CC BY
22
Л. А. КОРОЛЕВА, канд. техн. наук, доцент, заместитель начальника кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России (Россия, 196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 149; e-mail: lyudamil@mail.ru) А. Г. ХАЙДАРОВ, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры бизнес-информатики, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) (Россия, 190013, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 26; e-mail: andreyhaydarov@gmail.com) Г. К. ИВАХНЮК, д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной защиты окружающей среды, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) (Россия, 190013, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 26; e-mail: fireside@inbox.ru) Д. Н. КОВАЛЬ, канд. техн. наук, заместитель генерального директора БелНИИТ "Транстехника" (Беларусь, 220005, г. Минск, ул. Платонова, 22; e-mail: zgd@niit.by)
УДК 614.841
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ГРУЗОВЫХ ПЕРЕВОЗОК НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
Проанализировано применение эксергетического подхода для оценки энергоэкологической эффективности грузовых перевозок на железнодорожном транспорте. Химическая эксергия вещества рассмотрена как одно из условий возникновения пожара. Представлены зависимости между химической эксергией и показателями пожаровзрывоопасности веществ. Обоснована возможность использования эксергетического подхода для оценки пожарной опасности веществ топливно-энергетического назначения, обращающихся на железнодорожном транспорте. Определены преимущества такого подхода.
Ключевые слова: эксергия; железнодорожный транспорт; топливо; энергоэкологическая эффективность; пожарная опасность; теплота сгорания; температура вспышки; концентрационные пределы распространения пламени; температурные пределы распространения пламени.
DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.43-52
Введение
Одной из основных тенденций устойчивого развития национальной экономики является повышение энергетической эффективности процессов и производств при одновременном обеспечении пожарной и промышленной безопасности, рационального использования природных ресурсов, снижения негативного техногенного воздействия. Рост количества и качества потребляемой энергии обусловлен внедрением новых технологий, увеличением масштабов производства, что, в свою очередь, определяет поиск путей эффективного использования ресурсов и снижения уровня различных видов опасности.
Перспективным методом повышения энергетической эффективности и прогностической достоверности является эксергетический анализ [1].
Цель настоящей работы — обоснование возможности и преимуществ использования эксергетиче-
ского подхода к комплексной оценке энергоэкологической эффективности и пожарной опасности грузовых перевозок на железнодорожном транспорте. Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
• определение областей применения эксергетического метода анализа;
• установление связи между эксергией и показателями пожаровзрывоопасности для веществ топливно-энергетического назначения, обращающихся на железнодорожном транспорте;
• выявление преимуществ эксергетического подхода.
Теоретические основы
Наиболее точное определение эксергии было сформулировано в книге [2]: "Эксергия равна работе обратимого процесса, протекающего в конкретных условиях между системой и окружающей средой
© Королева Л. А., Хайдаров А. Г., Ивахнюк Г. К., Коваль Д. Н., 2018
вплоть до заданных конкретных условий равновесия с этой средой, параметры которой не зависят от работы изучаемой системы и максимально близки к соответствующим параметрам окружающей природы".
С введением эксергии в термодинамику возникло понятие "окружающая среда", описываемое через ее температуру, давление и состав. При наличии двух систем, находящихся в разных состояниях, появляется возможность выполнения работы при переходе к состоянию равновесия.
Эксергия системы Е (Дж) может быть разделена на ряд компонентов:
Е = Ек + Еп + Еф+ Ех, (1)
где Ек, Еп, Еф, Ех — кинетическая, потенциальная, физическая и химическая составляющие эксер-гии соответственно.
Для большинства реальных технических систем кинетическая и потенциальная составляющие в формуле (1) малы и поэтому не имеют практического значения, за исключением таких объектов, как, например, гидроэлектростанции, использующие потенциальную эксергию воды. Следовательно, выражение (1) для типичной термодинамической системы можно записать в виде:
Е = Б (Т - То) + V( р - ро) + (ц.. -ц о), (2)
г=1
где Б — энтропия, Дж/К;
Т, Т0 — температура соответственно системы и окружающей среды, К; V — объем системы, м3;
р, ро — давление соответственно в системе и окружающей среде, Па;
N — общее количество веществ — компонентов системы;
п. — число молей .-го вещества, моль; цг, ц0 — химические потенциалы г-го вещества — соответственно компонента системы и окружающей среды (среды отсчета), Дж/моль. В отличие от энергии эксергия не подчиняется закону сохранения, диссимилируясь или затрачиваясь вследствие необратимости любых реальных процессов. Потери эксергии прямо пропорциональны увеличению энтропии. Эксергия отражает качество и масштабы преобразований энергии внутри системы.
