Прекращение горения газов (газовых фонтанов)
Для прекращения горения газов необходимо и достаточно отобрать непосредственно от зоны горения такое количество теплоты, чтобы температура факела понизилась до температуры потухания. Охлаждать исходное горючее или окислитель в данном случае бесполезно, так как газы воспламеняются и горят при любой реально достижимой температуре. При этом механизмы отбора тепла в объеме пламени зависят от применяемого огнетушащего вещества.
За температуру потухания принимается адиабатическая температура горения предельно обедненной газовой смеси – смеси на НКПР. Методика расчета температуры горения изложена в учебных пособиях [1, 2].
Подавать огнетушащие вещества в зону горения можно различными техническими средствами как извне, так и вместе с потоком горючего или окислителя. Например, на тушение газового фонтана воду можно подавать извне лафетными стволами, автомобилями газоводяного тушения, а также закачкой внутрь фонтанирующей скважины. Наиболее эффективным способом тушения пламени газового фонтана является импульсная (залповая) подача огнетушащего порошка в объем зоны горения.
Прекращение горения жидкостей
Необходимым условием для тушения жидкости также является прекращение горения в газовой фазе. Если удается создать условия, требуемые для потухания пламени во всем объеме зоны горения одновременно, то (при отсутствии внешних источников зажигания и температуре окружающей среды ниже температуры самовоспламенения) этого будет также и достаточно для тушения пожара. Это достигается подачей огнетушащих веществ объемного или объемно-поверхностного действия (газовых или порошковых составов) различными техническими средствами либо непосредственно в зону горения, либо в объем помещения (газовые или аэрозолеобразующие составы).
Вместе с тем прекратить горение жидкости можно, уменьшая скорость испарения путем отвода тепла не от пламени, а от поверхностного слоя. По мере уменьшения концентрации горючего в зоне горения температура пламени понижается. Если температуру поверхности понизить до температуры вспышки, концентрация горючего над поверхностью упадет до нижнего концентрационного предела, температура пламени достигнет температуры потухания и горение прекратится.
Условием необходимым и достаточным для тушения жидкости охлаждением поверхности является понижение ее температуры от температуры кипения до температуры вспышки. Физически это означает, что массовую скорость выгорания надо уменьшить до такого минимального значения, при котором концентрация пара над поверхностью не превышает нижний концентрационный предел распространения пламени. Для этого интенсивность теплоотвода должна быть не ниже интенсивности теплового потока, затрачиваемого в единицу времени на образование горючей концентрации пара над поверхностью жидкости и формирование прогретого слоя. Для жидкостей данное условие описывается следующим уравнением
, кВт/м 2 (2.1)
где с – удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг∙К);
Ткип и Твсп – температура кипения и вспышки соответственно, ºС;
r – удельная теплота парооб
|
разования, кДж/кг;
v уд – удельная массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ∙с);
Qзап – количество тепла, аккумулируемое в прогретом слое, кДж/м 2 ;
τт – время тушения, с.
Тепло Qзап, кДж/м 2 , аккумулируемое прогретым слоем жидкости, находится по формуле
, кДж/м 2 (2.2)
где λ – теплопроводность жидкости, кВт/(м∙К);
ρ – плотность жидкости,
|
кг/м 3 ;
v уд – удельная массовая скорость выгорания, кг/(м 2 ·с).
Если огнетушащее вещество подается с интенсивностью J, поступает на поверхность прогретого слоя без потерь и полностью реализует свою охлаждающую способность Qохл, то интенсивность теплоотвода будет равна JQохл. Из уравнения (2.1) получаем теоретическое время тушения жидкости охлаждением прогретого слоя
, с (2.3)
где Qохл – охлаждающий эффект огнетушащего вещества, кДж/л или кДж/кг.
Охлаждающий эффект огнетушащего вещества – это максимальное количество тепла, которое может быть отведено единицей объема или массы огнетушащего вещества от 1 м 2 поверхности горения или 1 м 3 объема зоны горения.
