КП_ФХОР_529. Расчёт основных параметров горения и тушения газового фонтана

• Название: Расчёт основных параметров горения и тушения газового фонтана
• Дата: 14.12.2022
• Размер: 128.24 Kb.
• Имя файла: КП_ФХОР_529.docx
• Тип: Курсовая; #845296

Министерство Российской Федерации

по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям

и ликвидации последствий стихийных бедствий

Ивановская пожарно – спасательная академия ГПС МЧС России
Кафедра государственного надзора и экспертизы пожаров

(в составе УНК «Государственный надзор»)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физико-химические основы развития и тушения пожаров»


Тема: «Расчёт основных параметров горения и тушения газового фонтана»

Вариант - 29


Выполнил: ____________________

^{(Ф.И.О., факультет)}

____________________

^{(курс, № группы)}

Руководитель:

______________________________

<sup>(должность, учёная степень,

учёное звание, спец. звание, Ф.И.О.)</sup>

Дата защиты:__________________

Оценка: ______________________
_______________________

^{(подпись руководителя)}

Иваново 2022 г.

Оглавление
Введение…………………………………………………………………………..…….3

Задание на курсовую работу………………………………………………..………….4

Глава 1. Разработка схемы фонтана……………………….……………………..……5

Глава 2. Расчёт коэффициента излучения факела пламени……………………..……7

Глава 3. Расчёт теплоты сгорания компонентов смеси……………………................9

Глава 4. Расчёт объёмной низшей теплоты сгорания смеси заданных газов………11

Глава 5. Расчёт дебита фонтана.……………………………………………….……..12

Глава 6. Расчёт теплоты пожара……………………………………………...……....13

Глава 7. Расчёт безопасного расстояния от устья фонтана……………...……….…14

Глава 8. Расчёт величины облучённости от факела пламени горящего фонтана………………..…………………………………………………………….…15

Глава 9. Определение теоретического секундного расхода воды для прекращения пламенного горения газового фонтана…………………………………………….....18

Заключение………………..………………………………………………………...…19

Список используемой литературы………………..………………………………….20

Введение
Увеличивающееся с каждым годом потребление нефти и газа, ежегодный объем добычи которых в настоящее время в стране составляет более 300 млн. тонн, приводит к необходимости интенсификации процессов его добычи. Обусловленные этим отказы механизмов, нарушения технологического процесса, а также природные катастрофы приводят к серьёзным авариям, которые могут сопровождаться крупными пожарами, большими материальными потерями, ухудшением экологической обстановки в зоне пожара и прилегающих районах, а нередко и человеческими жертвами.

Борьба с пожарами на нефтяных и газовых месторождениях, часто находящихся в труднодоступных регионах, требует привлечения огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями, что требует значительных трудовых и материальных затрат. При этом зачастую имеют место потери не только специальной пожарной техники, но и обрываются жизни людей. 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: расход мощных фонтанов может достигать 10−20 миллионов кубометров газа в сутки, высота горящего факела достигает 80−100 м, интенсивность тепловыделения в таком факеле составляет несколько миллионов киловатт.

Целью курсовой работы «Расчёт основных параметров горения и тушения газового фонтана» является расчет основных параметров горения и тушения газового фонтана.

Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Построить схему фонтана, указать на ней основные геометрические параметры факела;

2. Определить коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство;

3. Рассчитать теплоту сгорания каждого из компонентов газовой смеси, опираясь на следствие из закона Гесса;

4. Рассчитать объемную низшую теплоту сгорания смеси заданных газов (по варианту;

5. Рассчитать дебит фонтана;

6. Рассчитать теплоту пожара;

7. Определить безопасное расстояние от устья фонтана, на котором личный состав может вести работу без дополнительных средств защиты от теплового излучения;

8. Определить величину облученности на заданных расстояниях от факела пламени горящего фонтана.
Задание на курсовую работу
Вариант № 29

Исходные данные для выполнения курсовой работы
Используя данные таблицы, требуется определить границы зоны теплового фонтана в безветренную погоду, на которых личный состав может вести работу без дополнительных средств защиты от теплового излучения (при расчётах принимать, что безопасным является тепловое излучение с интенсивностью в 5,6·10⁶ Дж/(м²·ч)); дать обоснованное заключение о необходимости применения специального теплозащитного снаряжения при тушении данного газового фонтана на расстоянии 10, 20, 40, 60 и 80 м от места нахождения пожарных до устья скважины; определить теоретический секундный расход воды для прекращения пламенного горения газового фонтана.

