ нием ограждающих поверхностей топочной камеры и газоходов, обмуровки, каркаса котла и др.

При разработке метода оценки промышленной безопасности и критериев потенциально опасных факторов был предложен иной подход обеспече­ ния взрывобезопасной растопки котла.

Были оценены затраты на разработку техниче­ ских средств и приборного парка, которые позво­ лили бы автоматизировать изложенные процессы, в том числе контроль технических параметров.

Понеся относительно небольшие затраты на разработку новых технических решений, направленных на снижение вероятности наступления НС (Ç1), удалось при условии соблюдения предписан­ ного регламента сделать растопку котла практиче­ ски безопасной, т.е. с вероятностью менее 10 – 6. Ïðè ýòîì Ç2 << Ç1 + Ç3.

16	Электрические станции, 2001, ¹ 9

В приведенном примере такими техническими решениями стали следующие:

создание быстродействующих отсечных клапа­ нов герметичности по классу “А” (ГОСТ 9455-93); создание автоматизированной системы контро­

ля герметичности применяемой арматуры; разработка автоматизированных приборов кон­

троля остаточной загазованности в топочной каме­ ре котла;

разработка и создание высокоточных и высоконадежных защитно-запальных устройств (ЗЗУ) с контролем факела основной и запальной горелок.

Это позволило создать локальную автоматизи­ рованную систему розжига котла с возможностью последующей адаптации к интегрированной АСУТП всего объекта. Полностью исключена не­

обходимость присутствия обслуживающего персо­ нала у котла в период растопки.

Выводы

1.На этапе проектирования энергетического объекта на основании вероятностных и статисти­ ческих оценок необходимо определить вероят­ ность наступления нежелательного события.

2.При вероятности менее 10 – 6 считать ава­ рию маловероятной и не предусматривать затрат на восстановление объекта.

3.При вероятности более 10 – 6 считать неже­ лательное событие возможным и предусмотреть в проекте организационные и технические меропри­ ятия, а также затраты на предупреждение развития возможной аварии и ликвидацию ее последствий.

Влияние зольности на взрывоопасные свойства пыли твердого природного топлива

Толчинский Е. Н., êàíä. òåõ. íàóê, Киселев В. А., Колбасников В. А., Яковлева В. С., инженеры

Всероссийский теплотехнический институт

Исследованиями установлено, что с увеличе­ нием в топливе золы, играющей роль инертного материала [1], интенсивность взрыва такой пылевоздушной смеси резко уменьшается и при дости­ жении некоторого содержания инертной примеси в пыли взрывы прекращаются. Интенсивность взрыва пылевзвеси зависит от скорости химиче­ ских реакций в пламени, которая определяется, главным образом, концентрацией горючего и окис­ лителя. Поэтому при добавлении в пылевзвесь инертного материала не происходит заметного снижения давления взрыва до тех пор, пока отвод тепла из зоны горения на инертные частицы не бу­ дет сопоставимым с выделением тепла в зоне окислительных реакций.

В экспериментах [2] была использована пыль кизеловского, донецкого газового, артемовского и украинского углей. В ходе опытов было установ­ лено, что взрывы пылевзвеси углей с выходом ле­ тучих на горючую массу до 40% прекращались при добавке к ней золы от 15 до 30%. Для украин­ ского бурого угля (V daf = 55%) при добавке к пыли 20% золы интенсивность взрыва была еще доста­ точно велика. Опытами в установках большого масштаба было установлено, что взрыв пыли уг­ лей с выходом летучих до 40% прекращается при добавке к топливу инертной пыли до 65%.

Снижение взрывоопасности пылевзвеси путем увеличения в пылевом облаке инертных частиц широко применяется для обеспечения взрывобезопасности шахтных выработок (осланцевание) [3].

Добавка до 15% золы почти не влияла на взрываемость торфяной пыли [4]. Дальнейшее увели­ чение процентного содержания инертной пыли в смеси приводило к снижению максимального дав­ ления, развиваемого при взрыве, и при добавке 30 – 35% золы смесь становилась взрывобезопасной. Добавление инертного материала к пыли уг­ лей увеличивало время развития взрыва и уменьшало его интенсивность. Содержание 16 – 20% инертной пыли в смеси с угольной исключало воз­ можность развития взрыва.