Проведение эксергетического анализа ориентировано на получение максимальной полезной работы, которую может совершить система. Его объектом могут быть технологические процессы, технико-экономические системы, отрасли промышленности, а также прогнозирование термодинамических процессов для различных систем.
Эксергия выступает мерой отклонения параметров состояния термодинамической системы от условий окружающей среды, что видно из формулы (2). Она отражает как ресурсный потенциал данной термодинамической системы, возможность ее использования, так и изменения, которые могут произойти в окружающей среде, опасность системы. В литературе рассматривают три вида возможных взаимодействий с окружающей средой:
• термическое (температурный потенциал) — источник вторичного тепла или теплового загрязнения;
• деформационное (потенциал — разница давлений) — например, работа расширения газов в двигателях внутреннего сгорания (контролируемое использование) и взрыв (неконтролируемое);
• химическое (химический потенциал) — использование сырьевых и топливных ресурсов, источник химического загрязнения.
В современных исследованиях понятие эксергии связывают с "правилом трех "Э": эффективность, экономичность, экологическая целесообразность [3]. Эксергетический анализ позволяет получить характеристику внутреннего качества энергетического или производственного объекта, прогноз объема энергии, определить степень его безотходности как по материальному, так и по термодинамическому балансу, эффективность по веществу и энергии [4].
Железнодорожный транспорт признан в мире одним из энергетически эффективных и экологически чистых видов транспорта — по удельным показателям потребления энергии и выбросов загрязняющих веществ на единицу перевозочной работы [3]. В то же время транспортные системы, в том числе железнодорожный транспорт, можно рассматривать как крупные энергетические комплексы, которые используют большое количество топливно-энергетических ресурсов и оказывают негативное воздействие на окружающую среду и человека. Железнодорожный транспорт потребляет до 6 % производимого в нашей стране дизельного топлива, около 90 % от этого количества расходуется натягу поездов [5]. Кроме того, железнодорожным транспортом осуществляются перевозки большого количества опасных грузов, в том числе топливно-энергетического назначения.
Согласно статистическим данным чрезвычайные ситуации при перевозке нефти и нефтепродуктов на железнодорожном транспорте связаны с механическим повреждением специальных цистерн и выходом веществ в окружающую среду с последующим воспламенением и (или) загрязнением территорий [6].
Пожарная опасность грузового подвижного состава определяется наличием большого количества опасных грузов, быстрым распространением пожа-
ров на большие площади, взрывами, затрудненностью подъезда пожарных подразделений, возможностью задержки введения огнетушащих веществ до выяснения физико-химических свойств грузов и обесточивания электроконтактной сети и другими факторами. Розливы нефти и нефтепродуктов при осуществлении перевозок создают наиболее опасные ситуации, которые могут привести к тяжелым последствиям.
В ночь на 31 января 2012 г. в Амурской обл. на Забайкальской железной дороге произошел сильнейший пожар. Из-за обрыва контактных проводов сошли с рельсов и опрокинулись 17 цистерн с нефтью, 13 из которых загорелись. Поездной бригаде удалось отцепить горящие цистерны и отогнать основной состав на безопасное расстояние. Всего транспортировалось 68 цистерн с нефтью. Пострадавших и погибших не было.
6 июля 2013 г. в г. Ляк-Межантик (Канада), расположенном в 250 км от Монреаля, из-за неисправности ручного тормоза потерпел крушение поезд, состоящий из 70 цистерн с сырой нефтью. Состав скатился с холма, цистерны оторвались от локомотива и, набрав скорость, сошли с рельсов в центральной части города с населением около 6000 чел. В результате возгорания произошла серия из шести мощных взрывов, разрушивших центральную часть города. Из опасного района пришлось эвакуировать более 1,5 тыс. чел. Многие лишились своего имущества, 47 чел. погибли.
9 мая 2013 г. на станции Белая Калитва Ростовской обл. сошел с рельсов локомотив, а вслед за ним — 51 цистерна с нефтепродуктами, в том числе с пропаном. Последовал взрыв, после чего начался пожар: загорелось масло, находившееся в ряде емкостей. Из одной поврежденной цистерны произошла утечка метиленхлорида. Было эвакуировано 2,7 тыс. чел., госпитализировано — 30.
Анализу эффективности использования энергоресурсов на транспорте, оценке негативного воздействия транспортных систем на окружающую среду посвящено большое количество исследований. Однако они практически не затрагивают вопросов пожарной безопасности. Эксергетический метод получил применение для исследования транспортных систем в различных странах, например в Турции, Англии, Канаде, Китае, Италии, Иране [7-13].
Результаты и их обсуждение
Процессы использования и перевозки топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте сопряжены с пожарным риском. Нами рассмотрена возможность применения эксергети-ческого подхода для оценки пожарной опасности процессов, происходящих на железнодорожном
Рис. 1. Место эксергии в "пожарном треугольнике" Fig. 1. Position of exergy in the "Fire triangle"
транспорте, путем установления связи термодинамических характеристик и показателей пожаровзрыво-опасности. Объектами исследования выбраны углеводороды, являющиеся основными компонентами жидкого и газообразного топлива.
