Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

Введение

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.

Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях, часто находящихся в труднодоступных районах, требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями. Затраты на тушение нередко составляют миллионы рублей. Вред, нанесённый окружающей среде в зоне пожара и прилегающих районах, точно оценить практически невозможно.

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 расчет 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 расчетов параметров пожаров и расхода огнетушащих веществ.

В результате выполнения курсовой работы студент должен знать и уметь оценивать расчетными 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;

- расход воды на тушение пожара газового фонтана.

Горение газов

При изучении дисциплины «Теория горения и взрыва» были рассмотрены различные режимы горения газов: кинетический и диффузионный, ламинарный и турбулентный. Кинетическое горение возможно только в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Во всех остальных случаях горение будет протекать в диффузионном режиме. При возрастании высоты пламени (обычно выше 30 см) ламинарное пламя практически всегда приобретает турбулентный характер.

Общие закономерности кинетического режима горения

Если с помощью оптического прибора рассмотреть кинетическое пламя в неподвижной горючей смеси, то можно увидеть следующую картину (рис. 1). Справа находятся нагретые до высокой температуры продукты горения (Тпг), слева − холодная с температурой (Т0) исходная горючая смесь, а между ними − ярко светящаяся полоска − фронт пламени с толщиной (). Горючий компонент во фронте пламени сгорает, и в продуктах горения его концентрация практически равна нулю. Естественно, температура продуктов горения, равная температуре зоны горения (Тг), больше температуры исходной смеси (Т0) Тпг = Тг >> Т0. Поскольку теплота передается от горячего тела к холодному, в сторону исходной смеси будет идти тепловой поток (q), нагревая прилегающий к ней слой, так называемую зону подогрева. Передача теплоты от нее осуществляется теплопроводностью.

Рисунок. 1. Схема фронта (а) и изменение температуры и концентрации горючего (б) в кинетическом пламени: δПОД – зона подогрева; δГОР – зона горения; δФП – фронт пламени; uн – нормальная скорость распространения пламени

Смесь в этом слое воспламенится при достижении температуры самовоспламенения (Тс). Зона горения переместится в сторону исходной смеси,двигаясь от слоя к слою. Фронт пламени будет непрерывно перемещаться до самой границы горючей смеси. Такое распространение пламени называют нормальным или дефлаграционным горением. Нормальное или дефлаграционное горение − это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности от продуктов горения. Толщина фронта пламени (фП), как правило, не превышает десятых долей миллиметра. Поэтому его обычно принимают за поверхность, отделяющую исходную смесь от продуктов горения. Как показали исследования, своим свечением фронт пламени обязан многоатомным радикалам: С=С:, :CH, .HCO и др. Есть в пламени и ионы, концентрация которых достигает 1016− 1017 м−3. Возникновение ионов в пламени имеет химическую и термическую природу.

Влияние различных факторов на скорость распространения пламени

Нормальная скорость распространения пламени (uн) зависит от теплофизических свойств газовоздушной смеси. Но в еще большей степени скорость распространения зависит от ее физико-химических свойств − скорости горения V, и температуры в зоне реакции горения, ТГ:

(1)

т.е. uн пропорциональна скорости реакции окисления (V) и находится в экспоненциальной зависимости от обратной температуры зоны горения (Тг). Определяющим параметром, безусловно, будет скорость реакции. Запишем уравнение скорости химической реакции горения:

, (2)

где k0 – предэкспоненциальный множитель из уравнения Аррениуса,

Сг, Сок – концентрации горючего и окислителя,

m, n - порядки реакции соответственно по горючему и окислителю,

Еа - энергия активации химической реакции.

Рассмотрим, как будет меняться скорость реакций окисления для смесей с разным соотношением горючего и окислителя (рис. 2).

Из графика видно, что для смеси стехиометрического состава (коэффициент избытка воздуха =1) скорость реакции окисления максимальна.

При увеличении концентрации горючего в смеси выше стехиометрического количества, когда  становится < 1 (кислород находится в недостатке), горючее сгорает не полностью. В этом случае меньше выделится теплоты реакции горения Qгор и произойдёт снижение Tг.

Скорость реакции окисления по сравнению со стехиометрическим составом смеси уменьшится, причем как из-за снижения концентрации окислителя О2, так и температуры зоны горения. То есть при последовательном снижении  (что эквивалентно увеличению концентрации СГ в смеси) скорость реакции окисления  и температуры зоны горения Tг будут последовательно снижаться. На графике при CГ > СГстех кривая становится резко нисходящей. Снижение же скорости реакции окисления при  > 1 объясняется уменьшением тепловыделения в зоне горения в связи с более низкой концентрацией в ней горючего.

Рисунок 2. Зависимость скорости горения от концентрации горючего в смеси