Исследование огнепреградителей напорно-импульсного типа

Толчинский Е. Н., канд. техн. наук, Абросимов А. А., Иванов С. В., Киселев В. А., Шахов М. И., Яковлева В. С.

Один из возможных способов предотвратить разрушение пылеприготовительных установок при взрыве пылевоздушных смесей состоит в повышении прочности оборудования этих установок до такой степени, чтобы оно было способно выдерживать давление, развиваемое при взрыве. Как показано в [1], элементы (узлы и оборудование) пылеприготовительной установки, работающей под разрежением или при избыточном давлении не более 0,015 МПа, должны выдерживать давление взрыва 0,35 МПа, а при рабочем избыточном давлении более 0,015 МПа прочность элементов и узлов установки должна противостоять внутреннему давлению взрыва, примерно 0,5 МПа [1].
Создание пылеприготовительной системы, удовлетворяющей таким требованиям, является весьма сложной технической задачей, решение которой в ряде случаев оказывается неприемлемым по экономическим условиям из-за увеличения металлоемкости оборудования приблизительно на 30% и роста эксплуатационных издержек, связанных с большим объемом периодического контроля состояния металла элементов пылеприготовительной установки.
Другой возможный способ предотвращения разрушения пылеприготовительных установок при взрыве пылевоздушных смесей основан на использовании взрывных предохранительных клапанов (ВПК) мембранного типа (взрыворазрядни- ков). При взрыве мембраны разрушаются, через образовавшиеся отверстия и присоединенные к ним отводы продукты, образовавшиеся при взрыве, сбрасываются в места, безопасные для оборудования и обслуживающего персонала; при этом обеспечивается герметичность защищаемого оборудования [2].
Взрывные предохранительные клапаны обладают рядом достоинств: они быстродействующие, просты по конструкции, надежно защищают оборудование и в большинстве случаев позволяют создать сбросные отверстия необходимого, даже весьма большого, сечения. Очевидным недостатком таких клапанов является необходимость замены мембран после их разрыва при срабатывании ВПК. Другой серьезный недостаток ВПК состоит в том, что из-за особенностей компоновки оборудования (особенно при его большой единичной производительности), не всегда возможно реализовать отвод продуктов взрыва от ВПК по трубопроводам в безопасные для персонала и оборудования зоны или за пределы котельного помещения.
Согласно [2] допустимая протяженность отводов для оборудования, рассчитанного на внутреннее давление 0,04 МПа, составляет 10, а для давления 0,15 МПа - 30 диаметров ВПК; такая протяженность в большинстве случаев оказывается недостаточной для отвода продуктов взрыва за помещение котельной. Применение же заградительных щитов и навесов в условиях плотной компоновки оборудования в котельных цехах во многих случаях затруднительно и, кроме того, не всегда эффективно.
При разгерметизации оборудования в результате взрыва в окружающем пространстве за сбросным отверстием образуется огненное облако и формируется ударная волна, которая может нанести ущерб обслуживающему персоналу и оборудованию, находящимся поблизости от сбросного устройства. Если сброс продуктов взрыва осуществляется в помещение, в котором есть тонкая пыль, то при раскрытии мембраны сбросного устройства возможно инициирование вторичного взрыва в объеме помещения, характеризующегося существенно большей мощностью по сравнению с исходным взрывом. После ряда таких взрывов в США, например, запрещено предохранять пылеприготовительные установки с прямым вдуванием пыли в топку путем применения разгрузочных сечений.
С целью устранения этого недостатка в ВТИ была разработана и исследована конструкция огнепреградителя (ОП), предназначенного для уменьшения поражающего действия выбрасываемых продуктов взрыва [3, 4]. Огнепреградитель напорно-импульсного типа (НИОП) представляет собой специальную насадку, устанавливаемую на соответствующий по диаметру взрывной предохранительный клапан, и состоит из сосуда-отражателя 1, импульсной трубки 2 и разделительного колпака 3 (рис. 1).