Как известно, для возникновения и развития процессов горения необходимы горючее вещество, окислитель и определенные теплофизические условия (далее — ТФУ) [14]. Модель "пожарный треугольник" как простейшее представление об условиях возникновения пожара можно дополнить еще одной составляющей — эксергетической (рис. 1).
В настоящее время энергетический потенциал горючих веществ оценивается величиной теплоты сгорания, которая может быть определена экспериментально и расчетными методами. Отдельные исследования посвящены выявлению связи между теплотой сгорания и эксергией, например, для угля [15], пластмассовых отходов [16]. Данные по теплоте сгорания используют при расчете пожарной нагрузки и категорировании помещений по взрывопожар-ной и пожарной опасности.
На основе представленных в табл. 1 данных нами была установлена зависимость между удельной химической эксергией, приходящейся на 1 моль вещества, ех и низшей теплотой сгорания Qн углеводородов, определенной по справочнику [17].
На рис. 2 представлена зависимость между удельной химической эксергией ех углеводородов, являющихся компонентами газообразного и жидкого топлива, и Qн. Значения Qн меняются от 802,0 до 11263,0 кДж/моль, при этом параметр ех варьирует от 831,7 до 11937,4 кДж/моль:
Qн = 0,937ех + 66,7 (831,7 < ех < 11937,4).
Максимальная относительная погрешность при этом составляет 6 %. Коэффициент корреляции Я2 = =0,999.
Таблица 1. Значения ех и QH для углеводородов
Table 1. Values of exergy and LHV (lower heating value) for
hydrocarbons
Брутто-формула Formula ex ßH, кДж моль Q„
№ n/n No. Название вещества Name S 0 ^ £ШЯ ® ДИ m ÏÛ и S u И ö ^ ы ° Э S 1
1 Метан Methane сн4 831,7 18 802,0
2 Ацетилен Acetylene C2H2 1265,8 18 1301,0
3 Этилен Ethylene C2H4 1361,1 18 1318,0
4 Этан Ethan C2H6 1495,8 18 1576,0
5 Метилацетилен Methylacetylene C3H4 1899,5 18 1939,0
6 Пропен Propene C3H4 2003,9 18 1919,0
7 Циклопропан Cyclopropane C3H6 2043,2 18 2091,0
8 Пропан Propane C3H8 2154,0 18 2044,0
9 1,3-Бутадиен 1,3-Butadiene C4H6 2500,0 20 2411,0
10 1-Бутин 1-Butyne C4H6 2552,3 18 2599,0
11 Циклобутан Cyclobutane C4H8 2516,2 18 2544,0
12 2-Метил-1-пропен 2-Methyl-1-propene C4H8 2646,0 19 2577,0
13 Цисбутен-2 Cis-2-butene C4H8 2652,0 19 2528,0
14 Бутен-1 1-Butylene C4H8 2659,7 18 2542,6
15 Трансбутен-2 Trans-2-butene C4H8 2650,0 19 2525,0
16 Изобутан Isobutane C4H10 2804,0 19 2649,0
17 н-Бутан n-Butane C4H10 2805,8 18 2657,0
18 3-Метил-1-бутен 3-Methyl-l-butene C5H10 3307,0 19 3143,0
19 Циклопентан Cyclopentane C5H10 3268,0 19 3071,0
20 2-Метил-2-бутен 2-Methyl-2-butene C5H10 3291,0 19 3175,0
21 Пентен-1 1-Pentene C5H10 3310,0 19 3154,0
22 н-Пентан n-Pentane C5H12 3461,8 18 3272,0
23 2,2-Диметилпропан 2,2-Dimethylpropane C5H12 3453,0 19 3253,0
24 2-Метилбутан 2-Methylbutane C5H12 3453,0 19 3264,0
Продолжение табл. 1 / Continued Table 1
№ n/n Название вещества Брутто-формула Formula Qн, кДж моль
H ,ь H 9B3 So S3 sel 03 S u к S u ® |
No. Qi, kJ/mol
25 Бензол Benzol C6H6 3294,0 20 3169,4
26 Гексен-1 1-Hexylene C6H12 3967,9 18 3767,7
27 Метилциклопентан Methylcyclopentane C6H12 3910,8 18 3705,0
28 Циклогексан Cyclohexane C6H12 3909,2 18 3689,0
29 3-Метилпентан 3-Methylpentane C6H14 4110,0 19 3882,0
30 2,3-Диметилбутан 2,3-Dimethlybutane C6H14 4108,0 19 3868,0
31 н-Гексан n-Hexane C6H14 4114,5 18 3887,0
32 2,2-Диметилбутан 2,2-Dimethylbutane C6H14 4100,2 19 3868,0
33 Толуол Toluene C7H8 3931,0 18 3771,9
34 Метилциклогексан Methylcyclohexane C7H14 4556,9 18 4293,0
35 2,3-Диметилпентан 2,3-Dimethylpentane C7H16 4755,0 19 4490,0
36 2,4-Диметилпентан 2,4-Dimethylpentane C7H16 4758,0 19 4487,0
37 2,2,3-Триметилбутан 2,2,3-Trimethylbutane C7H16 4759,0 19 4484,0
38 н-Гептан n-Heptane C7H16 4761,7 18 4501,0
39 2-Метилгексан 2-Methylhexane C7H16 4759,0 19 4494,0
