СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ ГОРЮЧЕЙ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ТРУБЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO PREVENT DETONATION OF FLAMMABLE GAS-AIR MIXTURE IN PIPE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области обеспечения пожаровзрывобезопасности и может использоваться в газовой, нефтяной, химической и других отраслях промышленности. И более конкретно, для обеспечения безопасности технологических процессов, протекающих с участием горючих газов. В частности, изобретение может найти применение при работе блоков огневой регенерации гликоля или метанола, в которых образуется горючая воздушно-метановая смесь.
В установках регенерации гликолей или метанола [1] используются, как правило, подогреватели (испарители) жидких и газообразных сред, состоящие из горизонтального цилиндрического корпуса, заполненного жидкостью, внутри которого находится система нагрева и испарения, состоящая из жаровой трубы, подключенной к горелочному устройству, дымогарных труб и соединяющей их поворотной камеры. Дымовые газы перемещаются по трубам, которые передают тепло омывающей их жидкости. В конструкции жаротрубных испарителей используются обычно горелки, работающие на газе. Сгорание топлива происходит внутри жаровой трубы. Дымовые газы из жаровой трубы через поворотную камеру поступают в дымогарные трубы, где охлаждаются за счет конвекции. Выход продуктов сгорания из дымогарных труб осуществляется в дымовую коробку, закрытую плоской крышкой.
В случае нарушения правил безопасной эксплуатации горелочных систем или непредвиденного отказа оборудования во время розжига горелок, скопившаяся в трубах горючая газовоздушная смесь воспламеняется, давление резко увеличивается, происходит отрыв и вылет крышки дымовой коробки.
Это представляет серьезную опасность, так как в результате неисправности огневого оборудования, при его эксплуатации были зафиксированы случаи, приведшие к человеческим жертвам.
Уровень давлений, возникающих при воспламенении горючей смеси, зависит от способа горения: дефлаграционного (нормального), характеризующегося послойной передачей импульса горения теплопроводностью, или детонационного, характеризующегося адиабатическим сжатием с последующим образованием ударной волны [2]. В последнем случае давление в несколько раз выше и может достигать 1,7 МПа и более.
В качестве предупредительных мер безопасности, на дымовых коробках устанавливают, как правило, взрывные клапаны или разрывные мембраны. Однако в дымогарных трубах возникают детонационные ударные волны, обладающие весьма избыточным давлением, от разрушительной силы которых подобные предохранительные устройства не защищают.
В настоящее время актуальным остается поиск технических решений, которые предусматривают безопасность работы огневого оборудования и направлены на предотвращение возникновения детонации в трубе.
Известен подогреватель жидких и газообразных сред (патент RU №2300701 от 10.06.2007). Такой подогреватель содержит корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, в котором размещен теплообменник, теплогенераторные блоки, в состав каждого из которых входят горелочное устройство, жаровая труба, пучок дымогарных труб и камера поворота, а также выведенная за пределы корпуса дымовая труба, соединенная с пучком дымогарных труб. Кроме того, внутри каждой дымогарной трубы, для интенсификации процесса передачи тепла от дымовых газов, протекающих внутри дымогарных труб, промежуточному теплоносителю, установлены турбулизаторы в виде протяженной пластины, в теле которой выполнен ряд прорезей и лепестков, отогнутых поперек и вертикально пластины.
Турбулизаторы позволяют увеличить скорость движения продуктов сгорания при одновременной дополнительной их турбулизации, при этом повышается коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания промежуточному теплоносителю. Однако проблему предотвращения детонации в трубе при проведении технологического процесса подобное техническое решение не устраняет, что является существенным недостатком.
Известны и достаточно детально рассмотрены процесс нормального горения (дефлаграция) газовоздушной смеси в трубе, влияние изменения формы пламени на характер горения, а также переход дефлаграционного горения в детонационное горение с образованием ударных волн [2].
