Численный анализ вероятности возгораний мазута на тепловых электрических станциях

УДК 536.468

Численный анализ вероятности возгораний мазута на тепловых электрических станциях

О. В. Высокоморная,

аспирант

Томского политехнического университета

Г. В. Кузнецов,

доктор

физико-математических наук, профессор,

декан Томского политехнического университета

П. А. Стрижак,

кандидат физико-математических наук,

Томский политехнический университет

Выполнен численный анализ вероятности неконтролируемых возгораний мазута при проведении огневых работ на тепловых электрических станциях. Предложена теоретическая модель зажигания мазута разогретой до высоких температур металлической частицей малых размеров. Определены время задержки воспламенения мазута и масштабы влияния температуры и размеров частицы на условия зажигания. Выполнено сравнение результатов численного моделирования с экспериментами.

Ключевые слова: пожарная опасность, зажигание, мазут, разогретая частица, ремонтные работы.

Введение

Широко применяющийся [1] на тепловых электрических станциях (ТЭС) в качестве резервного топлива, а также для запуска топочных процессов мазут является пожароопасным веществом. Его хранение, транспортировка и перегрузка проводятся при жестком контроле температурного режима [2].

При анализе возможных условий возникновения пожаров на ТЭС определенное внимание уделяется и ремонтным работам, сопровождающимся сваркой и резкой металлических конструкций и, как следствие, формированием потенциальных источников пожара - разогретых до высоких температур металлических частиц. Однако до настоящего времени спе-

Щ6ІШЮЖ

циально не анализировались условия зажигания мазута такими частицами.

Цель настоящей работы - теоретический анализ пожарной опасности зажигания мазута разогретыми частицами, образующимися при проведении огневых работ в ходе ремонта основного и вспомогательного оборудования ТЭС.

Постановка задачи

При анализе процессов зажигания жидких [3, 4] и твердых [5] конденсированных веществ разогретыми частицами установлено, что характеристики и условия протекания таких процессов в системах «несколько разогретых частиц - конденсированное вещество - окислитель» и «одиночная разогретая частица - конденсированное вещество - окислитель» отличаются незначительно. Поэтому решалась задача зажигания мазута одиночной частицей (рис. 1). Так как наиболее распространенным металлом, используемым при изготовлении различного оборудования ТЭС, является сталь, то в качестве источника зажигания рассматривалась стальная частица.

источником нагрева и жидкостью формируется паровой зазор (рис. 1 б), характерные размеры которого определяются теплосодержанием частицы и характеристиками мазута. Вследствие интенсивного испарения топлива в области под частицей пары горючего поднимаются вверх и диффундируют в воздух. Это приводит к формированию способной к воспламенению парогазовой смеси в газовой области вблизи частицы. Условия воспламенения смеси реализуются при достижении критических значений концентрации паров мазута в воздухе и температуры парогазовой смеси.

Исследования процесса воспламенения в рассматриваемой системе (рис. 1) выполнялись для частицы в форме диска размерами гр, zp. Размеры области решения г8, zs устанавливались значительно большими по сравнению с размерами частицы гр=г^ Zp=Z4-Z2 (рис. 1 б). Решалась осесимметричная задача в цилиндрической системе координат, начало которой совпадало с осью симметрии частицы.

Моделирование процесса зажигания выполнялось при следующих допущениях:

1. В результате испарения мазута образуется одно вещество с известными характеристиками.

2. Стальная частица не погружается в топливо полностью.

3. Не учитываются возможные процессы выгорания мазута.

Принимались традиционные условия воспламенения [6]:

1. Тепло, выделяемое в результате химической реакции паров горючего с окислителем, больше тепла, передаваемого от частицы жидкому горючему веществу и в воздух.

2. Температура парогазовой смеси превышает начальную температуру частицы.

Математическая модель

Система нестационарных нелинейных дифференциальных уравнений для рассматриваемой модели воспламенения с учетом выделения тепла и расхода вещества в результате химической реакции окисления, выделения энергии в результате кристаллизации материала частицы, кондуктивного и радиационного теплоотвода от источника нагрева в жидкость и парогазовую смесь, а также поглощения энергии при испарении мазута в цилиндрической системе координат имела следующий вид (рис. 1 б):

0<Г<^, Zl<Z<Z2; Г1<Г<Г2, Z2<Z<Zз; г 1<Г<Г8, Zз<Z<Z4;

0<г<гк, z4<z<zs:

уравнение неразрывности:

1 д,,, д2.