40 п-Ксилол p-Xylene C8H10 4573,0 19 4375,0
41 Этилбензол Ethylbenzene C8H10 4587,9 18 4386,9
42 o-Ксилол o-Xylene C8H10 4573,1 18 4376,0
43 Этилциклогексан Ethylcyclohexane C8H16 5205,9 19 4911,0
44 2,2,4-Триметилпентан 2,2,4-Trimethylpentane C8H18 5413,0 18 5100,0
45 2,4-Диметилгексан 2,4-Dimethylhexane C8H18 5411,0 19 5105,0
46 2,2,3-Триметилпентан 2,2,3-Trimethylpentane C8H18 5416,0 19 5104,0
47 н-Октан n-Octane C8H18 5413,1 18 5116,0
48 2,3-Диметилгексан 2,3-Dimethylhexane C8H18 5416,0 19 5111,0
49 2-Метил-3-этилпентан 2-Methyl-3-ethylpentane C8H18 5420,0 19 5113,0
Окончание табл. 1 / End Table 1
№ n/n Название вещества Брутто-формула Formula кДж моль
н FEM ^ || Источник Source
No. Qi, kJ/mol
50 Кумол Cumene С9Н12 5233,0 20 5268,1
51 1,3,5-Триметилбензол 1,3,5-Trimethylbenzene С9Н12 5213,0 18 4993,0
52 н-Пропилбензол n-Propylbenzene С9Н12 5249,1 18 4996,9
53 1-Метил-2-этилбензол l-Methyl-2-ethylbenzene С9Н12 5226,0 19 4993,0
54 1,2,3-Триметилбензол 1,2,3-Trimethylbenzne С9Н12 5216,0 19 4993,0
55 !-Метил-4-этилбензол l-Methyl-4-ethylbenzene С9Н12 5222,0 18 4993,0
56 1,2,4-Триметилбензол 1,2,4-Trimethylbenzene С9Н12 5211,0 19 4993,0
57 l-Метил-З-этилбензол l-Methyl-3-ethylbenzene С9Н12 5222,0 19 4993,0
58 н-Пропилциклогексан n-Propylcyclohexane С9Н18 5857,7 18 5525,0
59 н-Нонан n-Nonane С9Н20 6064,9 18 5731,0
60 Нафталин Naphthalene С10Н8 5255,0 18 5050,0
61 н-Бутилбензол n-Butylbenzene С10Н14 5892,0 18 5608,9
62 н-Бутилциклогексан n-Butylcyclohexane С10Н20 6511,5 18 6134,0
63 н-Декан n-Decane С10Н22 6716,8 18 6346,0
64 Пентаметилбензол Pentamethylbenzene С11Н16 6516,0 18 6224,6
65 н-Ундекан n-Undecane С11Н24 7376,9 18 6960,0
66 н-Додекан n-Dodecane С12Н26 8029,4 18 7575,0
67 н-Тридекан n-Tridecane С13Н28 8682,0 18 8190,0
68 1,1-Дифенилэтан 1,1-Diphenylethane С14Н14 7665,9 18 7330,0
69 н-Тетрадекан n-Tetradecane С14Н30 9334,5 18 8804,0
70 н-Пентадекан n-Pentadecane С15Н32 9984,8 18 9419,0
71 н-Гексадекан (цетан) n-Hexadecane С16Н34 10639,7 18 10034,0
72 н-Октадекан n-Octadecane С18Н38 11937,4 18 11263,0
73 Трифенилметан Triphenylmethane С19Н16 10109,2 18 9660,0
Рис. 2. Зависимость значений gH и ех для углеводородов Fig. 2. Correlation between LHV (lower heating value) and exergy for hydrocarbons
По международным стандартам ISO 3679 и ISO 13736 температура вспышки Гвсп не является константой для физико-химических свойств вещества или материала: ее значения, полученные экспериментальным путем, зависят от аппаратурного оформления, методики определения и могут иметь значительный разброс [21]. Кроме того, не для всех веществ найдены экспериментальные значения температуры вспышки. Основным назначением рассматриваемого показателя пожаровзрывоопасности во многих странах является его применение в качестве критерия при делении воспламеняющихся жидкостей на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ). Значение температуры вспышки используется при определении категорий помещений по взрывопожарной и пожарной опасности. При оценке пожарной опасности в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89 допускается использовать как экспериментальные, так и расчетные значения температуры вспышки. Методы рас-
150 п-
-150J—
Рис. 3. Зависимость Гвсп от величины ех для алканов Fig. 3. Correlation between flash point and exergy for alkanes
200
500 2500 4500 6500 8500 10500 Эксергия, кДж/моль / Exergy, kj/mol
Рис. 4. Зависимость ВКПР (1) и НКПР (2) от величины ех для алканов
Fig. 4. Correlation between upper (1) and lower (2) concentration limits of flame propagation and exergy for alkanes
00000159.x2+ 0,0494*-
000
у = -0,00000119JC2 + 0,0408x - 174
R2 = 0,999
-100
Рис. 5. Зависимость ВТПР (1)и НТПР (2) от величины ех для алканов