Для получения полной картины влияния золь­ ности топлива на его взрывоопасные свойства (минимальные энергия зажигания и взрывоопасная концентрация) и на параметры взрыва (макси­ мальное давление и скорость его нарастания) было проведено несколько серий взрывных испытаний.

Эксперименты по определению влияния золь­ ности пыли твердого топлива на его взрывоопасные свойства проводились на стендовой установке с реакционной камерой объемом 20 дм3. Описание стендовой установки, системы контроля и измере­ ний изложены в [5].

В опытах использовалась пыль топлива с силь­ но отличающейся собственной зольностью (òàáë. 1).

Испытаниям подвергалась пыль, прошедшая через сито с размерами ячеек 63 мкм. Пыль пред­ варительно подсушивалась до постоянной массы и выдерживалась в эксикаторе не менее 24 ч. Непо-

Электрические станции, 2001, ¹ 9	17

ÌÏa																					1
взрыва,	0,7
давление	0,6
	0,5
	0,3
	0,4																	2
Максимальное	0,2									3
	0,1
	0					10				20				30				40			50		60
										Добавка инерта к золе топлива Ad, %

Рис. 1. График зависимости максимального давления взрыва от добавки инерта к золе углей:

1 – березовский; 2 – тугнуйский; 3 – воргашорский

ÌÏà/ñ	60
давления,
	40
нарастания	50
	30
	20					1
Скорость	10		3		2
	0	10	20	30	40	50	60
			Добавка инерта к золе топлива Ad, %

Рис. 2. График зависимости скорости нарастания давле­ ния от добавки инерта к золе углей:

см. обозначения на рис. 1

средственно перед проведением опытов пыль тща­ тельно перемешивалась и отбиралась навеска для эксперимента. Для увеличения минеральной части топлива к взятой навеске добавлялось определен­ ное количество золы. Зола была взята из котла, ра­ ботающего на канско-ачинских углях. В золе го­ рючие вещества отсутствовали.

В каждой серии опытов при определенной ко­ нечной зольности изменялась концентрация пыли

âкамере от 0,05 до 2,0 кг м3. Для каждого угля проводилась серия взрывных экспериментов с до­ бавлением разного количества золы. При этом экс­ периментально определялась максимальная до­ бавка золы, при которой пыль утрачивала свои взрывоопасные свойства. Во всех опытах этой группы в качестве источника воспламенения испо­ льзовалась перегорающая за счет энергии разряда конденсаторов проволока. Мощность источника зажигания поддерживалась постоянной на уровне 1000 Дж. В ходе проведения опытов регистрирова­ лись давление взрыва и остаточное содержание кислорода. Для каждой серии экспериментов определялись минимальная энергия зажигания пылевоздушной смеси, минимальная взрывоопасная концентрация, а также максимальное давление взрыва и скорость его нарастания.

Основные результаты экспериментов сведены

âòàáë. 2 и графически показаны на рис. 1 – 4. Полученные данные хорошо согласуются с

данными других исследователей, например [1], и подтверждают тезис о том, что зольность пыли оказывает существенное влияние на ее взрывоопасные свойства.

Максимальное давление взрыва пыли исследу­ емого топлива практически постоянно и не зави­ сит от физико-химических свойств топлива (ðèñ. 1). Для высокореакционного топлива (бере­ зовский уголь) максимальное давление взрыва практически не изменяется вплоть до 50%-ной до­ бавки по массе инертного материала.

С увеличением зольности топлива увеличива­ ется доля балласта, тормозящего процесс развития

взрыва, что приводит к снижению скорости нарас­ тания давления взрыва (ðèñ. 2), причем эта зависи­ мость наиболее заметна для топлива с большой начальной зольностью. Так, для березовского угля (исходная зольность 7%) снижение скорости нара­ стания происходит практически по линейному за­ кону, а для воргашорского угля (исходная золь­ ность 30,4%) наблюдается более крутая нелиней­ ная зависимость от величины добавки инертного материала.

