Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана"

Задание на курсовой проект

Состав газового фонтана

ц(метан) = 80%

ц(пропан) = 17%

ц(сероводород) = 3%

Диаметр устьевого оборудования

100 мм

Высота факела пламени

15 м

Химический недожог

з_х = 0,1

Другие известные параметры

C_P(H₂O)=42,34 Дж/моль*К

C_P(O₂)=34,73 Дж/моль*К

C_P(N₂)=32,76 Дж/моль*К

C_P(SO₂)=52,57 Дж/моль*К

пожар газовый фонтан авария

Введение

Увеличивающееся с каждым годом потребление нефти и газа, ежегодный объем добычи которых в настоящее время в стране составляет более 300 млн. тонн, приводит к необходимости интенсификации процессов его добычи. Обусловленные этим отказы механизмов, нарушения технологического процесса, а также природные катастрофы приводят к серьёзным авариям, которые могут сопровождаться крупными пожарами, большими материальными потерями, ухудшением экологической обстановки в зоне пожара и прилегающих районах, а нередко и человеческими жертвами.

Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях, часто находящихся в труднодоступных регионах, требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями. Так, например, тушение пожара на газонефтяном месторождении в течение нескольких дней обходится не в одну сотню тысяч, а то и не один миллион долларов. При этом зачастую имеют место потери не только специальной пожарной техники, но и обрываются жизни людей. Вред, нанесённый окружающей среде в зоне пожара и прилегающих районах, точно оценить практически невозможно.

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: расход мощных фонтанов может достигать 10 - 20 миллионов кубометров газа в сутки, высота горящего факела достигает 80 - 100 м, интенсивность тепловыделения в таком факеле составляет несколько миллионов киловатт.

Целью курсовой работы "Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана" является привитие навыков использования теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» при проведении расчетов параметров развития пожаров.

В результате выполнения курсовой работы курсант должен знать и уметь оценивать расчетными методами:

- параметры пожара газового фонтана;

- адиабатическую и действительную температуры горения;

- интенсивность лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины;

режим истечения.

Горение газов

Как правило, горение возникает от какого-либо источника зажигания. По существу это только начальная стадия процесса горения, т.е. ее инициирование. Безусловно, указанная стадия важна с точки зрения профилактики пожаров и взрывов, но предотвратить их не всегда удается. Поэтому для практических работников пожарной охраны большое значение имеет возможность прогнозирования динамики развития горения, а именно, в каком режиме и с какими параметрами будет развиваться пожар или взрыв на реальных объектах. Кроме того, в практической деятельности приходится сталкиваться с необходимостью реставрации картины развития уже происшедших пожаров и взрывов. Для этого необходимо знать основные закономерности процессов распространения, развития горения. Эти сведения необходимы также для правильного выбора наиболее эффективного вида и способа применения огнетушащего средства в конкретных условиях.

При изучении дисциплины «Теория горения и взрыва» вы познакомились с различными режимами горения газов: кинетическим и диффузионным, ламинарным и турбулентным. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме.

Общие закономерности кинетического режима горения

Если с помощью оптического прибора рассмотреть кинетическое пламя в неподвижной горючей смеси, то можно увидеть следующую картину (рис. 1). Справа находятся нагретые до высокой температуры продукты горения (Т_пг), слева -- холодная с температурой (То) исходная горючая смесь, а между ними - ярко светящаяся полоска - фронт пламени с толщиной (). Горючий компонент во фронте пламени сгорает, и в продуктах горения его концентрация практически равна нулю. Естественно, температура продуктов горения, равная температуре горения (Т_г), больше температуры исходной смеси (То) (Т_пг = Т_г То). Поскольку теплота передается от горячего к холодному, в сторону исходной смеси будет идти тепловой поток (), нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева. Передача теплоты от нее осуществляется теплопроводностью.

Рис. 1

Нормальное или дефлаграционное горение -- это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения.

Толщина фронта пламени, как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отделяющую исходную смесь от продуктов горения. Как показали исследования, своим свечением фронт пламени обязан многоатомным радикалам: С=С, СН, НСО и др. Есть в пламени и ионы, концентрация которых достигает 10 - 10¹ м^-3. Возникновение ионов в пламени имеет химическую и термическую природу.

Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени (u_н) зависит от теплофизических свойств газопаровоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств -скорости и температуры реакции горения:

(1)

т.е. пропорциональна скорости реакции окисления () и обратно пропорциональна температуре горения (). Определяющим параметром, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения:

(2)

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и воздуха (рис. 2).

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффициент избытка воздуха = 1) скорость реакции окисления максимальна:

(3)

При увеличении концентрации горючего в смеси, когда а становится < 1, воздух находится в недостатке, и горючее сгорает не полностью, а частично. Поэтому меньше выделится теплоты Q_гор, а значит Т_г снизится.

