ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследования.
Эксплуатация паровых котлов с рабочим давлением пара до 0,07 МПа избыточных и малой тепловой мощности (до 1000 кВт), которые в дальнейшем будем именовать котлами малого давления, началась в середине 20 века с внедрения их в агропромышленном комплексе (АПК) [1, 2]. Это оборудование используется для следующих нужд:
— нагревание воды, идущей на технологические цели;
— нагревание воздуха, применяемого при вентиляции помещений, сушке сельскохозяйственных продуктов и обогреве теплиц и парников;
— запаривание сухих кормов, тепловой обработки пищевых отходов и пастеризации молока и т. д. [3,4].
В период наиболее интенсивной эксплуатации указанных котлов, приходящийся на восьмидесятые годы, последние являлись наиболее травмоопасным оборудованием из всего стационарного сельскохозяйственного оборудования [5]. В настоящее время, согласно статистическим данным [6], в АПК России эксплуатируется порядка 40000 паровых котлов малого давления, что оставляет решение проблемы обеспечения безопасности паровых котлов актуальным.
Как показано в [7, 8], промышленное котлостроение началось в 19 веке с производства паровых котлов высокого давления (давление пара достигало 16 МПа), что было обусловлено необходимостью удовлетворения потребностей общества, связанных с развитием паровозо- и судостроения, а также повсеместно начинающейся электрификации. Безопасности работы котельных установок содействовали введенные в конце 19 века правила испытаний, освидетельствования и эксплуатации паровых котлов высокого давления и установление государственного надзора за исполнением этих правил.
Таким образом, при массовом внедрении паровых котлов малого давления, для обеспечения их безопасной эксплуатации использовался много-
летний опыт разработчиков паровых котлов высокого давления (рабочее давление пара более 0,07 МПа избыточных). Поэтому нормативно-техническая документация на новый тип котлов основывалась на правилах эксплуатации котлов высокого давления и повторяла их требования безопасности.
Этот же опыт использовался и при расследовании причин аварий и несчастных случаев, которые происходили на паровых котлах малого давления. Выявляемые причины повторяли характерные для котлов высокого давления. Среди них отмечены главные: взрыв котла в результате у пуска или отсутствия циркуляции воды в отопительной системе и взрывы в топках [9, 10, 11]. Кроме того, появились летальные исходы из-за ожогов верхних дыхательных путей.
Взрывы котлов в результате упуска воды и взрывы в топках широко изучены [12], чего нельзя сказать о ситуации, в результате которой операторы котельных установок получают ожоги горячей водой и паром. Согласно статистическим данным за последние 14 лет, имеющимся во ВНИИ охраны труда (г. Орел), среди причин летального травматизма операторов паровых котлов малого давления, ожоги находятся на четвертом месте после взрывов, пожаров и отравления газами. При проведении расследований несчастных случаев, комиссии, как правило, не удавалось восстановить ситуацию, в результате которой человек получил ожог.
При исследовании ситуаций, приводящих к травматизму, появляются трудности проведения эксперимента, связанные с неизбежным возникновением опасности. Результаты исследования, представленные в работе [13], показали, что при эксплуатации паровых котлов малого давления реально опасным среди всех возможностей попадания пароводяной смеси в верхние дыхательные пути оператора можно считать только выброс перегретой жидкости из котла при работе предохранительного клапана. Выброс пароводяной смеси через предохранительный клапан происходит только при его срабаты-
вании, причинами которого являются повышение давления пара в котле при закрытом или недостаточно открытом расходном вентиле (самопроизвольное срабатывание), и принудительный «подрыв» в целях проверки работоспособности клапана. Известно [14, 15], что клапан срабатывает при давлении пара 0,07-0,08 МПа избыточных, а опускается при более низком значении давления пара (0,05-0,03 МПа избыточных), то есть обладает гистерезисом по давлению. И в том случае, когда проверка работоспособности клапана проводится при давлении в котле с промежуточным значением в петле гистерезиса, то принудительный «подрыв» клапана может спровоцировать при определенных условиях выброс горячей воды через клапан. Недостаток экспериментальных исследований процесса выброса воды через клапан при срабатывании усугубляет его опасность.
Необходимо отметить, что паровые котлы малого давления снабжены автоматической системой управления, регулирующей работу котла и предназначенной для предотвращения опасности. Но, как показало обследование технического состояния котлов, эксплуатируемых в двадцати хозяйствах Орловской и Брянской областей [16], автоматическая система либо отсутствовала, либо была неисправна. Таким образом, автоматические системы не могут обеспечить полную безопасность при эксплуатировании паровых котлов ^ малого давления за счет исключения самопроизвольного срабатывания пре-
дохранительных клапанов.