Результаты экспериментов показали однознач­ ную связь между величиной добавки инертного материала к топливу и минимальной энергией за­ жигания пылевоздушной смеси (ðèñ. 3). При небольших добавках инертного материала минималь­ ная энергия зажигания меняется незначительно, но уже начиная со значения общей зольности по­ рядка 40% минимальная энергия зажигания резко возрастает.

Минимальная взрывоопасная концентрация пылевоздушной смеси, как следует из результатов проведенных экспериментов (ðèñ. 4), полностью определяется реакционностью топлива и имеет экспоненциальный характер, причем, чем больше исходная зольность, тем выше угол наклона кривых этой зависимости.

Для аналитического расчета порогового (мак­ симального) значения зольности топлива, при ко­ тором пылевзвесь становится взрывобезопасной,

Ò à á ë è ö à 1

Характеристики исследуемого топлива

	Топливо	Ñ daf,	Í daf,	Î daf,	V daf,	Ad,	Q daf,	Êò
		%	%	%	%	%	êêàë êã
	Березовский	71,3	4,8	22,2	49,1	7,0	6390	3,74
	2Á
	Тугнуйский	74,53	4,87	18,16	46,16	25,1	6655	2,5
	ÄÃ
	Воргашор-	76,1	5,2	12,8	38,8	30,6	7070	1,91
	ñêèé ÆÐ

18	Электрические станции, 2001, ¹ 9

Äæ
зажигания,	1000
			1		2		3
	800
энергия
	600
Минимальная	400	10	20	30	40	50	60
	0
	200
			Добавка инерта к золе топлива Ad, %

Рис. 3. График зависимости минимальной энергии зажи­ гания от добавки инерта к золе углей:

1 – воргашорский; 2 – тугнуйский; 3 – березовский

можно использовать критерий взрываемости Êò [5, 6].

Известно [5], что топливная пыль утрачивает взрывоопасные свойства при Êò = 1. Это значение Êò разделяет все природные виды топлива на взрывобезопасные и взрывоопасные.

Решением трансцендентного уравнения, при­ веденного в [3], при Êò = 1 численными методами определяется максимальная добавка золы к пыли топлива, при которой это равенство превращается в тождество, т.е. критерий взрываемости стано-

Ò à á ë è ö à 2

Влияние зольности на взрывоопасные свойства пыли

				Ìèíè­
	Добавка	Минималь­		мальная	Макси­	Скорость
				взрыво-		нарастания
	çîëû ê	ная энергия			мальное
				опасная		давления
	топливу,	зажигания,			давление
				концентра­		взрыва,
	%	Äæ			взрыва, МПа
				öèÿ,		ÌÏà c
				êã ì3
			Березовский 2Б
	0	27,0		0,02	0,56	51,0
	10	10,0		0,036	0,58	39,9
	20	26,6		0,05	0,49	35,0
	30	32,0		0,07	0,55	29,5
	40	42,3		0,12	0,62	26,9
	50	496		0,65	0,49	20,0
	51,25	841		1,40	0,42	9,6
			Тугнуйский ДГ
	0	60		0,05	0,62	29,9
	10	95		0,036	0,49	25,0
	20	332		0,07	0,49	21,2
	30	732		1,50	0,44	8,4
	32	1058		2,00	0,24	3,0
			Воргашорский ЖР
	0	480		0,03	0,55	18,7
	10	300		0,84	0,51	17,1
	15	685		0,20	0,47	12,9
	20	841		2,00	0,13	2,3

Минимальнаявзрывоопасная концентрация,кг/м	1,8		1		2
3
	1,5
	1,2
	0,9						3
	0,6
	0,3
	0	10	20	30	40	50	60
			Добавка инерта к золе топлива Ad, %

Рис. 4. График зависимости минимальной взрывоопасной концентрации от добавки инерта к золе углей:

см. обозначения на рис. 3

	Kò
6
5
4							1
3					2
2			3
1
0			10		20		30		40		50		60
					Добавка инерта к золе топлива Ad, %

Рис. 5. График зависимости критерия взрываемости Kò от добавки инерта к золе углей:

1 – березовский; 2 – тугнуйский; 3 – воргашорский

вится равным единице, что и означает утрату топ­ ливом взрывоопасных свойств. Результаты, полу- ченные при помощи описанного метода, с достаточной степенью точности совпадают с экспериментальными данными (òàáë. 3). Графики, полученные при помощи расчетов, показаны на ðèñ. 5.

