Теоретический расчёт основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

адиабатический пожар газовый фонтан

Увеличивающаяся с каждым годом добыча нефти и газа, ежегодный объем которой в настоящее время в стране составляет сотни млрд. м³, 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;



1. Расчётная часть

1.1 Исходные данные

адиабатический пожар газовый фонтан

Вариант 8587

Компактный газовый фонтан состава (см. ниже), истекающий через устье диаметром d_y, имеет высоту факела пламени H_ф. Химический недожог з_х в зоне горения составляет от низшей теплоты сгорания.

Содержание компонентов, % (об):

Метан (СH₄) - 90 %

Этан (С₂H₆) - 8 %

Сероуглерод (СS₂) - 2 %

Параметры газового фонтана:

Диаметр устьевого оборудования (d_y) - 250 мм

Высота факела пламени - 45 м

Химический недожог (в долях от низшей теплоты сгорания) - 0,15

Рассчитать:

Дебит газового фонтана;

Адиабатическую температуру горения T_a, ?С;

Действительную температуру горения Т_г, ?С;

Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины q_л. Определить безопасное расстояние L_б;

Адиабатическую температуру потухания Т_пот, ?С;

Минимальный секундный расход воды V_min, л/с;

Удельный расход воды на тушение фонтана V_уд, л/м³;

Коэффициент использования воды k_в.



1.2 Расчёт параметров газового фонтана

1. Дебит газового фонтана (, млн. м³/сутки) может быть рассчитан из высоты факела пламени по формуле (4):

= 0,0025? =0,0025?45² = 5,06 млн. м³/сутки

Секундный расход газа составит V_г = 5,06•10⁶/ (246060) = 58,59 м³/с.

Режим истечения газовой струи может быть определён сравнением эффективной скорости истечения (V_э) со скоростью звука (V_о)

Эффективная скорость истечения (V_э) газовой струи может быть определена по уравнению:

V - секундный расход газа, м³/с;

d - диаметр устья скважины, м.

Скорость звука в метане (V₀) составляет 430 м/с

2. Теплота пожара рассчитывается по формуле:

q = Q_н (1-з_х)

низшая теплота горения газовой смеси:

где Q_нi - низшая теплота сгорания i-го горючего компонента, кДж/м³;

ц_гi - 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 = Q_н (1-з_х) • V= 38263,2(1-0,15)•58,59 = 1905688,7 кВт

3. Мощность теплового излучения факела пламени

Для определения теплоотдачи излучением пламени (з_л) 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 Н_ф= 45 м, секундный расход газа V_Г = 58,59 м³/с и коэффициент теплопотерь излучением _л = 0,364.

В качестве примера проведём расчёт облучённости (q_л) на расстоянии L, м:

кВт/м²

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/м2	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 Н_ф/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 q_зад, определяется выражением

Очевидно, что соответствующее расстояние от скважины на уровне земли L равно:



Дляq_зад = 4,2 кВт/м²:

Для q_зад = 14 кВт/м²:

Таблица 2

Мощность теплового потока, кВт/м2	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 ц_н = 5,28 %,

для этана ц_н = 2,9 %,

для сероуглерода ц_н = 1,0 %.

,



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

_iн - 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 (_i) в смеси;

- процентное содержание кислорода в газовой смеси.

СН_4(г)+ 2(О₂ +3,76N₂) = СО_2(г) + 2Н₂О_(г)+2?3,76N₂

С₂Н_6(г)+ 3,5(О₂ +3,76N₂) = 2СО_2(г) + 3Н₂О_(г)+3,5?3,76N₂

СS_2(г)+3(О_2(г)+3,76N₂)=2SО_2(г)+CO_2(г)+3?3,76N₂

Отсюда

Тогда V_в =V^теор_в(б-1) = 10,19 (2,04 ? 1) = 10,6м³/м³

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 (н) 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 = V_пг+V_в=(1,08+ 2,04 + 0,04 + 8,05)+ 10,61= 10,79+10,61= 21,4 м³/м³



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 ?C

Q₁ = 2718,5·1,08 + 2133,9·2,04 + 2735,2·0,04 + 1705,3·8,05 + 1720,4·10,6 = 39379,7 кДж/м³;

Рассчитывается теплосодержание при температуре T₂ = 1100 ?C

Q₂ = 2460,4·1,08 + 1926,5·2,04 + 2488,8·0,04 + 1551,1·8,05 + 1554,9·10,6 = 35670,7 кДж/м³

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/м3
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

Q_пг = 2640,8•1,08+2071,5•2,04+2661,0•0,04+1658,9•8,05 = 20532,4 кДж/м³

Количество тепла, которое должно быть отведено от зоны горения огнетушащим средством

Q_отв= Q_н-Q_пг =38263,2- 20532,4 = 17730,9 кДж/м³

Отвод тепла от зоны пламени происходит в результате нагрева воды от начальной температуры до температуры потухания. Охлаждающий эффект воды определяется

Q_охл = c(T_кип-T_о)+Q_исп+c_p(T_пот-T_кип)

Q_охл = 4,2(100-20) + 2260 + 2,52(1169,9-100) = 5292,1 кДж/кг(л)

1.3 Определение расхода воды на тушение газового фонтана

Минимальный (теоретический) удельный расход воды на тушение



Минимальный секундный расход воды

V_min =V^о_уд?V_г=3,35?58,59 = 196,31 л/с

По таблице 1 приложения находится фактический (нормативный) секундный расход воды на тушение фонтана дебитом 5,06млн м³/сутки, истекающим из скважины диаметром 250 мм V_ф = 220 л/с.

Фактический удельный расход воды рассчитывается пол

Коэффициент использования огнетушащего средства составит

Таблица 4 - Итоговая таблица

Дебит фонтана, млн м3/сут	Теплота пожара, кВт	Граница зон теплового воздействия пожара, м	Удельный расход воды, л/м3	Коэффициент использования
		Мощность теплового потока, кВт/м2
		4,2	14,0	Расчётн.	Факт
5,06	1905688,7	85,0	42,58	3,35	3,75	0,89

Выводы

1. 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 (q= 4,2 кВт/м2), находится на расстоянии 85,0 м от устья скважины.

2. 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 (q = 14 кВт/м2) находится на расстоянии 42,58м от устья скважины.

3. Требуемый секундный расход воды с учётом коэффициента её использования, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана с дебитом 5,06 млн. м3/сут, составляет220 л/с.



Список использованной литературы

1. Андросов А. С., Бегишев И. Р., Салеев Е. П. Теория горения и взрыва. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2007.

2. Андросов А. С., Салеев Е. П. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрыва». - М.: Академия ГПС МЧС России, 2008.

3. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. - М.: Стройиздат, 1990.

4. Абдурагимов И. М., Говоров В. Ю., Макаров В. Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.

5. Теребнев В. В., Артемьев Н. С., Грачев В. А. Справочник спасателя-пожарного. - М: Центр пропаганды, 2006.

6. Бобков С. А., Бабурин А. В., Комраков П. В. Примеры и задачи по курсу «Физико-химические основы развития и тушения пожара»: Учеб. пособие. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. - 98 с.

7. Расчёт процессов горения и взрыва: учебное пособие/ В.А. Портола, Н.Ю. Луговцова, Е.С. Торосян; Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 108 с.

8. Андросов А.С. Теоретический расчёт основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана: Курсовая работа по дисциплине «Физико-химические основы развития и тушения пожаров». - М.: Академия ГПС МЧС России, 2011. - 13 с.

1. Размещено на Allbest.ru