CC BY
9го университета имени С.Сейфуллина (междисциплинарный). - 2015. - № 3(86). - с.86-92.
НЕЧЕТКИЕ ОЦЕНКИ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ЗЕРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Попов Афанасий Сергеевич
аспирант кафедры компьютерных систем, Одесская национальная академия пищевых технологий
Волков Виктор Эдуардович доктор технических наук, профессор научный руководитель кафедры компьютерных систем, Одесская национальная академия пищевых технологий
FUZZY ESTIMATING FOR EXPLOSIVENESS OF OBJECTS OF THE GRAIN PROCESSING ENTERPRISE
Popov A.S., post-graduate of the department of computer systems, Odessa National Academy of Food Technologies
Volkov V.E., doctor of technical sciences, professor, research manager of the department of computer systems, Odessa National Academy of Food Technologies
АННОТАЦИЯ
Предложены методы нечеткой оценки взрывоопасности объектов зерноперерабатывающих предприятий. Эти методы базируются на теории гидродинамической устойчивости волн горения. В результате возможна идентификация состояния взрывоопасного объекта с точки зрения взрывобезопасности. Предложены показатели оценки взрывоопасности и относительной взрывоопасности объекта. Алгоритмы вычисления этих показателей реализованы в компьютерных программах.
ABSTRACT
Methods for fuzzy estimating for explosiveness of objects of the grain processing enterprise are constructed. Those methods are based on the theory of hydrodynamic stability for combustion. It enables to identify the explosive object state from the point of view of the explosion safety. Indicators for the explosion hazard and the relational explosion hazard of the object are proposed. Algorithms for calculations of those indicators are implemented in computer programs.
Ключевые слова: зерноперерабатывающее предприятие, взрыв, горение, преддетонационныйучасток, нечеткая оценка.
Keywords: grain processing enterprise, explosion, combustion, detonation induction distance, fuzzy estimating.
Постановка проблемы. Анализ статистических данных показывает, что ежегодно в мире на зерноперерабатывающих предприятиях - элеваторах, мукомольных и комбикормовых заводах - происходит 400-500 взрывов. Главной причиной возникновения значительного числа взрывов является неверная оценка взрывоопасности отдельных объектов предприятия - силосов, бункеров, норий, надси-лосных и подсилосных галерей, систем аспирации. Необходимы математические модели, позволяющие адекватно оценивать взрыв о опасность таких объектов. Подобные математические модели могут составить основу интеллектуальной системы поддержки принятия решений (ИСП-ПР) по взрывобезопасности в составе автоматизированной системы управления (АСУ) зерноперерабатывающим предприятием.
Анализ последних исследований и публикаций. Современные АСУ зерноперерабатывающими предприятиями решают задачи контроля за качеством выпускаемой продукции, повышения эффективности использования зерновых ресурсов и сокращения потерь зерна [1-3]. Но проблему обеспечения взрывобезопасности процессов хранения и переработки зерна АСУ практически не решает именно по причине отсутствия адекватных методов оценивания взрывоопасности и - как следствие - невозможности создания эффективной ИСППР.
Кроме того, проблема обеспечения взрывобезопасно-
сти рассматривается исключительно с позиций пожаро-безопасности. При этом основной целью является предотвращение случайных возгораний [4]. Имеет смысл, однако, рассмотреть вопрос о предотвращении перехода пожара во взрыв в случае, если даже случайное возгорание имеет место. Решение этой задачи позволит избежать катастрофических последствий взрывов на зерноперера-батывающих предприятиях [5].
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Актуальными остаются проблемы:
- оценивания взрывоопасности отдельных объектов, входящих в состав зерноперерабатывающего предприятия;
- оценивания возможности перехода пожара во взрыв для этих объектов.
Цель работы. Целью настоящего исследования является разработка эффективных методов оценивания взрыво-опасности объектов зерноперерабатывающего предприятия. Эти методы должны:
- учитывать современные достижения математической теории горения и взрыва;
- быть достаточно просты для компьютерной реализации без затрат большого количества машинного времени (только в этом случае они пригодны для ИСППР по взры-вобезопасности).