Критерий взрываемости Êò однозначно опреде­ ляет взрывоопасность топлива и позволяет рассчи­ тать максимальную зольность топлива, при кото­ рой оно утратит свои взрывоопасные свойства. Граница перехода топлива во взрывобезопасное состояние определяется при Êò = 1.

Для пылеприготовительных систем установок ТЭС целенаправленно влиять на изменение золь-

Ò à á ë è ö à 3

Соответствие экспериментальных и расчетных значений максимальной добавки золы к топливу для перевода его во взрывобезопасное состояние

			Добавка к золе		Погреш-
		Начальная	топлива, %
					ность
Уголь	Êò	зольность
					расчета,
		Ad, %	ïî	ïî
			опыту	расчету	%
Березовский 2Б	3,74	7,0	52,5	48,3	8,0
Тугнуйский ДГ	2,50	23,6	32,0	30,9	3,4
Воргашорский ЖР	1,91	30,6	20,0	20,4	2,0

Электрические станции, 2001, ¹ 9	19

ности топлива не представляется возможным. Од­ нако понимание влияния зольности топлива на его взрывоопасность очень важно при проектирова­ нии пылеприготовительных установок и определе­ нии мер взрывопредупреждения и взрывозащиты.

Список литературы

1.Справочник. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность Под ред. Баратова А. Н. М.: Химия, 1987.

2.Кисельгоф М. Л. Взрывы угольной пыли в пылеприготовительных установках. М.: Гостранстехиздат, 1937.

3.Каталог шахтопластов по взрывчатым свойствам угольной пыли. М.: Недра, 1973.

4.Шагалова С. Л. Факторы, влияющие на возникновение взрыва пыли натуральных топлив. – Теплоэнергетика, 1957, ¹ 2.

5.Толчинский Е. Н., Киселев В. А., Яковлева В. С. Критерий взрываемости пыли твердых натуральных топлив. – Тепло­ энергетика. 1996, ¹ 7.

6.Толчинский Е. Н., Колбасников В. А. Инженерный метод оценки взрывоопасных свойств пыли энергетических топ­ лив. – Электрические станции, 1999, ¹ 3.

Ограничение температуры пылевоздушной смеси за мельницей – одна из основных мер взрывопредупреждения1

Кушнаренко В. В., êàíä. òåõí. íàóê

ÀÎÎÒ “ÍÏÎ ÖÊÒÈ”

В [1] предпринята попытка пересмотреть отношение к необходимости регламентировать в [2] значение предельной температуры за мельницей (сепаратором) при размоле взрывоопасного топли­ ва в системах пылеприготовления с воздушной сушкой. Читатель вправе ожидать новизны в аргу­ ментации, вытекающей из новизны результатов в теоретических либо экспериментальных исследо­ ваниях или при обследовании пылесистем на ТЭС. Тем более, что в начале статьи заявлена претензия рассмотреть вопрос на современном уровне, ибо, по мнению авторов, недостатки Правил, в том чис­ ле и в последней редакции 1989 г., объясняются недостаточно высоким уровнем знаний того вре­ мени. К сожалению, мотивировки авторов базиру­ ются не на новых данных, а на скромном непол­ ном обзоре литературных источников, в том числе и многолетней давности, и на собственных рас­ суждениях. Анализируя содержание статьи, высказанные в ней соображения и доводы можно для удобства рассмотрения систематизировать следу­ ющим образом: отмечаются некоторые ошибоч- ные положения и представления; обсуждаются не­ увязки максимально допустимой температуры аэросмеси за мельницей с теоретическими воззре­ ниями, экспериментальными данными и опытом эксплуатации; излагаются представления авторов о возникновении взрыва в установке.

Авторы обращают внимание на ошибочность ряда положений: о том, что максимально допусти­ мой температуре за установкой придан статус “взрывобезопасной”, максимально допустимая температура отражает взрывоопасные свойства

1Продолжение дискуссии. Начало см. Электрические стан­ ции, 2001, ¹ 3.