Рис. 2. Схема экспериментальной установки с реакционной камерой объемом 17 м3

Рис. 1. Огнепреградитель напорно-импульсного типа

Принцип действия огнепреградителя основан на гасящем действии воды, распыление которой происходит в результате динамического воздействия потока продуктов взрыва при разрыве мембраны ВПК. Вода истекает через сливную кольцевую щель за счет увеличения давления над поверхностью жидкости во внутренней полости НИОП, передающегося через импульсную трубку 2 (рис. 1). Взаимодействие мелкораспыленной воды с продуктами взрыва, отраженными от конусного днища огнепреградителя, резко снижает их температуру, вследствие чего происходит подавление поражающего действия выбрасываемых продуктов взрыва.
Установка на пылеприготовительных системах НИОП позволяет отказаться от отводов и исключает или ослабляет последствия, связанные с выбросами продуктов взрыва в объем производственного помещения. Однако, как и для взрывных предохранительных клапанов, требуются замена мембраны после ее разрыва и своевременная заливка огнегасящей жидкости в емкость огнепреградителя.
Проверка эффективности работы напорно-импульсных огнепреградителей наиболее распространенных типоразмеров (диаметром 250 и 600 мм) проводилась на крупномасштабном стенде (рис. 2). Основным элементом стенда является горизонтально расположенная цилиндрическая реакционная камера 1 объемом 17 м3. На верхней образующей цилиндрической камеры размещены пятнадцать выхлопных патрубков 2 внутренним диаметром 250 мм. Общая площадь выхлопных патрубков составляет 0,735 м2, что соответствует относительному раскрытию объема 0,04 м2/м3. Выхлопные патрубки 2, в зависимости от задач исследований, либо оснащались ВПК, либо закрывались заглушками вплоть до полной герметизации реакционной камеры.
Распыливание угольной пыли в реакционной камере 1 осуществлялось сжатым воздухом из ресивера 4 объемом 4 м3. Реакционная камера соединена с ресивером 4 воздушным каналом, на котором установлен быстродействующий электромагнитный клапан 5. Для создания равномерного пылевого облака в объеме реакционной камеры применялись пневматические дозаторы 3, равномерно расположенные с двух сторон по ее длине.
Для воспламенения пылевого облака в реакционной камере использовались четыре подвижных 6 и четыре неподвижных 7 запальных устройства (ЗУ). Мощность каждого запальника 40 кВт. Настройкой реле обеспечивалось открытие электромагнитного клапана, включение ЗУ и закрытие клапана через заданный промежуток времени.
Стенд оснащен системой принудительной вентиляции реакционной камеры дымовыми газами с помощью дымососа 8 производительностью 28 тыс. м3/ч и напором 0,0065 МПа; также предусмотрена возможность вентиляции камеры сжатым воздухом. Для удаления осевших в камере частиц пыли и зольных остатков предусмотрена система гидросмыва с помощью водяных форсунок 9, расположенных равномерно по длине камеры, и дренажей для удаления загрязненной воды. К реакционной камере подведен трубопровод горячего воздуха для просушки ее после гидросмыва.

Рис. 3. Помещение огневого бокса с установленным огнепреградителем и координатным полем

Рис. 4. Индикаторная диаграмма давления взрыва пыли тугнуйского угля при концентрации 0,675 кг/м3 в реакционной камере объемом 17 м3

Для измерения давления при взрыве использовались три комплекта приборов, каждый из которых состоял из блока питания, преобразователей, малоинерционных индукционных датчиков давления и шлейфовых осциллографов. Датчики, отградуированные на давление 0,5 МПа, были установлены на линии подачи воздуха из ресивера (Р1), в реакционной камере (Р2) и перед мембраной ВПК (Р3). Наименьшее время регистрации давления не превышало 0,01 с.
Распространение пламени и образовавшихся при взрыве продуктов, истекающих из ВПК в объем огневого бокса объемом 730 м3 (этот бокс отделен от реакционной камеры железобетонным потолком, через который проходят отводы - рис. 3), фиксировалось киносъемкой на 16-миллиметровую пленку чувствительностью 350 - 500 единиц со скоростью 24 кадра в секунду. Размеры зон теплового поражения определялись с помощью полосок термостойкой капроновой ткани (температура плавления 215°С) по координатному полю, образованному жесткой рамкой размером 800 х 1000 мм с закрепленными на ней натянутыми струнами, шаг которых по вертикали был равен 50 мм, а по горизонтали - 250 мм; полоски ткани были закреплены на пересечении струн.

Рис. 5. Зависимость максимального давления взрыва пыли тугнуйского угля и остаточного содержания кислорода от концентрации пыли

Остаточное содержание кислорода при взрыве угольной пыли определялось анализом состава газообразных продуктов взрыва с помощью прибора ОРС.
При испытаниях использовалась пыль угля Тугнуйского месторождения, теплофизические свойства которого характеризуются следующими показателями: Wr = 7,5%; Ad = 23%; Sобщ = 0,5%;
Vdaf = 43,5%; Qr = 5020 ккал/кг и теплотой сгорания летучих QnCT = 5089 ккал/кг. Перед загрузкой в камеры пневмозабрасывателей угольная пыль подсушивалась при температуре 105°С в течение 1,5 ч. Фракционный состав пыли характеризовался полным остатком 20 - 25 и 40 - 45% на сите с размерами ячеек 90 мкм.