Fig. 5. Correlation between upper (1) and lower (2) temperature limits of flame propagation and exergy for alkanes
Таблица 2. Формулы для расчета показателей пожаровзрывоопасности алканов Table 2. Formulas for calculating fire and explosion ratio for alkanes
№ п/п Показатель Формула для расчета R2
No. Property Formula
1 Температура вспышки / Flash point Твсп (FP) = 112-10-8ex2 + 0,0407ex -178 0,990
2 НКПР / Lower concentration limit of flame propagation НКПР (LFL) = 3751,1e-0,968 0,950
3 ВКПР / Upper concentration limit of flame propagation ВКПР (UFL) = 692,45 e°/51 0,988
4 НТПР / Lower temperature limit of flame propagation НТПР (LTFL) = 119 -10-8 e2 + 0,0408 ex -174 0,999
5 ВТПР / Upper temperature limit of flame propagation ВТПР(UTFL) = 159-10-8ex + 0,0494 ex -173 0,999
чета и прогнозирования данного показателя являются предметом современных исследований.
Нами проанализирована связь между температурой вспышки для углеводородов различных классов и их химической эксергией. В частности, для алканов данная зависимость приведена на рис. 3.
Важным показателем пожаровзрывоопасности являются концентрационные пределы распространения пламени, определяемые экспериментально и расчетным путем. Их существование является фундаментальным свойством горючих смесей. Рассматриваемый показатель в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89 применяют при определении размеров взрывоопасных зон, расчете и обосновании взрывоопасных концентраций веществ внутри технологического оборудования, при определении категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности. Зависимость нижнего (НКПР) и верхнего (ВКПР) концентрационных пределов распространения пламени от удельной химической эксергии для алканов представлена на рис. 4.
Еще одним важным показателем пожаровзрыво-опасности веществ являются температурные пределы распространения пламени. Их учитывают при
расчете пожаровзрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования; при оценке аварий, связанных с проливом горючих и легковоспламеняющихся жидкостей; при расчете ВКПР и НКПР (ГОСТ 12.1.044-89). Зависимость верхнего (ВТПР) и нижнего (НТПР) температурных пределов распространения пламени от удельной химической эксергии для алканов приведена на рис. 5.
В табл. 2 представлены формулы, полученные для расчета показателей пожаровзрывоопасности веществ — компонентов жидких и газообразных топлив, применяемых и преревозимых на железнодорожном транспорте.
Вследствие расширения спектра обращающихся веществ и материалов экспериментальное определение показателей пожаровзрывоопасности часто затруднительно, поэтому используют расчетные методы их определения. Найдены зависимости между химической эксергией и показателями пожаровзры-воопасности веществ. Кроме того, выявлены преимущества использования эксергетического метода анализа, включающие аспекты обеспечения пожарной безопасности (рис. 6).
Повышение качества анализа
Повышение производительности Better perfomance
Повышение устойчивости развития Better sustainability
Рис. 6. Преимущества использования эксергетического метода анализа / Fig. 6. Using the exergy analysis for fire safety
Заключение
Предлагаемый эксергетический подход позволяет комплексно рассматривать вопросы энергоэкологической эффективности и пожарной опасности грузовых перевозок железнодорожным транспортом. Кроме того, он дает возможность выявить связи термодинамических характеристик с технико-экономическими, экологическими показателями и провести оценку по-жаровзрывоопасности обращающихся нажелезнодо-рожном транспорте веществ и материалов.
Использование эксергетического подхода определяется его универсальностью и возможностью преодоления методологических проблем при необходимости учета различных показателей в единой системе.
