Расчет параметров тушения фонтанов

Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана

Определение границ локальных зон теплового воздействия факела газового фонтана. Расчет теплосодержания теоретического объема продуктов горения. Мощность фонтана, теплота горения, интенсивность лучистого теплового потока в зависимости от расстояния.

Рубрика	Безопасность жизнедеятельности и охрана труда
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	16.01.2016
Размер файла	535,8 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

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

Академия Государственной противопожарной службы

Курсовая работа по дисциплине

«Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

Тема: «Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана»

Выполнил: слушатель 4 курса ИЗ и ДО

группы 52126С ст. сержант Гагилев А.В.

Задание на курсовой проект

Состав газового фонтана

Диаметр устьевого оборудования 200мм

Высота факела пламени 18м

Химический недожог зх = 0,15

Другие известные параметры

Особенности тушения пожаров.

Нефтяная и газовая промышленность играет важную роль в ускорении технического прогресса. Большой прирост добычи газа обеспечивается значительным увеличением работ по бурению эксплуатационных и разведочных скважин. Знание технологии бурения и эксплуатации скважин необходимы для правильной организации тушения пожаров на нефтяных и газовых промыслах. Причин аварийного фонтанирования встречается много, которые требуют специального изучения, в целом можно сказать, что характер фонтанирования зависит от состояния устья скважины и ее конструкции, а также от вида проводимых работ на скважине.

Пожары на открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах являются одними из наиболее сложных видов промышленных аварий. Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях, часто находящихся в труднодоступных районах, требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями, а иногда и месяцами. Вред, нанесенный окружающей среде в зоне пожара и прилегающих районах, точно оценить практически невозможно. Некоторое представление о пожаре на фонтанирующей скважине можно получить по следующим данным: дебит мощных газовых фонтанов может достигать 10 — 20 млн. кубометров в сутки, высота горящего факела — 80 — 100 м, а интенсивность тепловыделения в факеле — несколько млн. кВт.

Пожары фонтанов (скважин) характеризуются в основном по следующим признакам:

По составу: нефтяные, где нефти > 50 %; газонефтяные 10-50 % нефти; газовые > 90 % газа.

По внешним признакам можно различать их по виду пламени и выпадению нефти на площадь, окружающую скважину.

По конфигурации пламени: компактная (фонтанирование происходит через открытую обсадную или горизонтальную трубу или эксплуатационную колонну, тройник, крестовину); распыленная (истечение происходит через неплотности или устье загромождено буровым оборудованием); комбинированная (имеется распыленный и компактный факел).

По количеству скважин: одиночные и групповые.

По дебиту: (расходу) фонтанирующие скважины можно разделить на слабые, средние и мощные.

Одним из основных параметров фонтана, определяющих условия и способ тушения пожара, является дебит скважины.

Дебит скважины определяет служба соответствующей организации добычи нефти или газа и выдает данные в штаб организации и борьбы с фонтанами.

Существует несколько способов определения дебита, основными из которых являются: геологическая характеристика скважин, геометрические размеры пламени, газодинамические параметры, фотометрический, акустический, т. е. по уровню шума.

Плотность тепловых потоков зависит от ряда факторов, т. е. дебита, температуры пламени и его площади и др. g = f(Q,,tпл, Sф).

Плотность тепловых потоков можно снизить за счет подачи воды в струю фонтана, создания экрана и применения средств индивидуальной защиты.

Особенности обстановки пожара. Аварийное фонтанирование до воспламенения может продолжаться несколько суток, в результате вблизи фонтана (скважины) образуется зона загазованности и растекания нефти (загазованность на несколько километров, а разлив на сотни метров), а если фонтанирование происходит на море, то значительная площадь поверхности водыпокрывается нефтью.

Через 15-30 мин после воспламенения фонтана металлоконструкции в зоне пламени теряют несущую способность, деформируются и загромождают устья. С течением времени от воздействия пламени, воды, нефти или газа может происходить ослабление крепления устьевого оборудования, повреждение скважины может привести к изменению вида фонтанирования, состава струи или дебита.

Все организационные и технические мероприятия по тушению и ликвидации фонтана осуществляются под руководством штаба, в соответствии с Инструкцией по безопасному ведению работ при ликвидации открытых газовых и нефтяных фонтанов.

Для ликвидации пожара (аварии) приказом по объединению (управлению, министерству) создается штаб, который несет ответственность за состояние и результаты проведения работ.