Рис. 1. Схема области решения задачи в начальный момент времени (а) и при 0«1а (б):

1 — воздух, 2 — частица, 3 — жидкое топливо,

4 — слой паров горючего, 5 — парогазовая смесь

Предполагалось, что источник нагрева малых размеров (частица) попадает на поверхность мазута (рис. 1 а), частично погружается в него (рис. 1 б) и нагревает топливо. При достижении условий фазового перехода начинается процесс испарения. Между

8ц/ 1

д22 + Г '

дУ/ , д V

--------1-----7" — <в,

дг дг2

уравнение движения парогазовой смеси:

да

да да

-------ь и--------

Зг дг

м>-

дг

д_

дг

г дг

дг

5 у ' дг

дг

вяяизииииИЯ

уравнение энергии:

97; дТ; дТ, д

—- + и—- + м>—- = —

3/ дг дг дг

О Ж

2^-0 О

ст)—

V ’ дг

+ а5(Т)--^ + п V дг

д +— &

+ -

а(г)с5(г)’

уравнение диффузии паров горючего в воздухе:

ЭС, дС, ас,

+ и—- + м>-

а?

Эг

Эг Эг

А

9С7

”эГ

+д(г)1.^+|-

г дг дг

уравнение диффузии паров воды в воздухе:

зс„ аск эс„ а

—- + и—- + >У—- = — д1 дг дг дг

°Лт)

дг

, ч1 дс а Г , час

+А М-—+Т А(гЬг

г дг дг дг

уравнение баланса:

С/+ск+со =1;

и<Г<Г1( 22<2<2^.

уравнение теплопроводности для металлической частицы:

аг2 _ а

5/ дг

еж

(т\дТ2 аЛт)~вГ

, ч 1 эг2 а

+ а2(Г)-- —+ —

г дг дг

2Х ' дг

2„Р2(Г)с2(ту

0<г<гк, 0<z<zl; г2<г<гй, zl<z<zз:

уравнение теплопроводности для жидкого топли-

ва:

дТ3 д а? Эг

“•(г)аГ

/„ч 1 дТ3 д

+ а3(Т) — — + — г дг дг

Ат)—

У ’ дг

:в)

Объёмные доли компонентов парогазовой смеси вычислялись из их массовых концентраций С{, С№, С0 по выражениям:

С0/РАТ)____________.

ЯК =

(р6 =

С„/ р{Т) + С№! Р6(Т) + С1! рА(ту __________Св/р6(Т)__________

с0/л{т)+с,г/р6{т)+с//р,{ту

Теплофизические характеристики парогазовой смеси рассчитывались по формулам:

Здесь t - время, с; td - время задержки воспламенения, с; г, z - координаты цилиндрической системы, м; у - функция тока, м2/с; о - вектор вихря скорости, с-1; u, w - составляющие скорости паров горючего в проекции на ось г и z соответственно, м/с; V -

кинематическая вязкость, м2/с; Р - коэффициент термического расширения, К-1; g - ускорение свободного падения, м/с2; T - температура, К; a - температуропроводность, м2/с (a= 1/(С р)); 1 - теплопроводность, Вт/(мК); С - удельная теплоёмкость, Дж/(кгК); р - плотность, кг/м3; Qo - тепловой эффект реакции окисления паров горючего в воздухе, МДж/кг; Wo - массовая скорость окисления паров горючего в воздухе, кг/(м3с); Сf - массовая концентрация паров горючего в смеси; Б - коэффициент диффузии, м2/с; СК! - массовая концентрация паров воды в смеси; С0 - массовая концентрация окислителя в смеси; Qc - тепловой эффект кристаллизации источника нагрева, кДж/кг; Wc - массовая скорость кристаллизации источника нагрева, кг/(м2с); индексы «1», «2», «3», «4», «5», «6» соответствуют воздуху, частице, жидкому топливу, парам горючего, парогазовой смеси, парам воды.

В качестве начальных ^=0) условий принимались следующие (рис. 1 а): у =0, О =0, Т=Т0, Сf=0, ^=0 при г!<г<гк, zl<z<z2; 0<г<гк, z2<z<zs; Т=Т0 при 0<г<гк, 0^<Zl; Т=Тр при 0<г<г1, zl<z<z2.