природного топлива, сама температура отождеств­ ляется с минимальной энергией воспламенения пылевого облака. Ошибочность этих положений очевидна, но их существование сомнительно, так как источник не указан, а в нормативных докумен­ тах и в технической литературе по вопросам взрывобезопасности пылеприготовительных установок трактовки и высказывания, аналогичные указанным “положениям”, не обнаруживаются. В свою очередь, следует обратить внимание авторов [1], что употребляемые ими термины “химическая константа вещества”, “химическая активность топлива” неопределенны и в химии их нет. При неточности формулировок некоторые высказывания вызывают недоумение. Например, утвержде­ ния о том, что теплота сгорания летучих и зола яв­ ляются носителями взрывоопасных свойств топ­ лива, что температура смеси за установкой не мо­ жет быть тождественна источнику воспламенения, что хлопки и взрывы возникают в основном при встряхивании мельницы и др., дают повод предпо­ ложить отсутствие у авторов четких представле­ ний о существе предмета обсуждения.

В качестве теоретического обоснования нового отношения к предельной температуре пылевоздушной смеси за мельницей как к второстепенно­ му показателю, слабо связанному с взрывобезопасностью эксплуатации установок (эта мысль прямо или косвенно пронизывает всю статью), указывается на отсутствие функциональной связи предельной температуры с взрывоопасными свой­ ствами топлива.

Функциональной зависимости и быть не мо­ жет, так как ограничение температуры за мельни­ цей не что иное, как директива, волевое решение. Далее, не существует точного определения поня-

20

Электрические станции, 2001, ¹ 9

t, °C

происходит тем надежнее (с большей вероятно­

стью), чем выше температура смеси. Что касается

связи температуры за мельницей со скоростью об­

400

3

разования тлеющих отложений пыли, то авторы

1

1"

[1], не располагая экспериментальными данными,

2

2'

3'

1'

ÿâíî

недооценивают это

обстоятельство, считая

2"

300

его косвенным. Кривые на графике рисунка èëëþ­

tâ = 158°Ñ

стрируют указанную зависимость. Опыты прово­

дились при постоянных температурах потока воз­

200

tâ = 145°Ñ

äóõà tâ над поверхностью насыпанной в кювету

пыли фракции 0 – 50 мкм с размещенными в ней

100

tâ = 130°Ñ

на различной глубине микротермопарами. Верх­

, ìèí

0

10

20

30

ние слои пылевой засыпки прогреваются до тем-

Рост температуры во времени в слое отложений пыли уг­

пературы tâ практически одновременно и момент

ëåé:

выравнивания температур принят за нулевую точ­

1, 1 , 1 – ирша-бородинского бурого; 2, 2 , 2 – кузнецкого Г;

ку отсчета времени на графиках рисунка. Затем

происходит саморазогревание

пыли, максимум

3, 3 – экибастузского СС

температур по мере разогрева смещается из глу-

бинных слоев пыли ближе к поверхности. Темпе­

тия “взрывоопасные свойства топлива”, позволяю­

ратура 500°С достигается за время â в первую

щего дать количественную оценку, поскольку речь

очередь на глубине 3 – 6 мм от поверхности, рост

зашла о математических зависимостях. В услови­

температуры на этой глубине показывают кривые

ях неопределенности правильнее будет ставить во­

графика. Разогрев до 500°С означает неизбежное

прос о проявлениях взрывоопасных свойств в свя­

загорание пыли, спустя время, ничтожно малое по

зи с температурой за мельницей. Проявление этих

сравнению с â. Поэтому â можно считать сравни­

свойств – взрывы пыли. Поэтому корректная по­

тельной характеристикой

скорости

самовозгора­

становка задачи состоит в изучении связи между

ния в зависимости от температуры воздуха tâ íàä

частотой случаев взрывов за определенный пери­

пылевым отложением. Из графика на рисунке ñëå­

од времени с принятым в эксплуатации предель-

äóåò, ÷òî ïðè tâ = 130°Ñ â составляет 39 мин для

ным значением температуры пылевоздушной сме­

пыли углей ирша-бородинского бурого и кузнец­

си за мельницей. Налицо связь вероятностная, а не

êîãî

каменного

марки

Ã,

ïðè

â = 145°Ñ,

фунциональная, так как процесс возникновения

â = 18 ìèí, ïðè tâ = 158°Ñ â = 8,5 ìèí äëÿ èðøà-

взрывоопасной ситуации, заканчивающийся взры-

бородинского угля и â = 11 мин для кузнецкого Г.

