Курсовая работа на тему «Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана» Нефтяная и газовая промышленность. Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожар. Горение газов
 Скачать 4.82 Mb.
|
Δv, которое в свою очередь пропорционально квадрату разности скоростей Δv соударяющихся участков струи. Поэтому на начальной стадии истечения скорость головы струи возрастает до тех пор, пока высокоскоростные участки не достигнут головы струи. В дальнейшем скорость головы струи уменьшается из-за торможения воздухом.2. Методы тушения пожаров газовых фонтановДо настоящего времени тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газо-водяными струями, создаваемыми авиационными турбореактивными двигателями; взрывом мощного сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, подвешиваемого вблизи основания факела. Эти способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3−5 млн. м3 в сутки, однако при тушении более мощных горящих фонтанов становятся малоэффективными. Применение этих методов требует привлечения большого количества людей и специальной техники, проведения сложных и дорогостоящих подготовительных работ, наличия больших запасов воды. Поэтому сроки ликвидации аварии на скважине нередко затягиваются на многие недели и месяцы, что приводит к истощению ресурсов месторождения и к угрозе гибели скважины. Принципиально новый вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности разработан в Институте гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы. Сущность этого способа заключается в следующем. У основания факела, который при пожаре на скважине достигает высоты 80-100 м, с максимальным диаметром 10-15 м, создается вихревое кольцо, движущееся вдоль оси факела снизу вверх. При таком движении "атмосфера" вихревого кольца сдувает пламя и пожар прекращается. Такие вихревые кольца получают с помощью взрыва небольших зарядов взрывчатого вещества в баке соответствующего диаметра. С практической точки зрения более привлекательны для тушения пожаров на скважине сравнительно низкоскоростные, так называемые всплывающие вихревые кольца, которые образуются при подъеме компактного облака легкого газа в атмосфере. Такие вихри образуются при взрыве зарядов взрывчатого вещества без применения специальных устройств и конструкций. При этом, однако, необходимо ликвидировать проскок пламени через вихревое кольцо. Этого можно достичь, используя способность вихревого кольца переносить распыленную примесь. Если в момент образования вихревого кольца заполнить его огнетушащим порошком, то такое вихревое кольцо даже при относительно небольшой скорости будет сдувать пламя факела. Опыт тушения пожара на газовой скважине в реальной ситуации доказывает, что практическое применение вихрепорошкового способа тушения, разработанного в рамках комплексной программы "Сибирь", прежде всего для использования в условиях Западной Сибири, приведет к существенному сокращению сроков тушения пожаров на аварийных скважинах и даст значительную экономию средств (людских и материальных ресурсов). .1 Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов В Национальном университете гражданской защиты г. Харьков были проведены экспериментальные исследования тушения газового факела при помощи импульсных струй жидкости высокой скорости, которые генерируются пороховым импульсным водометом. Скорость импульсной струи в зависимости от энергии заряда в экспериментах достигала 300 - 600 м/с. При помощи лазерного бесконтактного измерителя скорости измерялась скорость головы струи непосредственно перед факелом, проводилось фотографирование струи. Вокруг импульсной струи жидкости высокой скорости в воздухе образуется высокоскоростное облако брызг большого поперечного сечения, которое эффективно сбивает пламя газового факела на расстояниях 5 - 20 м от установки. .2 Современные способы тушения газовых фонтанов Для тушения пожаров нефтегазовых фонтанов разработано не менее десятка различных методов, что обусловлено, с одной стороны, исключительной сложностью технической проблемы, многофакторностью и разнообразием конкретных ситуаций на таких пожарах, а с другой - ограниченной эффективностью каждого из этих способов. В работе [3] приведены основные методы тушения пожаров газовых фонтанов в зависимости от их типа: закачкой воды в скважину или закрытием задвижек противовыбросового оборудования; струями автомобилей газоводяного тушения; импульсной подачей порошка специальными установками; водяными струями из лафетных стволов; взрывом заряда ВВ; вихрепорошковым способом; огнетушащим порошком с помощью пожарных автомобилей; комбинированным способом; бурением наклонной скважины и закачка в нее специального раствора. При тушении пожаров открытых фонтанов чаще всего применяются лафетные стволы (гидромониторы), автомобили газоводяного тушения АГВТ-100 и АГВТ-150, пневматические порошковые пламеподавители ППП-200. [10] Лафетные