Граничные условия (0<t<td) выставлялись (рис. 1 б) аналогично [3, 4]. На границах «частица -пары горючего» (г=г^ z2<z<zз; z=Z2, 0<г<г1), «частица - парогазовая смесь» (г=г1, zз<z<z4; z=z4, 0<г<г1) принимались граничные условия IV рода для уравнений энергии и теплопроводности, условие равенства нулю градиентов соответствующих функций для уравнений диффузии, движения, неразрывности. На границах «жидкость - пары горючего» (г=Г2, zl<z<zз; z=zl, 0<г<г2), «парогазовая смесь -жидкость» (z=Zз, г 2<г<гй) для уравнения энергии выставлялись граничные условия IV рода с учетом испарения жидкости, для уравнений диффузии, движения, неразрывности принимались граничные условия II рода. На внешних границах области решения (г=0, г=г, 0^^,; z=0, z=zs, 0<г<г,) для всех уравнений принималось условие равенства нулю градиентов соответствующих функций.

Для вычисления массовых скоростей окисления паров горючего Wo и кристаллизации материала источника нагрева Wc использовались формулы, приведенные в [3, 4].

Метод решения

Метод решения задачи зажигания в рассматриваемой системе (рис. 1) аналогичен описанным ранее в [3, 4]. Система дифференциальных уравнений (1)-(8) с соответствующими начальными и граничными условиями решалась методом конечных разностей. Для решения разностных аналогов дифференциальных уравнений использовался локально-одномерный метод. Одномерные разностные уравнения решались методом итераций и методом прогонки с использованием неявной четырехточечной схемы. Достоверность полученных результатов определялась проверкой консервативности разностной схемы.

Следует отметить, что алгоритм определения размеров парового зазора между частицей и топливом, а также глубина погружения источника зажигания в жидкость при испарении последней также аналогичен [3, 4].

вяигоииииИй

Результаты и обсуждение

Численные исследования выполнялись при следующих значениях параметров процесса [7-11]: начальная температура мазута и воздуха Т0=300 К; начальная температура стальной частицы

мов зажигании жидкостей проявляются заметно. К тому же при уменьшении теплосодержания частицы более масштабным становится влияние на характеристики зажигания внешних факторов (например, температура и влажность воздуха). При высоких

1100<Тр<1600 К; энергия активации и предэкспонен- температурах частиц (Тр>1500 К) время задержки циальный множитель для реакции окисления в системе «пары мазута - воздух» £=198 кДж/моль, к0=1,3-1010 с-1; температура плавления стальной частицы Тс=1400 К; тепловой эффект реакции окисления паров мазута в воздухе Q0=43,8 МДж/кг; тепловой эффект кристаллизации стальной частицы Qс=205 кДж/кг; тепловой эффект испарения мазута

Q=210 кДж/кг; размеры частицы гр=0,003 м, е р гр=0,003 м; толщина пленки мазута 21=0,01 м; размеры области решения г3=0,01 м, г3=0,02 м. Теплофизические характеристики мазута, его паров, воздуха, паров воды, стальной частицы в зависимости от температуры приведены в [7-10].

В табл. 1 представлено время задержки воспламенения мазута разогретой стальной частицей в зависимости от начальной температуры источника нагрева Тр, полученное при решении рассматриваемой задачи (рис. 1) и в экспериментах [12].

Видно, что отклонения теоретически полученных значений от экспериментальных td* не превышают 8 %. Этот результат позволяет сделать вывод об адекватности разработанной теоретической модели и правомерности принятых допущений. В то же время следует отметить, что значения А с понижением начальной температуры частицы возрастают. Установленную зависимость А от Тр можно объяснить увеличением инерционности стадий исследуемого процесса, при котором особенности механиз-

р

воспламенения существенно меньше, чем аналогичные параметры при Тр<1300 К, поэтому роль внешних факторов незначительна.

Анализируя зависимости и td* от Тр, можно сделать вывод о том, что вероятность возгорания мазута при попадании на его поверхность стальных частиц, разогретых до температуры Тр>1300 К, очень высока. В то же время видно (табл. 1), что минимальная температура частицы, при которой реализуются условия воспламенения мазута, составляет 1273 К. Так как температура частиц, образующихся при резке или сварке металлических конструкций, как правило, варьируется в диапазоне от 900 до 2100 К [13], то процессы взаимодействия таких частиц с мазутом на ТЭС следует считать пожароопасными.