Состав фонтанизирующего вещества	Высота факела, Нф, м	Высота расположения нижней точки факела от уровня земли, Н, м	Расстояние от устья скважины до места облучения, м	Потери тепла излучением, Qизл., %	Коэффициент использования воды, Ки
СН4 – 60% С6Н14 – 20% N2– 20%	52	2,7	10, 20, 40, 60, 80	22	0,36

Дано: СН₄ – 60%, С₆Н₁₄ – 20%, N₂– 20%, Н_ф = 52 м, Н = 2,7 м, Q_изл. = 22 %,

К_и = 0,36, r = 10, 20, 40, 60, 80м.
Найти:

1). L_безоп, V_воды.

2). Дать обоснованное заключение о необходимости применения специального теплозащитного снаряжения при тушении данного газового фонтана на расстоянии 10, 20, 40, 60 и 80 м от места нахождения пожарных до устья скважины.

Решение

.

Глава 1. Разработка схемы фонтана.
В реальных условиях диффузионное горение встречается в тех случаях, когда газ или пары воспламеняются сразу же после начала их аварийного истечения. Типичным и довольно распространенным примером является диффузионное горение газа при разрушении магистральных трубопроводов, на аварийной фонтанирующей морской или сухопутной скважине газового или газоконденсатного месторождения, на газоперерабатывающих заводах.

Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха.

Горение газовых фонтанов устойчивое, которое может длиться неделями и даже месяцами и не зависит от метеорологических условий- ветра, дождя и т.п. Для ликвидации такого пожара необходимо огромное количество сил и средств.

Скорость диффузного горения лимитируется скоростью образования горючей смеси, т.е. смешением горючего с окислителем (кислородом воздуха) за счёт диффузии.

Согласно общепринятым представлениям, при горении горючего газа, вытекающего в атмосферу, кислород воздуха диффундирует через слои продуктов горения, поступает к зоне горения, где вступает в химическую реакцию окисления с горючим.

Поскольку в реальных условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков и даже сотен метров в секунду, то характер изменения поля скоростей и концентраций газа вдоль струи и поперечных сечениях (отстоящих на различных расстояниях от места истечения) будут определяться основными закономерностями турбулентной газовой струи.

При воспламенении струи газа, вытекающей из скважины, образуется так называемый диффузионный факел, имеющий осесимметричную веретенообразную форму.

Распространение пламени и воспламенение новых порций газа при турбулентном диффузном горении осуществляется теплопроводностью и диффузией горячих продуктов горения. Положение поверхности горения и скорость горения определяются интенсивностью турбулентной диффузии.

Факел фонтана служит источником теплового излучения, что является одним из серьёзных препятствий при борьбе с пожаром фонтана.

Существуют три области равных концентраций, соответствующие нижнему концентрационному пределу распространения пламени, стехиометрическому составу смеси и верхнему концентрационному пределу распространения пламени.

Ниже нижнего и выше верхнего концентрационных пределов пламени горение не возможно, т.к. ниже нижнего концентрационного предела распространения пламени имеется избыток воздуха, а выше верхнего – избыток горючего газа.

При наличии механических препятствий, механической арматуры на пути газовой струи, происходит её разбиение и распыление. В результате увеличивается поперечный диаметр факела при значительном уменьшении его высоты. Такой фонтан, за счёт высокой интенсивности перемешивания газа с воздухом, отличается более устойчивым горением, повышенным тепловыделением и значительно труднее поддаётся тушению.

Изобразим схему фонтана, расположенного вертикально и отметим на схеме геометрические размеры факела (рис.1).



Рисунок 1. Принципиальная схема расчёта безопасного расстояния от горящего факела газового фонтана.
Основным параметром газовых фонтанов является дебит – расход, выраженный в миллионах кубометров газа в сутки. По этому параметру газовые фонтаны делят на: слабые – с дебитом от 0,5 до 3 млн м³/сут, средние – 3–5 млн м³/сут, мощные – 5 –10 млн м³/сут и сверхмощные – более 10 млн м³/сут. Методика оценки дебита газового фонтана происходит по высоте факела(Н_ф).

Под высотой факела горения понимается наблюдаемая визуально или «фотографическая» длина факела, а не «химическая».

Исследованиями установлено, что с увеличением расхода газа высота факела пламени растет медленно, причем на нее не оказывает существенного влияния диаметр насадка. Так, при расходе газа 2,2 млн.м³/сутки высота факела для устья фонтана диаметром 150 и 250 мм, составляет 33 м.

Механизм стабилизации факела пламени в турбулентной свободной струе горючего газа

Для устойчивого горения необходимо равенство скоростей распространения пламени и встречного газового потока. Необходимое условие:
,
где – скорость газового потока;

– скорость распространения пламени.