Изложение основного материала. При переработке
зерна и производстве комбикормов возникают пожаро- и взрывоопасные пылевоздушные смеси (ПВС). При увлажнении и самосогревании зернопродуктов и комбикормового сырья в результате брожения и термоокислительной деструкции выделяются горючие газы - водород, метан, оксид углерода. Выделяющиеся таким образом горючие газы образуют в свободных объемах силосов и смежных с ними зонах взрывоопасные газовоздушные смеси (ГВС). Кроме того, возможно и возникновение пожаровзрывоо-пасных пылегазовоздушных смесей (ПГВС), называемых также гибридными.
Для указанных выше смесей переход горения во взрыв осуществляется следующим образом [6]: в результате развития неустойчивости фронта пламя искривляется и процесс горения становится турбулентным; искривленный фронт пламени ускоряется, так как увеличивается площадь поверхности горения; перед фронтом ускоряющегося пламени образуется ударная волна, что означает возникновение дефлаграционного взрыва; в некоторых случаях (если интенсивность ударной волны достаточно велика, чтобы зажечь горючую смесь) возможна детонация.
Преддетонационным участком, следуя терминологии [7], называют расстояние от точки зажигания до точки возникновения ударной волны, то есть взрыва. Взрыв при этом может носить как детонационный, так и дефлаграци-онный характер.
Оценка длины преддетонационного участка Ьр^ произведена на базе решения задачи о гидродинамической устойчивости пламени [8]. Справедлива следующая формула [6]:
Lpdu
4 zlL
(1 - Mx) M^ßf (Yi +1)
zo =
S2 +1
-1+ S+1 -SS
1 f1 + Zo \ 2S +1) + (S -1) + SS iSS±1 zo + S3 + 3
где
-|1 + Zo Iz, =
(1)
(2)
+2 s -1)
1 + 2 zo + S
S
S3 =S2
S2 -1 —, e = 2,71828...
(3)
(4)
S2 =
P1
Р2 Р
' 2 - отношение плотности ' 1 исходной го-
рючей смеси к плотности продуктов сгорания
5 < т < т = 0,75
P2
практических расчетов принимается Ь - протяженность зоны горения,
и -т и М1 = —
а
1 - число Маха в исходной горючей смеси
Ыл
( 1 - скорость нормального горения, 1 - скорость звука в горючей смеси),
71 -
отношение теплоемкостей в исходной горючей
смеси,
ß
/
-1 - безразмерная константа, близкая к единице (0« в/ < 1)
( ), для практических расчетов принимается
в/=0,9.
Наряду с оценкой длины преддетонационного участка Ърац существенную роль играет оценка времени возможного перехода горения во взрыв. Такой оценкой можно
считать величину
промежуток времени от момента
возгорания до момента, когда скорость пламени прибли-
Т
жается к скорости звука. Величину 5 можно оценить как [6]:
ь
Ts =
Jpdu
u
б (0,5 < т < 1),
т - безразмерная константа 4 7 для
41 (5)
Это время можно рассматривать как инерционность по каналу возмущений объекта управления, которым является некоторый потенциально взрывоопасный объект зер-ноперерабатывающего предприятия. При этом в качестве возмущающего воздействия на данный объект рассматривается возникновение пламени. Расчеты показывают, Т
что величина 5 колеблется в широких пределах - от 0,1 с до 10 мин; в подавляющем большинстве случаев времени вполне достаточно для принятия решения и оказания управляющего воздействия на объект.
Формулы (1) и (5) являются только приблизительными оценками длины преддетонационного участка и времени возможного перехода горения во взрыв при распространении пламени в открытом пространстве или в гладких трубах и каналах.
Шероховатость труб и каналов, в которых распространяется пламя, весьма заметно влияет на длину пред-детонационного участка. Даже влияние одиночной шероховатости может быть заметным, сокращая длину преддетонационного участка в 1,5-2 раза [7]. Если же препятствия (шероховатости) расположены регулярно, то длина преддетонационного участка может сократиться в 10 раз [7]. Наличие у каналов и труб изгибов также способствует возникновению взрывных волн. Дать точную количественную оценку влиянию шероховатостей и изгибов стенок на длину преддетонационного участка и время возможного перехода горения во взрыв практически невозможно. Поэтому при построении ИСППР по вопросам взрывобезопасности длине этим величинам даются «нечеткие» оценки, базирующиеся на формулах (1) и (5). Все потенциально взрывоопасные объекты зернопе-
рерабатывающего предприятия (силосы, бункеры, нории и другие) для прогнозирования возможности взрыва математически моделируются как каналы или трубы [9], что позволяет применять формулы (1) и (5) с указанными выше поправками на шероховатости и изгибы.