стволы применяются при тушении газовых, газоконденсатных и нефтяных фонтанов небольшой мощности, поскольку стволы должны устанавливаться на расстоянии 15 м, что в условиях сильного теплового излучения фонтана с большим дебитом не допустимо [7]. При тушении более мощных фонтанов (средней мощности), когда используется значительное количество лафетных стволов, подачу водяных струй осуществляют в два яруса. Долгое время этот метод занимал лидирующее место среди всех методов тушения газовых фонтанов. Суть его заключается в том, что струи воды, подаваемые из лафетных стволов, направляются на устье скважины в основании струи фонтана. Затем синхронно поднимают водяные струи вверх по столбу пламени до полного его отрыва. Автомобили газоводяного тушения АГВТ-100 и АГВТ-150 применяются для тушения пожаров всех видов фонтанов, но чаще для тушения мощных фонтанов. Газоводяные струи, создаваемые этими установками, представляют собой смесь отработанных газов турбореактивного двигателя и распыленной воды. В газоводяной струе содержится около 60% воды и 40% газа, а концентрация кислорода не более 14%. По мере удаления от сопла содержание кислорода увеличивается и на рабочем расстоянии 12-15 м составляет 17-18%. Вода частично испаряется в струе раскаленного газа и в зону горения вода попадает в распыленном состоянии [10]. Экспериментально установлено, что газоводяная струя обладает высоким охлаждающим эффектом, например: при подаче 60 л/с воды (АГВТ-100) в течение 5 мин снижает температуру фонтанной арматуры, с 950 до 100-150 °С. Эффективность тушения зависит от содержания воды в струе и имеет оптимальное значение в пределах 55 - 60 л/с. Пневматические порошковые пламеподавители ППП-200 применяются при тушении пожара фонтанов большой мощности [10]. Тушение пожара осуществляется за счет воздействия на горящий факел распыленного порошка, выброс которого осуществляется за счет энергии сжатого воздуха. В зоне горения фонтана в течение короткого времени (1…2 с) импульсно создается огнетушащая концентрация порошка путем направленного залпового выброса установкой. Подобный принцип реализуется и в установках на базе танковых шасси Т-62 Импульс-1, Импульс-2, Импульс-3, а также Импульс-Шторм. Машины имеют 50 стволов (Импульс-1 - 40 стволов), в каждый из которых заряжается по 30 кг порошка. Установка Импульс-Шторм способна доставить в очаг пожара за 4 секунды 1,5 тонны огнетушащего порошка. Это позволяет создать мощное огнетушащее воздействие сразу и одновременно по всей площади или объему. Основным отличием данной установки является мощное ударное воздействие на очаг пожара совместно с огнетушащими эффектами, производимыми специальными порошковыми составами. Не редко используется метод подрыва заряда взрывчатого вещества, который генерирует ударную волну большой скорости (до 1000 м/с) [3, 7, 9, 10]. Заряд взрывчатого вещества подается к устью скважины либо по стальному тросу, перекинутому через блоки, подвешенные на специальных опорах, либо на тележке с укосиной по рельсовым путям, проложенным к устью скважины [7]. Главными недостатками этого метода является его высокая опасность, большой объем и сложность подготовительных работ, а также необходимость в большом количестве взрывчатого вещества (100-1000 кг). Стоит отметить, что наряду с преимуществами, которые имеют каждый из перечисленных способов, все они имеют общий недостаток - низкая дальность подачи огнетушащего вещества, что недопустимо в условиях высокого теплового излучения газового факела. Так, при тушении с помощью лафетных стволов и автомобилей газоводяного тушения оптимальная дальность подачи составляет 15 м [3, 9, 10], а безопасное расстояние Lбез для личного состава от факела уже при дебите V = 0,5 млн. м3/сутки составляет около 50 м (рис. 7). Рис. 7 Безопасное расстояние от горящего газового факела Таким образом, для тушения пожаров газовых фонтанов наиболее перспективным является разработка устройств, способных обеспечивать подачу огнетушащих смесей с расстояний, превышающих критические для безопасности личного состава по тепловому излучению. .3 Перспективные направления разработки устройств для тушения газовых фонтанов Во все времена наиболее доступным и простым средством для тушения пожаров была вода. Она широко используется в практике пожаротушения, кроме применения ее для отдельных видов пожаров (тушения щелочных металлов, электрооборудования под напряжением). Очевидно, что и для тушения газовых фонтанов вода занимает лидирующее место среди других огнетушащих средств, что определяется ее доступностью, дешевизной, простотой доставки и эксплуатации, а также высокими огнетушащими качествами. Наиболее перспективным на данный момент является применение тонкораспыленной воды для тушения пожаров. Основными механизмами тушения тонкораспыленной водой является охлаждение горящего материала и образование локализующего очаг горения облака