Теоретический расчет основных параметров горения и тушения газового фонтана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Уральский институт государственной противопожарной службы"

Кафедра химии и процессов горения

Курсовая работа по дисциплине

«Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

Тема: "Теоретический расчет основных параметров горения и тушения газового фонтана"

Выполнил:

ряд.вн.сл. Кожихов В.С.

Вариант №: 8012

Руководитель:

ст. л-т вн. службы

Добрынина Н.Ю.

Екатеринбург 2010

Оглавление

Задание на курсовой проект

Введение

1. Горение газов

1.1 Общие закономерности кинетического режима горения

1.2 Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

1.3 Диффузионное горение газов

2. Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации пламени

3. Оценка дебита горящих газовых фонтанов

3.1 Методы тушения пожаров газовых фонтанов

3.2 Расчёт расхода воды, требуемого для прекращения горения газового фонтана

3.3 Расчет основных параметров горения газового фонтана

3.4 Определение теоретического расхода воды на тушение газового фонтана

Выводы

Список литературы

горение пламень диффузионный газовый

Задание на курсовой проект

Состав газового фонтана

ц(метан) = 97%

ц(пропан) = 1,0%

ц(бутан) = 0,5%

ц(сероводород) = 0.8%

ц(азот) = 0,7%

Диаметр устьевого оборудования

180 мм

Высота факела пламени

28 м

Химический недожог

зх = 0,07

Другие известные параметры

CP(CO2)=53,14 Дж/моль*К

CP(H2O)=42,34 Дж/моль*К

CP(O2)=34,73 Дж/моль*К

CP(N2)=32,76 Дж/моль*К

CP(SO2)=52,57 Дж/моль*К

Введение

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 экологи ческой 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.

Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях, часто находящихся в труднодоступных районах, требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями. Затраты на тушение нередко составляют миллионы рублей. 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: 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 расчет основных параметром 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 расчетов параметров пожаров и расхода огнетушащих веществ.

1. Горение газов

При изучении дисциплины «Теория горения и взрыва» были рассмотрены различные режимы горения газов: кинетический и диффузионный, ламинарный и турбулентный. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме. При возрастании высоты пламени (обычно выше 30 см) ламинарное пламя практически всегда приобретает турбулентный характер.

1.1 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 (), слева - холодная с температурой () 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 зоны горения (), больше температуры исходной смеси (Т0) Тпг = Тг>> Т0. Поскольку теплота передается от горячего тела к хо-лодному, п сторону исходной смеси будет идти тепловой поток (q), нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева. Передача теплоты от нее осуществляется теплопроводностью.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок. 1 Схема фронта (а) и изменение температуры и концентрации горючего (б) в кинетическом пламени: дпод- зона подогрева; дгор- зона горения; дфп-фронт пламени; ин - нормальная скорость распространения пламени

Смесь в этом слое воспламенится при достижении температуры самовоспламенения (Тс). Зона горения переместится в сторону исходной смеси, двигаясь от слоя к слою. Фронт пламени будет непрерывно перемещаться до самой границы горючей смеси. Такое распространение пламени называют нормальным или дефлаграционным горением.

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 (8фг), 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 1016- 1017м-3 Возникновение ионов в пламени имеет химическую и термическую природу.

1.2 Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени (uн) зависит от теплофизических свойств газовоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств - скорости горения V, и температуры в зоне реакции горения, Тг:

(1)

т.е. ин пропорциональна скорости реакции окисления (V) и находится в экспоненциальной зависимости от обратной температуры зоны горения (Тг). Определяющим параметром, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения:

(2)

где к0- предэкспоненциальный множитель из уравнения Аррениуса,

Сг, Сок - концентрации горючего и окислителя,

m, n - порядки реакции соответственно по горючему и окислителю,

Еа - энергия активации химической реакции.

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

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

При увеличении концентрации горючего в смеси выше стехиометрического количества, когда б становится < 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Qгор и произойдёт снижение Тг.