Для программной реализации прогнозирующей системы по оценке пожароопасности и взрывоопасности объекта зерноперерабатывающего предприятия создана достаточно полная база данных (БД) ПВС, ГВС и ПГВС различного вида с указанием их термодинамических и термохимических свойств, а также концентрационных пределов воспламенения - нижнего (НКПВ, NKPV) и верхнего (ВКПВ, VKPV). Указанная БД допускает возможность пополнения и расширения, поэтому прогнозирующая система обладает в определенном смысле способностью к обучению.
Пожароопасность объекта при возможном воспламенении в общем случае выражается нечеткой логической
переменной F, которая рассматривается как конъюнкция двух нечетких логических переменных, а именно:
нечеткой логической переменной K, выражающей соблюдение концентрационных пределов воспламенения, и
p
нечеткой логической переменной , выражающей превышение начального давления над критическим давлением, ниже которого горение в данных условиях в принципе невозможно. Таким образом
F = K a P (6)
Однако для зерноперерабатывающих предприятий давление близко к атмосферному, т.е. заметно превышает критическое давление, ниже которого горение невозможно, т.е. P = 1 и, следовательно,
F = K (7)
Таким образом, при возможном возгорании оценка по-жароопасности любого объекта зерноперерабатывающего предприятия сводится к оценке соблюдения концентрационных пределов воспламенения горючих смесей на этом объекте.
Областью рассуждений (универсальным множеством)
для нечеткой переменной K является множество значений объёмной концентрации топлива C, выраженное, например, для ГВС в процентах ( 0 — C — 100 ). Функция
принадлежности K нечеткого множества концентраций, удовлетворяющих условиям возможности воспламенения, описываемого нечеткой переменной K , имеет кусочно-линейный вид, заданный формулами
ßK =
C
NKPV
, 0 — C — NKPV
1, NKPV — C — VKPV
C - VKPV
1 -- , VKPV — C —100
100
Значение определяет степень принадлежности
данного объекта нечеткому подмножеству пожароопасных (и, как следствие, потенциально взрывоопасных) по концентрации горючего объектов предприятия. В случае,
когда 1, объект можно оценить как безусловно
пожароопасный по концентрации топлива; в случае, когда 0 , объект оценивается как безусловно пожаробезопасный. Немаловажен тот факт, что на участках
0 — C < HKUB и BKПВ < C — 100
обще говоря
ßK 0 ( ßK = 0
лишь при
принимается, во-c = 0
либо
C = 100
), т.е. вне концентрационных пределов смесь не
предполагается бесспорно пожаробезопасной. Этому есть ряд объяснений, начиная с того, что сами НКПВ и ВКПВ не всегда четко определены, и заканчивая тем, что система «топливо - окислитель» во многих случаях не является физически однородной. Линейность функции принадлежности на участках вне концентрационных пределов - определенный произвол, который оправдан относительной узостью этих участков.
Для зерноперерабатывающих предприятий концентрация пыли в ПВС и в ПГВС, а также концентрация горючего в ГВС даже при нарушении соответствующих норм далека от значений ВКПВ. Поэтому, для практических расчетов формула (8) упрощается следующим образом:
с
■ , о < с < ИКРУ
ßK
NKPV
1 , NKPV — C
(9)
Следующий этап после оценки пожароопасности -оценка собственно взрывоопасности объекта зернопере-рабатывающего предприятия.
