Вероятность возгорания мазута

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.

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 специально 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.

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 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.

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].

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 td с ростом 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 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 . 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 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.

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 проведения 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 анализа пожароопасности процессов взаимодействия мазута с различными источниками нагрева малых размеров.

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