Скорость реакции окисления по сравнению со стехиометрическим составом смеси уменьшится, причем как из-за снижения концентрации окислителя О2, так и температуры зоны горения. То есть при последовательном снижении а (что эквивалентно увеличению концентрации Сг в смеси) скорость реакции окисления и температуры зоны горения Тг будут последовательно снижаться. На графике при Сг > Срстех кривая становится резко нисходящей. Снижение же скорости реакции окисления при б > 1 объясняется уменьшением тепловыделения в зоне горения в связи с более низкой концентрацией в ней горючего.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Зависимость скорости горения от концентрации горючего в смеси

Именно такая, как на рис.2, зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости её других 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 uн от концентрации горючего в смеси Сг. На рис. 3 приведены такие зависимости для случая горения воздушно-пропановой смеси при различных значениях начальной температуры.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при начальной температуре 311 К (1); 644 К (2); 811 К (3)

Согласно описанным выше представлениям, максимальная скорость распространения пламени (uнмах) должна соответствовать стехиометрической концентрации горючего. Однако экспериментально найденные её значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей. С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для воздушной смеси паров бензина и керосина она имеет вид, приведенный на рис. 4.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 Зависимость скорости распространения пламени от начальной температуры воздушной смеси паров бензина и керосина с воздухом (б =0.95)

Для различных веществ ин зависит от их химической природы и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом uн < 1 м/с. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения заметно снижается.

Таблица 1 Нормальная скорость распространения пламени для некоторых горючих смесей

Состав горючей смеси	Молекулярный соста	uн, м/с
Водород + воздух	Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2)	1.60
Ацетилен + воздух	СН=СН+2,5(02+ 3,76N2)	1.50
Ацетилен + кислород	СН=СН + 2,5O2	8.00
Этилен + воздух	СН2=СН2+3(О2 + 3,76N2)	0.60
Бутан + воздух	С4Н10 + 6,5(О2 + 3,76N2)	0.40
Метан + воздух	СН, + 3(02 + 3,76N2)	0.34

Введение в горючую смесь инертных и нейтральных газов: азота N2, аргона Аr, диоксида углерода СO2 разбавляет ее и тем самым снижает как скорость реакции окисления, так и скорость распространения пламени. Это хорошо видно из зависимостей, приведённых на рис. 5.

При этом при определённой (флегматизирующей) концентрации разбавителей горение вообще прекращается. Наиболеее сильное влияние оказывает введение хладонов, так как они обладают ещё и ингибирующим действием на реакцию горения.

Как видно из рис. 5, введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4 -10 раз эффективнее, чем нейтральных газов - разбавителей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 Влияние концентрации разбавителей и хладона 114В2 на скорость распространения пламени в пропано-воздушной смеси (б = 1.15)

Флегматизирующая способность газов - разбавителей зависит от их те-плофизических свойств, и в частности, от их теплопроводности и теплоёмкости.

1.3 Диффузионное горение газов

В реальных условиях в тех случаях, когда газ или пары воспламеняются после начала их аварийного истечения, наблюдается диффузионное горение. 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 фонтан природного газа, основным компонентом которого является метан. Горение происходит в диффузионном режиме и имеет ламинарный характер. Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) для метана составляют 5 - 15 % об. Изобразим структуру пламени и построим графические зависимости изменения концентрации метана и скорости реакции горения от расстояния до осевой фонтана (рис. 6).

Рисунок 6 Схема диффузионного ламинарного пламени газового фонтана (а), изменение концентрации горючего (б), скорости реакции горения (в) по фронту пламени

Концентрация газа снижается от 100 % на осевой фонтана до значения верхнего концентрационного предела воспламенения и далее до НКПР на его периферии.

Горение газа будет происходить только в интервале концентраций от ВКПР до НКПР, т.е. в пределах концентрационной области его воспламенения. Скорость реакции горения v(T) будет равна нулю при концентрациях, выше ВКПР и ниже НКПР, и максимальной при CCH4стех Таким образом, расстояние между Хнкпр и Хвкпр определяет ширину фронта диффузионного пламени:

дфп = Хнкпр - Хвкпр

Ширина фронта для таких пламён пламени имеет значения от 0.1 до 10 мм. Скорость реакции горения в этом случае определяется скоростью диффузии кислорода и по своей величине она примерно в 5·104 раз меньше скорости горения в кинетическом режиме. Во столько же раз ниже теплонапря-женность, т.е. скорость выделения теплоты в диффузионно горящем факеле.

2. Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации 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 (рис. 6). 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 имеет нулевую скорость 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 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 (vf) становится равной скорости горения (ut), и пламя стабилизируется на поверхности струи на этой высоте. Точно рассчитать скорость турбулентного горения (ut) не представляется возможным. Однако оценки показывают, что значение (ut) приблизительно равно пульсационным скоростям струи, величина которых про- порциональна осевой скорости (ит). Из экспериментальных данных следует, что максимальные значения среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости составляют 0.2ит. 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.

3. Оценка дебита горящих газовых фонтанов

При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита (D) горящего фонтана, так как расход газа является одним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально-технических средств, необходимых для ликвидации аварии. Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаен оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способов определения расхода струи не существует. Расход мощных газовых фонтанов может быть достаточно точно определен по высоте факела (H).

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 (T) на выходе из отверстия.

Известна эмпирическая формула расчёта дебита фонтана по высоте факела при горении природного газа:

D=0.0025Hф2, млн. м3/сутки. (4)

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 м3/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 (4) высоты пламени факела от расхода газа, расчётные данные при использовании которой приведены в табл. 2.

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

Режим горения	Расход газа, м7с	Высота пламени, м
турбулентный	5	16
	10	22
	20	28
	30	35
ламинарный	1.810 6	25-10 2

3.1 Методы тушения пожаров 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.

Принципиально новый вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности разработан в Институте гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы. 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.

3.2 Расчёт расхода воды, требуемого для прекращения горения газового фонтана

Процесс прекращения горения газовых фонтанов водой включает несколько видов воздействия этого огнетушащего вещества. Главным из них можно считать охлаждение зоны горения. Кроме того, при использование воды происходит разбавление зоны горения её парами, экранирование газа от факела пламени и механическое воздействие струи воды с целью его отрыва.

Согласно тепловой теории потухания прекращение горения наступает в результате понижения температуры пламени до некоторой критической величины, называемой температурой потухания Тпот. Это достигается путем увеличения интенсивности теплоотвода из зоны горения и (или) уменьшением интенсивности тепловыделения за счет снижения скорости реакции горения.

В результате введения воды в зону горения часть тепла химической реакции начинает затрачиваться на нагрев, испарение воды и нагрев образующегося пара. Учитывая высокие теплоёмкости воды и водяного пара, а также теплоту парообразования, всё это приводит к снижению температуры зоны горения. В то же время появление водяного пара уменьшает концентрацию молекул горючего и окислителя в зоне горения, т.е. приводит к её разбавлению и снижению скорости реакции горения, а значит и тепловыделения.

В результате снижается нормальная скорость распространения пламени в газовой струе. Это приводит к нарушению устойчивости факела, что в ряде случаев сопровождается срывом пламени.

Теплоотвод от факела пламени горящего фонтана газа в основном происходит за счёт лучистой составляющей. В связи с этим температура пламени определяется из разности интенсивностей выделения тепла в зоне горения qп и его отвода излучением qлуч:

, (5)

Величину qлуч можно выразить через qп, обозначив её долю в тепловом балансе факела пламени как :

(6)

Или

(7)

Интенсивность теплоотвода из зоны горения, обеспечивающего охлаждение зоны горения до температуры потухания Тпот., также выразим в виде доли от , обозначив её .

Согласно тепловой теории, адиабатическая температура потухания кинетического пламени может быть легко найдена, если известна адиабатическая температура пламени. Для углеводородных горючих Тпот, как правило, составляет около 1000 градусов С.

Однако горение реальных газовых фонтанов является диффузионным, т.е. характеристики процесса определяются главным образом скоростью взаимной диффузии горючего и окислителя, а не скоростью химических реакций между ними. Значения энергии активации реакции горения в таких условиях фактически не играют роли. В таком случае за температуру потухания можно принять температуру горения смеси, в которой содержание горючего равно нижнему концентрационному пределу воспламенения .

Допустим, что максимальная температура факела пламени равна температуре горения смеси стехиометрического состава . Тогда количество тепла, которое необходимо отвести от пламени, будет пропорционально разности . Отношение фактически составит величину .

