Факторы теплоты газового фонтана

Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана

Анализ состава газового фонтана, основные причины горения газов. Пожары на открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах как наиболее сложный вид промышленных аварий. Понятие дефлаграционного горения. Рассмотрение методов тушения газовых фонтанов.

Рубрика	Химия
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	07.05.2012
Размер файла	412,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Состав газового фонтана

Диаметр устьевого оборудования

Высота факела пламени

Другие известные параметры

пожар газовый фонтан авария

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;

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.

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 — 10 1 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:

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

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:

При увеличении концентрации горючего в смеси, когда а становится 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 4 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 = 0.0025H 2 ,млн.м 3 /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. м 3 /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

Источник

Динамика развития пожаров на газовых, газонефтяных и нефтяных фонтанах

Пожары фонтанов условно разделяют на три группы: газовые, газонефтяные и нефтяные. Газовыми считаются фонтаны с содержанием горючего газа не менее 95% по массе, газонефтяными — газа более 50% и нефти менее 50% по массе, а нефтяными — фонтаны с дебитом нефти более 50% по массе. Кроме того, газовые и газонефтяные фонтаны условно подразделяются по мощности (дебиту) на слабые — с дебитом газа до 2млн.м 3 /сутки, средние — от 2 до 5 млн.м 3 /сутки и мощные — свыше 5 млн.м 3 /сутки.

При авариях на скважинах истечение газа из фонтанной арматуры происходит при высоких перепадах давления, значительно превышающих критические, т.е. на срезе трубы устанавливается скорость истечения, равная скорости звука. Для метана скорость звука равна приблизительно 400 м/с.

Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха.

Горение газовых фонтанов устойчивое, которое может длиться неделями и даже месяцами и не зависит от метеорологических условий- ветра, дождя и т.п. Для ликвидации такого пожара необходимо огромное количество сил и средств.

Поскольку в реальных условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков и даже сотен метров в секунду (при Rе (число Рейнольдса) > 2300), 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 [4,10,35].

Рассматривая факелы газонефтяных фонтанов, можно пользоваться (с некоторыми поправками) основными закономерностями турбулентных газовых струй, так как при соотношении массы жидкой фазы (нефти) к массе газа около единицы отношение объемов газа и нефти будет около тысячи. По мере удаления от среза трубы (за счет массообмена струи с окружающим воздухом) это соотношение будет увеличиваться в десятки раз. Скорость движения капелек нефти в струе будет приблизительно равна скорости движения газовой фазы. Поэтому такую двухфазную струю можно рассматривать как свободную затопленную турбулентную струю.

Одним из важных параметров газового факела является его длина (высота). Под высотой факела горения понимается наблюдаемая визуально или «фотографическая» длина факела, а не «химическая».

Проведенными исследованиями установлена экспериментальная зависимость между высотой факела пламени и дебитом газовой скважины. Для практических расчетов с точностью + 5% может быть использована формула:

(3. 1.)

где — дебит фонтана млн. м 3 /сутки

Зная дебит фонтана, можно предположить, что высота факела фонтана составит:

.

Исследованиями установлено, что с увеличением расхода газа высота факела пламени растет медленно, причем на нее не оказывает существенного влияния диаметр насадка. Так, при расходе газа 2,2 млн.м³/сутки высота факела для устья фонтана диаметром 150 и 250 мм, составляет 33 м.

Высота пламени у газонефтяных фонтанов несколько больше, чем у газовых. Нефтяные фонтаны с большим дебитом нефти и незначительным содержанием газа имеют небольшую высоту факела пламени, примерно 20-З0 м. Пламя газового фонтана имеет светло-желтую окраску. При пожарах газонефтяных фонтанов вся нефть, как правило, сгорает в факеле пожара, пламя имеет оранжевый цвет, иногда горение сопровождается клубами черного дыма. При пожарах нефтяных фонтанов только незначительная часть нефти успевает испариться и сгореть в воздухе, а большая ее часть выпадает на землю, разливается вокруг устья скважины и продолжает гореть. Нефтяной фонтан горит темным оранжевым пламенем с большим выделением черного дыма.