Скорость реакций окисления по сравнению со стехиометрической уменьшится, причем сразу из-за снижения и концентрации окислителя O₂, и температуры горения. То есть при последовательном снижении а (что эквивалентно увеличению концентрации С_гор в смеси) скорость реакций окисления w и температуры горения Т_г будет последовательно снижаться. На графике при С_гор > С_г.стех кривая становится нисходящей. Значит, при > 1 скорость реакций окисления также снижается, и в целом на графике получается парабола.

Именно такая зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости многих параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость нормальной скорости распространения пламени и_н от концентрации горючего С_г (рис. 2).

Рис.2. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при температурах 311 К (1); 644 К (2); 811 К (3).

Согласно теории максимальная скорость распространения пламени (u^мах) должна соответствовать стехиометрической концентрации. Однако экспериментальные ее значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей (а< 1). С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и дается на практике. Для различных веществ u_н зависит от их химического строения и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом u_н < 1 м/с. При введении в горючую смесь балласта -- избыточного воздуха или азота заметно снижается температура горения.

Таблица 1. Нормальная скорость распространения пламени для некоторых горючих смесей

Введение в горючую смесь азота N₂, аргона Аr, диоксида углерода СО₂ разбавляет ее и тем самым снижает скорость реакции окисления и распространения пламени. Данные рис. 5 иллюстрируют эти факты.

Рис.

Диффузионное горение газов

В реальных условиях диффузионное горение встречается в тех случаях, когда газ или пары воспламеняются сразу же после начала их аварийного истечения. Типичным и довольно распространенным примером является диффузионное горение газа при разрушении магистральных трубопроводов, на аварийной фонтанирующей морской или сухопутной скважине газового или газоконденсатного месторождения, на газоперерабатывающих заводах.

Рассмотрим особенности такого горения. Предположим, что горит скважина природного газа, основным компонентом которого является метан. Горение диффузионное, в ламинарном режиме, концентрационный предел распространения (КПР) метана 5 - 15 % об. Изобразим схему пламени и построим графическую зависимость изменения концентрации горючего от оси фонтана и скорости реакции горения.

Концентрация газа снижается от 100 % на оси струи через верхний р_в до нижнего <p_н концентрационного предела на ее периферии.

Горение происходит только в интервале концентраций от р_в до р_н, т.е. в пределах области его воспламенения. Скорость реакции горения w(T) будет равна нулю на КПР и максимальной при р_стех. Таким образом, расстояние между х_н и х_в определяет толщину фронта диффузионного пламени:

(4)

Для диффузионных пламен в отличие от кинетических толщина фронта пламени имеет следующие значения: = 0.1-10 мм. Скорость реакции диффузионного горения определяется скоростью диффузии кислорода и по своей величине примерно в 5*10⁴ раз меньше скорости кинетического горения. В такое же число раз ниже теплонапряженность, т.е. скорость выделения теплоты диффузионным факелом.

Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации и срыва пламени

Условия горения газовых фонтанов удобнее рассмотреть на примере газовых струй. В реальных условиях такие струи являются турбулентными. При воспламенении струи газа, вытекающей из скважины, образуется так называемый диффузионный факел, имеющий осесимметричную веретенообразную форму. Химические реакции горения идут в тонком поверхностном слое факела, который в первом приближении можно считать поверхностью, где концентрации топлива и окислителя обращаются в ноль, а диффузионные потоки топлива и окислителя к этой поверхности находятся в стехиометрическом соотношении. Диффузионный фронт горения не имеет никакой скорости распространения, поэтому самостоятельно удержаться на текущей вверх струе не может. Стабилизация пламени на струе происходит в самой нижней части факела, где реализуется другой механизм горения. При истечении газа из отверстия на начальном негорящем участке поверхности струи образуется турбулентный слой смешения газа и окружающего воздуха. В этом слое концентрация газа в радиальном направлении плавно падает, а концентрация окислителя нарастает. В средней части толщины слоя смешения возникает гомогенная смесь топлива и окислителя с составом, близким к стехиометрическому.

При воспламенении такой подготовленной к горению смеси фронт пламени может распространяться в слое смешения с конечной скоростью даже навстречу потоку, если скорость горения превышает по величине локальную скорость потока. Но так как по мере приближения к выходному отверстию скорость струи нарастает, то на некоторой высоте скорость струи (u_f ) становится равной скорости горения (W_t ,), и пламя стабилизируется на поверхности струи на этой высоте. Точно рассчитать скорость турбулентного горения (W_t ) не представляется возможным. Однако оценки показывают, что значение (W_t ) приблизительно равно пульсационным скоростям струи, величина которых пропорциональна осевой скорости (u_m ). Из экспериментальных данных следует, что максимальные значения среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости составляет 0.2 и_т. Принимая эту величину за скорость турбулентного горения, можно считать, что максимальная скорость распространения пламени навстречу фонтанирующей со скоростью 300-450 м/с струе газа будет порядка 50 м/с.

Оценка расхода горящих газовых фонтанов

При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке расхода горящего фонтана, так как расход газа является од ним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально технических средств, необходимых для ликвидации аварии. Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаев оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способом определения расхода струи не существует. Расход мощных недорасширенных газовых фонтанов может быть определен по высоте факела (Н).

