Разработка электрического способа тушения пожара на газопроводах низкого давления

• Название: Разработка электрического способа тушения пожара на газопроводах низкого давления
• Дата: 06.03.2023
• Размер: 3.36 Mb.
• Имя файла: 1568902043_PermyakovAV-diss_(2).docx
• Тип: Диссертация; #971574
• страница: 2 из 32

1.2 Анализ статистики пожаров


Ежегодно в мире возникает большое количество пожаров. Статистика пожаров в Российской Федерации за период 2003 – 2017 гг. представлена на рисунках 1.5 – 1.11.

17



Рисунок 1.5 – Количество пожаров в РФ за 2003 – 2017 гг.



Рисунок 1.6 – Сведения об уничтоженном имуществе в РФ за период 2003 – 2017

18



Рисунок 1.7 – Количество погибших и травмированных на пожарах в РФ за период 2003 – 2017



Рисунок 1.8 – Ущерб от пожаров в РФ за период 2003 – 2017

19



Рисунок 1.9 – Количество погибших на 1000 пожаров в РФ за период 2003 – 2017



Рисунок 1.10 – Прямой материальный ущерб на пожарах в РФ за период 2003 – 2017

20



Рисунок 1.11 – Показатели оперативного реагирования подразделений пожарной охраны в РФ за период 2003 – 2017

Из анализа рассмотренной статистики следует, что:

• 
  снижение среднего общего количества пожаров составляет 7 тыс.
  

пожаров в год;

• 
  снижение среднего количества уничтоженных строений – 3 тыс. в год;
  

• 
  снижение среднего количества погибших на пожарах составляет 637
  

чел. в год;

• 
  увеличение среднего материального ущерба составляет 59750000 тыс.
  

руб. в год;

• 
  снижение среднего времени ликвидации пожара составляет 2,1 мин. в
  

год.

• 
  ходе исследований, содержащихся в работах [7, 8] авторами установлено, что электрическое поле способно влиять на структуру пламени,
  

вплоть до полного гашения. Однако в настоящее время проводились исследования только для установления влияния электрического поля на пламя, без установления каких-либо математических зависимостей, которые

21
позволят рассчитать и спроектировать эффективные установки для тушения пожара с помощью электрического поля при различных внешних условиях.

Выводы по первой главе


Пожары наносят существенный материальный, экономический и экологический ущерб, несут социальные потери. На сегодняшний момент нет универсальных методов по тушению различных видов пожара в любых условиях. Отсутствие данных методов требует значительных временных затрат для тушения некоторых пожаров традиционными методами.
Научный прогресс исследует новые физические и химические реакции, способные воздействовать на огонь. В качестве универсального метода для тушения пламени может быть исследовано воздействие электрического поля высокой напряженности. В любом пламени присутствуют заряженные электрические частицы, создающие собственное электрическое поле пламени. Если поместить данное электрическое поле пламени в сильное электрическое поле, сгенерированное специальной установкой, то произойдет нейтрализация заряженных частиц пламени и пламя погаснет.
Проведенные зарубежные и отечественные исследования по данному направлению показали положительные результаты, но в качестве объекта исследования выступало пламя горения твердых горючих веществ. Однако в настоящее время существенные потери приносят пожары жидких и газообразных углеводородов, связанные с нефтегазовой промышленностью, поэтому данная работа посвящена исследованию воздействия электрических полей высоких напряженностей на пламя газообразных углеводородов.

22
2 МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ


2.1 Генераторы импульсных высоких напряжений


Принцип создания генераторов импульсного высокого напряжения основан на медленном аккумулировании энергии в первичном накопителе с

• 
  последующим быстрым разрядом. Применяются для получения большой мощности, т.е. для получения высоких импульсов тока ускоренных частиц.
  

Наибольшую величину тока и удельной мощности можно получить, применяя в качестве первичного накопителя конденсаторы, время удержания которых составляет по порядку величины минуты, а плотность энергии достигает 10⁵ Дж/м³ [38-41] . Основные параметры генераторов импульсного напряжения:

• 
  выходное напряжение 1 МВ;
  

• 
  энергозапас 1 МДж;
  

• 
  длительность импульса 10^-1 – 10² мкс.
  

2.1.2. Генератор Маркса


Генератор импульсного высокого напряжения. Принцип действия основан на заряде электрическим током параллельно соединённых конденсаторов, соединяющихся после зарядки последовательно, при помощи различных устройств коммутации (газовых разрядников). Таким образом напряжение на выходе возрастает пропорционально количеству соединённых конденсаторов. Генераторы Маркса позволяют вырабатывать импульсные напряжения от 10 кВ до 10 МВ. Частота импульсов, которые вырабатывает генератор, зависит от мощности генератора, и в импульсе может достигать до 10 Гц.

23
Такие генераторы позволяют получать импульсные напряжения от десятков киловольт до десятка мегавольт [41-45].