Ответственным руководителем этих работ (штаба) назначают представителя этого ведомства.

Действия пожарных подразделений проводят с учетом решений штаба, в состав которых входит один из руководителей пожарной охраны УПО, ОПО.

Кроме пожарной службы создаются другие: транспортная, водоснабжения, строительная, медицинская, КПП, связи, подготовки, оборудования, снабжения и питания.

Задачами пожарной службы являются: обеспечение водяной защиты людей, работающих на устье скважины, орошение фонтана и металлоконструкций, организация и тушение пожара.

При организации тушения фонтанов большое значение придается проведению подготовительных работ:

создание расчетных запасов воды; расчистка места пожара от оборудования и металлоконструкций; развертывание средств тушения и подготовка площадок для боевых позиций сил и средств; осуществление мероприятий, связанных с отводом и сбором нефти после тушения, защита ближайших объектов, населенных пунктов и т. д.

Если нет естественных или специальных водоисточников, создают искусственные водоемы, запас воды, которых должен обеспечивать бесперебойную работу подразделений в течение светлого времени суток с пополнением запаса воды. Поэтому для хранения данного запаса воды сооружаются специальные водоемы. Они должны располагаться в безопасных местах, с двух противоположных сторон относительно устья скважины, перпендикулярно направлению господствующего ветра на расстоянии 150-200 м от устья, водоемы должны иметь площадку на 10-15 автомобилей.

Расчет основных параметров горения газового фонтана

Дебит газового фонтана (D, млн. м3/сутки) рассчитывается из высоты пламени:

Секундный расход газа составит

Рассчитаем теплоту сгорания (? = Qн) исходных веществ, опираясь на первое следствие из закона Гесса. Запишем уравнения реакции их окисления

Найдем теплоты сгорания веществ:

Рассчитаем теплоту горения:

Молекулярная масса горючего газа равна:

Коэффициент теплопотерь за счет излучения пламени фонтана составит

Задаваясь произвольно L, определяем qл

Для примера произведем расчет при L= 10 м, остальные значения и расчеты сведем в таблицу 1

Источник

Пример расчета основных параметров горения и тушения газового фонтана

Пример расчета приведен для следующих исходных данных:

— состав газового фонтана СН₄ – 85 об. %, С₂Н₆ – 10 об. %, СО₂ – 2 об. %, О₂ – 3 об. %;

— =0,08.

1. Дебит газового фонтана ( , млн. м 3 /сутки) может быть рассчитан из высоты факела пламени по формуле (4)

= 0,0025× = 0,0025× 45 2 =5,06 млн. м 3 /сутки (20)

Секундный расход газа составит V_г = 5,06 / (24×60×60) = 58,6 м 3 /с.

2. Режим истечения газовой струи может быть определен из сравнения эффективной скорости истечения (V_э)со скоростью звука (V₀)

, (21)

где V_г−секундный расход газа, м 3 /с,

_у −диаметр устья скважины, м.

Скорость звука в метане (V₀)составляет 430 м/с. Расcчитанная скорость истечения газовой струи превышает скорость звука. Режим истечения газа – турбулентный.

3. Для расчета адиабатической (Т_а) и действительной ( ) температуры процесса горения необходимо определить теплоту сгорания, т.е. количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 м 3 фонтанирующего газа с учетом его химического состава.

Теоретическая (адиабатическая) температура процесса горения рассчитывается с учетом полного адиабатического сгорания газообразного вещества (теплопотерями в окружающую среду пренебрегают).

Остановимся на методике расчета Т_а, основываясь на анализе энергетического баланса химической реакции.

Для его упрощения можно воспользоваться значением стандартной энтальпии сгорания при 298.15 K (– ), а вместо истинных теплоемкостей веществ их средними значениями, взятыми в температурном интервале 289–2000 K.

, (22)

где , − теплоемкости исходных веществ и продуктов горения, в том числе свободного кислорода;

− стехиометрические коэффициенты исходных веществ и продуктов горения соответственно;

Т_а − адиабатическая температура процесса горения.

Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании одного моля, единицы массы или объема вещества, называется теплотой сгорания (Q_с, _сН). Стандартная энтальпия сгорания кислорода, жидкой воды, газообразного диоксида углерода (СО₂) и других высших оксидов в стандартных состояниях равна нулю при любой температуре ( ), так они не способны окисляться.