Не менее важными, чем начальная температура, параметрами, влияющими на теплосодержание частицы и, как следствие, на инерционность зажигания, являются ее размеры [3, 4]. В табл. 2 представлена зависимость времени задержки воспламенения от величины радиуса частицы гр в форме диска при постоянной высоте гр. Такой выбор варьируемого параметра, определяющего размер частицы, обусловлен тем, что при изменении гр в рассматриваемой системе меняется площадь контакта источника нагрева с жидким топливом и более масштабно изменяется время задержки воспламенения по сравнению с аналогичными факторами при варьировании значения г.

Таблица 1

Время задержки воспламенения в системе «мазут - стальная частица - воздух» в зависимости от начальной температуры частицы при гр=гр=0,003 м

^ К 1513 1473 1433 1393 1353 1313 1273 1243

с 0,0164 0,0176 0,0191 0,0417 0,0655 0,1134 0,2117 Нет воспламенения

td*, с 0,0162 0,0171 0,0182 0,0395 0,0618 0,1061 0,1966 Нет воспламенения

А , % 1,2 2,8 4,7 5,1 5,6 6,4 7,1 -

А - отклонение

/ \ А = ^—^-100

* - результаты экспериментальных исследований [12].

Время задержки воспламенения в системе «мазут - стальная частица -воздух» в зависимости от радиуса частицы при Тр=1313 К, гр=0,003 м

Таблица 2

V м 0,0045 0,0040 0,0035 0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010

с 0,0694 0,0802 0,0967 0,1134 0,1365 0,1728 0,2239 Нет воспламенения

вяяииииииИЯ

Анализируя полученную зависимость времени задержки воспламенения мазута от значения радиуса частицы (табл. 2) и аналогичные зависимости для бензина, керосина и дизельного топлива [3, 4], можно сделать вывод о том, что для мазута уменьшение ^ с ростом гр более масштабно, чем для других топлив. Этот результат можно объяснить тем, что при увеличении размеров частицы возрастает ее масса. Как следствие, увеличивается глубина погружения источника нагрева в топливо в процессе зажигания. Поэтому с повышением размеров источника нагрева возрастает его теплосодержание и увеличивается площадь контакта частицы с топливом. С одной стороны, инерционность зажигания должна снижаться за счет большего теплоотвода от частицы. С другой стороны, инерционность зажигания должна возрастать за счет того, что большая часть тепла источника нагрева расходуется на прогрев и испарение жидкости и малая часть остается на разогрев парогазовой смеси. Как известно, мазут обладает более высокой вязкостью по сравнению с другими жидкими топливами. Этим можно объяснить меньшую глубину погружения в него разогретых частиц и, как следствие, меньшие масштабы влияния этого фактора на инерционность зажигания. Поэтому время задержки воспламенения бензина, керосина и дизельного топлива [3, 4] уменьшается с ростом характерных размеров частиц не так значительно, как для мазута (табл. 2).

При анализе механизмов зажигания жидких топлив разогретыми частицами с конечным запасом энергии [3, 4] было установлено, что в зависимости от теплосодержания частиц возможна реализация нескольких режимов зажигания. При этом выявлены диапазоны варьирования времени задержки воспламенения и расположение зоны воспламенения, характерные для каждого режима. Для процессов зажигания мазута в рассматриваемой системе (рис. 1) также можно выделить аналогичные режимы. Так, например, при 1000<Тр<1250 К реализуется режим, характеризующийся максимальным временем задержки воспламенения, нестабильным зажиганием (в серии экспериментов [12] зажигание происходило лишь несколько раз) и расположением зоны воспламенения над частицей (максимальной удаленностью от границы испарения топлива). Второй режим реализуется при 1250<Тр<1500 К. Ему свойственны средние по сравнению с первым и третьим режимом значения времени задержки воспламенения. Зона воспламенения при этом располагается вблизи боковой грани частично погруженного в топливо источника нагрева. Третий же режим (Тр>1500 К) характеризуется минимальной инерционностью и формированием зоны воспламенения в паровом зазоре между топливом и частицей.