Значение интенсивности подачи, при которой знаменатель формулы (2.3) обращается в 0, является критической. В этом случае τт → ∞ и тушение становится невозможным. Из формулы (2.3) следует, что критическая интенсивность подачи огнетушащего вещества Jкр, л/(м 2 ·с) или кг/(м 2 ·с), при таком способе тушения жидкости равна
, л/(м 2 ·с) или кг/(м 2 ·с) (2.4)
Выбор конкретного огнетушащего вещества зависит от его способности выполнить все условия, необходимые и достаточные для прекращения горения. Например, очевидно, что охладить гептан водой до температуры вспышки -4ºС физически невозможно. Для этой цели, в данном случае, подходят: жидкий азот, твердая гранулированная углекислота или другие огнетушащие вещества с температурой кипения ниже -4 ºС. Если по каким-то причинам они недоступны, следует изолировать зону горения от поверхности жидкости слоем пены. При этом сначала уменьшается скорость испарения, что приводит к понижению температуры пламени до температуры потухания вследствие уменьшения концентрации горючего в зоне химических реакций. Затем выход пара прекращается, и пока слой пены или порошка сохраняет изолирующую способность, повторное воспламенение жидкости становится невозможным.
Дата добавления: 2020-11-15 ; просмотров: 39 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник
Механизм горения газового фонтана
И нефтяных фонтанах
Вопрос № 2. Классификация пожаров на газовых, газонефтяных
Газовые и нефтяные фонтаны классифицируют по следующим признакам:
— составу фонтанирующего вещества;
— виду струи фонтана;
— количеству фонтанирующих скважин.
По составу фонтанирующего вещества:
— газовые (фонтаны с содержанием горючего газа не менее 95% по массе);
— газонефтяные (газа более 50% и нефти менее 50% по массе);
— нефтяные (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 2 млн. м 3 /сутки;
— средние – от 2 до 5 млн. м 3 /сутки;
— мощные – свыше 5 млн. м 3 /сутки.
По виду струи:
— Компактный фонтан (вертикальный или горизонтальный) образуется, когда буровое и устьевое оборудование не создают препятствий для свободного выхода нефти и газа.
— Распыленный фонтан возникает при истечении газа или нефти через неплотности фонтанной арматуры и противовыбросового оборудования, а также из устья скважины, заваленного буровым оборудованием.
— Комбинированный фонтан состоит из распыленной части и компактных струй.
Распыленный и комбинированный фонтаны можно преобразовать в компактный путем растаскивания бурового оборудования и расчистки устья скважины или снятия (отстрела) поврежденной фонтанной арматуры и противовыбросового оборудования.
По количеству одновременно фонтанирующих скважин:
Групповые пожары фонтанов возникают при кустовой разработке месторождений, нескольких скважин (буровых установок) на ограниченной площади.
Горение газовых фонтанов устойчивое, оно 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.
Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха с образованием горючей смеси.
Поскольку в реальных условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков и даже сотен метров в секунду (при Re > 2300), движение газовой струи имеет турбулентный характер.
На рис.1 показано распространение турбулентной струи этилена из вертикальной трубы в воздух.
Из рис. 1 видно, что существуют три области концентраций, соответствующие нижнему концентрационному пределу воспламенения, стехиометрическому составу смеси и верхнему концентрационному пределу воспламенения. Ниже нижнего и выше верхнего концентрационных пределов воспламенения горение невозможно, т. к. ниже нижнего концентрационного предела воспламенения имеется избыток воздуха, а выше верхнего — избыток горючего газа.