Дефлаграция может приводить к достаточному ускорению горения вследствие расширения при сгорании и турбулизации сгорающего газа. Расширение газа при нагревании приводит к тому, что вблизи фронта пламени возникает движение газа, даже если первоначально он был неподвижен. Расширение газа в трубах приводит к росту пламени. Если фронт пламени отличается от плоского, то происходит дополнительное увеличение скорости пропорционального отношения поверхности пламени к величине поперечного сечения потока. Искривление поверхности формы пламени является следствием турбулизации сгорающего газа. В трубах пламя имеет тенденцию вытягиваться вдоль оси трубы.
Известно, что взрывобезопасность технологических процессов обеспечивают с помощью применения в оборудовании различных типов огнепреградителей, роль которых сводится к прерыванию движущегося потока горящего газа за счет охлаждения его до температуры, при которой соседние слои уже не смогут воспламениться. Такое охлаждение происходит вследствие того, что тепло, выделяющееся при горении, воспринимается насадкой огнепреградителя [3, 4]. Предотвращение детонации в трубе, заполненной смесью горючего газа и воздуха, при воспламенении смеси на одном из концов трубы, осуществляется подавлением горения газа до его поступления в трубу. Огнепреградители имеют, как правило, развитую поверхность насадки и большую массу, за счет этого осуществляется охлаждение поступающих в огнепреградитель продуктов горения, что препятствует воспламенению горючей смеси в трубе.
Недостатком является то, что диаметр огнепреградителей превышает внутренний диаметр труб, поэтому способ предотвращения детонации неприменим в трубных пучках с небольшим расстоянием между трубами.
Известно влияние диаметра трубы на длину преддетонационного участка [5]. В том случае, если технологическим процессом допускается горение газа внутри трубы, для предотвращения детонации длину трубы выбирают менее длины преддетонационного участка.
Это не всегда конструктивно возможно, что является существенным недостатком для данного способа предотвращения детонации.
Также, следует отметить, что из уровня другой области техники известна система обеспечения безопасности в объемах с оборудованием, работающим во взрывоопасной газовой среде (патент RU №2262365 от 20.10.2005), которая позволяет исключить возможность образования детонации. Это происходит за счет введения технологических перегородок, которые размещают в объеме таким образом, чтобы расстояние по прямой между любыми двумя точками в оставшемся свободном пространстве объема не превышало длины преддетонационного участка в смеси газовой среды.
Применение внутри дымогарной трубы сплошной перегородки на длине, меньшей длины преддетонационного участка, неприемлемо, так как фронт горения, дойдя до перегородки, затухнет, но одновременно прервется и технологический процесс, протекающий через трубу. В случае выполнения каких-либо отверстий в такой перегородке, нагретая струя сгоревшего газа воспламенит газы за перегородкой, и дальнейшее горение с возможностью возникновения детонации по длине трубы возобновится.
К вышеизложенному необходимо добавить, что в огневых подогревателях резкое сужение проточной части канала при переходе от поворотной коробки в пучок дымогарных труб способствует сильной турбулизации потока на входе и соответственно стимулированию детонационного горения в этих трубах. Подавление детонационного горения установкой известных типов и конструкций огнепреградителей в таких дымогарных трубах невозможно.
Перспективным представляется вариант установки в трубах гасителей детонации за счет нарушения фронта ударной волны. Сведений об использовании таких способов и устройств, а также аналогов, содержащих всю совокупность существенных признаков заявляемого изобретения, при проведении информационного поиска не выявлено.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является повышение надежности работы оборудования и безопасности проведения технологического процесса, в частности, при эксплуатации огневого оборудования установок регенерации гликоля или метанола, предотвращение возникновения аварийных ситуаций, снижение вероятности травматизма.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа предотвращения детонации горючей газовоздушной смеси в трубе, предусматривающего введение по всей длине внутри трубы технологических перегородок, расположенных через определенные расстояния, которые не превышают длину преддетонационного участка. Отличия способа заключаются в том, что осуществляют периодическое сдерживание фронта пламени в центральной зоне трубы, деформируя первоначальный вытянутый по ходу горения фронт пламени в момент, когда скорость пламени в центре трубы больше, чем скорость пламени около стенок трубы, направляют прямолинейно фронт пламени по всему объему через каждую перегородку, распространяя его в приграничные зоны ближе к стенке трубы путем закручивания струй горячего газа под тангенциальным направлением к плоскости, образующей сечения трубы, замедляют фронт движущегося внутри трубы пламени между перегородками, причем длину преддетонационного участка определяют в зависимости от числа калибров трубы, поддерживают непрерывный процесс дефлаграционного горения за каждой перегородкой и по всей длине трубы.
