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