Полученные зависимости позволяют ранжировать обращающиеся на железнодорожном транспорте вещества топливно-энергетического назначения по показателям их энергетической эффективности и пожарной опасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. ИТС 48-2017. Повышение энергетической эффективности при осуществлении хозяйственной и (или) иной деятельности. URL: http://docs.cntd.ru/document/456096365 (дата бращения: 06.06.2018).
2. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия / Пер. с польск. — М. : Энергия, 1968. — 280 с.
3. Попов В. Г., Боровков Ю. Н., Сухов Ф. И. Оценка энерго-экологической эффективности // Мир транспорта. — 2012. — Т. 10, № 3. — С. 96-101.
4. Бродянский В. М.Эксергетический метод термодинамического анализа. —М. : Энергия, 1973.
— 296 с.
5. Энергетическая стратегия холдинга "Российские железные дороги" на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года: распоряжение ОАО"РЖД" от 15.12.2011 № 2718р. — М., 2011. — 96 с. URL: http://rzd-expo.ru/doc/Energ_Strateg_new.pdf (дата_обращения: 06.06.2018).
6. Елизарьев А. Н., Юсупов Т. Р., Елизарьева Е. Н. Прогнозирование разливов нефтепродуктов при железнодорожных авариях // Бюллетень результатов научных исследований. — 2016. — № 3-4(20-21). —С. 28-35. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/prognozirovanie-razlivov-nefte-produktov-pri-zheleznodorozhnyh-avariyah (дата обращения: 20.06.2018).
7. Seckin C., SciubbaE., Bayulken A. R. Extended exergy analysis of Turkish transportation sector // Journal of Cleaner Production. — 2013. — Vol. 47. — Р. 422-436. DOI: 10.1016/j.jclepro.2012.07.008.
8. ByersE.A., GasparatosA., SerrenhoA. C. A framework for the exergy analysis of future transport pathways: Application for the United Kingdom transport system 2010-2050 // Energy. — 2015. —Vol. 88.
— Р. 849-862. DOI: 10.1016/j.energy.2015.07.021.
9. MotasemiF.,AfzalM.T., SalemaA. A., MoghavvemiM., ShekarchianM., ZarifiF., MohsinR. Energy and exergy utilization efficiencies and emission performance of Canadian transportation sector, 1990-2035 // Energy. —2014. — Vol. 64. — Р. 355-366. DOI: 10.1016/j.energy.2013.09.064.
10. Zhang M., Li G., MuH.L., NingY.D. Energy and exergy efficiencies in the Chinese transportation sector, 1980-2009//Energy.—2011.—Vol. 36,Issue 2. — Р. 770-776.DOI: 10.1016/j.energy.2010.12.044.
11. Federici M., Ulgiati S., Basosi R. A thermodynamic, environmental and material flow analysis of the Italian highway and railway transport systems // Energy. —2008. — Vol. 33, Issue 5. —P. 760-775. DOI: 10.1016/j.energy.2008.01.010.
12. LiorN., Sarmiento-Darkin W., Al-Sharqawi H. S. The exergy fields in transport processes: Their calculation anduse //Energy.—2006.-Vol. 3,Issue 5.—P. 553-578.DOI: 10.1016/j.energy.2005.05.009.
13. Zarifi F., Mahlia T. M. I., Motasemi F., Shekarchian M., Moghavvemi M.Current and future energy and exergy efficiencies in the Iran's transportation sector // Energy Conversion and Management. — 2013. — Vol. 74. — P. 24-34. DOI: 10.1016/j.enconman.2013.04.041.
14. Киселёв Я. С., Хорошилов О. А. Стандартный и научный подходы к определению условий возникновения горения // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2004. — Т. 13, № 6. — С. 45-52.
15. Zhang Y., Wang Q., Li B., Li H., Zhao W. Is there a general relationship between the exergy and HHV for rice residues? // Renewable Energy. — 2018.—'Vol. 117.—P. 37-45.DOI: 10.1016/j.renene.2017.10.022.
16. Huang Y. W., Chen M. Q., Li Q. H., Xing W. A critical evaluation on chemical exergy and its correlation with high heating value for single and multi-component typical plastic wastes // Energy. — 2018. — Vol. 156.—P. 548-554. DOI: 10.1016/j.energy.2018.05.116.
17. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник : в 2 ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. I. — 713 с.; Ч. II.— 774 с.
18. Szargut J., Morris D. R., Steward F. R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes. — New York : Hemisphere Publishing Corporation, 1988. — 332 p.
19. Perry R. H., Chilton C. H. Chemical Engineer's Handbook. — 5th ed. — New York : McGraw-Hill, 1973. — 1550 p.
20. Ayres R. U., Ayres L. W., Martinás K. Exergy, waste accounting, and life-cycle analysis // Energy. — 1998. — Vol. 23, Issue 5. — P. 355-363. DOI: 10.1016/S0360-5442(97)00076-5.
