Расчет основных параметров горения и тушения газового фонтана

Карауш Николай Васильевич студент 3 курс, ПБ-3.1.19 учебная группа

Тема: Расчет основных параметров горения и тушения газового фонтана

Подпись обучающегося ____________

Оглавление

горение пламя газовый фонтан

Введение

Исходные данные

1. Теоретические основы

1.1 Структура диффузного пламени

1.2 Методы оценки дебита горящих газовых фонтанов

1.3 Основные параметры пожаров на газовых и нефтяных фонтанах

2. Расчет параметров горения и тушения газовых фонтанов

2.1 Расчет для прекращения пламенного горения газового фонтана

2.2 Уравнения реакции горения

Заключение

Приложения

Список использованной литературы

Введение

В нефтегазовой промышленности, есть огромная вероятность возникновения аварий в виде нефтяных и газовых фонтанов. Они могут становиться размерами стихийных бедствий, что очень осложняет работу предприятий. Для ликвидации подобных фонтанов требуется привлечение большого количества техники специальной техники и людей, а также затрата материальных ресурсов. Нередко это приводит к опустошению недр и наносит колоссальный ущерб окружающей среде. Именно поэтому данная тема курсовой работы является актуальной.

Целью выполнения работы является формирование навыков использования теоретических знаний по дисциплине «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» при проведении расчетов основных параметров горения и тушения газовых и нефтяных фонтанов.

В данной работе необходимо произвести расчеты, необходимые для ликвидации нефтяных и газовых фонтанов. Разобрать пример и рассчитать количество материала необходимого для тушения.

Исходные данные

Необходимо определить границы зоны теплового воздействия факела пламени компактного вертикального газового фонтана в безветренную погоду, на которых личный состав может вести работу без дополнительных средств защиты от теплового излучения.

При расчетах принимать, что безопасным является тепловое излучение с интенсивностью в 5,6 * 10⁶ Дж/м, также необходимо дать обоснованное заключение о необходимости применения специального теплозащитного снаряжения при тушении данного газового фонтана, на расстоянии 10, 20, 40, 60 и 80 м от места нахождения пожарных до устья скважины, и определить теоретический секундный расход воды для прекращения пламенного горения газового фонтана.

1. Теоретические основы

1.1 Структура диффузного пламени

При разрушении трубопроводов, на аварийной фонтанирующей скважине газового или газоконденсатного месторождения, на газоперерабатывающих заводах наблюдается диффузионное горение газа.

Скорость диффузионного горения определяется скоростью образования смеси горючего с окислителем за счет диффузии.

При горении горючего газа, вытекающего в атмосферу, кислород воздуха диффундирует через слои продуктов горения, поступает к зоне горения, где вступает в химическую реакцию окисления с горючим.

В настоящих условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков метров в секунду, то характер изменения поля скоростей и концентраций газа вдоль струи и в поперечных сечениях (отстоящих на различных расстояниях от места истечения) будут определяться основными закономерностями турбулентной газовой струи.

Из рисунка 1 видно, что существуют три области равных концентраций, соответствующие нижнему концентрационному пределу распространения пламени, стехиометрическому составу смеси и верхнему концентрационному пределу распространения пламени. Ниже нижнего и выше верхнего концентрационных пределов распространения пламени горение невозможно, так как ниже нижнего концентрационного предела распространения пламени имеется избыток воздуха, а выше верхнего - избыток горючего газа.

Вследствие диффузии окислителя из окружающей среды концентрация горючего на некотором расстоянии от среза горелки снизится со 100 % до верхнего концентрационного предела распространения пламени () и с этого момента станет возможным протеканием химической реакции (Рис. 1). Из-за большого избытка горючего в этой области образуются в основном продукты неполного окисления (СО, СН₄, углерод и т. п.). Образование в этой области углерода обусловливает ярко-желтое свечение диффузионного пламени. По мере расходования горючего и повышения концентрации окислителя на некотором расстоянии от края горелки концентрация горючего снизится до нижнего концентрационного предела распространения пламени () и химическая реакция завершится. В интервале от верхнего до нижнего КПР () кощентрация горючего в зоне реакции проходит через стехиометрический состав (), при котором скорость химической реакции окисления максимальная (Рис. 1.1).