Горение будет идти с максимальной скоростью в области, соответствующей стехиометрическому составу смеси. На рис. 2 показана структура турбулентной горящей струи в произвольном сечении А-А.
 | Нф – высота фонтана; Нотр – высота отрыва пламени; Нз.в. – длина зоны воспламенения; Нз.д. – длина зоны догорания. |
| Рис.1 Структура турбулентной горящей струи газа | |
 | |
Рис.2 Структура турбулентной горящей струи в произвольном сечении А-А Т – температура; Сг – концентрация газа;  — концентрация кислорода; Сп.г. – концентрация продуктов горения. |
При турбулентном диффузионном горении концентрации газа Сг и кислорода 
падают до нуля в зоне горения, а концентрация продуктов горения СПГ и температура достигают максимума. Образующиеся продукты горения диффундируют как в окружающее пространство, смешиваясь с воздухом, так и внутрь факела, смешиваясь с горючим газом.
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. Максимальная температура пламени находится на поверхности стехиометрического состава. Воспламенение турбулентной струи газа осуществляется по периферии (по кольцевой области), где скорость распространения пламени имеет максимальное значение.
По мере удаления от среза трубы зона высоких температур приближается к оси струи и на некотором расстоянии от среза трубы зона высоких температур достигает оси трубы. Это расстояние называется длиной зоны воспламенения Нз.в.. 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.
В зоне догорания происходит догорание отдельных молей горючего, на которые разбивается струя в результате турбулентных пульсаций. Процесс смешения в этой зоне осуществляется в основном за счет молекулярной диффузии, кроме того, эта зона характеризуется значительным недостатком кислорода, поэтому сгорание газа происходит очень медленно, что обусловливает значительную длину зоны догорания. Длина зоны догорания определяется протяженностью пути движения молей газа за время их выгорания и пропорциональна скорости движения газа.
Фронт горения в турбулентном факеле пламени из-за турбулентных пульсаций масс горючего, воздуха и продуктов горения получается размытым, раздробленным на отдельные части и неустойчивым. Особенно это проявляется в зоне догорания.
Одним из важных параметров газового факела является его длина (высота). Под высотой факела горения понимается наблюдаемая визуально или «фотографическая» длина факела, а не «химическая».
Высота факела напрямую связана с дебитом фонтана. Данный вопрос будет рассматриваться на следующем практическом занятии.
Вывод по вопросу: фонтаны природных углеводородов условно подразделяют на газовые, газонефтяные и нефтяные. Горение газовых фонтанов является диффузионным, турбулентным.
Источник
Расчёт параметров газового фонтана
Введение
Адиабатический пожар газовый фонтан
Увеличивающаяся с каждым годом добыча нефти и газа, ежегодный объем которой в настоящее время в стране составляет сотни млрд. м 3 , повышает вероятность аварийных ситуаций, которые могут сопровождаться крупными пожарами, большими материальными потерями, ухудшением экологической 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.
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 расчёт основных параметров 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 расчётов параметров пожаров и расхода огнетушащих веществ.
В результате выполнения курсовой работы студент должен знать и уметь оценивать расчётными методами:
режим истечения газового фонтана;
параметры пожара газового фонтана;
адиабатическую и действительную температуры пламени;
интенсивность облучённости от факела пламени в зависимости от расстояния до устья скважины;
Расчётная часть
Исходные данные
Адиабатический пожар газовый фонтан
Компактный газовый фонтан состава (см. ниже), истекающий через устье диаметром dy, имеет высоту факела пламени Hф. Химический недожог ηх в зоне горения составляет от низшей теплоты сгорания.
Содержание компонентов, % (об):
Параметры газового фонтана:
Диаметр устьевого оборудования (dy) — 250 мм
Высота факела пламени — 45 м
Химический недожог (в долях от низшей теплоты сгорания) — 0,15
Дебит газового фонтана;
Адиабатическую температуру горения Ta, ºС;
Действительную температуру горения Тг, ºС;
Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины qл. Определить безопасное расстояние Lб;
Адиабатическую температуру потухания Тпот, ºС;
Минимальный секундный расход воды Vmin, л/с;
Удельный расход воды на тушение фонтана Vуд, л/м 3 ;
Коэффициент использования воды kв.