Рисунок 2.1 – Коаксиальная конструкция генератора Маркса


2.1.3. Генераторы коммутационных импульсов


При коммутациях цепей высоковольтного напряжения могут возникать импульсы перенапряжений, имеющие время нарастания до 1000 мс. Распространенная простейшая схема генератора коммутационных импульсов отображена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 – Схема генератора коммутационных импульсов

24
2.1.4. Генератор высокого напряжения (аппарат Кирлиана I)


Данный генератор, вырабатывает напряжение от 5 до 30 кВ. Схема на низких частотах генерирует импульсное высокое напряжение [46].
Питание схемы осуществляется от сети переменного тока.



Рисунок 2.3 – Схема генератора высокого напряжения (аппарат Кирлиана I)


2.1.5. Генератор Кокрофта-Уолтона


Генератор Кокрофта-Уолтона - умножитель напряжения. Преобразует пульсирующее постоянное или переменное напряжение в постоянное высокое напряжение (Рисунок 2.4). Генератор включает в себя лестницу конденсаторов и диодов. Применяя конденсаторы и диоды, генераторы такого типа могут преобразовывать низкое напряжение в высокое, при этом имея меньшую массу и меньшую стоимость по сравнению с трансформаторами. Также одним из основных преимуществ является то, что имеется возможность снять напряжение с любой ступени схемы, так же как в многоотводном трансформаторе [50].

25



Рисунок 2.4 – Простой умножитель Кокрофта-Уолтона из двух секций


2.1.6. Генератор Ван де Граафа


Генератор высокого напряжения. Принцип действия основан на электризации движущейся диэлектрической ленты.



1-металическая сфера; 2,5-электроды; 3-диэлектрический ролик; 4-диэлектрическая лента; 6-металический ролик; 7-генератор напряжения
Рисунок 2.5 – Схема генератора

26
2.1.7. Катушка Румкорфа


Катушка Румкорфа – это устройство для получения импульсов высокого напряжения (Рисунок 2.6).



Рисунок 2.6 – Схема индукционной катушки Румкорфа


Катушка содержит цилиндрическую часть с центральным железным стержнем внутри, на которой располагается первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывают из тонкой проволоки несколько тысяч витков вторичной обмотки. Результатом этого является то, что при каждом включении и выключении, в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи.
При замыкании первичной обмотки через неё проходит возрастающий ток. Катушка Румкорфа аккумулирует энергию в сердечнике в виде магнитного поля [51-54].
Когда магнитное поле достигает требуемой величины, якорь притягивается, и цепь размыкается. При обрывании цепи в обеих обмотках возникает всплеск напряжения (против ЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине в первичной обмотке, а во вторичной - ещё больше. Высокое напряжение пробивает воздушное

27
пространство между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха равно 3кВ на 1мм).

2.2 Выбор лабораторной установки для исследований


Геометрические характеристики установки и характеристики электрического оборудования подбирались опытным путем исходя из оптимального воздействия электрического поля на пламя, а также основываясь на теоретических данных об электрической напряженности пламени.
Для лабораторных исследований выбран высоковольтный генератор, схема которого представлена на рисунке 2.7:



Рисунок 2.7 – Высоковольтный генератор

• 
  ходе проведения исследований генератор выдавал требуемое напряжение, которое соответствует интервалу от 0 до 45 киловольт.
  

Целью данной работы является разработка и испытание специальной установки, представляющей собой генератор регулируемого высокого постоянного напряжения с двумя электродами на выходе, между которыми, в ходе испытаний, помещается источник горения. Пламя представляет собой слабоионизированный газ. При создании электрического поля определенной напряженности вокруг пламени, оно «распадается» на положительно и

28
отрицательно заряженные частицы [34]. Проведение испытаний заключалось

• 
  фиксировании факта гашения пламени при достижении напряжением определенного значения. Исследования показали, что напряжение гашения зависит от следующих факторов: геометрическая форма и материал электродов, расположение электродов относительно пламени, расстояние от пламени между положительным и отрицательным электродами [55-60].
  

Генератор состоит из нескольких одинаковых ступеней, в каждую из которых входят 2 конденсатора, 2 резистора и разрядная область,
располагающаяся параллельно конденсаторам.
Применяя формулу для расчета требуемого напряжения (1),

₍ 3₊^{9 2}<sub>+ )




вых</sub> = ∙ _вх − [ ∙ ^{4 2} ], (1)




12 ∙

где U_вых–выходное напряжение, В;
N – число ступеней;
U_вх – входной напряжение, В;
I – ток нагрузки, А;
F – частота входного напряжения, Гц;

3. 
   – емкость конденсатора, Ф,
   

находим необходимые параметры для составляющих элементов. Используя конденсаторы емкостью 470 пФ с рабочим напряжением 30 кВ, резисторы сопротивлением 100 кОм с мощностью рассеивания 5 Вт, на одной ступени можно получить напряжение до 45 кВ. При последующем добавлении ступеней, выходное напряжение возрастает согласно формуле (2):

вых = ∙ вх.

