Низшей теплотой сгорания Qсн (?сНн) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объёма 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 ?rН0т и теплота сгорания Qс. имеют одинаковые численные значения, но разный знак, т.е. Qс = ?.

Рассчитаем теплоту сгорания (? = Qн) метана, этана и сероуглерода, опираясь на первое следствие из закона Гесса. Запишем термохимические уравнения реакции их окисления:

для метана

СН4(г)+ 2О2(г) +2Ч3,76N2 = СО2(г) + 2Н2О(г) + 2Ч3,76N2 (22)

, кДж/моль ?74,85 0 ?393,51 ?241,81

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

Qсн=?{+2?} =

= - {(?393,51)+2(?241,81)?(?74,85)} = 802,28 кДж/моль.

Значение низшей теплоты сгорания 1 м3 метана рассчитаем по формуле:

Qнс, об = - QнсЧ1000/24,45 , (23)

где 24,45 л - объем одного моля газа при Т=298 К.

Отсюда низшая теплота сгорания 1 м3 метана будет равна:

Qнс, об(СН4) = 802,28Ч1000 / 24, 45 = 32813,5 кДж/м3.

· для этана:

С2Н6(г) + 3,5О2(г) + 3,5Ч3,76N2 = 2СО2(г) + 3Н2О(г)+3,5Ч3,76N2 (24)

, кДж/моль ?84,67 ?393,51 ?241,81

Низшая теплота сгорания 1 моля этана составит:

Qсн=?{2+3?} =

= - {2(?393,51) + 3(?241,81) ? (?84,67)} =1427,78 кДж/моль.

Рассчитанная по аналогии с метаном теплота сгорания 1 м3 этана будет равна 58397,1 кДж/м3.

· для сероводорода:

2H2S(г)+ 3О2 +3Ч3,76N2 = 2Н2О(г) + 2SО2(г) + 3Ч3,76N2 (25)

, кДж/моль - 20,60 - 241,81 - 296,90

Низшая теплота сгорания 1 моля сероводорода составит:

Qсн=?{2ДfН0298(Н2О) + 2ДfН0298(SО2) ? 2ДfН0298(H2S)} =

= - {(?241,81) + 2(?296,9)? 2(- 20,6)} = 1036,22 кДж/моль.

Рассчитанная по аналогии теплота сгорания 1 м3 сероводорода будет равна 42381,2 кДж/м3.

Поскольку в 1 м3 исходной газовой смеси содержится 84 об. % (0,84) метана, 6 об. % (0.06) этана и 7 об. % (0.07) сероводорода, то общая теплота сгорания 1 м3 смеси составит

Qсн, об = 32813,5 Ч 0,84 + 58397,1 Ч 0,06 + 42381,2Ч0.07 = 34033,9 кДж/м3.

Определим объем (V) и число молей (н) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 84 об.% СН4, 6 об.% С2Н6, 7% H2S(г), используя приведённые выше химические уравнения реакций их горения. Учтём также, что смесь в соответствии с заданием содержит дополнительно 3 об.% О2:

VCO2 = (vCO2 / vCH4) Ч (цCH4 /100) + (vCO2 / vC2H6) Ч (цC2H6 /100) = 1/1 Ч 84/100 + 2/1 Ч 6/100 = 0,96 м3/м3 ;

нCO2 = 0,96/ 0,02445 = 39,26 моль/м3 ;

VH2O = (vH20 / vCH4) Ч (цCH4 /100) + (vH20 / vC2H6) Ч (цC2H6 /100) + (vH20 / vH2S) Ч (цH2S /100) = 2/1 Ч 84/100 + 3/1 Ч 6/100 + 2/2 Ч 7/100 = 1,93 м3/м3 ;

нH20 = 1,93/ 0,02445 = 78,94 моль/м3 ;

VN2 = (vN2 / vCH4) Ч (цCH4 /100) + (vN2 / vC2H6) Ч (цC2H6 /100) + (vN2 / vH2S) Ч (цH2S /100) = (2Ч3,76)/1 Ч 84/100 + (3,5Ч3,76)/1 Ч 6/100 + (3Ч3,76)/2 Ч 7/100 = 7,501 м3/м3 ;

нN2 = 7,501/ 0,02445 = 306,798 моль/м3 ;

VSO2 = (vSO2 / vH2S) Ч (цH2S /100) = 2/2 Ч 7/100 = 0,07 м3/м3 ;

нSO2 = 0,07/ 0,02445 = 2,86 моль/м3 ;

VO2 = цO2 /100 = 3/100 = 0,03 м3/м3 ;

нO2 = 0,03/ 0,02445 = 1,23 моль/м3 .

Суммарный объем продуктов горения составит:

Vпг = 0,96 + 1,93 + 7,501 + 0,07 +0,03 = 10,49 м3/м3 или 429,04 моль/м3.

