Теоретический расчёт основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

Теоретический расчёт основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

Введение

адиабатический пожар газовый фонтан

Увеличивающаяся с каждым годом добыча нефти и газа, ежегодный объем которой в настоящее время в стране составляет сотни млрд. м³, повышает вероятность аварийных ситуаций, которые могут сопровождаться крупными пожарами, большими материальными потерями, ухудшением экологической обстановки в зоне пожара и прилегающих районах, а нередко и человеческими жертвами. Это обусловливается отказом механизмов, нарушением технологии добычи, природными катастрофами и приводит к серьёзным авариям.

Пожары на открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах являются одними из наиболее сложных видов промышленных аварий.

Некоторое представление о пожаре на фонтанирующей скважине можно получить по следующим данным: дебит мощных газовых фонтанов может достигать 10 - 20 миллионов кубометров в сутки, высота горящего факела - 80 - 100 м, а интенсивность тепловыделения в факеле - несколько миллионов киловатт.

Целью курсовой работы «Теоретический расчёт основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов» является выработка навыков использования теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» при проведении расчётов параметров пожаров и расхода огнетушащих веществ.

В результате выполнения курсовой работы студент должен знать и уметь оценивать расчётными методами:

режим истечения газового фонтана;

параметры пожара газового фонтана;

адиабатическую и действительную температуры пламени;

интенсивность облучённости от факела пламени в зависимости от расстояния до устья скважины;

1. Расчётная часть

.1 Исходные данные

адиабатический пожар газовый фонтан

Вариант 8587

Компактный газовый фонтан состава (см. ниже), истекающий через устье диаметром d_y, имеет высоту факела пламени H_ф. Химический недожог η_х в зоне горения составляет от низшей теплоты сгорания.

Содержание компонентов, % (об):

Метан (СH₄) - 90 %

Этан (С₂H₆) - 8 %

Сероуглерод (СS₂) - 2 %

Параметры газового фонтана:

Диаметр устьевого оборудования (d_y) - 250 мм

Высота факела пламени - 45 м

Химический недожог (в долях от низшей теплоты сгорания) - 0,15

Рассчитать:

Дебит газового фонтана;

Адиабатическую температуру горения T_a, ºС;

Действительную температуру горения Т_г, ºС;

Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины q_л. Определить безопасное расстояние L_б;

Адиабатическую температуру потухания Т_пот, ºС;

Минимальный секундный расход воды V_min, л/с;

Удельный расход воды на тушение фонтана V_уд, л/м³;

Коэффициент использования воды k_в.

1.2 Расчёт параметров газового фонтана

1. Дебит газового фонтана (, млн. м³/сутки) может быть рассчитан из высоты факела пламени по формуле (4):

= 0,0025× =0,0025×45² = 5,06 млн. м³/сутки

Секундный расход газа составит V_г = 5,06∙10⁶/ (24×60×60) = 58,59 м³/с.

Режим истечения газовой струи может быть определён сравнением эффективной скорости истечения (V_э) со скоростью звука (V_о)

Эффективная скорость истечения (V_э) газовой струи может быть определена по уравнению:

- секундный расход газа, м³/с;- диаметр устья скважины, м.

Скорость звука в метане (V₀) составляет 430 м/с

. Теплота пожара рассчитывается по формуле:

= Q_н (1-η_х)

низшая теплота горения газовой смеси:

где Q_нi - низшая теплота сгорания i-го горючего компонента, кДж/м³;

φ_гi - содержание i-го горючего компонента в смеси, % об.

Низшая теплота сгорания отдельныхкомпонентов рассчитывается, выбирается в таблице 2 приложения.

Теплота пожара - тепловыделение в зоне горения в единицу времени (кВт)

q = Q_н (1-η_х) ∙ V= 38263,2(1-0,15)∙58,59 = 1905688,7 кВт

. Мощность теплового излучения факела пламени

Для определения теплоотдачи излучением пламени (η_л) определим среднюю молекулярную массу фонтанирующей газовой смеси

Молекулярную массуфонтанирующего газа (), состоящего из нескольких компонентов, можно определить по формуле:

,

где−молекулярная масса i-гoгорючего компонента газового фонтана;

− доля i-гo горючего компонента.

Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан и сероуглерод, будет равна:

Коэффициент теплопотерь излучением от пламени газового фонтана может бытьопределён в соответствии со следующей формулой [1]:

.

,

Коэффициент общих теплопотерь будет равен:

,

где - общие теплопотери при горении газового фонтана, представляющие собой долюот низшей теплоты сгорания ;

- химический недожог (0,15);

Мощность излучения от расстояния до устья скважины (L):

Для установления величины облучённости окружающего пространства факелом пламени в зависимости от расстояния до скважины в формуле (31) необходимо задаваться значениями L, принимая их равными 5, 10,20, 40, 60, 80, 100, 120, 150 и 200 м. В формулу (31) подставляются также высота факела пламени Н_ф= 45 м, секундный расход газа V_Г = 58,59 м³/с и коэффициент теплопотерь излучением h_л = 0,364.

В качестве примера проведём расчёт облучённости (q_л) на расстоянии L, м:

кВт/м²

Рассчитанные значения облучённости сведём в таблице 3.

Таблица 1 - Величина облучённости от факела газового фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины

По результатам расчёта, представленным в таблице3, строится график зависимости мощности излучения от расстояния до устья скважины, по которому определяются границы зон I - IV.

ЗависимостьЕ = f(L) в графической форме представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Зависимость мощности теплового потока от расстояния до устья скважины

При расчёте расстояния L принимается, что источником излучения пламени фонтана является точка, расположенная в его геометрическом центре, - т.е. на высоте Н_ф/2 от устья скважины

Рисунок 2 - Схема для расчёта плотности теплового потокаТогда плотность потока излучения Eчерез сферу радиусом R равна

откуда расстояние R, на котором плотность лучистого теплового потока равна заданному значению q_зад, определяется выражением

Очевидно, что соответствующее расстояние от скважины на уровне земли L равно:

Дляq_зад = 4,2 кВт/м²:

Для q_зад = 14 кВт/м²:

Таблица 2

За адиабатическую температуру потухания как предельный параметр процесса горения может быть принята адиабатическая температура горения на нижнем концентрационном пределе распространения пламени (НКПР).

Определяется НКПР для индивидуальных компонентов смеси (СН₄ и CS₂) по аппроксимационной формуле или выбирается из таблицы приложения:

для метана φ_н = 5,28 %,

для этана φ_н = 2,9 %,

для сероуглерода φ_н = 1,0 %.

,

где    j_i - концентрация i-го горючего газа в смеси;

j_iн - значение НКПР i-го компонента.

Для нахождения коэффициента избытка воздуха на НКПР для данной смеси газов рассчитаем теоретический объём воздуха:

,

где  - сумма произведений стехиометрических коэффициентов реакций горения каждого компонента горючей смеси () на процентное содержание этого компонента (j_i) в смеси;

 - процентное содержание кислорода в газовой смеси.

СН_4(г)+ 2(О₂ +3,76N₂) = СО_2(г) + 2Н₂О_(г)+2×3,76N₂

С₂Н_6(г)+ 3,5(О₂ +3,76N₂) = 2СО_2(г) + 3Н₂О_(г)+3,5×3,76N₂

СS_2(г)+3(О_2(г)+3,76N₂)=2SО_2(г)+CO_2(г)+3×3,76N₂

Отсюда     

или

Для расчёта адиабатической температуры потухания методом последовательных приближений - из уравнения химической реакции горения определяется объём и состав продуктов горения.

Определим объём (V) и число молей (ν) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 90об. % СН₄, 8 об. % С₂Н₆, 2 об. %СS₂, используя приведённые выше химические уравнения реакций их горения.