Расчёт параметров газового фонтана
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
Секундный расход газа составит Vг = 5,06∙10 6 / (24×60×60) = 58,59 м 3 /с.
Режим истечения газовой струи может быть определён сравнением эффективной скорости истечения (Vэ) со скоростью звука (Vо)
Эффективная скорость истечения (Vэ) газовой струи может быть определена по уравнению:
— секундный расход газа, м 3 /с;- диаметр устья скважины, м.
Скорость звука в метане (V0) составляет 430 м/с
. Теплота пожара рассчитывается по формуле:
низшая теплота горения газовой смеси:
где Qнi — низшая теплота сгорания i-го горючего компонента, кДж/м 3 ;
φгi — содержание i-го горючего компонента в смеси, % об.
Низшая теплота сгорания отдельныхкомпонентов рассчитывается, выбирается в таблице 2 приложения.
Теплота пожара — тепловыделение в зоне горения в единицу времени (кВт)
q = Qн (1-ηх) ∙ V= 38263,2(1-0,15)∙58,59 = 1905688,7 кВт
. Мощность теплового излучения факела пламени
Для определения теплоотдачи излучением пламени (ηл) определим среднюю молекулярную массу фонтанирующей газовой смеси
Молекулярную массуфонтанирующего газа ( 
), состоящего из нескольких компонентов, можно определить по формуле:
,
где 
−молекулярная масса i-гoгорючего компонента газового фонтана;
− доля i-гo горючего компонента.
Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан и сероуглерод, будет равна:
Коэффициент теплопотерь излучением от пламени газового фонтана может бытьопределён в соответствии со следующей формулой [1]:
.
,
Коэффициент общих теплопотерь будет равен:
,
где 
— общие теплопотери при горении газового фонтана, представляющие собой долюот низшей теплоты сгорания 
;
— химический недожог (0,15);
Мощность излучения от расстояния до устья скважины (L):
Для установления величины облучённости окружающего пространства факелом пламени в зависимости от расстояния до скважины в формуле (31) необходимо задаваться значениями L, принимая их равными 5, 10,20, 40, 60, 80, 100, 120, 150 и 200 м. В формулу (31) подставляются также высота факела пламени Нф= 45 м, секундный расход газа VГ = 58,59 м 3 /с и коэффициент теплопотерь излучением hл = 0,364.
В качестве примера проведём расчёт облучённости (qл) на расстоянии L, м:
кВт/м 2
Рассчитанные значения облучённости сведём в таблице 3.
Таблица 1 — Величина облучённости от факела газового фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины
| L,м | 5 | 10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | 140 | 160 |
| qл, кВт/м 2 | 61,12 | 53,56 | 35,83 | 15,42 | 7,91 | 4,70 | 3,09 | 2,18 | 1,61 | 1,24 |
По результатам расчёта, представленным в таблице3, строится график зависимости мощности излучения от расстояния до устья скважины, по которому определяются границы зон I — IV.
ЗависимостьЕ = f(L) в графической форме представлена на рис. 1.
Рисунок 1 — Зависимость мощности теплового потока от расстояния до устья скважины
При расчёте расстояния L принимается, что источником излучения пламени фонтана является точка, расположенная в его геометрическом центре, — т.е. на высоте Нф/2 от устья скважины
Рисунок 2 — Схема для расчёта плотности теплового потокаТогда плотность потока излучения Eчерез сферу радиусом R равна
откуда расстояние R, на котором плотность лучистого теплового потока равна заданному значению qзад, определяется выражением
Очевидно, что соответствующее расстояние от скважины на уровне земли L равно:
Дляqзад = 4,2 кВт/м 2 :
Для qзад = 14 кВт/м 2 :
| Мощность теплового потока, кВт/м 2 | Граница зоны до устья скважины, м |
| 4,2 | 85,00 |
| 14,0 | 42,58 |
За адиабатическую температуру потухания как предельный параметр процесса горения может быть принята адиабатическая температура горения на нижнем концентрационном пределе распространения пламени (НКПР).