пара. В случае если капли не будут обладать достаточной кинетической энергией, они не смогут преодолеть барьер конвективных потоков горячих газов, генерируемых пламенем, и зону радиационно-кондуктивного нагрева, в результате они не смогут достигать поверхности горения и подавлять этот процесс. В этом случае тонкораспылен- ная вода может рассматриваться как вспомогательное средство для смягчения условий при пожаре, но не как средство подавления пожара. Для успешного подавления горения необходимо, чтобы размер капель был минимален, и они могли преодолеть конвективные тепловые потоки и радиационно-кондуктивный барьер, генерируемые пламенем. Малый размер капель необходим для повышения скорости испарения воды, в результате которого происходит интенсивное охлаждение и образование флегматизирующей среды водяного пара, что обеспечивает тушение пламени. В то же бремя уменьшение размера частиц затрудняет поддержание высоких скоростей капель и способствует более быстрому испарению капель в предпламенной зоне, что снижает эффективность пожаротушения распыленной водой. Анализ данных разных авторов показывает, что оптимальнsй диаметр капель для тушения различных материалов составляет 150 - 100 мкм. Для доставки воды к горящему факелу с безопасных дистанций необходимо обеспечить высокие скорости на выходе из устройства тушения. Эта скорость должна учитывать потери при полете струи и обеспечивать необходимую скорость непосредственно перед факелом для преодоления конвективных потоков, а также «срывного» воздействия на факел. Суть «срывного» действия заключается в том, что с увеличением скорости потока равновесное положение фронта пламени сдвигается по потоку. Свежая паровоздушная горючая смесь по мере удаления претерпевает все более сильное разбавление за счет взаимной диффузии со сносящим потоком. Скорость горения такой смеси уменьшается пропорционально степени ее разбавления и при некоторой критической скорости потока, превышающей скорость горения, струя на мгновение прерывается, а пламя отбрасывается вверх и отрывается от нее. Скорость отрыва пламени факела можно оценить по эмпирической формуле: отр=100 3√d, где d - начальный диаметр струи фонтана в метрах. Анализ конкретных данных по изменению характера пламени при увеличении скорости горящей струи показывает, что срыв диффузионных пламен происходит в диапазоне скоростей 80-100 м/с. Очевидно, что указанные значения срывных скоростей с расстояний безопасного удаления (110-130 м) могут быть обеспечены при использовании высокоскоростных струй жидкости, генерируемых устройствами, аналогом которых является импульсный водомет (ИВ). .4 Схема проведения эксперимента Для обоснования возможности тушения газовых факелов импульсными струями жидкости высокой скорости были проведены предварительные экспериментальные исследования, целью которых являлось определить принципиальную возможность тушения газовых фонтанов с помощью импульсного водомета, а также определить скорости, при которых происходит тушение факела. Модель газового фонтана рассчитывалась по коэффициенту аэродинамического подобия, который характеризует процессы перемешивания газа с окружающей атмосферой, зависящие от напора и толщины газовой струи где w0 - скорость истечения газа, м/с; g - ускорение свободного падения; d0 - диаметр скважины, м. Моделирование газового факела проводилось для горения фонтанов с дебитом (1÷3)·106 м3/сут. Диаметры скважины взяты из расчета использования стандартного бурового оборудования от 0,3 до 0,5 м. При масштабе моделирования по линейным размерам М 1:100 для модельного факела диаметры насадок находятся в пределах (0,003÷0,005) м. Параметры модельных факелов для разных условий (дебита и диаметра скважины, ) представлены в табл. 5. Таблица 5 В экспериментах использовалась модель газового факела, соответствующая усредненным параметрам. На рис. 8 приведена схема проведения эксперимента. Здесь 1 - пороховой ИВ, 2 - импульсная струя, 3 - объект воздействия (газовый факел), 4 - измеритель скорости, 5 - блок лазеров, 6 - лучи лазеров. Рис. 8 Схема проведения эксперимента В экспериментах варьировалось расстояние от импульсного водомета до факела и величина порохового заряда, от которого зависит скорость импульсной струи жидкости. Расстояние от установки до факела измерялось рулеткой, а прицеливание осуществлялось при помощи специального лазерного прицела, который закреплялся на стволе импульсного водомета. Схема порохового ИВ, при помощи которого проводились экспериментальные исследования, изображена на рис. 9 [14]. Ствол 4 порохового ИВ, который заканчивается коническим соплом 6 с коллиматором 7, заполнен водой 3. Пороховой заряд 2 отделен от водяного заряда 3 пыжом 8. Для упрочнения самый напряженный участок ствола укреплен бандажом 5, который посажен на ствол с заданным натягом. Пороховой заряд 2 в корпусе водомета зафиксирован затвором 9, внутри которого находится