Первая серия опытов проводилась на герметичной реакционной камере с целью определения оптимальной концентрации пыли, при которой достигалось максимальное давление взрыва (табл.1). Опыты показали, что оптимальная концентрация пыли тугнуйского угля с R90 = 45% в реакционной камере объемом 17 м3 составляет 0,675 кг/м3, что соответствует максимальному давлению взрыва 0,363 МПа (рис. 4).
Показанные на рис. 5 графики зависимости максимального давления взрыва Рмакс и остаточного содержания кислорода в реакционной камере от изменения концентрации пыли в реакционной камере подтверждают известные сведения о том, что нижний концентрационный предел распространения пламени (цн) снижается пропорционально уменьшению тонкости пыли.

Рис. 6. Зависимость средней и максимальной скорости нарастания давления от максимального давления взрыва

Рис. 7. Выброс продуктов взрыва пыли тугнуйского угля из ВПК-250 без воды

Для пыли с R90 = 45% цн « 0,25 кг/м3, а для пыли с R90 = 10% это значение существенно ниже. Максимальное давление взрыва пыли с R90 = 45% выше, чем пыли с R90 = 10%. Это объясняется тем, что более тонкая пыль склонна к образованию конгломератов, что уменьшает поверхность реагирования. По этой причине для исследования эффективности НИОП использовалась пыль с R90 = 45%, которая к тому же соответствует тонкости пыли этого угля в промышленных условиях.
Средняя скорость подъема давления (РмаксДмакс)ср в диапазоне исследуемых концентраций от 0,28 до 1,15 кг/м3 сохраняет практически линейную зависимость от Рмакс (рис. 6), что может быть объяснено степенью выгорания топлива. Это также подтверждается и прямыми измерениями содержания кислорода в продуктах взрыва (рис. 5). Максимальная скорость нарастания давления (dP/dx^a^ при взрыве пыли с R90 = 10% и R90 = 45% составляют соответственно 0,18 и 0,24 МПа/с.

Таблица 1
Результаты опытов по взрываемости пыли тугнуйского угля с R90 = 45% в замкнутой реакционной камере объемом 17 м3

Рис. 8. ’’Свободный” выброс продуктов взрыва пыли тугнуйского угля из ВПК-250

Рис. 9. Выброс продуктов взрыва пыли тугнуйского угля из ВПК- 250 с НИОП

Вторая серия опытов была связана непосредственно с определением эффективности гашения пламени огнепреградителями. Испытывались НИОП двух типоразмеров Ду = 250 и Ду = 600. НИОП-250 устанавливался на одном отводе ВПК диаметром 250 мм. Остальные отводы от реакционной камеры заглушались. НИОП-600 устанавливался на ВПК диаметром 600 мм. С этой целью четыре патрубка от реакционной камеры диаметром 250 мм каждый объединялись коробчатым коллектором, на верхней плоскости которого устанавливался ВПК диаметром 600 мм с огнепреградителем. Остальные отводы от реакционной камеры также заглушались. Всего было проведено 50 опытов. Объем воды для НИОП-250 составлял 26,5 дм3, для НИОП-600 - 100 дм3.
Перед проведением испытаний были выбраны два типа мембран с давлением разрыва Рр « 0,02 МПа и Рр « 0,05 МПа; это соответствует давлению разрыва мембран, устанавливаемых на пылеприготовительных установках, компоненты которых рассчитаны на внутреннее давление 0,04 и 0,15 МПа. По индикаторной диаграмме определялись момент разрыва (тр) и давление разрыва (Рр) установленной на ВПК мембраны.

Рис. 10. Выброс продуктов взрыва пыли тугнуйского угля из ВПК-600:
а - “свободный” выброс; б - ВПК-600 с НИОП

Опыты были проведены на одном НИОП-250, наиболее близко расположенном к кинокамере. Выбор НИОП-250 был связан еще и с тем, что истечение продуктов взрыва с малым отношением раскрытия защищаемого объема, равным 0,0027 м2/м3, позволяет получить процессы наибольшей интенсивности, характеризующиеся достаточно большой длительностью истечения продуктов взрыва и значительной протяженностью области теплового и динамического воздействия выбрасываемой среды, что повышает точность измерений и качество киносъемки.

Рис. 11. Поражающее действие выбросов продуктов взрыва тугнуйского угля по кооридинатному полю:
а - ВПК-250 с установленным НИОП, но без воды; б - ВПК-250 без НИОП; в - ВПК с НИОП и водой; г - ВПК-600 без НИОП

При одновременном раскрытии нескольких ВПК поражающее действие струи выброса продуктов взрыва всегда меньше, чем при раскрытии одного ВПК при прочих равных условиях. Результаты части опытов представлены в табл. 2.

