Выполнен анализ наиболее перспективных методов предотвращения чрезвычайных ситуаций, вызванных самовозгоранием растительного сырья в крупных хранилищах, предложены пути совершенствования способов обнаружения очагов самонагревания и самовозгорания на ранней стадии их зарождения.
Выполненные исследования показали [1], что для раннего обнаружения очагов самонагревания растительного сырья в хранилищах силосного типа принципиально могут быть использованы следующие методы:
- измерение градиента температур (система УДКТ или аналогичные);
- определение содержания и номенклатуры индикаторных газов (CO и Н2) в надсводном пространстве хранилищ силосного типа.
Каждый из этих методов не является универсальным и наряду с неоспоримыми преимуществами, обладает рядом недостатков.
Метод, основанный на измерении градиента температур (система УДКТ), позволяет контролировать горизонтальное пластовое самонагревание и охватывает далеко неполный объём хранилища.
Метод газового анализа, хотя и является оперативным методом обнаружения самонагревания и самовозгорания, но является интегральным ( по силосу) и не позволяет определить место очага в силосе.
Анализ показывает, что совместное применение методов регистрации повышения температуры растительного сырья и газового анализа в силосах и бункерах дает наибольший эффект.
Рассмотрим подробнее каждый из этих методов.
1. Температурный контроль.
При размещении термодатчиков систем типа УДКТ по центральной оси силоса (бункера) с шагом расположения датчиков 2 м при абсолютной погрешности системы измерения Δ=1-3 оС контролируется от 1/3 до 2/3 объёма силоса (бункера), см.табл.1.
Таблица 1
Контролируемая часть объёма хранилищ с растительным сырьём, %об.
Для определения таких практически важных данных как радиус чувствительности r, темп роста температуры в силосе и пожаробезопасные сроки хранения сырья были проведены исследования по изучению поля температур в дисперсной среде растительного сырья. Теплопередача в этой дисперсной среде осуществляется только за счёт теплопроводности. Конвективным переносом тепла можно пренебречь.
Радиус чувствительности датчика температуры r –это наибольшее расстояние, на котором датчик фиксирует рост температуры, превышающий рост фоновой температуры, при условии, что в центре очага температура достигла пожароопасного значения 100 оС.
Из всего многообразия форм очагов самонагревания можно выделить два основных: пластовый (толщина 2R) и гнездовой в виде шара (R), причём пластовый является более пожароопасным.
В табл.2 представлены экспериментальные и расчётные данные изменения поля температур в насыпи травяной муки на установке, являющейся моделью силоса. Установка представляет собой бетонный цилиндр ∅ 1,5 м и высотой 2,5 м, в центре которого в горизонтальной плоскости расположены две металлические пластины размером 0,4х0,24 м. Хромель-копелевые термопары находились на разных уровнях в четырёх точках горизонтального сечения вблизи вертикали, проходящей через условный центр пластин. Сигнал от термопар выводился на самописец.
Таблица 2
Температурное поле в насыпи травяной муки (эксперимент/расчёт, К
при С=1700 Дж.кг-1.град-1; d=1,4.10-7 м2.с-1; ρ=410 кг.м-3; λ=0,093 Вт.м-1.град-1)
Как следует из табл.2, получено удовлетворительное согласие измеренных и вычисленных значений температур, несмотря на то, что, строго говоря, в экспериментах температурное поле не являлось одномерным, поскольку площадь сечения пластин меньше площади сечения экспериментальной установки.
Выполненные исследования показали, что предложенная математическая модель удовлетворительно согласуется и с данными крупномасштабного эксперимента (фрагмент силоса 3х3х4,8 м).
На рис.1 представлены расчётные кривые и экспериментальные значения температуры (правая сторона – расчёт, левая – эксперимент). Некоторая асимметрия температурных полей относительно плоскости Х=0, соответствующей центру очага, связана с конвекцией нагретых паров воды и воздуха в верхней части силоса.