воспламенитель 1. В начальный момент срабатывает воспламенитель 1 и поджигает пороховой заряд 2. Пороховые газы, образующиеся при горении пороха, начинают выталкивать водяной 3 заряд через коническое сопло 6 в виде импульсной струи жидкости. Истечение струи жидкости начинается с небольшой скоростью, которая быстро возрастает по мере увеличения давления пороховых газов. Рис.9 Пороховой импульсный водомет Параметры порохового ИВ были рассчитаны теоретически по методике, изложенной в [12-14]. Движение жидкости описывалось уравнениями нестационарной газовой динамики в квазиодномерной постановке, горение пороха рассматривалось в квазистационарной постановке, характерной для задач внутренней баллистики ствольных орудий. Расчеты выполнены численно методами Годунова и Родионова. Ниже приведены некоторые результаты расчетов для порохового ИВ с параметрами: масса водяного заряда 450 г, диаметр сопла и струи 15 мм. На рис. 10 приведены графики зависимости скорости истечения струи и давления внутри ИВ от времени для порохового заряда массой 30 г (штатный режим работы ИВ). Кривая 1 - скорость истечения, 2 - давление пороховых газов, 3 - давление воды в стволе ИВ. Рис. 10 Зависимость скорости истечения струи и давления внутри порохового ИВ от времени Как видно, истечение струи порохового ИВ начинается с нулевой скорости. По мере сгорания пороха скорость истечения быстро возрастает и достигает максимального значения 685 м/с через 1,5 мс сyачала выстрела. Порох сгорает позже, к моменту времени tg = 1,57 мс (на графике это отмечено пунктирной линией). Скорость истечения струи к этому времени немного уменьшается до 647 м/с. После сгорания пороха скорость истечения медленно уменьшается до 320 м/с. Истечение струи заканчивается к моменту времени t out = 5,2 мс выбросом малой порции воды пороховыми газами с более высокой скоростью. Кривая 2 давления пороховых газов в ИВ имеет типичную форму, характерную для ствольных орудий. Максимальное давление пороховых газов достигает 275 МПа ко времени 0,95 мс. Затем давление пороховых газов монотонно убывает до 40 МПа в конце выстрела. Давление воды в стволе ИВ (кривая 3) не превышает давления пороховых газов и носит пульсирующий характер, который отражает волновые процессы внутри установки при выстреле, связанные с волнами сжатия и разрежения, которые отражаются от границы пороховых газов и среза сопла. Пульсации давления незначительные и мало влияют на скорость истечения импульсной струи. Давление жидкости в установке и скорость истечения струи очень хорошо согласуются с уравнением Бернулли для несжимаемой жидкости и стационарного процесса. Максимальная скорость истечения струи ИВ, рассчитанная по давлению жидкости внутри установки на этот момент, составляет 678 м/с, что отличается от точного расчета в нестационарной постановке для сжимаемой жидкости всего на 1%. Приведенные результаты расчетов показывают, что параметры порохового ИВ с достаточной точностью можно рассчитывать в более простой квазистационарной постановке без учета сжимаемости жидкости. В табл. 6 приведены результаты расчетов максимальной скорости истечения импульсной струи жидкости порохового ИВ для разных зарядов пороха. горение газ фонтан тушение Таблица 6 Как и следовало ожидать, при уменьшении массы пороха (энергии выстрела) максимальная скорость струи и давление внутри установки уменьшались, причем давление уменьшалось гораздо быстрее, чем скорость. Например, для порохового заряда 10 г (масса пороха в 3 раза меньше штатной) максимальная скорость истечения уменьшилась в 2,3 раза, а давление - в 6 раз. Соотношения между скоростью и давлением удовлетворительно согласуются с уравнением Бернулли для несжимаемой жидкости, согласно которому давление пропорционально квадрату скорости. Существенное уменьшение максимального давления внутри установки при незначительном уменьшении максимальной скорости струи жидкости является положительным фактором для прочностных характеристик установки: чем меньше давление в установке, тем тоньше может быть ее корпус, меньше масса и, как следствие, больше мобильность. Специфический характер зависимости скорости истечения струи ИВ от времени (быстрое возрастание в начале истечения от нуля до максимума, а в дальнейшем спад практически до нуля), определяет закономерности распространения импульсной струи. В начале истечения более быстрые частицы вытекающей из сопла ИВ жидкости пробиваются через более медленные, вытекшие ранее. В результате в струе возникает радиальное течение, которое приводит к увеличению поперечного сечения струи. Скорость радиального течения νr можно оценить по уравнению Бернулли для избыточного давлению в струе, которое возникает при столкновении более быстрого заднего участка струи с более медленным передним, вытекшим ранее [16]. Эти оценки показывают, что скорость радиального течения пропорциональна корню квадратному из избыточного давления νr |