Для иллюстрации этих закономерностей на рис. 2 представлены изотермы в момент воспламенения при реализации второго режима. Анализируя полученные изотермы для мазута (рис. 2) и других ранее исследованных топлив [3, 4], следует отметить меньшую глубину погружения частицы, меньшие размеры парового зазора и большие градиенты температур вблизи границы «частица - жидкость» для мазута.

г,м

0,006

Рис. 2. Изотермы системы «мазут — стальная частица — воздух» в момент воспламенения (Ъ=0,1134 с) при Гр=1313 К, гр=гр=0,003 м

Необходимо отметить еще и тот факт, что ранее [3, 4] установлена высокая вероятность зажигания типичных жидких топлив не только металлическими, но и углеродистыми частицами. Такие частицы образуются, например, при горении различных веществ и покрытий. Выявлено, что время задержки воспламенения для металлических и углеродистых частиц при остальных адекватных условиях процесса отличаются менее чем на 30 %. Учитывая этот результат и вычисленное время задержки воспламенения мазута (табл. 1, 2), можно сделать вывод о том, что процессы взаимодействия с ним различных источников нагрева даже с относительно небольшим энергетическим запасом характеризуются высокой пожароопасностью.

Известно [14], что огневые работы на различных производствах могут приводить к неконтролируемым возгораниям жидких топлив и последующим пожарам не только при хранении и транспортировке жидкостей, но и при ремонте резервуаров, в которых ранее хранились горючие жидкости. Так как мазут обладает высокой вязкостью, то на стенках резервуаров после их опорожнения формируется пленка. Для мазута и нефти в силу их специфических свойств, как правило, такие остатки наиболее существенны по сравнению с другими типичными горючими жидкостями. Поэтому огневые работы вблизи резервуаров, не только заполненных мазутом, но и ранее использовавшихся для его хранения и транспортировки, характеризуются высокой пожарной опасностью.

Выводы

1. Так как ремонт основного и вспомогательного оборудования на ТЭС проводится достаточно часто в связи со спецификой работы станций, то необходим тщательный анализ условий проведе-

Ш61ШЮЖ

ния огневых работ, сопровождающихся формированием потенциальных источников зажигания - разогретых до высоких температур частиц.

2. Предложенная теоретическая модель зажигания в системе «мазут - стальная частица - воздух» может быть использована для прогностического ана-

лиза пожароопасности процессов взаимодействия мазута с различными источниками нагрева малых размеров.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 06-08-00366-а).

Литература

1. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под ред. А. В. Клименко, В. М. Зорина. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 648 с.

2. РД 34.20.501-95. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. - М.: СПО ОРГРЭС, 1996.

3. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Воспламенение пожароопасной жидкости одиночной «горячей» частицей // Пожаровзрывобезопасность. - 2007. - № 6. - С. 13 - 20.

4. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Нагретые до высоких температур частицы металла как источники локальных возгораний жидких веществ // Пожарная безопасность. - 2008. - № 4. - С. 72-76.

5. Таратушкина Г. В. Теплоперенос при зажигании конденсированных веществ и эрозии конструкционных материалов при инерционном осаждении твердых горячих частиц. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Томск, 2004. - 184 с.

6. Vilyunov V.N., Zarko V.E. Ignition of Solids. - Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1989. - 442 p.

7.Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. - М.: Энергия, 1975. - Т. 1. - 743 с.

8. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. - М.: Энергия, 1975. - Т. 2. - 896 с.

9. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник / Под ред. А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко. - М.: Пожнаука, 2004. - Ч. 1. - 713 с.

10. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: ООО «Старс», 2006. - 720 с.

11. Щетинков Е. С. Физика горения газов. - М.: Наука, 1965. - 739 с.

12. Захаревич А. В., Кузнецов Г. В., Максимов В. И., Панин В. Ф., Равдин Д. С. Оценка пожарной опасности мазута в условиях перегрузки, хранения и транспорта на тепловых электрических станциях // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - № 3. - С. 30-33.

13. Хренов К. К. Сварка, резка и пайка металлов. - М.: Машиностроение, 1970. - 408 с.

14. Старков Н. Н., Злодеев Н. Н. Пожарная опасность предремонтной подготовки резервуаров. Перспективы развития способов очисти резервуаров // Пожаровзрывобезопасность. - 2008. - № 4. -С. 45-47.