Суммарный объём продуктов горения с учётом избытка воздуха составит:

V*_пг = V_пг+DV_в=(1,08+ 2,04 + 0,04 + 8,05)+ 10,61= 10,79+10,61= 21,4 м³/м³

Рассчитывается среднее теплосодержание продуктов горения

по таблице приложения определяется первая приближённая температура, ориентируясь на азот, количество которого в продуктах горения наибольшее

Рассчитывается теплосодержание притемпературеT₁ = 1200 ºC

₁ = 2718,5·1,08 + 2133,9·2,04 + 2735,2·0,04 + 1705,3·8,05 + 1720,4·10,6 = 39379,7 кДж/м³;

Рассчитывается теплосодержание при температуре T₂ = 1100 ºC

₂ = 2460,4·1,08 + 1926,5·2,04 + 2488,8·0,04 + 1551,1·8,05 + 1554,9·10,6 = 35670,7 кДж/м³

Методом линейной интерполяции определяем адиабатическую температуру потухания:

Расчёт теплосодержания теоретического объёма продуктов горения при температуре потухания проводится методом последовательных приближений с линейной интерполяцией, для чего используются данные табл. 2 приложения

Результаты сводятся таблицу 3.

Таблица 3 - Теплосодержание продуктов горения при температуре потухания

После интегрирования уравнения получим выражение для расчёта адиабатической температуры горения:

Для расчётов воспользуемся следующими средними значениями теплоёмкостей для температурного диапазона 298−2000 K:

=53,14; =42,34;=32,76; = 52,57 Дж/моль^.K

Подставив приведённые значения теплоёмкостей и числа молей продуктов сгорания в формулу (25), получим:

Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется с излучением. При расчёте действительной температуры горения учитываются потери тепла в результате химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного сгорания (СО, С,  и др.) и потери тепла за счёт излучения факела пламени.

Действительная температура горения газового фонтана будет равна:

.

Теплосодержание продуктов горения при температуре потухания

_пг = 2640,8∙1,08+2071,5∙2,04+2661,0∙0,04+1658,9∙8,05 = 20532,4 кДж/м³

Количество тепла, которое должно быть отведено от зоны горения огнетушащим средством

_отв= Q_н-Q_пг =38263,2- 20532,4 = 17730,9 кДж/м³

Отвод тепла от зоны пламени происходит в результате нагрева воды от начальной температуры до температуры потухания. Охлаждающий эффект воды определяется

_охл = c(T_кип-T_о)+Q_исп+c_p(T_пот-T_кип)_охл = 4,2(100-20) + 2260 + 2,52(1169,9-100) = 5292,1 кДж/кг(л)

1.3 Определение расхода воды на тушение газового фонтана

Минимальный (теоретический) удельный расход воды на тушение

Минимальный секундный расход воды

_min =V^о_уд×V_г=3,35×58,59 = 196,31 л/с

По таблице 1 приложения находится фактический (нормативный) секундный расход воды на тушение фонтана дебитом 5,06млн м³/сутки, истекающим из скважины диаметром 250 мм V_ф = 220 л/с.

Фактический удельный расход воды рассчитывается пол

Коэффициент использования огнетушащего средства составит

Таблица 4 - Итоговая таблица

Выводы

.        Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может работать без специального теплозащитного снаряжения не более 15 минут при условии защиты кожных покровов (q= 4,2 кВт/м2), находится на расстоянии 85,0 м от устья скважины.

.        Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может вести боевую работу в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распылённых водяных струй не более 5 минут (q = 14 кВт/м2) находится на расстоянии 42,58м от устья скважины.

.        Требуемый секундный расход воды с учётом коэффициента её использования, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана с дебитом 5,06 млн. м3/сут, составляет220 л/с.

Список использованной литературы

1. Андросов А. С., Бегишев И. Р., Салеев Е. П. Теория горения и взрыва. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2007.

. Андросов А. С., Салеев Е. П. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрыва». - М.: Академия ГПС МЧС России, 2008.

. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. - М.: Стройиздат, 1990.

. Абдурагимов И. М., Говоров В. Ю., Макаров В. Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.

. Теребнев В. В., Артемьев Н. С., Грачев В. А. Справочник спасателя-пожарного. - М: Центр пропаганды, 2006.

. Бобков С. А., Бабурин А. В., Комраков П. В. Примеры и задачи по курсу «Физико-химические основы развития и тушения пожара»: Учеб. пособие. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. - 98 с.

. Расчёт процессов горения и взрыва: учебное пособие/ В.А. Портола, Н.Ю. Луговцова, Е.С. Торосян; Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 108 с.

. Андросов А.С. Теоретический расчёт основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана: Курсовая работа по дисциплине «Физико-химические основы развития и тушения пожаров». - М.: Академия ГПС МЧС России, 2011. - 13 с.

1.