вом в установке, является стохастическим, случай-

Другими словами, при увеличении температуры

ным процессом. Его математическое исследование

воздуха на 13 – 15°С время, необходимое для са­

пока еще вне поля зрения специалистов в области

мовозгорания отложения пыли, уменьшается при­

случайных функций.

мерно вдвое, соответственно вдвое повышается

В упрощенной постановке задачи вероятность

вероятность P(A2|A1), а также вероятность взрыва

возникновения взрыва Ð(Â) в заданном отрезке

P(B).

времени можно рассматривать как вероятность

Остается уточнить, что ход температурных

того, что произошли последовательно следующие

кривых, приведенных на графике, наблюдался

случайные события: À1 – образовалось отложение

практически одинаковым при толщинах слоя за-

ïûëè; À2 – произошло самовозгорание отложения;

сыпки пыли в 16 и в 38 мм. Это означает, что отло­

À3 – обрушение и взвихривание горящего отложе­

жения пыли малой толщины не менее опасны в от-

íèÿ; À4 – воспламенение пылевоздушной смеси

ношении взрывов в пылесистемах, как и мощные

при взвихривании. Считаем, что концентрация

пласты отложений. Для более грубой пыли фрак­

пыли в смеси превышает нижний предел воспла­

ции 50 – 90 мкм время â возрастает на 10 – 20%.

менения. Тогда

Íà рисунке приведены также кривые, относя­

P(B) = P(A1)P(A2|A1)P(A3|A2)P(A4|A3),

щиеся к экибастузскому углю. Время â äëÿ íåãî

не слишком резко отличается от â äëÿ èðøà-áîðî-

ãäå P(An |An – 1) – условная вероятность каждого

динского и кузнецкого Г углей. Однако, если для

последующего события An, при условии, что пре-

пыли ирша-бородинского угля минимальная энер­

дыдущее An – 1 имело место.

гия зажигания, необходимая для инициирования

Из приведенной формулы следует, что темпе-

взрыва, по нашим опытам составляет 0,5 Дж, а для

ратурный уровень в пылесистеме, характеризуе-

кузнецкого Г из различных шахт – от 2,3 до

мый температурой смеси за мельницей, сущест­

12,5 Дж, то пыль экибастузского угля не взрывает-

венно влияет на вероятность событий A2 è A4. Èç-

ся даже при повышении энергии зажигания до

вестно, что зажигание горючей смеси (событие A4)

400 Дж. Тем самым еще раз подтверждается необ-

Электрические станции, 2001, ¹ 9	21

ходимость учета такой важной характеристики взрываемости, как минимальная энергия зажига­ ния, при разработке метода классификации энер­ гетического топлива по степени взрывоопасности при сушке и размоле, и подтверждается непригод­ ность классификации по расчетному показателю Kò, предложенной авторами [1].

Приведенная формула согласуется с хорошо известными оперативному персоналу ТЭС факта­ ми: далеко не за каждым завышением допустимой по Правилам температуры следует взрыв (иначе взрывы происходили бы, по крайней мере, ежесу­ точно); частые и резкие корректировки режима работы пылесистемы из-за низкого качества угля или по причине недостаточной опытности машиниста скорее приводят к взрыву, чем стабильная работа. При неустойчивой работе возрастает веро­ ятность событий A1, A3, а также A2, A4. Формула дает основания утверждать, что ограничение температуры за мельницей – необходимая и очень важная мера борьбы со взрывами пыли.