Рис. 1.1 Схема горения газовой струи

Распространение племени и воспламенение новых порций газа при турбулентном диффузионном горении осуществляется теплопроводностью и диффузией горячих продуктов горения. Положение поверхности горения и скорость горения определяются интенсивностью турбулентной диффузии.

Температура газа в ядре постоянных скоростей близка к температуре истечения газа. Воспламенение турбулентной струи газа осуществляется по периферии, где скорость распространения пламени имеет наибольшее значение.

Максимальная температура пламени находится в области стехиометрического соотношения газа и кислорода воздуха по периферии факела.

Для большинства углеводородных газов температура пламени составляет 1350-1800 ?, по мере удаления от среза трубы область стехиометрии перемещается к оси трубы, достигая с на некотором расстоянии от устья.

Расстояние между точкой возникновения пламенного горения и точкой па оси трубы, в которой достигается максимальная температура горения, называется Длиной зоны воспламенения (Н_ЗВ), Длина зоны воспламенения турбулентного диффузионного факела зависит от физико-химических свойств газа, от содержания атомов углерода в молекуле горючего. Длина зоны воспламенения тем больше, чем выше молекулярная масса горючего, так как для сгорания единицы массы газа должно поступить большее количество воздуха из окружающей атмосферы. И, наоборот, чем меньше молекулярная масса горючего, тем меньше длина зоны воспламенения [1].

Ниже зоны воспламенения до устья скважины горение отсутствует. Это связано с превышением скорости истечения газа над скоростью распространения пламени. Протяженность этого участка газовой струи называется длиной зоны отрыва (Н_ОТР). В практике тушения пожаров газовых фонтанов нередко используется механическое воздействие на эту зону в целях факела.

Выше зоны воспламенения выделяют зону догорания (Н_ЗД), протяженность которой зависит от физико-химической природы газа. Чем выше его молярная масса и, следовательно, выше потребность в кислороде при горении, тем больше длина этой зоны. Фронт пламени в зоне догорания имеет размытый неустойчивый характер.

Визуально наблюдаемая «фотографическая» протяженность области пламенного горения (Н_ЗВ + Н_ЗД) называется длиной (высотой) факела горящего фонтана (НФ). С точностью ± 5 % для расчета длины факела газового фонтана можно использовать эмпирическую формулу (1.1):

(1.1)

Где, - дебит газа, млн. м³ /сут.

Высоту факела диффузионного пламени можно определить по формуле (1.2):

(1.2)

Где,

- высота пламени, м;

- скорость истечения газа, м/с;

- радиус струи горючего газа (горелки), м;

D - коэффициент диффузии окислителя в продуктах реакции, м²/с.

Диаметр устья скважины в определенных пределах практически не влияет на высоту факела горящего фонтана. Так, при дебите 2,2 млн. м³ в сутки высота факела для устьев диаметром 150 и 250 мм составляет около 33 м. У газонефтяных фонтанов высота факела несколько больше, чем у газовых, тогда как у нефтяных она фактически не превышает 20 - 30 м.

Цвет пламени с увеличением содержания в фонтане нефти изменяется от светло-желтого для газового фонтана до темно-оранжевого. При этом возрастает интенсивность образования клубов черного дыма.

С увеличением дебита скважины происходит некоторое повышение максимальной температуры пламени (на 60 - 70?) за счет роста турбулентности струи [1].

1.2 Методы оценки дебита горящих газовых фонтанов

При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита (ЛК) горящего фонтана, так как расход газа является одним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально-технических средств, необходимых для ликвидации аварии.

Существует несколько методов, позволяющих ориентировочно определить дебит фонтанирующей скважины:

- По геолого-техническим характеристикам;

- По величине прямого скачка уплотнения (фотометрический метод);

- По уровню шума (акустический метод);

- По газодинамическим характеристикам (в зависимости от давления на устье скважины, площади выходного сечения, плотности и температуры фонтанирующего вещества);

- По геометрическим размерам пламени.

Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаев оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способов определения расхода струи не существует. Расход мощных газовых фонтанов может быть достаточно точно определен по высоте факела ().

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.

При горении природного газа, представляющего смесь газов, установлена экспериментальная зависимость между высотой факела пламени и дебитом газовой скважины (1.3).

, м (1.3)

Где,

- расход газа, млн. м³/сутки.

Эта формула может быть использована для определения дебита фонтана по высоте пламени (1.4):

, млн. м³/сутки (1.4)

Где,

- высота факела газового фонтана, м

Таким образом, высота пламени у газонефтяных фонтанов несколько больше, чем у газовых.

1.3 Основные параметры пожаров на газовых и нефтяных фонтанах

Факел фонтана служит источником теплового излучения, что является одним из серьезных препятствий при борьбе с пожаром фонтана.

Интенсивность теплового излучения компактного вертикального факела газового фонтана в безветренную погоду может быть рассчитана по формуле (1.5):

Дж/м²ч (1.5)

Где,

- коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство и определяемый по формуле (1.6):

(1.6)

Где,

М - молекулярная масса углеводорода, кг/кмолы,

- количество тепла, выделяемого факелом пламени, Дж/ч;

R - расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли, м.

Теплота пожара определяется по формуле (1.7):

, Дж/ч. (1.7)

Где,

- низшая теплота сгорания газа, Дж/м³;

- коэффициент неполноты сгорания;

- дебит газового фонтана, м³/ч.

При интенсивности излучения (3~4) ·10⁷ Дж/(м²/ч) время реакции человека (~5 с) оказывается больше, чем время достижения болевых ощущений, что может привести к сильным ожогам людей, находящихся вблизи устья потушенного фонтана при неожиданной его вспышке. При расчетах принимают, что тепловое излучение с интенсивностью в 5,6 · 10⁶ Дж/(м²/ч) является безопасным и личный состав может выдерживать такие тепловые нагрузки без специальной защиты в течение неограниченного времени [3].

Зная величину интенсивности теплового излучения, которую выдерживает личный состав , можно рассчитать предельное расстояние (Рисунок 2) от центра факела пламени по формуле (1.8):

, м (1.8)

Рис. 1.2 Принципиальная схема расчета безопасного расстояния от горящего факела газового фонтана

Безопасное расстояние (рис, 2), на котором может работать личный состав, можно найти по формуле (1.9):

, м (1.9)

Температура пламени газового фонтана зависит от дебита скважины и несколько повышается с расходом газа, что объясняется изменением степени турбулентности газовой струи и скорости сгорания (таблице 1).

Таблица 1

Максимальная температура пламени газового фонтана в зависимости от расхода газа, К

При наличии механических препятствий, металлической арматуры на пути газовой струи происходит ее разбиение и распыление. В результате увеличивается поперечный диаметр факела при значительном уменьшении его высоты. Такой фонтан за счет высокой интенсивности перемешивания газа с воздухом отличается более устойчивым горением, повышенным тепловыделением и значительно труднее поддается тушению. [2]

При уровне облучённости до 4,2 кВт/м допустимо нахождение сотрудников без специального теплозащитного снаряжения не более 15 мин при условии защиты открытых кожных покровов (перчатки, защитные щитки).

При облучённости до 14 кВт/м можно вести работу в специальном теплозащитном снаряжении и защите с использованием распылённых водяных струй. Плотность теплового потока может быть существенно понижена путем подачи водяных струй в струю фонтана, создания экранирующих водяных завес, использования экранирующих щитов для групповой и индивидуальной защиты. При удельном расходе воды 10 - 15 л/с на млн. м сут. газа плотность теплового потока снижается в 2 раза и в З раза - при подаче 30 л/с на млн. м /сут. газа.