Безопасная эксплуатация оборудования предполагает наличие средств защиты от воздействия вредных и опасных факторов на человека [17, 18]. Согласно [19] кроме автоматической системы управления паровой котел малого давления должен снабжаться отводными трубами для предохранительных клапанов, исключающих попадание пароводяной смеси в рабочую зону. Но поскольку государственный стандарт [20] не подтверждает это требование, то имеющиеся конструкции предохранительных клапанов для паровых котлов малого давления не предусматривают крепление пароотводных труб.
Как известно из [21] техническая система состоит из двух основных элементов: машины и человека. Опасная ситуация в системе может произойти как по вине человека, так и по причине нарушений в работе машины. Повышение квалификации оператора позволит сократить вероятность возникновения опасности, но, как известно, на работоспособность человека влияют также его психофизиологическое и эмоциональное состояния, которые регулировать практически невозможно. Согласно основам теории вероятностей [22] вероятность безопасности системы в целом складывается из вероятностей отдельных ее элементов. Поэтому для уменьшения влияния человеческого фактора необходимо повышать безопасность оборудования, что может быть достигнуто через изучение процессов, происходящих при его работе, а также использование результатов исследований для усовершенствования конструкции машины и средств обеспечения ее безопасности.
В связи с вышесказанным исследование физических процессов, происходящих в паровом котле малого давления при работе клапанов, а также разработка инженерно-технических мероприятий по повышению безопасности паровых котлов при работе предохранительных клапанов являются вполне актуальными.
Попутным положительным эффектом от разработанных мероприятий может стать снижение энергетических потерь, затраченных на нагрев объема жидкости, который выбрасывается из котла при срабатывании предохранительного клапана.
Целью работы является разработка инженерно-технических мероприятий, направленных на повышение безопасности паровых котлов малого давления при работе предохранительных клапанов, на основе результатов научного исследования физических процессов, происходящих в котле.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— проанализировать причины травматизма операторов паровых котлов малого давления в АПК России;
— проанализировать известные результаты исследований безопасности паровых котлов малого давления и причины выброса пароводяной смеси из котла;
— проанализировать результаты исследований увеличения объема воды в результате ее кипения;
— разработать математическую модель внутрикотлового процесса в паровом котле при срабатывании предохранительного клапана;
— провести экспериментальные исследования внутрикотлового процесса в паровом котле при срабатывании предохранительного клапана;
— разработать рекомендации по повышению безопасности паровых котлов малого давления при работе предохранительного клапана.
Решение указанных задач возможно с помощью следующих методов:
— метод математического моделирования;
— статистические методы обработки экспериментальных данных;
— метод намеренного перевода натурного образца оборудования в опасное состояние.
В качестве объекта исследования выбран натурный образец парового котла марки ВКВ-ЗООЛ. Предметом исследования является внутрикотловой процесс, возникающий при срабатывании предохранительного клапана.
Сбор и обработка экспериментальных данных выполнены с использованием ЭВМ по оригинальным алгоритмам и программам, созданным в программном пакете Borland Delphi [23], а также программных пакетах автоматизации математических расчетов Mathcad 2000 Professional [24] и табличного процессора Microsoft Excel 2000 [25].
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) получены результаты экспериментальных исследований внутрикот-лового процесса при срабатывании предохранительного клапана на паровых котлах малого давления;
2) разработана математическая модель внутрикотлового процесса, происходящего в паровом котле малого давления при срабатывании предохранительного клапана.
Практическую ценность диссертационной работы составляют:
1) методика расчета параметров внутрикотлового процесса в паровом котле с рабочим давлением пара до 0,07 МГГа избыточных при работе предохранительного клапана. Методика позволяет определить сочета-ние конструктивных параметров, которое исключает выброс воды из котла.
2) инженерно-технические мероприятия по повышению безопасности парового котла малого давления при работе предохранительного клапана.
3) экспериментальная установка, которая может быть использована для демонстрации опасных ситуаций на котлах малого давления в процессе обучения и подготовки операторов котельных установок. Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты экспериментальных исследований внесены в акт государственных испытаний парового котла марки ВКВ-ЗООЛ. Получены акты внедрения на изменение паспорта котла в части обеспечения безопасной эксплуатации котлов марки ВКВ-ЗООЛ. В частности, рекомендовано производить принудительный «подрыв» клапана при давлениях пара и уровнях воды в барабане котла не превышающих значений 0,02 МПа избыточных и 1,12 м соответственно.