Для некоторого объекта с максимальной протяженностью L (например, для силоса L есть высота силоса, а для надсилосной галереи L есть длина этой галереи) оценка взрывоопасности, выраженная нечеткой логической пере-
E
менной , определяется соотношением
E = F a L
Нечеткой логической переменной L
ßl
(10)
соответствует
функция принадлежности L , имеющая кусочно-линейный вид, заданный формулами
L ■ , 0 — L — Lpdu
ßL =i
Lpdu 1 , Lpdu — L
(11)
В случае
Lpdu — L
взрыв при возгорании неизбежен: пламя успевает «разогнаться» и создает перед собой ударную волну высокой интенсивности.
Формула (10) позволяет оценить взрыв о опасность
объекта, а нечеткая величина Ь - его относительную взрывоопасность, т.е. возможность перехода горения во взрыв при уже имеющем место возгорании. Очевидно, что даже при высокой пожароопасности, когда величина // близка к единице, взрывоопасность Е объекта может быть весьма низкой за счет малой величины относительной взрывоопасности Ь . И наоборот, высокая пожаробезопасность объекта не есть полная гарантия его взрывобезопасности. Это объясняет внезапность возникновения некоторых взрывов на зерноперерабатывающих
предприятиях
Описанные выше алгоритмы оценки пожароопасности и взрывоопасности отдельных объектов зерноперераба-тывающего предприятия для некоторых объектов реализованы программно [10]. При этом для удобства восприятия ситуации лицом, принимающим решения (ЛПР), на
базе нечетких логических переменных Е, и Ь введены некоторые лингвистические переменные. В результате ЛПР получает экранные сообщения примерно такого вида, который приведен на Рис. 1. На основе этих данных принимается и реализуется то или иное решение, обеспечивающее взрывобезопасность.
т!
Мой компьютер
н т. н &
1С<35еЫр СопЬгарЬогк Документ Те№Т Предложения Реклама М1сг050... к Правилам... науки..,
т 1 ш ш
Мое сетевое МюЕсК окружение
§ Я
Корзина W¡nZ¡p
Оценка взрывоопасности конкретного
Наименование продукта
|Ячмень дробленый ^
заданный условиям
Internet Проигрыва.,. Explorer Windows M,..
Microsoft detonation Office Outlook
940c printer laTex assistant
Acrobat Разное Reader 5,0
Ситуация чрезвычайно взрывоопасная. Взрыв при возгорании практически неизбежен. Возгорание весьма возможно,
Задание параметров ПВС
Оценка взрывоопасности
Рис.1. Программное сообщение о степени взрывоопасности силоса
Выводы и предложения.
1. Разработаны простые и эффективных методы нечеткого оценивания взрывоопасности объектов зерноперера-батывающего предприятия.
2. Разработанные методы нечеткой оценки взрывоо-пасности позволяют прогнозировать возможности воз-
никновения и развития пожара и взрыва на предприятии.
3. Доказано, что в ряде случаев даже при высоком уровне пожарной безопасности взрывоопасность сохраняется.
3. Нечеткие оценки взрывоопасности объектов зер-ноперерабатывающего предприятия могут быть основой для ИСППР по взрывобезопасности. Эта ИСППР может
войти в состав АСУ предприятия для принятия решений и управления в оперативном режиме, но может также применяться на стадии проектирования предприятия.
Список литературы:
1. Мышенков К.С. АСУ для предприятий хранения и переработки зерна // Хлебопродукты, 2002. - № 10. - С. 2427.
2. Вобликов Е.М. Зернохранилища и технологии элеваторной промышленности. - СПб.: Издательство «Лань», 2005. - 208 с.
3. Бутковский В.А. Современная техника и технология производства муки / В.А. Бутковский, Л.С. Галкина, Г.Е. Птушкина. - М.: ДеЛипринт,2006. - 319 с.
4. Семенов Л.И. Взрывобезопасность элеваторов, мукомольных и комбикормовых заводов / Л.И. Семенов, Л.А. Теслер - М.: Агропромиздат.- 1991. - 367 с.
5. Kauffman C.W. The DeBruce Grain Elevator Explosion // Seventh International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions: Thirteeenth International
Colloquim on Dust Explosions & Eigth Colloquim on Gas, Vapor, Liquid, and Hybrid Explosions. St. Petersburg, Russia. July 7-11, 2008. - St. Petersburg, 2008. - Vol.3. - P.3-26.