Значения теплот сгорания органических соединений можно найти в справочной литературе или рассчитать, используя первое следствие из закона Гесса, которое гласит: тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Высшей теплотой сгорания Q_с в (∆_сН в ) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества при условии, что вода выделяется в конденсированном состоянии.

Низшей теплотой сгорания Q_с н (∆_сН н ) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества при условии, что вода выделяется в виде пара и происходит испарение влаги, содержащейся в горючем веществе.

В пожарно-технических расчетах обычно используют низшую теплоту сгорания, так как в условиях пожарах вода как продукт реакции находится в парообразном состоянии.

Используя справочную литературу для нахождения теплот (энтальпий) образования веществ и проводя теплотехнические расчеты, необходимо помнить, что тепловой эффект реакции ∆_rН 0 _т и теплота сгорания Q_с. имеют одинаковые численные значения, но разный знак, т.е. Q_с = − .

Рассчитаем теплоту сгорания (− = Q_н) метана и этана, опираясь на первое следствие из закона Гесса. Запишем уравнения реакции их окисления

, кДж/моль −74,85 0 −393,51 −241,81 0

Согласно первому следствию из закона Гесса, теплота сгорания метана будет равна:

Значение низшей теплоты сгорания 1 м 3 метана рассчитаем по формуле:

Q н _{с, об} = − Q н _с×1000/24,45 , (24)

где 24,45 л − объем одного моля газа при Т = 298 K.

Отсюда низшая теплота сгорания 1 м 3 метана будет равна:

Q н _{с, об(СН4)} = 802,29×1000 / 24,45 = 32813,5кДж/м 3 .

Запишем уравнение реакции горения этана

, кДж/моль −84,67 −393,51 −241,81

Низшая теплота сгорания 1 моля этана составит:

Рассчитанная по аналогии с метаном теплота сгорания 1 м 3 этана будет равна 58397,1 кДж/м 3 .

Поскольку в 1 м 3 исходной газовой смеси содержится 85 об. % (0,85) метана и 10 об. % (0,10) этана, то общая теплота сгорания 1 м 3 смеси составит

Q с _н, _об = 32813,5 × 0,85 + 58397,1 × 0,10 = 33731,2 кДж/м 3 .

Определим объем (V) и число молей (ν) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 85 об. % СН₄, 10 об. % С₂Н₆, используя приведенные выше химические уравнения реакций их горения. Учтем также, что смесь в соответствии с заданием содержит дополнительно 2 об. % СО₂, 3 об. % О₂:

.

Суммарный объем продуктов горения составит:

V_пг = 1,07 + 2,00 + 7,71 + 0,03 = 10,81 м 3 /м 3 или 442,13 моль/м 3 .

После интегрирования уравнения (22), получим выражение для расчета адиабатической температуры горения

(26)

Для расчетов воспользуемся следующими средними значениями теплоемкостей для температурного диапазона 298−2000 K:

=53,14; =42,34; =34,73; =32,76 Дж/моль . K.

Подставив приведенные значения теплоемкостей и числа молей продуктов сгорания в формулу (26), получим

Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется с излучением. При расчете 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 счет излучения факела пламени

, (27)

где — общие теплопотери при горении газового фонтана, представляющие собой долю от низшей теплоты сгорания ;

— химический недожог (0,08);

-коэффициент теплопотерь излучением.

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

. (28)

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

, (29)

где −молекулярная масса i-гo горючего компонента газового фонтана;

− доля i-гo горючего компонента.

Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан и этан, будет равна

Коэффициент теплопотерь за счет излучения пламени фонтана составит

,

а коэффициент общих теплопотерь будет равен

.

Действительная температура горения газового фонтана будет равна

(30)

.

4. Интенсивность лучистого потока от факела пламени, приходящаяся на единицу площади поверхности окружающих тел, называют плотностью лучистого потока или облученностью (Е). Ее обычно выражают в кВт/м 2 .

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

Расстояние от устья скважины, в пределах которого облученность не превышает 1,6 кВт/м 2 , является безопасным для нахождения в течении неопределенно долгого времени.

При граничном уровне облученности 4,2 кВт/м 2 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 распыленных водяных струй позволяют вести работу в течение 5 минут при облученности 14 кВт/м 2 .