После интегрирования уравнения (21) получим выражение для расчёта адиабатической температуры горения:

Ta = T0 + Qнс, об / У нi CP,пг = T0 + Qнс, об / (нCO2 CP,CO2 + нH2O CP,H2O + нN2 CP,N2 + нSO2 CP,SO2 + нO2 CP,O2) (26)

Для расчетов воспользуемся следующими средними значениями теплоемкостей для температурного диапазона 298?2000 K (табл. 3)

=53,14; =42,34; =34,73; =32,76; CP(SO2)=52,57 Дж/моль.K.

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

Ta = 298 + 34033,9 Ч 103/(39,26Ч53,14 + 78,96Ч42,34+ 1,23Ч34,73 + 306,798Ч32,76 + 2,86Ч52,57 ) = 2470 К.

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, CnHm и др.) и потери тепла за счёт излучения факела пламени.

, (27)

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

- химический недожог (0,10);

- коэффициент теплопотерь излучением.

Коэффициент теплопотерь излучением от пламени газового фонтана может быть определен в соответствии со следующей формулой:

. (28)

Молекулярную массу фонтанирующего 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, этан и сероводород, будет равна:

Мг = МCH4 цCH4 + МC2H6 цC2H6 + МH2S цH2S =16Ч0,84 + 30Ч0,06 + 34Ч0,07= =17,62 г/моль.

Коэффициент теплопотерь за счёт излучения пламени фонтана составит:

зл=0,048 v17,62 = 0,2.

Тогда для общих теплопотерь будет равна:

з= 0,08 + 0,2 = 0,28.

Действительная температура горения газового фонтана будет равна:

(30)

T д= 298 + 34033,9 Ч 103 Ч(1 - 0,28)/(39,26Ч53,14 + 78,96Ч42,34 + 306,798Ч32,76 + 2,86Ч52,57 + 1,23Ч34,73) = 1862 К.

4. Интенсивность лучистого потока от факела пламени, приходящаяся на единицу площади поверхности окружающих тел, называют плотностью лучистого потока или облучённостью (Е). Её обычно выражают в кВт/м2.

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

Расстояние от устья скважины, в пределах которого облучённость не превышает 1,6 кВт/м2, является безопасным для нахождения в течение неопределённо долгого времени.

При граничном уровне облучённости 4,2 кВт/м2 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 распылённых водяных струй позволяют вести работу в течение 5 минут при облучённости 14 кВт/м2.

Величину облучённости от факела пламени горящего фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины можно рассчитать по формулам:

, (31)

где ? низшая теплота сгорания фонтанирующего газа, кДж/м3;

VГ ? секундный расход газа, м3/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 облучённости 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 Нф=13 м, секундный расход газа VГ=4,8 м3/с и коэффициент теплопотерь излучением ?л= 0,2.

В качестве примера проведем расчёт облучённости (Е) на расстоянии

L = 20 м:

Е = (0,2Ч34033,9Ч4,8)/(4Ч3,14Ч[(13/2)2 + 202 ] ) = 5,88 кВт/м2 .

Остальные значения получим по аналогии, используя формулу (33).

Рассчитанные значения облучённости сведём в табл. 8.

Таблица 8.

Величина облучённости от факела газового фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины

L, м	20	40	60	80	100	120	150	200
qл, кВт/м2	5,88	1,58	0,71	0,40	0,26	0,18	0,12	0,06

Зависимость Е = f(L) в графической форме представлена на рис. 11.

Рисунок 11. Зависимость изменения облучённости, 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 облучённости составляет 1,6; 4,2 и 14 кВт/м2, путём нахождения расстояния от точки, имеющей соответствующую облучённость, до устья скважины. Также границы зон можно определить из формулы (34), подставив в неё известные значения Е и положив неизвестной величиной расстояние L.

Таким образом, расстояние до соответствующих локальных зон теплового воздействия составляют соответственно 39,8; 24 и 12 м от устья скважины.

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

nв =

Коэффициент излучения ?л был рассчитан ранее по формуле (28).

Коэффициент?т в свою очередь рассчитывается из соотношения:

(34)

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

Согласно формуле (11):

Тгст = Т0 + Qнс, об (1- зл) / (нCO2 CP,CO2 + нH2O CP,H2O + нN2 CP,N2 + нSO2 CP,SO2) = 298 + 34033,9 Ч 103 Ч(1 - 0,2)/(39,26Ч53,14 + 306,798Ч32,76 + 78,96Ч42,34 + 2,86Ч52,57) = 2040 К.

По формуле (12) находим Тгн:

Тгн = Т0 + Qнс, об (1- зл) / (нCO2 CP,CO2 + нH2O CP,H2O + нN2 CP,N2 + нSO2 CP,SO2 +Дн CP,в).

Предварительно находим избыточный объём воздуха: ДVв =Vв0 (б - 1).