2. Расчет параметров горения и тушения газовых фонтанов

2.1 Расчет для прекращения пламенного горения газового фонтана

Нам даны следующие исходное данные:

Необходимо найти и

Для начала изобразим схему фонтана, расположенного вертикально, и отметим на схеме геометрические размеры факела (рисунок 2.1)

Рис. 1.2 Принципиальная схема расчета безопасного расстояния от горящего факела газового фонтана

Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство, для каждого компонента смеси коэффициент излучения факела пламени рассчитывается по формуле (1.6)

(1.6)

Где,

М - молекулярная масса углеводорода, кг/кмолы,

- количество тепла, выделяемого факелом пламени, Дж/ч;

R - расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли, м.

Для метана М(CH₄) =16 г/моль,

Для бутана М(С₄H₁₀) =58 г/моль,

Для этана М(С₂Н₆) =30 г/моль,

Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени для заданной газовой смеси по формуле (2.1):

2.2 Уравнения реакции горения

Рассчитаем теплоту сгорания метана, этана и сероводорода, опираясь на первое следствие из закона Гесса.

Уравнение реакции горения метана в воздухе:

1CH₄ +2(O₂ + 3,76 N₂)1CO₂ + 2H₂O + 2·3,76N₂

По уравнению реакции находим, что при сгорании моль метана выделяется 1 моль углекислого газа и 2 моль воды

= 1; = 1; = 2;

Определяем по таблице 1 приложения 3 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю.

(CH₄) = -74,85 кДж/моль;

(CO₂) = -393,65 кДж/моль;

(H₂O) = -241,91 кДж/моль.

Следует иметь в виду, что существует две шкалы тепловых эффектов. В термодинамической шкале экзотермическому процессу соответствует знак минус, эндотермическому -- знак плюс. [1] В термохимической шкале знаки изменяются на противоположные. В справочной литературе используется в основном термодинамическая шкала. Значения стандартных энтальпий образования веществ нужно подставлять в уравнение с обратным знаком.

(CH₄) = · (CO₂) + · (H₂O) - ·(CH₄) =1·393,65+2·247,91-1·74,85=801,62 (кДж/моль)

Переведем полученное значение в Дж/м³

(CH₄) = =32719183,7 (Дж/м³)3,3·10⁷ (Дж/м³)

Составляем уравнение реакции горения бутана в воздухе:

1 С₄Н₁₀ + 9,5(O₂ +3,76 N₂) 1CO₂ + 2H₂O + 9,5·3,76N₂

По уравнению реакции находим, что при сгорании моль бутана выделяется 1 моль углекислого газа и 2 моль воды

= 1; = 1; = 2;

Определяем по таблице 1 приложения 3 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю.

() = -126,15 кДж/моль;

(СО₂) = -393,65 кДж/моль;

(H₂O) = -241,91 кДж/моль.

() = · (СО₂) + · (H₂O) - ·() =1·393,65+2·241,91-1·126,15=751,32 (кДж/моль)

Переведем полученное значение в Дж/м³

() = = 30666122,4 (Дж/м³)3,0·10⁷ (Дж/м³)

Составляем уравнение реакции горения этана в воздухе:

1 С₂Н₆ + 3,5(O₂ +3,76 N₂) 2CO₂ + 3H₂O + 3,5·3,76N₂

По уравнению реакции находим, что при сгорании моль этана выделяется 2 моль углекислого газа и 3 моль воды

= 1; = 2; = 3;

Определяем по таблице 1 приложения 3 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю.

(С₂Н₆) = -84,67 кДж/моль;

(СО₂) = -393,65 кДж/моль;

(H₂O) = -241,91 кДж/моль.

(С₂Н₆) = · (СО₂) + · (H₂O) - ·() =2·393,65+3·247,91-1·84,67=840,36 (кДж/моль)

Переведем полученное значение в Дж/м³

(С₂Н₆) = = 34300408,1 (Дж/м³)3,4·10⁷ (Дж/м³)

Далее рассчитаем объемную низшую теплоту сгорания смеси заданных газов

(Дж/м³)

Следующим действием будем рассчитывать дебит фонтана по формуле (1.4)

, млн. м³/сутки

Переводим полученное значение в м³/ ч:

м³/ ч

Теперь рассчитываем теплоту пожара по формуле (1.7)

Дж/ч.