(2)

Выбранный для исследований генератор на выходе выдает постоянный ток, то есть между электродами будет генерироваться постоянное электрическое поле (электростатическое). Для проведения исследований с

29
переменным электрическим полем (электромагнитным) выбран генератор, схема которого представлена на рисунке 2.8. У данного генератора на выходе образуется напряжение до 35 – 45 кВ.



Рисунок 2.8 – Схема высоковольтного генератора переменного тока


Генератор собран на таймере NE555 и вырабатывает прямоугольные импульсы. Особенностью этого генератора является возможность изменять скважность импульсов с помощью переменного резистора R3 (Рисунок 2.9).



Рисунок 2.9 – Схема генератора импульсов


Для расчета требуемой частоты генератора используется формула (3):

	30
=	1,49					,	(3)
	(	+
			)∙
	1	2

где f –частота генератора,Гц,
R –сопротивление резистора,Ом,
C –емкость конденсатора,Ф.
Исследуемый способ основан на влиянии электрического поля на
пламя источника горения. Генератор высокого напряжения имеет мощность
50 Вт с максимальным напряжение 45 кВ. На электроды подается высокое
напряжение, постепенно увеличивающееся во времени (от 1 до 45 кВ), и
анализируется поведение пламени в возникшем электрическом поле, а
именно: фиксируется факт гашения пламени, расстояние между электродами
и напряжение, при котором было достигнуто гашение.



1 – генератор высокого напряжения, 2 – отрицательный электрод (катод), 3 – положительный электрод (анод), 4 – газовая смесь, 5 – металлическая трубка, 6 – соединение с газовым баллоном.
Рисунок 2.10 – Принципиальная схема установки для исследования электромагнитного способа тушения
31
Технические параметры генератора электрического поля и параметры проведенных опытов сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Технические характеристики генератора электромагнитного поля и параметры модели газопровода

Интервал генерируемого напряжения,	0-45
кВ
Мощность генератора, Вт	50
Частота, кГц	19 (для переменного тока)
Ток, мА	2,2; постоянный/переменный
Особенности:
	- плавная регулировка напряжения (с
	шагом в 100 В)
	- индикация текущего генерируемого
	напряжения
Параметры модели газопровода
Диаметр трубки, мм	10, 15, 25
		Скорость подачи
Давление газа, МПа	0,001; 0,002;	газа, м/с
	0,003	1,76; 0,92; 0,42
Высота пламени, м	0,1; 0,3; 0,45
Площадь электродов, см2	25, 30, 50

Проведены предварительные исследования по оценке точности измерений генератора, которые позволили описать эффективность его работы. Результаты исследований приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Параметры аппроксимации

	Среднее	Дисперсия,	Среднеквадратическое	Абсолютная
	значение	D(n)	отклонение, σ(n)	погрешность
x	15	50	7,07	0,042
y	22,05	96,74	9,83

При анализе результатов экспериментов для нахождения величины погрешности измерений использовались метод наименьших квадратов и метод линейной аппроксимации (уравнение парной регрессии) (4).

32

∙+∙∑=∑;

(4)

∙∑ + ∙∑²=∑ ∙.
При расчетах погрешностей измерений использовался доверительный интервал с вероятностью 95%.
Для проведения эксперимента сконструирована установка, состоящая из: газового баллона с газовой смесью пропан-бутан, газовый редуктор с рабочим интервалом регулировки давления 0 – 0,003 МПа и металлическими трубками с диаметрами 10-25 мм.
Схема экспериментальной установки выглядит следующим образом: к газовому баллону подключалась металлическая трубка через газовый редуктор, вокруг свободного конца трубки устанавливались два металлических электрода, представляющие собой две медные металлические пластины толщиной 1 мм площадью 25 - 50 см² (Рисунок 2.11).



Рисунок 2.11 – Схема экспериментальной установки

33
В ходе исследований были проведены следующие опыты:

• 
  определению зависимости напряжения гашения от межэлектродного расстояния при тушении пламени на модели газопровода с изменяющимися параметрами давления от 0,001 до 0,003 МПа.
  

• 
  определению зависимости напряжения гашения от межэлектродного расстояния при тушении пламени на модели газопровода с изменяющимися диаметрами газовых трубок от 10 до 25 мм.
  

• 
  определению зависимости напряжения гашения от межэлектродного расстояния при тушении пламени на модели газопровода с изменяющейся площадью электродов от 25 до 50 см².
  

Для проведения моделирования электрических и температурных полей выбран программный комплекс Elcut 6.3. это мощный современный комплекс программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов.
Возможности Elcut:

• 
  выбор типа материалов;
  

• 
  редактор кривой намагничивания;
  

• 
  линейные и нелинейные постоянные магниты;
  

• 
  сверхпроводники;
  

• 
  точечные и распределенные токи;
  

• 
  граничные условия Неймана и Дирихле;
  

• 
  результаты решения: индукция, напряженность поля, потенциал,
  

магнитная проницаемость;

• 
  связанные задачи;
  

• 
  обеспечивается запоминание и импорт магнитного состояния.
  

34