Таблица 2
Результаты испытаний ВПК Ду = 250 мм и Ду = 600 мм с установкой и без установки НИОП

Примечания: 1. Числитель - порядковый номер опыта, знаменатель - номер рисунка (фотографии). 2. Концентрация пыли в камере ц = 0,7 кг/м3.

Истечение потока продуктов взрыва из ВПК-250 с НИОП, не заполненным водой, характеризуется снижением дальнобойности струи, большим углом раскрытия в плане и высоким поражающим тепловым воздействием, что отражено на координатном поле (рис. 11, а ) и в кадрах киносъемки (рис. 7). Давление, разрушающее мембраны ВПК без огнепреградителя, составляло Рр = 0,036 МПа. Продолжительность горения среды в выбрасываемом потоке до затухания была равна 1 с. В опытах с ВПК и незаполненным водой огнепреградителем давление, разрушающее мембрану, составляло Рр = 0,09 МПа, а время затухания процесса горения - 0,5 с. В этом случае поток, натекая на конус НИОП, имел большой угол раскрытия.
При выбросе продуктов взрыва пыли тугнуйского угля из ВПК-250 длительность существования избыточного давления в реакционной камере при Рмакс ~ 0,114 + 0,064 МПа составляла соответственно 3,8 и 3,6 с. Для ВПК-600 это время меньше и равно 2,8 - 2,3 с при диапазоне изменения Рмакс ~ 0,09 ^ 0,07 МПа. Свободный выброс (без огнепреградителя) продуктов взрыва из ВПК-250 характеризуется большой дальнобойностью и малым углом раскрытия струи, что хорошо видно на рис. 11, б и кадрах киносъемки (рис. 8).
Эффективность срабатывания НИОП-250 можно оценить по выгоранию ленточек координатного поля и по кадрам киносъемки (рис. 11, в и рис. 9). Наиболее контрастно эффективность работы огнепреградителя проявляется при сопоставлении результатов опытов со срабатыванием ВПК-250 без огнепреградителя (рис. 11, б, рис. 8) и с огнепреградителем, но без залитой в него воды (рис. 11, а, рис. 7).
Выброс продуктов взрыва из ВПК-600 менее интенсивен (рис. 11, г и рис. 10, а ). Время горения потока до затухания существенно меньше и составляет 0,2 с, что связано с меньшей энергией истекающего потока за счет большего сечения раскрытия объема, который для ВПК-250 составляет 0,0027 м2/м3, а для ВПК-600 - 0,015 м2/м3, и с большим углом раскрытия струи. Установка огнепреградителя на ВПК-600 приводит к сокращению длительности горения продуктов взрыва и, как следствие, к снижению поражающего действия (рис. 10, б ).

Исследования показали, что при срабатывании НИОП, установленных на ВПК, происходит полное подавление поражающего действия выбросов продуктов взрыва.

Выводы

На эффективность работы огнепреградителей напорно-импульсного типа существенное влияние оказывает одновременное раскрытие мембран максимального числа взрывных предохранительных клапанов, установленных на системе пылеприготовления. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к выбору материала мембран, обеспечивающего их разрушение при строго заданном давлении с учетом эксплуатационного состояния материала мембран. По этой причине существующие конструкции НИОП следует использовать только при малом (один-два) числе ВПК на оборудовании.
Для повышения гасящего эффекта воды и снижения динамического воздействия растекающейся струи после отражения потока продуктов взрыва от конического днища огнепреградителя необходимо установить вокруг огнепреградителя металлическую сетку в виде цилиндра с ячейками 3 - 5 мм. Растекающаяся в радиальном направлении, отраженная от конического днища струя дополнительно будет охлаждаться и терять энергию при прохождении через смоченную водой сетку.
Надежность работы огнепреградителей напорно-импульсного типа в существенной мере зависит от наличия в нем достаточного количества воды, что вызывает необходимость в оснащении огнепреградителей упрощенной автоматической системой, постоянно обеспечивающей поддержание требуемого запаса воды в объеме огнепреградителя.

Список литературы

1. NFPA 8503. Standard for Pulverized Fuel Systems, 1997.
2. РД 153-334. 1-03.352-99. Правила взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива. М.: ВТИ, 2000.
3. Николаев Л. А., Полферов К. Я., Ржезников Ю. В. Разработка устройств защиты от взрывных выбросов из систем пылеприготовления на ТЭС. - Электрические станции, 1984, № 6.
4. Николаев Л. А., Полферов К. Я., Ржезников Ю. В. Результаты исследования взрыва угольной пыли на крупномасштабном стенде. - Электрические станции, 1985, № 3.
5. Николаев Л. А. Исследование и разработка методов и средств защиты от выбросов при взрывах в системах пылеприготовления ТЭС. Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд.техн.наук. М.: ВТИ, 1987.