Рассчитываем безопасное расстояние от устья фонтана, на котором личный состав может вести работу без дополнительных средств защиты от теплового излучения по формуле (1.9)

м

По условию задачи потери тепла излучения составляют 14%, следовательно, коэффициент потерь тепла излучением з= 0,14

Переведем значение дебита фонтана:

м³/ с

Проведем расчет величины облученности от факела горящего фонтана на расстоянии 10 м:

кВт/м²

Проведем расчет величины облученности от факела горящего фонтана на расстоянии 20 м:

кВт/м²

Проведем расчет величины облученности от факела горящего фонтана на расстоянии 40 м:

кВт/м²

Проведем расчет величины облученности от факела горящего фонтана на расстоянии 60 м:

кВт/м²

Проведем расчет величины облученности от факела горящего фонтана на расстоянии 80 м:

кВт/м²

Постоим график зависимости = ѓ(L):

Из графика делаем выводы:

1) расстояние, на котором личный состав может работать длительное время в боевой одежде и в касках с защитными щитками без специального теплозащитного снаряжения равно 66 м от устья скважины, что не соответствует графику;

2) расстояние, на котором личный состав может вести боевую работу в течение не более 5 минут в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй не должно превышать 14 кВт/м², таким образом, расстояние от устья скважины для работы должно быть более 40 м.

Определяем теоретический секундный расход воды для прекращения пламенного горения газового фонтана по формуле (2.1):

(л/с) (2.1)

Таким образом, безопасное расстояние размещения личного состава на пожаре газового фонтана составляет 42,4 м; расстояние, на котором личный состав может работать длительное время в боевой одежде и в касках с защитными щитками без специального теплозащитного снаряжения равно 40 м от устья скважины, расстояние, на котором личный состав может вести боевую работу в течение не более 5 минут в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй составляет 20 м от устья скважины; теоретический секундный расход воды для прекращения пламенного горения газового фонтана составляет 65,45 л/с.

Заключение

Таким образом, исходя из проделанной работы мы определили границы зоны теплового воздействия факела пламени компактного вертикального газового фонтана в безветренную погоду, на которых личный состав может вести работу без дополнительных средств защиты от теплового излучения, дали обоснованное заключение о необходимости применения специального теплозащитного снаряжения при тушении данного газового фонтана, на расстоянии от места нахождения пожарных до устья скважины и определили теоретический секундный расход воды для прекращения пламенного горения газового фонтана.

Безопасное расстояние размещения личного состава на пожаре газового фонтана составляет 66,4 м; расстояние, на котором личный состав может работать длительное время в боевой одежде и в касках с защитными щитками без специального теплозащитного снаряжения равно 40 м от устья скважины, расстояние, на котором личный состав может вести боевую работу в течение не более 5 минут в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй составляет 20 м от устья скважины; теоретический секундный расход воды для прекращения пламенного горения газового фонтана составляет 70,56 л/с.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Список используемой литературы

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

2. Батов Д.В., Молчалова Т.А., «Учебно-методическое пособие по дисциплине «Физико-химические основы РиТП», г. Иваново, 2017г.

3. Баратов А.Н. Горение - пожар - взрыв - безопасность. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. 363 с.

4. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов, и средства их тушения. / А.Я. Корольченко, Д.А. Корольченко. Справочник: в 2-х ч. М.: Асс. «Пожнаука», 2004. Ч.I. 713 с., Ч.II. 774 с.

5. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. С.Пб.: Изд-во «Иван Федоров», 2002. 240 с.

6. Марков В.Ф., Маскаев Л.Н., Миронов М.П., Пазникова С.Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учебное пособие для курсантов, студентов слушателей образовательных учреждений МЧС России /Под ред.В.Ф. Маркова. Екатеринбург: УрО РАН. 2009. 274 с.

7. Положение о единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, утвержденному постановлением Правительства Российской Федерации от 23 октября 2021 г. № 1817.

Размещено на Allbest.ru