21. Алексеев С. Г., Смирнов В. В., Барбин Н. М. Температура вспышки. Часть I. История вопроса, дефиниции, методы экспериментального определения // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2012. — Т. 21, № 5. — С. 35-41.
Материал поступил в редакцию 5 августа 2018 г.
Для цитирования: Королева Л. А., Хайдаров А. Г., ИвахнюкГ. К., Коваль Д. Н. Эксергетиче-ский подход к оценке энергоэкологической эффективности и пожарной опасности грузовых перевозок на железнодорожном транспорте // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2018. — Т. 27, № 7-8. — С. 43-52. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.43-52.
: English
EXERGISTIC APPROACH TO ESTIMATION OF ENERGY-ECOLOGICAL EFFICIENCY AND FIRE HAZARD OF CARGO TRANSPORTATION ON RAILWAY TRANSPORT
KOROLEVA L. A., Candidate of Technical Sciences, Docent, Deputy Head of Fire, Rescue Equipment and Automotive Industry Department, Saint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia (Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105, Russian Federation; e-mail: lyudamil@mail.ru)
KHAYDAROV A. G., Candidate of Technical Sciences, Docent, Associate Professor of Department of Business Informatics, Saint Petersburg State Technology Institute (Technical University) (Moskovskiy Avenue, 26, Saint Petersburg, 190013, Russian Federation; e-mail: andreyhaydarov@gmail.com)
IVAKHNYUK G. K., Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of Department of Engineering Protection of Environment, Saint Petersburg State Technology Institute (Technical University) (Moskovskiy Avenue, 26, Saint Petersburg, 190013, Russian Federation; e-mail: fireside@inbox.ru)
KOVAL D. N., Candidate of Technical Sciences, Deputy Director-General, Belarusian Research Institute of Transport Transtekhnika (Platonova St., 22, Minsk, 220005, Republic of Belarus; e-mail: zgd@niit.by)
ABSTRACT
Introduction. One of the main trends in the sustainable development of the national economy is an increase in the energy efficiency of processes and industries, fire and industrial safety, rational use of natural resources, and reduction of negative man-made impact. A method for improving energy efficiency and predictive reliability is exergy analysis. However, it is not enough specified for fire safety.
Theoretical basis. Exergy is a thermodynamic concept, used for many years within engineering analysis of chemical and mechanical processes and systems. In modern science the concept of exergy is associated with efficiency, economy, and environmental feasibility. However, exergy analysis is practically does not affect issues related to fire safety.
Result and discussion. Consider the possibility of using an exergy approach to assess the fire danger of rail transport. At first we establish relationships between thermodynamic characteristics and fire and explosion hazard ratio. The objects of research are hydrocarbons, which are the main components of liquid and gaseous fuels.
Exergy is considered as one of the conditions for the occurrence of a fire. We have determined the dependencies between the specific chemical exergy and the fire and explosion hazard ratio of substances for railway transport. Specific chemical exergy was found from literature sources.
Lower heat of combustion, flash point, temperature limits of flame propagation, concentration limits of flame propagation parameters were considered. Formulas for calculation are proposed. The correlation of determination R2 was calculated (from 0.950 to 0.999). Using the exergy method of analysis has some preference for fire safety.
Conclusions. The offered approach allows to consider in a complex way the questions of energy-ecological efficiency and fire danger of cargo transportations of a railway transportation. It also makes it possible to identify the links between thermodynamic characteristics and technical, economic and environmental indicators and to assess the fire and explosion hazard of substances and materials for railway transport. The obtained dependences allow to rank substances of fuel and energy purpose in terms of their energy efficiency and fire hazard.
Keywords: exergy; railway transport; fuel; energy-ecological efficiency; fire danger; LHV; flashpoint; concentration limits of flame propagation; temperature limits of flame propagation.
REFERENCES
1. Information and technical reference for best available technology. ITS 48-2017. Energy efficiency improvement during economic and/or other activities (in Russian). Available at: http://docs.cntd.ru/ document/456096365 (Accessed 6 June 2018).
2. Szargut J., Petela R. Eksergiya [Exergy]. Moscow, Energiya Publ., 1968. 280 p. (in Russian).
3. Popov V. G., Borovkov Yu. N., Sukhov F. I. Assessment of energy and environmental efficiency. Mir transporta / World of Transport and Transportation, 2012, vol. 10, no. 3, pp. 96-101 (in Russian).
4. Brodyanskiy V. M. Eksergeticheskiy metod termodinamicheskogo analiza [Exergy method of thermodynamic analysis]. Moscow, Energiya Publ., 1973. 296 p. (in Russian).