Величину облученности от факела пламени горящего фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины можно рассчитать по формулам, приведенным в [1] (п. 5.2, стр. 58-59):

, (31)

где −низшая теплота сгорания фонтанирующего газа, кДж/м 3 ;

V_г− секундный расход газа, м 3 /с;

R − длина гипотенузы в треугольнике, катетами которого являются половина высоты факела фонтана и расстояние от устья скважины до места облучения (L), м.

Очевидно, что , (32)

Тогда из (31) следует, что

(33)

Для установления величины облученности окружающего пространства факелом пламени в зависимости от расстояния до скважины в формуле (32) необходимо задаваться значениями L, принимая их равными 20, 40, 60, 80, 100, 120, 150 и 200 м. В формулу (32) подставляются также высота факела пламени Н_ф= 45 м, секундный расход газа V_Г = 58,6 м 3 /с и коэффициент теплопотерь излучением h_л = 0,19.

В качестве примера проведем расчет облученности (Е) на расстоянии L = 20 м:

кВт/м 2 .

Рассчитанные значения облученности сведем в табл. 8.

Величина облученности от факела газового фонтана в зависимости

от расстояния до устья скважины

L,м
Е, кВт/м 2	33,00	14,2	7,3	4,3	2,8	2,0	1,3

Зависимость Е = f(L) в графической форме представлена на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость изменения облученности, 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 облученности составляет 1,6; 4,2 и 14 кВт/м 2 , путем нахождения расстояния от точки, имеющей соответствующую облученность, до устья скважины. Также границы зон можно определить из формулы (33), подставив в нее известные значения Е, считая неизвестной величиной расстояние L.

Например, при тушении пожара газового фонтана в теплоотражательном костюме под защитой водяных струй, граница зоны теплового воздействия находится на расстоянии

Таким образом, расстояние до соответствующих локальных зон теплового воздействия составляют соответственно 136,6; 84,2 и 46 м от устья скважины.

5. Определение теоретического расхода воды на тушение газового фонтана производится по формуле (18):

q_в т =

Коэффициент излучения h_л был рассчитан ранее по формуле (28).

Коэффициент h_т в свою очередь рассчитывается из соотношения:

(34)

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

Согласно формуле (11):

,

По формуле (12) находим Т_г н :

Предварительно находим избыточный объем воздуха: Dν_в = (a – 1)/0,02445

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

, (35)

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.

Теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания газовоздушной смеси составляет:

Коэффициент избытка воздуха a определяют из соотношения (13).

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

, (36)

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

j_iн – значение НКПР i – го компонента (табл. 7).

Отсюда

Тогда DV_в = 9,6 (1,94 − 1) = 9,0 м 3 /м 3

или

Среднее значение теплоемкости воздуха в интервале температур 298−2000 K составляет 32,3 Дж/ (моль K). Отсюда:

Определим коэффициент h_т:

Расход воды, требуемый для прекращения горения газового фонтана, рассчитываем согласно формуле (15): 4570 кДж/кг.

Низшая теплота сгорания газовой смеси выражена в кДж/м 3 , поэтому количество тепла, которое вода отнимает из зоны горения, также выразим в кДж/м 3 .

При 298 K один килограмм воды занимает объем, приблизительно равный 1 л или 10 −3 м 3 .

Тогда 4570 кДж/л или 4570000 кДж/м 3

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

С учетом коэффициента использования воды, равного 0,1, ее расход согласно формуле (19) составит:

q_в пр = =

ВЫВОДЫ:

1.В результате проведенных расчетов определены основные параметры горения газового фонтана: мощность фонтана (5,06 млн м 3 /сут), действительная температура его горения (1549 о С), интенсивность лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины.

2.Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, за пределами которой личный состав при выполнении боевых действий может находиться неопределенно долгое время (Е = 1,6 кВт/м 2 ), расположена на расстоянии 137 м от устья скважины.

3.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/м 2 ), находится на расстоянии 84 м от устья скважины.

4.Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может вести боевую работу в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй не более 5 минут (Е = 14 кВт/м 2 ) находится на расстоянии 46 м от устья скважины.

5.Требуемый секундный расход воды с учетом коэффициента ее использования, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана с дебитом 5,06 млн. м 3 /сут, составляет 2280 л/с.

Библиографический список

1. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Миронов М.П., Пазникова С.Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 274 с.

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. Равделя 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.

7. Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. – М.: Стройиздат, 1987. – 288 с.: ил.

Приложение

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ

Источник