Адекватность модели эксперименту позволяет использовать её для решения целого ряда прикладных задач: расчёта радиуса чувствительности термодатчика r, расчёта пожароопасного темпа роста температуры, пожаробезопасных сроков хранения сырья и оценки эффективности термоконтроля массы растительного сырья в силосе (бункере).
Для повышения эффективности системы температурного контроля необходимо уменьшать абсолютную погрешность Δ и совершенствовать схему размещения датчиков. Поскольку датчик контролирует массу сырья, заключённую внутри сферы радиуса чувствительности датчика r, размещение датчиков в объёме хранилища сводится к задаче перекрытия объёма минимальным числом шаров одинакового радиуса. Наименьшее количество датчиков получается в случае пространственно-центрированной кубической решётки, которая образуется из точек обычной кубической решётки добавлением к ней центров всех кубов.
Расстояние между соседними датчиками в термоподвеске и соседними термоподвесками должно быть не более 1,15 r, число подвесок в поперечном сечении силоса S определяется по формуле Ns=n.V, где n – число датчиков в 1 м3 хранилища, зависящее от типов термодатчика и абсолютной погрешности системы измерения.
В табл.3 представлены значения радиусов чувствительности датчика температуры для разного растительного сырья и абсолютной погрешности системы контроля Δ, а в табл.4 расчётное количество датчиков в хранилище с травяной мукой (N – общее количество датчиков в силосе).
Таблица 3
Значения радиуса чувствительности датчика температуры
Таблица 4
Число датчиков в хранилищах
Данные табл.3 и 4 показывают, что при существующих абсолютных погрешностях температурных измерений задача осуществления полного термоконтроля в каждой точке хранилища приводит к неоправданному увеличению числа датчиков.
2. Газовый анализ.
Метод газового анализа при термоокислительной деструкции растительного сырья основан на регистрации выделения горючих (Н2, СН2, СО, СН4) и негорючих (СО2) газов, состав и количество которых изменяется в зависимости от состояния очага в массе продукта и определяют стадию опасности очага (самонагревание, самовозгорание, горение).
Анализ данных по изменению состава газообразных продуктов термоокислительной деструкции растительного сырья в насыпи при изменении температуры ( рис.2 [2]) показывает, что:
-В качестве индикаторных газов на стадии самонагревания могут служить водород и оксид углерода в концентрациях до 1 % об.
-Если концентрация водорода и оксида углерода превышает 1 % об. и при этом ещё регистрируется в газовой пробе метан, то это значит, что температура очага уже превышает 250-270 оС, в насыпи растительного сырья идёт процесс горения (тления).
Таким образом, начальная стадия саморазогрева может контролироваться по образованию водорода и оксида углерода при концентрациях около 100 ppm и выше. Контролировать отдельно концентрацию метана нет смысла, так как метан появляется только при температурах выше 250 оС.
Рассмотрим подробнее основные требования к техническому исполнению газоаналитического оборудования и его метрологическим характеристикам.
Методы измерения водорода, оксида углерода и метана, которые могут быть применены в силосах представлены в Таблице 5.
Таблица 5
Данные в Таблице 5 показывают, что для контроля оксида углерода и водорода и метана можно использовать следующие комбинации датчиков:
а)электрохимические ( водород, оксид углерода) и термокаталитический.
б) полупроводниковый ( водород), электрохимический ( оксид углерода).
Вариант «б» более предпочтителен, так как полупроводниковый датчик водорода имеет большую чувствительность, чем электрохимический.
В обоих случаях вследствие перекрестной чувствительности датчиков (т.е. один датчик чувствителен к двум веществам), необходимо проводить пересчет измеренных концентраций с учетом чувствительности к каждому веществу.
Измерение СО2 для целей обнаружения саморазогрева сырья проводить нет необходимости, так как СО2 образуется и при нормальных условиях хранения.
Характерное время изменения концентрации газов составляет несколько часов, по-этому особых требований к быстродействию датчиков не предъявляется ( самый медленный датчик имеет время установления показаний порядка 60 секунд).
Большое количество силосов на элеваторах средних размеров (порядка 20 шт) обуславливает необходимость размещения большого количества датчиков ( не менее 2 датчиков на один силос). Кроме того, необходима интеграция с АСУ ТП, куда подключена также и система температурного контроля.