Одним из факторов, препятствующих ликвидации пожаров газовых фонтанов, является высокая интенсивность теплового излучения факела пламени. Поэтому при тушении газового фонтана большие расходы воды необходимо предусматривать на орошение поверхности земли вокруг скважины в радиусе 10-15 м для снижения температуры в этой зоне, а также на защиту от теплового излучения личного состава и техники, принимающих участие в ликвидации пожара.

Интенсивность излучения компактного вертикального факела газового фонтана в безветренную погоду может быть рассчитана по формуле

(3. 3.)

где f— коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство; — количество тепла, выделяемого факелом пламени; R— расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли.

Значение f принимается: для метана — 0,2, пропана — 0,33, других углеводородов — 0,4.

Теплота пожара определяется по формуле:

(3. 4)

Где — низшая теплота сгорания газа, Дж/м 3 ; — расход (дебит) газового фонтана, м 3 /ч; β- коэффициент неполноты сгорания.

Зная величину интенсивности теплового излучения, которую выдерживает личный состав , можно рассчитать предельное расстояние (рис. 3.1.) от центра факела пламени по формуле:

(3. 5)

На рис. 3.2. показана зависимость интенсивности теплового излучения от времени теплового воздействия при максимальных болевых ощущениях. Из графика видно, что с увеличением тепловых нагрузок время резко сокращается. При интенсивности излучения (3-4)· 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 фонтана при неожиданной его вспышке. При расчетах принимают, что тепловое излучение с интенсивностью в 5,6· Дж/(м²·ч) является безопасным и личный состав может выдерживать такие тепловые нагрузки без специальной защиты в течение неограниченного времени.

Безопасное расстояние (рис. 3.1.), на котором могут работать участники тушения пожара, рассчитывается по формуле:

(3. 6.)

Рис. 3. 1. Принципиальная схема расчета безопасного расстояния до горящего факела газового фонтана.

Рис. 3. 2. Зависимость интенсивности теплоизлучения от времени воздействия при максимальных болевых ощущениях

При сильном ветре пламя факела газового фонтана отклоняется от вертикального положения (рис. 3.3.), поэтому проекция зоны теплового воздействия будет иметь форму эллипса. В этом случае безопасное расстояние от устья скважины в противоположном направлении ветра увеличивается и может быть рассчитано по формуле:

(3.7.)

Рис. 3. 3. Принципиальная схема расчета безопасного расстояния для наклонного факела пламени

Для двух горелок различных диаметров при одинаковой скорости смеси в них, считая нормальную скорость константой, тепловые напряжения объема факела обратно пропорциональны радиусу горелки:

(3. 8.)

Это объясняется тем, что горение смеси происходит по поверхности факела. С уменьшением радиуса горелки увеличивается поверхность пламени, приходящаяся на единицу объема факела, что приводит к увеличению теплового напряжения. Такой вид горения наблюдается и на реальных пожарах при горении распыленных газовых фонтанов (рис. 3.4.), например, когда на устье скважины находится буровое оборудование или скважина оборудована фонтанной арматурой (елкой). Фронт пламени имеет развитую поверхность горения, что уменьшает инертный объем факела и увеличивает тепловое напряжение факела горения. При этом факел пламени имеет незначительную длину (высоту) и большой поперечный размер (ширину, диаметр). При встрече струи с фонтанной арматурой за плохо обтекаемыми телами образуется разрежение, вызывающее циркуляцию мощного потока высоконагретых продуктов горения. Факел горения принимает вид полого расходящегося конуса, в котором зажигание осуществляется как изнутри, так и по наружной поверхности. Тушение мощных распыленных фонтанов значительно труднее, чем компактных. Из-за сильно развитой поверхности горения, горение является более устойчивым. На практике распыленный фонтан, как правило, приводят к компактному и только затем приступают к его тушению. Кроме того, встречаются комбинированные фонтаны с компактным факелом сверху (или наклоненном под углом к горизонту) и распыленными у устья (на арматуре), а также групповые (кустовые) фонтаны с одновременным горением двух и более скважин.

Рис. 3. 4. Виды факелов пламени распыленных газовых фонтанов

Источник