Определяется НКПР для индивидуальных компонентов смеси (СН4 и CS2) по аппроксимационной формуле или выбирается из таблицы приложения:
для метана φн = 5,28 %,
для сероуглерода φн = 1,0 %.
,
где ji — концентрация i-го горючего газа в смеси;
jiн — значение НКПР i-го компонента.
Для нахождения коэффициента избытка воздуха на НКПР для данной смеси газов рассчитаем теоретический объём воздуха:
,
где 
— сумма произведений стехиометрических коэффициентов реакций горения каждого компонента горючей смеси ( 
) на процентное содержание этого компонента (ji) в смеси;
— процентное содержание кислорода в газовой смеси.
Отсюда 
Тогда DVв =V теор в(α-1) = 10,19 (2,04 − 1) = 10,6м 3 /м 3
или 
Для расчёта адиабатической температуры потухания методом последовательных приближений — из уравнения химической реакции горения определяется объём и состав продуктов горения.
Определим объём (V) и число молей (ν) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 90об. % СН4, 8 об. % С2Н6, 2 об. %СS2, используя приведённые выше химические уравнения реакций их горения.
Суммарный объём продуктов горения с учётом избытка воздуха составит:
V*пг = Vпг+DVв=(1,08+ 2,04 + 0,04 + 8,05)+ 10,61= 10,79+10,61= 21,4 м 3 /м 3
Рассчитывается среднее теплосодержание продуктов горения
по таблице приложения определяется первая приближённая температура, ориентируясь на азот, количество которого в продуктах горения наибольшее
Рассчитывается теплосодержание притемпературеT1 = 1200 ºC
1 = 2718,5·1,08 + 2133,9·2,04 + 2735,2·0,04 + 1705,3·8,05 + 1720,4·10,6 = 39379,7 кДж/м 3 ;
Рассчитывается теплосодержание при температуре T2 = 1100 ºC
2 = 2460,4·1,08 + 1926,5·2,04 + 2488,8·0,04 + 1551,1·8,05 + 1554,9·10,6 = 35670,7 кДж/м 3
Методом линейной интерполяции определяем адиабатическую температуру потухания:
Расчёт теплосодержания теоретического объёма продуктов горения при температуре потухания проводится методом последовательных приближений с линейной интерполяцией, для чего используются данные табл. 2 приложения
Результаты сводятся таблицу 3.
Таблица 3 — Теплосодержание продуктов горения при температуре потухания
| № п/п | Продукт горения (теоретический) | Теплосодержание, кДж/м 3 |
| 1 | Диоксид углерода | 2640,8 |
| 2 | Пары воды | 2071,5 |
| 3 | Диоксид серы | 2661,0 |
| 4 | Азот | 1658,9 |
После интегрирования уравнения получим выражение для расчёта адиабатической температуры горения:
Для расчётов воспользуемся следующими средними значениями теплоёмкостей для температурного диапазона 298−2000 K:
=53,14; 
=42,34; 
=32,76; 
= 52,57 Дж/моль . K
Подставив приведённые значения теплоёмкостей и числа молей продуктов сгорания в формулу (25), получим:
Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется с излучением. При расчёте 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 счёт излучения факела пламени.
Действительная температура горения газового фонтана будет равна:
.
Теплосодержание продуктов горения при температуре потухания
пг = 2640,8∙1,08+2071,5∙2,04+2661,0∙0,04+1658,9∙8,05 = 20532,4 кДж/м 3
Количество тепла, которое должно быть отведено от зоны горения огнетушащим средством
Отвод тепла от зоны пламени происходит в результате нагрева воды от начальной температуры до температуры потухания. Охлаждающий эффект воды определяется
Источник