Это позволяет предложить следующий алгоритм обнаружения очага саморазогрева сырья:
-система газового контроля непрерывно производит измерение концентрации газов в силосах и данные о концентрации передаются в АСУ ТП.
-система температурного контроля непрерывно измеряет температуру по каждому датчику в силосах и передает данные в АСУ ТП.
-при обнаружении постоянного роста концентрации СО и Н2 в конкретном силосе выдается предупредительная информация.
-производится анализ температурных зависимостей по каждому термодатчику в этом силосе.
-при обнаружении постоянного роста температуры выбирается датчик, на котором скорость роста максимальна.
-место расположения этого датчика температуры и определяет место очага (с точностью до радиуса чувствительности).
Необходимо отметить, что в предлагаемом алгоритме точность измерения темпера-туры значения не имеет, существенно лишь, чтобы изменение температуры было больше, чем утроенное значение шума канала измерения температуры.
Для реализации указанного выше алгоритма необходимо, что бы система газового анализа имела связь с АСУ ТП элеватора и могла работать с большим количеством датчиков.
Широкие возможности для реализации этих функций представляет выпускаемая Научно-производственной фирмой «ИНКРАМ» г. Москва многоканальная контрольно - управляющая газоаналитическая система газоанализатор СКВА-01, СКВА-01М, реализованная как распределенная сеть.
Такая архитектура системы обеспечила ей ряд преимуществ по сравнению с возможностями традиционных многоканальных газоанализаторов, а именно:
• включение в состав системы различных типов измерительных преобразователей для контроля горючих и токсичных газов, в количестве до 256 шт. и более;
• программирование конфигурации системы в соответствии с требованиями размещения на конкретном объекте и алгоритмом управления;
• реализацию системой функций дистанционного управления, что позволяет отказаться от разработки специальных шкафов автоматики;
• снижение расхода кабельной продукции при монтаже в 3-4 раза.
В базовом исполнении системы для контроля воздушной среды элеваторов используются измерительные преобразователи (ИП) для измерения концентрации оксида углерода (СО1.0 и СО2.0 с диапазоном измерения 0-100 и 0-500 мг/м3 соответственно), водорода (диапазон измерения 0-2% об.) и метана ГР1.0 ( диапазон измерения 0-50% НКПР).
Измерительные преобразователи подключаются к модулям расширения (МР) через полупроводниковые барьеры защиты. К каждому модулю расширения подключается до 8 или до 16 ИП. МР и ИП могут устанавливаться в любой зоне или помещении сооружения. Управление внешними устройствами осуществляется от встроенных в блок сигнализации и управления (БСУ) блоков реле или дистанционно от выносных модулей управления (МУ). К БСУ может подключаться от 1 до 5 независимых шлейфов контроля и управления.
Именно возможность установки МР и МУ на контролируемом объекте резко сокращает объем кабельных прокладок между местом размещения БСУ (центральная диспетчерская) и контролируемой зоной.
БСУ имеет интерфейсы RS232/ RS 485/USB/Ethernet для связи с другими БСУ и с АСУ ТП. Имеется (и часто реализуется) возможность включения СКВА-01 в состав АСУ SCADA с передачей данных измерений по протоколу MODBUS или по сети Ethernet.
1. Вогман Л.П., Горшков В.И., Дегтярёв А.Г. Пожарная безопасность элеваторов. М.: Стройиздат, 1993 - 289 с.
2. Вогман Л.П., Дегтярёв А.Г. Математическая модель процесса самонагревания насыпи растительного сырья / Пожаровзрывобезопасность, Пожнаука, 1993 – с.21-28.
3. Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности силосов и бункеров на предприятиях по хранению и переработке зерна. Минхлебопродуктов СССР, 1989 – 31 с.
4. https://www.inkram.ru. Материалы сайты ООО НПФ «ИНКРАМ».
контроль газов в силосах, газоанализатор для силосов, газоанализатор для хранилищ зерна.