Также, задача успешно решается за счет предлагаемого устройства для осуществления способа предотвращения детонации горючей газовоздушной смеси в трубе, установленного, например, в подогревателе жидких и газообразных сред, который включает корпус, заполненный подогреваемой жидкостью или газом, жаровую трубу, подключенную к горелочному устройству и соединенную поворотной камерой с пучком дымогарных труб, и дымовую трубу. Отличительной особенностью является то, что устройство размещено внутри трубы, во внутренней полости которой возможно образование детонационных ударных волн, и выполнено в виде противодетонационной вставки, содержащей стержень с дисками, которые разделены на лепестки-завихрители, при этом концы лепестков-завихрителей отогнуты под углом относительно к перпендикуляру оси трубы, а расстояние между дисками не превышает длину преддетонационного участка, который определен в зависимости от числа калибров трубы.
Технический результат, полученный от изобретения, заключается в обеспечении нормального (дефлаграционного) непрерывного режима горения во всем объеме и по всей длине трубы и устранении возможности образования детонационных ударных волн.
Более подробно изобретение поясняется чертежами, на которых изображено устройство предотвращения детонации, размещенное в трубе, а именно:
Фиг.1 - общий вид фрагмента экспериментальной модели для исследования детонации горючей газовоздушной смеси в трубе;
Фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, иллюстрирующее вид диска с лепестками-завихрителями;
Фиг.3 - вид Б на фиг.2, на котором показано положение диска на стержне с отогнутыми лепестками-завихрителями.
Экспериментальная модель для исследования детонации горючей газовоздушной смеси в трубе имитирует реальный подогреватель блока огневой регенерации гликоля или метанола. Внутри трубы 1, подобной дымогарной трубе подогревателя, размещена противодетонационная вставка 2. На стержне этой вставки, для одновременного гашения детонационных ударных волн и обеспечения непрерывного дефлаграционного горения по всей длине трубы, установлены диски 3 с лепестками-завихрителями. Круглая пластина диска разделена на лепестки, концы которых отогнуты под углом относительно к перпендикуляру оси трубы. Для удобства установки в трубу, на конце стержня выполнена ручка-упор 4, предназначенная также как ограничитель местоположения.
Способ предотвращения детонации горючей газовоздушной смеси в трубе и устройство для его осуществления работают следующим образом.
Воспламенение с одного конца трубы, заполненной горючей смесью газов, приводит к образованию перемещающегося к другому концу трубы фронта дефлаграционного горения. В начале процесса фронт пламени близок по форме к плоскому горению, но по мере движения по длине трубы за счет трения о стенки, центральная часть фронта пламени вытягивается, уменьшается угол его наклона к оси трубы. Происходит постепенное увеличение скорости фронта пламени с возможным переходом дефлаграционного горения в детонационное горение с образованием ударной волны. Детонации предшествует сильное вытягивание по ходу горения первоначального фронта пламени, когда скорость пламени в центре трубы становится много больше, чем около стенок. Для устранения опасности возникновения детонации осуществляют периодическое сдерживание фронта пламени в центральной зоне трубы путем размещения внутри трубы устройства, в виде противодетонационной вставки состоящей из стержня с установленными по его длине с определенным шагом завихрителей потока, выполненных в виде диска с отогнутыми лепестками-завихрителями. Расстояние между дисками с лепестками-завихрителями выбирают меньше длины преддетонационного участка. Длина преддетонационного участка зависит от числа калибров трубы (отношение длины участка трубы к внутреннему диаметру). Установление в трубе стержня с перегородками, выполненными в виде дисков с лепестками-завихрителями, обеспечивает закручивание струй горячего газа под тангенциальным направлением к плоскости, образующей сечения трубы, способствует изменению формы фронта пламени и его распространению в приграничные зоны стенок трубы. Процесс дефлаграционного горения за перегородкой продолжается с малой скоростью и не переходит в детонационное горение.