В качестве экспериментального обоснования ненужности ограничений температуры за мельни­ цей в [1] приведен график, названный зависимо­ стью минимальной температуры воспламенения аэровзвеси от выхода летучих. Понятие “темпера­ тура воспламенения” – строго определенное и имеющее совсем иной смысл, чем тот, который вкладывают авторы [1]. Согласно требованиям [3] показатель пожароопасности вещества – темпера­ тура воспламенения – определяется в испытаниях на специальном приборе, заключающихся в нагре­ вании образца до различных температур в диапа­ зоне 25 – 600°С и попытках зажигания выделяющихся продуктов разложения посторонним источ­ ником воспламенения в виде пламени газовой го­ релки. Данные рисунка в [1] относятся к самовос­ пламенению пылевоздушных смесей, т.е. само­ произвольному появлению пламени под воздейст­ вием повышенных температур. Так как температура самовоспламенения не является фи­ зической константой и зависит от метода опреде­ ления, то при ее определении в стендовых уста­ новках требуется выполнение ряда условий, с тем, чтобы полученные данные можно было перено­ сить на натурные условия изучаемого процесса в промышленных установках и оборудовании. Обо­ снование требований к эксперименту дано, напри­ мер, в [4]. Приводя полученные температуры са­ мовоспламенения tñ, необходимо указывать время индукции è, время задержки воспламенения от момента вбрасывания пыли в поток горячего воз­ духа до появления пламени. С увеличением tñ время è убывает в экспоненциальной зависимо­ сти. Значение è задается (выбирается) как харак­ терное для изучаемого процесса время. Поэтому рассмотрение значений tñ в [1] и какие-либо выводы теряют смысл. Рассмотрим более конкретные

данные. В опытах ЦКТИ [5] при выбранном è = 1 ñ tñ составили (в градусах Цельсия): торф – 346 – 372, эстонский сланец – 462, бурые угли – 350 – 433, каменные угли – 482 – 600. Следовате­ льно, при температуре подаваемого в мельницу воздуха до 450°С опасность самовоспламенения пыли некоторых видов топлива представляется вполне реальной при времени возможного контак­ та пыли с горячим воздухом 1 с и более в таких ре­ жимах, как пуск мельницы после аварийного оста­ нова, расхолащивание мельницы после завала ее топливом, прекращение подачи в мельницу сырого топлива. Самовоспламенением пыли можно объяснить взрывы в топках и газоходах котлов в таких случаях, как после погасания факела, при подаче пыли в недостаточно прогретую топку при пуске.

Какими же данными из опыта эксплуатации в [1] аргументируется основная концепция в отношении температуры за мельницей? По существу их нет. Приведенные примеры с указанием некоторых ТЭС – всего лишь иллюстрация того баналь­ ного факта, что в эксплуатации не всегда строго соблюдаются Правила взрывобезопасности. Ссылка на некоторые электростанции Сибири, где в зимнее время в системах с воздушной сушкой (с содержанием кислорода 21%, как заявлено в нача­ ле статьи) требуется вентиляция дымовыми газа­ ми для прогрева при пуске, выглядит как недора­ зумение, а не пример противоречия Правил с прак­ тикой.

Наконец, нельзя не отметить своеобразное представление авторов [1] о состоянии среды в пылеприготовительных установках и возникнове­ нии взрыва. Утверждается, что использование го­ рячего воздуха с температурой до 450°С способст­ вует интенсивному выходу летучих из топлива, при этом содержание кислорода снижается до та­ кой степени, что препятствует возникновению взрыва даже при наличии тлеющих отложений. Взрыв возможен лишь при доступе свежего возду­ ха в пылеприготовительную установку. Столь ошеломляющая картина рушится, если обратиться к результатам прямых наблюдений.

При проведении опытов со взрывами на пылесистемах с ШБМ и воздушной сушкой [6] регуляр­ но отбирались пробы газов (сушильного агента) за циклоном на анализ – свыше 60 проб. При номи­ нальном режиме работы установки содержание водорода в газах не превышало 0,2 10 – 3%, оксид углерода и метан не обнаруживались. В ходе испытаний температура за мельницей сознательно завышалась на десятки градусов, вплоть до 120°С, на время от нескольких минут до 1 ч. Максималь­ ное содержание указанных компонентов было сле­ дующим: оксид углерода – 2,5 10 – 3%, водород – 11,8 10 – 3%, метан – 1,2 10 – 3%. Опыты прово­ дились при размоле азейского и ирша-бородинско-