Таким образом, требуемая для потухания пламени интенсивность теплоотвода с учётом выражения (7) будет равна:

. (8)

Интенсивность тепловыделения рассчитывается по формуле:

, (9)

Коэффициент зависит от состава горючего газа. В общем случае для многокомпонентного газа его значение можно оценить из выражения:

, (10)

Действительную температуру горения находят по формуле:

, (11)

При концентрации горючего, равной НКПР, температура горения

будет равна:

, (12)

Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе воспламенения составит:

, (13)

С использованием формул (11- 13) находится коэффициент как отношение . Коэффициент полноты сгорания для газов можно принять равным 0,9. Низшую теплоту сгорания находят по таблицам или рассчитывают по формулам.

Количество тепла, которое способна отнять вода из зоны горения при её испарении и нагреве водяного пара до температуры потухания пламени, рассчитывается по формуле:

, (14)

После подстановки в (14) массы воды и водяного пара средних удельных теплоёмкостей воды и водяного пара , удельной теплоты парообразования воды , получим:

, (15)

В зависимости от температуры пламенного горения, удельная величина теплоотъёма может составить от 4400 до 5000 кДж на кг поданной в зону горения воды, при условии её полного испарения и нагрева водяного пара до .

При расходе воды (л/с) интенсивность отвода тепла в (кДж/с) от факела пламени при указанных условиях будет равна:

. (16)

Согласно тепловой теории, горение прекратиться, если фактическая интенсивность теплоотвода будет больше требуемой для прекращения этого процесса величины:

, (17)

С учётом выражений (8,9,16,17), необходимый для прекращения горения расход воды рассчитывается по формуле:

. (18)

В действительности расход воды, обеспечивающий тушение газовых факелов, может быть как выше, так и ниже значения , найденного таким способом. Это зависит от скорости истечения газовой струи. Чем ниже скорость истечения, тем меньше турбулентность потока газа и, соответственно, меньше степень дробления воды. В результате этого крупные капли выпадают из зоны горения, не все капли успевают испариться и не весь образовавшийся пар успевает нагреться до , т.е. фактическое значение будет меньше расчётного. Соответственно фактический расход воды может быть больше расчётного. С увеличением скорости истечения газа степень дробления воды возрастает. Соответственно увеличивается и её полезное использование. Кроме того, с увеличением скорости истечения газа всё больше возрастает вклад аэродинамического фактора, способствующего нарушению устойчивости факела. Поэтому при большом дебите газового фонтана фактический расход воды, приводящий к прекращению горения, может быть меньше теоретического.

3.3 Расчет основных параметров горения газового фонтана

Дебит газового фонтана (D, млн. м3/сутки) рассчитывается по высоте факела пламени по формуле (4):

D = 0,0025 • Н2ф = 0,0025 • 282 = 1,96 млн•м3/сутки (19)

Секундный расход газа составит V= 1,96/ (24•60•60)= 22,7 м3/с

Режим истечения газовой струи определяется сравнением эффективности скорости истечения (VЭ) со скоростью звука (VО)

(20)

где V - секундный расход газа, м3/с,

d - диаметр устья скважины, м.

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.

CH4+2(O2+3,76N2) CO2+2H2O+23,76N2

C3H8+5(O2+3,76N2) 3CO2+4H2O+53,76N2

C4H10+6,5(O2+3,76N2) 4CO2+5H2O+6,53,76N2

H2S+1,5(O2+3,76N2) SO2+H2O+1,53,76N2

Поскольку в 1 мисходной газовой смеси содержится 97 об. % метана, 1,0 об. % пропана, 0,5 об. % бутана, 0,8 об. % сероводорода, то общая теплота сгорания 1 м составит:

Qcоб=32813,5Ч0,97+83595,9Ч0,01+108668,3Ч0,005+20086,3Ч0,008=33369,09

Определим объём и число молей продуктов горения

Суммарный оббьем продуктов горения составит:

Адиабатическая температура горения находится по следующей формуле

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, Cn, Hm и др.) и потерь тепла излучением факела пламени.

 (26)

Коэффициент теплопотерь излучением от пламени газового фонтана могут быть определены в соответствии со следующей формулой:

(27)

Молекулярную массу фонтанирующего газа (Мг), состоящего из нескольких компонентов, можно определить по формуле:

(28)

Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан, пропан, бутан, сероводород, будет равна:

Коэффициент теплопотерь за счёт излучения пламени фонтана составит:

Тогда для общих теплопотерь будет равен:

.