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

Vв0 = (Уi ц i - ц O2)/21. (35)

где - сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций горения каждого компонента горючей смеси (?i) на процентное содержание этого компонента (Уi) в смеси;

- процентное содержание кислорода в газовой смеси.

Vв0 = (2Ч84 + 3,5Ч6 + 3Ч7 - 3)/ 21=9,9 м3 /м3 .

Коэффициент избытка воздуха б определяют из соотношения (13).

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

ц нсм = 100/ (У ц i / ц iн ), [%]

где ji - концентрация i - го горючего газа в смеси;

jiн - значение НКПВ i - го компонента (табл. 4).

ц нсм = 100/(84/5,3 + 6/2,9 + 7/4,3) = 5,1 %.

Отсюда б = (100 - НКПР) / (НКПРЧVв0 ) = (100 - 5,1) / (5,1Ч9,9) = 1,88.

Тогда DVв = 9,9 (1,88 - 1) = 8,7 м3/м3

или Днв = 8,7/0,02445=355,83 моль/м3 .

Среднее значение теплоёмкости воздуха в интервале температур 298-2000 К составляет 32,3 Дж/ (моль К).

Отсюда:

Тгн = 298 + 34033,9 Ч 103 Ч(1 - 0,2)/(39,26Ч53,14 + 306,798Ч32,76 + 78,96Ч42,34 + 2,86Ч52,57 + 355,83Ч32,3) = 1302 К.

Определим коэффициент hт:

hт = (2040 - 1302)/ 2040 = 0,36.

Расход воды, требуемый для прекращения горения газового фонтана, рассчитываем согласно формуле (18):

4570 кДж/кг. Низшая теплота сгорания газовой смеси выражена в кДж/м3, поэтому количество тепла, которое вода отнимает из зоны горения, также выразим в кДж/м3.

При 298 К один килограмм воды занимает объём, приблизительно равный 1 л или 10?3 м3.

Тогда 4570 кДж/л или 4570000 кДж/м3

Подставив все известные значения в формулу (18), получим:

nв=(1 - 0,2)Ч0,36Ч0,9Ч34033,9Ч4,8/4570000 = 0,009 м3/с или 9 л/с.

С учетом коэффициента использования воды, равного 0,1, расход воды составит 90 л/с.

Выводы

Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, за пределами которой личный состав при выполнении боевых действий может находиться неопределённо долгое время (Е=1,6 кВт/м2), расположена на расстоянии 39,8 м от устья скважины.

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/м2), находится на расстоянии 24 м от устья скважины.

Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может вести боевую работу в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распылённых водяных струй не более 5 минут (Е=14 кВт/м2) находится на расстоянии 13 м от устья скважины.

Требуемый секундный расход, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана с дебитом 0,4225 млн. м3 /сут., составляет 90 л/с.

Библиографический список

Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 113с.

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

Боевой устав противопожарной службы (утвержден приказом Председателя Комитета по государственному контролю и надзору в области чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Казахстан от 27.12.05 г. № 373).

Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров М.: Стройиздат, 1990. 424 с.

Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Ра-вделя и А.М. Пономаревой Л.: Химия, 1983. 332 с.

Малеванский В. Д. Открытые газовые фонтаны и борьба с ними / В. Д. Малеванский. - М.: Гостоптехиздат, 1963.- 288 с.

Мамиконянц Г. М. Тушение пожаров мощных газовых и нефтяных фонтанов / Г. М. Мамиконянц. - М.: Недра, 1971. - 95 с.

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

Михеев В. П. Газовое топливо и его сжигание / В. П. Михеев. - Л.: Недра, Ленингр. отд-ние, 1966. - 327 с.

Повзик А. Я. Пожарная тактика / А. Я. Повзик. - М.: ЗАО «Спецтехника», 2004. - 416 с.

Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов- М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 83с.

Решетняк В. В. Применение метода Родионова для расчета квазиодномерных движений идеальной сжимаемой жидкости / В. В. Решетняк, А. Н. Семко // Прикладная гидромеханика. - 2009. - Т. 9 (81), № 3. - С. 56-64.

Семко А. Н. Внутренняя баллистика порохового водомета и гидропушки / А. Н. Семко // Теорет. и прикл. механика. - Харьков: Основа, 2002. - Вып. 35. - С. 181-185.

Семко А. Н. Импульсные струи жидкости высокого давления / А. Н. Семко. Донецк: Вебер (Донецкое отделение), 2007. - 149 с.

Чабаев Л. У. Технологические и методологические основы предупреждения и ликвидации газовых фонтанов при эксплуатации и ремонте скважин: автореф. дис. на соискание уч. ст. доктора техн. наук: спец. 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)» / Л. У. Чабаев. - Уфа, 2009. - 47 с.

Черменский Г. П. Избыточное давление в импульсной струе жидкости / Г. П. Черменский // ПМТФ, 1970. - № 1.- С. 174-176.

Размещено на Allbest.ru