По результатам исследований разработана и внедрена на заводе ОАО «Возовсельмаш» (п. Возы, Курской области) конструкция предохранительного клапана «Сержант» с улучшенными характеристиками.
10
Апробация работы.
Материалы диссертационного исследования докладывались и обсуждались на страницах журнала «Безопасность жизнедеятельности», на девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ (ТУ), г. Москва, 2003), на восьмой ежегодной конференции преподавателей и сотрудников Орел ГТУ «Неделя науки- 2003».
Публикации.
По результатам диссертационного исследования опубликовано 3 статьи и 1 тезис.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 6 таблиц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 98 наименований и четырех приложений.
11
ГЛАВА 1 ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ МАЛОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ
1.1 Анализ причин человеческого травматизма при эксплуатации паровых котлов с рабочим давлением пара до 0,07 МПа избыточных
Паровые котлы малого давления согласно [26] представляют собой устройство, в котором для получения пара, потребляемого вне этого устройства, используется теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива. В большинстве случаев паровые котлы малого давления эксплуатировались в сельскохозяйственных предприятиях [27, 28, 29, 30], а тепловая энергия, производимая ими наряду с парогенераторами, составляла около 80% всей энергии, потребляемой в агропромышленном производстве [31, 32].
Эксплуатация котлов малого давления, которые стали новым видом производственного оборудования, привела к появлению опасных ситуаций, последствиями которых стали порча материально-технической базы предприятия, а также травматизм операторов котельных и случайных людей, на-ходившихся в непосредственной близости от котельной установки.
Анализ причин травматизма при эксплуатации паровых котлов малого давления проведем на основе статистических данных, полученных в лаборатории анализа травматизма ВНИИ охраны труда (г. Орел) за период с 1988 по 2001 годы. Данные лаборатории основываются на актах II-1, представляющих собой официальный документ, содержащий результаты расследования комиссией причин смертельного травматизма на производстве [33]. Из подробного описания всех обстоятельств, приведших к гибели человека, а также
12
на основе предварительного анализа, проведенного комиссией, можно восстановить технические причины опасной ситуации.
На рисунке 1.1 показана динамика смертельного травматизма в АПК России при эксплуатации котлов.
р
о"
со
&
I
70 60 50 40 30 20 10 0
JTL
1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000
Годы
Рисунок 1.1 - Динамика числа погибших работников АПК России при
эксплуатации котлов
Диаграмма показывает, что пик смертельного травматизма приходится на начало девяностых годов 20 века, что может быть связано с насыщением хозяйств паровыми котлами. При этом резкое снижение травматизма с середины девяностых годов можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, из-за ухудшения экономической ситуации в стране количество хозяйств и предприятий, эксплуатировавших паровые котлы, стало сокращаться. Уменьшение количества потребителей нового оборудования снизило его производство. Так, например, согласно [34] на протяжении десятилетия, приходящегося на девяностые годы двадцатого века, производство паровых котлов снизилось в три раза. В связи с этим уменьшилось количество работоспособных котлов в сохранившихся хозяйствах.
13
Во-вторых, также из-за ухудшения экономической ситуации сократилось количество каналов, обеспечивающих сбор статистических данных о смертельном травматизме.
Далее определим наиболее опасные ситуации, в результате которых происходили случаи смертельного травматизма. Так, на рисунке 1.2 показано распределение числа погибших в АПК России при эксплуатации котлов за указанный ранее период.
взрывы
53%
падения с
высоты
2%
воздействие отравляющих газов 17%
не
установлено 6%
пожары 18%
воздействие
горячих
жидкостей и
пара
4%
электропоражения
1%
Рисунок 1.2 - Распределение числа погибших в АПК России при эксплуатации котлов за период с 1988 по 2001 годы
Данные свидетельствуют о том, что наибольшее количество человек пострадало в результате взрывов котлов, пожаров и воздействия отравляющих газов. Четвертое место среди ситуаций смертельного травматизма занимает воздействие горячих жидкостей и пара. При этом 6 % от общего числа человек погибли при невыясненных обстоятельствах.
Как показывает анализ причин аварий на паровых котлах в России, ФРГ, Японии и США [29, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43], в большинстве
14
случаев неправильные действия персонала и нарушения правил безопасности привели к взрывам оборудования. Такая ситуация возможна только в том случае, если по вине ответственных лиц, которыми согласно [44] являются руководитель предприятия, инженер по технике безопасности и наладчики оборудования, наряду с закрытой расходной магистралью, через которую пар из барабана котла попадает в окружающую среду, отсутствует или неисправен предохранительный клапан.