Действительная температура горения газового фонтана будет равна:

 (29)

Интенсивность лучистого потока от факела пламени, приходящегося на еденицу площади поверхности окружающих тел, называют плотностью лучистого потока или облучённостью (Е). Её обычно выражают в кВт/м2.

Величина облучённости определяет границы локальных зон теплового воздействия факела пламени, в пределах которого предъявляются определённые требования к экипировке личного состава, выполняющего боевые действия по тушению пожара, и времени пребывания в данных зонах.

Расстояние от устья скважины, в пределах которого облучённость не превышает 1,6 кВт/м2, является безопасным для нахождения в течении неопределённо долгого времени.

При граничном уровне облучённости 4,2 кВт/м2 допустимо нахождение не более 15 минут бойцов без специального теплозащитного снаряжения при условии защиты открытых кожных покровов (перчатки, защитные щитки). Специальное теплозащитное снаряжение и защита с использованием распылённых водяных струй позволяет вести работу в течение 5 минут при облучённости 14 кВт/м2.

Величину облучённости от факела пламени горящего фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины можно рассчитать по формулам:

(30)

Очевидно, что

 (31)

Тогда из (30) следует, что

(32)

В качестве примера приведём расчёт облучённости (Е) на расстоянии L=20 м:

L, м	Е, кВт/м2
20	19,23
40	6,38
60	3,02
80	1,74
100	1,12
120	0,79
150	0,5
200	0,29



График зависимости изменения облучённости, создаваемой факелом пламени газового фонтана, от расстояния до устья скважины

Построенный график можно использовать для определения границ локальных зон теплового воздействия факела горящего фонтана, на которых уровень облучённости составляет 1,6; 4,2 и 14 кВт/м2, путём нахождения расстояния от точки, имеющей соответствующую облучённость, до устья скважины. Также границы зон можно определить из формулы (32), подставив в нее известные значения Е и положив неизвестной величиной расстояние L.

Таким образом, расстояние до соответствующих локальных зон теплового воздействия составляют соответственно 83; 50 и 25 м от устья скважины.

3.4 Определение теоретического расхода воды на тушение газового фонтана

Коэффициент зТ рассчитывается из соотношения:

(33)

Для определения этого коэффициента необходимо рассчитать действительную температуру горения стехиометрической смеси горючих газов с воздухом (при б=1) и температуру горения при концентрации горючей смеси, равной нижнему концентрационному пределу .

Согласно формуле (11):

По формуле (12) находим :

Предварительно находим избыточный объём воздуха:

Для этого рассчитываем теоретический обьем воздуха, необходимый для сгорания газовоздушной смеси заданного состава:

(34)



Коэффициент избытка воздуха определяют из соотношения (13).

Нижний концентрационный предел для многокомпонентной газовой смеси рассчитывается по формуле Ле-Шателье:

(35)

Отсюда:

Тогда:

Или:

Среднее значение теплоёмкости воздуха в интервале температур 298-2000 К составляет 32,3 Дж/(моль К). Отсюда:

Определим коэффициент зТ:

Расход воды требуемый для прекращения горения газового фонтана:

Низшая теплота сгорания газовой смеси выражена в кДж/м3, поэтому количество тепла, которое вода отнимает из зоны горения, также выразим в кДж/м3

При 298 К один килограмм воды занимает объём, приблизительно равный 1 л или 10-3 м3

Тогда: или 4570000 кДж/м3

Подставив все известные значения в формулу (19), получим:

Или 500 л/с

Выводы

1. Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, за пределами которой личный состав при выполнении боевых действий может находится неопределённо долгое время (Е=1,6 кВт/м2), расположена на расстоянии 83 м от устья скважины.

2. 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 (Е=4,2 кВт/м2), находится на расстоянии 50 м от устья скважины.

3. 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 (Е=14 кВт/м2) находится на расстоянии 25 м от устья скважины.

4. Требуемый секундный расход обеспечивающий прекращение горения газового фонтана с дебитом 1,96 млн м3 /сут составляет 500 л/с

Список используемой литературы

1. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1980. 255с.

2. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров М.: Стройиздат, 1990. 424 с.

3. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 113с.

4. Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов- М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 83с.

5. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Ра-вделя и А.М. Пономаревой Л.: Химия, 1983. 332 с.

6. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах / Тр. школы семинара "Физика нефтяного пласта" 2002. С. 7-14.

Размещено на Allbest.ru