5. Energy strategy ofthe Russian Railways Holdingfor the period up to 2015 andfor thefuture up to 2030. Directive ofthe Russian Railways Holding on 15.12.2011 No. 2718r. Moscow. 2011.96 p. (in Russian). Available at: http://rzd-expo.ru/doc/Energ_Strateg_new.pdf (Accessed 6 June 2018).
6. Elizariev A. N., Yusupov T. R., Elizarieva E. N. Oil spills forecasting in rail accidents. Bjulleten' rezul'tatov nauchnyh issledovanij / Results of Scientific Research Work, 2016, no. 3-4(20-21), pp. 28-35 (in Russian). Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/prognozirovanie-razlivov-nefteproduktov-pri-zheleznodorozhnyh-avariyah (Accessed 20 June 2018).
7. Seckin C., Sciubba E., Bayulken A. R. Extended exergy analysis of Turkish transportation sector. Journal of Cleaner Production, 2013, vol. 47, pp. 422-436. DOI: 10.1016/j.jclepro.2012.07.008.
8. Byers E. A., Gasparatos A., Serrenho A. C. A framework for the exergy analysis of future transport pathways: Application for the United Kingdom transport system 2010-2050. Energy, 2015, vol. 88, pp. 849-862. DOI: 10.1016/j.energy.2015.07.021.
9. MotasemiF., AfzalM. T., SalemaA. A., MoghavvemiM., ShekarchianM., ZarifiF., MohsinR. Energy and exergy utilization efficiencies and emission performance of Canadian transportation sector, 1990-2035. Energy, 2014, vol. 64, pp. 355-366. DOI: 10.1016/j.energy.2013.09.064.
10. Zhang M., Li G., Mu H. L., Ning Y. D. Energy and exergy efficiencies in the Chinese transportation sector, 1980-2009. Energy, 2011, vol. 3, issue 2, pp. 770-776. DOI: 10.1016/j.energy.2010.12.044.
11. Federici M., Ulgiati S., Basosi R. A thermodynamic, environmental and material flow analysis of the Italian highway and railway transport systems. Energy, 2008, vol. 3, issue 5, pp. 760-775. DOI: 10.1016/j.energy.2008.01.010.
12. LiorN., Sarmiento-Darkin W., Al-SharqawiH. S. The exergy fields in transportprocesses: Their calculation and use. Energy, 2006, vol. 3, issue 5, pp. 553-578. DOI: 10.1016/j.energy.2005.05.009.
13. ZarifiF., MahliaT. M. I., MotasemiF., ShekarchianM., MoghavvemiM. Current and future energy and exergy efficiencies in the Iran's transportation sector. Energy Conversion and Management, 2013, vol. 74, pp. 24-34. DOI: 10.1016/j.enconman.2013.04.041.
14. Kiselev Ya. S., Khoroshilov O. A. Standard and scientific approaches to the determination of combustion appearance conditions. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2004, vol. 13, no. 6, pp. 45-52 (in Russian).
15. Zhang Y., Wang Q., Li B., Li H., Zhao W. Is there a general relationship between the exergy and HHV for rice residues? Renewable Energy, 2018, vol. 117, pp. 37-45. DOI: 10.1016/j.renene.2017.10.022.
16. Huang Y. W., Chen M. Q., Li Q. H., Xing W. A critical evaluation on chemical exergy and its correlation with high heating value for single and multi-component typical plastic wastes. Energy, 2018, vol. 156, pp. 548-554. DOI: 10.1016/j.energy.2018.05.116.
17. Korolchenko A. Ya., Korolchenko D. A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik. 2-e izd. [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of fighting. Reference book. 2nd ed.]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004, part I, 713 p.; part II, 774 p. (in Russian).
18. Szargut J., Morris D. R., Steward F. R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes. New York, Hemisphere Publishing Corporation, 1988. 332 p.
19. Perry R. H., ChiltonC. H. Chemical engineer's handbook.5th ed. New'York, McGraw-Hill, 1973.1550p.
20. Ayres R. U., Ayres L. W., Martinas K. Exergy, waste accounting, and life-cycle analysis. Energy, 1998, vol. 23, issue 5, pp. 355-363. DOI: 10.1016/S0360-5442(97)00076-5.
21. Alexeev S. G., Smirnov V. V., BarbinN. M. Flashpoint. Part I. Question history, definitions, and test methods of determination. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 5, pp. 35-41 (in Russian).
For citation: Koroleva L. A., Khaydarov A. G., Ivakhnyuk G. K., Koval D. N. Exergistic approach
to estimation of energy-ecological efficiency and fire hazard of cargo transportation on railway
transport. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2018, vol. 27, no. 7-8, pp. 43-52
(in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.43-52.