Травматизм из-за пожаров и отравления газами может также являться следствием неправильных действий персонала и несоблюдения ими требований безопасной эксплуатации паровых котлов, заключающейся, согласно[21], в осмотре, профилактике и своевременном ремонте оборудования. Таким образом, взрывы, пожары и воздействие отравляющих газов в большинстве случаев являются следствием проявления человеческого фактора в системе человек-машина, который приводит к отказу всей системы.
Исследования [45, 46, 47, 48, 49] позволили считать не менее опасной, чем взрыв ситуацию выброса воды из котла при срабатывании предохранительного клапана. :
Работа предохранительного клапана является составляющим элементом в функционировании парового котла, но при этом относится к опасному режиму эксплуатирования. Срабатывание клапана, вызванное повышением избыточного давления пара в котле при закрытом расходном вентиле, может привести к выбросу большого количества пароводяной смеси, которая, в свою очередь, может стать причиной обширных ожогов кожного покрова или ожогов верхних дыхательных путей, приводящих к смертельному травматизму операторов.
Выброс пароводяной смеси через клапан может быть спровоцирован даже обязательным «подрывом» клапана, осуществляемым ежедневно в соответствии с требованиями безопасной эксплуатации. Таким образом, при
15
работе предохранительного клапана, предназначенного для предотвращения взрывов, возникает не менее серьезная угроза для здоровья и жизни персонала, связанная с выбросом горячей пароводяной смеси.
Как видно из анализа травматизма во многих случаях человеческий фактор становился косвенной причиной возникновения опасных ситуаций, приведших к травматизму. Поэтому для уменьшения его влияния необходимо разрабатывать надежное оборудование, при эксплуатации которого неправильные действия обслуживающего персонала не смогут нарушить его безопасность.
Первым этапом в создании безопасной технической системы является изучение как физических процессов, происходящих при ее работе, так и их дальнейших последствий. Полученные результаты исследований позволят разработать усовершенствованные конструкции безопасного и надежного оборудования и средств защиты, в которых будут учтены особенности, связанные с функционированием технической системы.
1.2 Анализ требований безопасности, предъявляемых к паровым котлам с рабочим давлением пара до 0,07 МПа избыточных
Как показал анализ причин травматизма, существует несколько опасных ситуаций, приводящих к наибольшему смертельному травматизму операторов котлов малого давления. При этом реально опасной является только выброс пароводяной смеси через предохранительный клапан при его работе. Несмотря на это в нормативной документации [19, 20] по безопасной эксплуатации паровых котлов малого давления не содержатся требования, соблюдение которых поможет избежать негативных последствий работы предохранительных клапанов.
16
Так, например, опасность представляет выброс пароводяной смеси, высота столба которого может достигать 5 метров и более (о чем будет сказано далее), при этом ГОСТ 12.2.096-83 не предъявляет требований к размерам помещений котельных. При выбросе пара все помещение заполняется густым туманом, что противоречит требованиям пункта «1. Общие требования к котлам», где сказано о недопустимости повышенной влажности и отсутствия или недостатка естественного света и освещенности на рабочем месте и у показывающих приборов.
Стандарт регламентирует наличие трубопровода выдачи пара из бара- бана, но при этом отсутствуют требования по избежанию попадания пара и тем более кипятка в рабочую зону оператора. В требованиях сказано только о том, что отверстие для выхода пара при срабатывании предохранительного клапана должно быть направлено в сторону зоны, безопасной для обслуживающего персонала.
Экспериментальные исследования [48, 49, 50] внутрикотловых процессов показали, что, если исходный уровень воды (то есть уровень воды в котле до начала его работы) превышает регламентированный верхний рабочий уровень (ВРУ), то при срабатывании предохранительного клапана неизбежен выброс не только пара, но и горячей воды. Нормативная документация не ог-раничивает исходный объем воды в котле и объем его подпитки, несмотря на то, что именно эти параметры определяют реальный уровень воды в сосуде. Требования предъявляются только к значению нижнего рабочего уровня: «...низший допускаемый уровень воды в котлах должен обеспечивать ее свободное перемещение в циркуляционном контуре и быть на 100 мм выше верхней линии соприкасания неизолированной стенки с горячими газами...».
В пункте 3 «Требования к средствам защиты, входящим в конструкцию котлов» регламентируется наличие не менее двух предохранительных клапанов пропускной способностью не менее часовой производительности котла,
17 |