Известно, что высота турбулентного факела, образующегося при горении нормально расширенных газовых струй с дозвуковой скоростью истечения, не зависит от скорости или расхода струи, а определяется лишь диаметром отверстия (d), из которого струя вытекает, теплофизическими свойствами газа и его температурой (Т) на выходе из отверстия. Известна эмпирическая формула высоты факела при горении фонтана природного газа:

V = 0.0025H²,млн.м³/сутки. (5)

На реальных пожарах ламинарный режим горения практически не встречается. Газ, как в пласте газового месторождения, так и в транспортных трубопроводах и в технологических установках, находится под давлением. Поэтому расходы газа при аварийном истечении будут очень большими - до 100 м /с на пожарах фонтанирующих газовых скважин (до 10 млн. м³/сутки). Естественно, что в этих условиях режимы истечения, а значит, и режимы горения будут турбулентными.

Для расчета сил и средств на тушение горящих газовых факелов необходимо знать расход газа. Исходные данные для его расчета практически всегда отсутствуют, поскольку неизвестны либо давление газа в технологическом оборудовании, либо в пласте месторождения. Поэтому на практике пользуются экспериментально установленной зависимостью высоты пламени факела от расхода газа (табл. 2).

Таблица 2. Зависимость высоты пламени от расхода газа газового фонтана при различных режимах горения

Методы тушения газовых фонтанов

До настоящего времени тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газоводяными струями, создаваемыми авиационными турбореактивными двигателями; взрывом мощного сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, подвешиваемого вблизи основания факела. Эти способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3--5 млн. м³ в сутки, однако при тушении более мощных горящих фонтанов становятся малоэффективными. Применение этих методов требует привлечения большого количества людей и специальной техники, проведения сложных и дорогостоящих подготовительных работ, наличия больших запасов воды. Поэтому сроки ликвидации аварии на скважине нередко затягиваются на многие недели и месяцы, что приводит к истощению ресурсов месторождения и к угрозе гибели скважины.

В Институте гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы разработан принципиально новый вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности. Тушение факела по этому способу осуществляется путем воздействия на факел воздушным вихревым кольцом, заполненным распыленным огнетушащим порошком. Вихревое кольцо образуется при взрыве небольшого кольцевого заряда взрывчатого вещества, обложенного слоем огнетушащего порошка. Этот способ характеризуется высокой эффективностью, незначительным объемом подготовительных работ и малыми расходами огнетушащих материалов. Простота реализации данного способа позволяет осуществить тушение горящего газового фонтана в сжатые сроки при минимальных затратах людских и материальных ресурсов.

Расчет основных параметров горения газового фонтана

1. Дебит газового фонтана (D, млн. м³/сутки) рассчитывается по высоте факела пламени:

D = 0,0025 • Н²_ф = 0,0025 • 15² = 0,56 млн•м³/сутки = 6,5 м³/с

2. Режим истечения газовой струи определяется сравнением эффективности скорости истечения (V_Э) со скоростью звука (V_О)

 (6)

где V - секундный расход газа, м³/с,

d - диаметр устья скважины, м; d = 100мм = 0,1м

3. Расчет теоретической () и действительной () температур горения, для этого определим теплоту сгорания, т.е. количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы количества горючего материала, с учетом состава газового фонтана.

(7)

CH₄+2(O₂+3,76N₂) CO₂+2H₂O+23,76N₂

C₃H₈+5(O₂+3,76N₂) 3CO₂+4H₂O+53,76N₂

H₂S+3/2(O₂+3,76N₂) H₂O+SO₂+3/23,76N₂

Поскольку в 1 мисходной газовой смеси содержится 80 об. % метана, 17 об. % пропана и 3 об. % сероводорода,то общая теплота сгорания 1 м составит 0,8*35816,5+0,17*91244,6+0,03*23129,5=44858,66

Найдем продукты горения

Количество вещества

Адиабатическая температура горения находится по следующей формуле

4. Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется на излучение. При расчете действительной температуры горения учитывают потери тепла в результате химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного горения (CO, C, C_n, H_m и др.) и потерь тепла излучением факела пламени.

5. Изменение мощности (интенсивности) излучения факела пламени фонтана (q_л, кВт/м²) в зависимости от расстояния до устья скважины можно рассчитать по соотношениям:

Таюлица

Рис. 1 Зависимость изменения мощности излучения факела пламени фонтана от расстояния до устья скважины.

Вывод

В результате проведенных расчетов мы определили теоретическую и действительную температуры горения газового фонтана, интенсивность лучистого потока в зависимости от расстояния до устья скважины и режим истечения.

По произведенным расчетам мы можем судить о времени горения газового фонтана, можем рассчитать количество специальной пожарной техники и личного состава необходимого для тушения данного пожара. Зная интенсивность лучистого потока мы можем точно определить на каком расстоянии от устья скважины может находиться и работать длительное время в боевой одежде и в касках с защитными щитками без специального снаряжения личный состав, а также в специальном теплозащитном снаряжении.

Размещено на Allbest.ru