Способ предотвращения детонации горючей газовоздушной смеси в трубе и реализующее его устройство прошли проверку на специально спроектированной испытательной установке, где имитировался процесс детонационного горения в трубе.
Конструкция испытательной установки состояла из входной камеры - аналога жаровой трубы, детонационной трубы - аналога дымогарной трубы, противодетонационной вставки со съемными гасителями ударных волн, выходной камеры, в которой имитировалось такое же расширение газа, как при входе в дымосборную камеру испарителя, выходной трубы, герметизированной разрывной мембраной, как аналога дымовой трубы в реальном оборудовании.
К выходной камере приваривали штуцер, который выполнял функцию окна взрывного клапана. Применяли также ниппели для ввода горючего газа и вывода избыточного воздуха. К передней крышке входной камеры присоединяли устройство воспламенения горючей смеси. На выходной камере были установлены импульсные датчики давления крешерного типа. В одном из датчиков давление газа создавало усилие на поршень с закаленным конусом, который давил на алюминиевую пластину. Величину давления определяли по диаметру отпечатка конуса на этой пластине.
Отрабатывались вставки, состоящие из стержня и пластин, закрепленных на стержне с шагом 0,5 м. В первом варианте вставки использовались пластины в виде полудисков, не приведшие к положительным результатам по устранению явления детонации. Во втором варианте использовали диски с отогнутыми лепестками-завихрителями, применение которых привело к получению положительных результатов.
По завершении этих экспериментов осуществлялись дополнительные эксперименты по определению коэффициента аэродинамического сопротивления трубы с гасителями ударных волн. С этой целью в модель подавалась струя воздуха, создаваемая нагнетателем с постоянной мощностью. Во входной и выходной камерах измерялись давления, а на выходе из модели - скорость воздуха.
На основании проведенной работы по исследованию детонационных ударных волн было установлено, что в случае заполнения жаровой и дымогарных труб газовоздушной смесью и ее воспламенения возможно образование в дымогарных трубах детонационных волн, которые создают воздействие на крышку дымосборной камеры до 1,7 МПа. Кроме того, использование в испарителе взрывного клапана, установленного на боковой стенке дымосборной камеры, снижает давление на крышку этой камеры до 0,8 МПа, причем это давление не зависит от наличия крышки на входе в жаровую трубу. Именно высокие давления в дымосборной камере объясняют случаи отрыва крышек дымосборных камер в таких ситуациях.
Существенного снижения давления в выходной камере испытательной установки (до 0,3 МПа) удалось добиться при установке противодетонационных вставок с использованием завихряющих пластин, имеющих лепестки, концы которых отогнуты под углом относительно к перпендикуляру оси трубы, но при наличии в установке взрывных клапанов. В случае отсутствия взрывных клапанов давление в выходной камере увеличивалось незначительно (до 0,7 МПа).
Таким образом, введение в трубу устройства в виде противодетонационной вставки, содержащей диски с отогнутыми лепестками-завихрителями по всей длине трубы через определенные расстояния, не превышающие длины преддетонационного участка, позволяет избежать перехода дефлаграционного горения в детонационное горение независимо от длины трубы и обеспечивает непрерывный режим нормального горения газовоздушной смеси в течение всего технологического процесса.
Более того, необходимо указать, что данное изобретение не ограничивается использованием только в вышеописанной области техники, и может успешно применяться в других отраслях промышленности, в оборудовании и технологических процессах, где возникает необходимость предусмотреть и избежать детонации горючих газовоздушных смесей в трубе.
Использованные источники информации
1. Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. М., Недра, 2000, с.31, рис.1.13.
2. Розловский А.И. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. 2-е изд., перераб. М.: Химия, 1980, стр.38-43, 48, 154-155, 172-173, 329-333.
3. Стаскевич Н.Л., Вигдорчик Д.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. Л., Недра, 1986, с.176-180.
4. Серпионова Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. М.: Высшая школа, 1969, с.165.
5. Природный газ. Метан. Справочник./ Пирогов С.Ю., Акулов Л.А., Ведерников М.В. и др. СПб: НПО «Профессионал», 2006 г., с.322-323, 652-659.