6. Волков В.Е. Розрахунок довжини преддетонацшно! дшянки //Науковi пращ Одесько! нацюнально! академп харчових технологш. - Одеса, 2009. - Вип. 36. Т.1. - С. 285288.
7. Нетлетон М. Детонация в газах. - М: Мир, 1989. - 280
с.
8. Aslanov S. On the instability and cell structure of flames /S. Aslanov, V. Volkov //Archivum combustionis. -- 1992. -Vol. 12, Nr. 1-4. - P. 81-90.
9. Волков В.Э. Алгоритм оценки взрывобезопасности элеватора /В.Э.Волков, А.С. Попов //Пищевая наука и технология, 2009. - №1, март 2009. - С. 91-93.
10. Волков В.Э. Программа оценки взрывоопасности силоса // Науковi пращ Одесько! нащонально! академп харчових технологш. - Одеса, 2014. - Вип. 46. Т.1. - С. 229235.
ДОСЛ1ДЖЕННЯ РУХУ ВОДИ В ГНУЧКИХ ТРУБОПРОВ1ДНИХ
ОБОЛОНКАХ-РУКАВАХ
Вострков Володимир Петрович
кандидат техшчних наук, професор кафедри водогосподарського будiвництва та експлуатацгг гiдромелiоративних систем, Нацюнальний ушверситет водного господарства та природокористування
THE STUDY OF WATER MOVEMENT IN A FLEXIBLE PIPELINE SHELLS-SLEEVES
Vostrikov V.P., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Water, Engineering Irrigation and Drainage Systems Operation, National University of Water and Environmental Engineering
АНОТАЦ1Я
У статтi викладено результати експериментальних до^джень руху води в трубопровiдних оболонках-рукавах, ят виконат i3 полiетиленовог плiвки товщиною 200 мкрон i мають умовний дiаметр 50-100 мм. Наведено схему експе-риментальног установки та умови проведення дослiдiв. Встановлено залежностi змши гiдравлiчного похилу в оболон-ках-рукавах вiд витрати во-ди для двох режимiв роботи - вшьного i тдтопленого виттання. Наведено залежностi змни коефiцieнтiв гiдравлiчного тертя оболонок-рукавiв вiд числа Рейнольдса, графти втрат напору води вiд витрати i довжини оболонок.
ABSTRACT
The article presents the results of experimental studies of water movement in pipeline casings-the sleeves, which are made from a polyethylene film thickness of200 microns and have a nominal diameter of50-100 mm. A diagram of the experimental setup and conditions of experiments is showed. Dependences of change of hydraulic gradient in the shells-the sleeves from the flow in which it is sold for dutyfree and flooded expiry. A dependent-STI changes the coefficient of hydraulic friction of the shells-sleeves on the Reynolds number, graphs of head losses from water flow and length of the shells are given.
Ключовi слова:рух води, оболонка-рукав, гiдравлiчний похил, витрата води, коефщент гiдравлiчного тертя, втрати напору.
Keywords: the movement of the water, the shell-sleeve, hydraulic gradient, water consumption, coefficient of hydraulic friction, head loss.
Постановка проблеми. Гнучю оболонки-рукави, що виконаш iз мщних тонкостшних матерiалiв, знаходять все бшьшого застосування в рiзноманiтних галузях техшки i технологш, де потрiбно перекачувати воду та iншi рвдини. Оболонки-рукави в формi трубопроводiв мають низку пе-реваг перед звичайними металевими чи пластмасовими трубами. Вони легю, можуть швидко розкладатись i мон-туватись у потрiбнi гiдравлiчнi системи на поверхш 1"рунту, швидко демонтуватись тсля використання i змотуватись
у бухти, переноситись вручну i зберпатись у примщеннях для повторного використання.
Трубопроввдш оболонки-рукави можуть використо-вуватись при пожежах для подачi води в резервуари i наповнення резервуарiв водою, в сшьському господар-ст для створення iригацiйних систем, для транспорту-вання води на значш вщсташ за похилом територп тощо. Останшм часом для сшьського господарства вченими ро-зроблеш спещальш системи поверхневого обiгрiву fрунту