может достигать нескольких метров в секунду (5-10 м/с), что значительно выше нормальных скоростей распространения пламени. Так как при высоких давлениях скорость потока газа ( ) на срезе трубы значительно больше , то факел пламени отрывается и процесс горения начинается на некотором расстоянии от среза трубы, если же скорость истечения мала, то пламя почти соприкасается с устьем.

При увеличении скорости потока высота отрыва горящего факела увеличивается и при некоторой скорости может произойти газодинамический срыв, т.е. самопроизвольное потухание.

При распространении турбулентного пламени газового фонтана на некоторое расстояние от среза трубы формируется гидродинамическая кольцевая область, в которой равна . Эта область расположена по периферии струи и обеспечивает стабилизацию факела пламени постоянно действующим источником зажигания – зажигающим кольцом.



Рисунок 2. Схема стабилизации факела пламени газового фонтана

Глава 2. Расчёт коэффициента излучения факела пламени.
Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство. Для каждого компонента смеси коэффициент излучения факела пламени рассчитывается по формуле:
,
где М – молекулярная масса углеводорода, кг/кмоль.

Для метана: М(СН₄) = 16 г/моль, = 0,192

Для гексана: М(С₆Н₁₄) = 86 г/моль, = 0,445
Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени для заданной газовой смеси по формуле:
, где:
- коэффициент излучения каждого компонента газовой смеси;

- концентрация каждого компонента газовой смеси, %.
= 0,255
Глава 3. Расчёт теплоты сгорания компонентов смеси.
Стабилизация факела, который образуется прямо на устье скважины (присоплового факела), происходит под влиянием холодной стенки среза горелки на основании факела, а также зависит от условия смешивания.

Характерной особенностью факельного горения является его продолжительность, при этом окружающие объекты оказываются в зоне теплового воздействия, что может вызвать вторичные пожары. Вклад в тепловое излучение вносят как газообразные продукты горения, так и частицы сажи.

Рассчитаем теплоту сгорания метана, этана и сероводорода, опираясь на первое следствие из закона Гесса:
, кДж/моль,
где: – число моль компонентов продуктов горения (ПГ), моль;

– стандартные энтальпии образования компонентов продуктов горения, кДж/моль;

– число моль компонентов горючей смеси (ГВ), моль;

– стандартные энтальпии образования компонентов горючей смеси, кДж/моль.

3.1. Составим уравнение реакции горения метана в воздухе:
1СН₄ + 2·(О₂ + 3,76N₂) → 1СО₂ + 2Н₂О + 2·3,76 N₂
По уравнению реакции находим, что при сгорании 1 моль метана выделяется 1 моль углекислого газа и 2 моль воды:
,
Определяем по таблице 1 приложения [2] значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю:
(СН₄) = - 74,85 кДж/моль

(СО₂) = - 393,65 кДж/моль

(Н₂О) = - 241,91 кДж/моль
Следует иметь ввиду, что существует две шкалы тепловых эффектов. В термодинамической шкале экзотермическому процессу соответствует знак минус, эндотермическому – знак плюс. В термохимической шкале знаки меняются на противоположные. В справочной литературе используется в основном термодинамическая шкала. Однако, для расчётов в курсе «Теория горения и взрыва» нами применялась термохимическая шкала. Поэтому, значения стандартных энтальпий образования веществ нужно подставлять в уравнение с обратным знаком.
Q_н (СН₄) = · (СО₂) + · (Н₂О) - · (СН₄)
Q_н (СН₄) = 393,65 + 483,8 – 74,85 = 802,6 кДж/моль
Переведём полученное значение в Дж/м³:
3,28·10⁷ (Дж/ м³)

3.2. Составим уравнение реакции горения гексана в воздухе:
1С₆Н₁₄ + 6(О₂ + 3,76N₂) → 6СО₂ + 7Н₂О + 6·3,76 N₂
По уравнению реакции находим, что при сгорании 1 моль гексана выделяется 6 моль углекислого газа и 7моль воды:
= 1, = 6, = 7
Определяем по таблице 1 приложения [2] значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю:
(С₆Н₁₄) = - 167.2кДж/моль

(СО₂) = - 393,65 кДж/моль

(Н₂О) = - 241,91 кДж/моль

Q_н (С₂Н₆) = · (СО₂) + · (Н₂О) - · (С₂Н₆)

Q_н (С₂Н₆) = 2361,9+ 1693,37- 167,2 = 3888,07 кДж/моль
Переведём полученное значение в Дж/м³:
1,59·10⁸ (Дж/ м³)

Глава 4. Расчёт объёмной низшей теплоты сгорания смеси заданных газов.
Рассчитаем объёмную низшую теплоту сгорания смеси заданных газов по формуле:

, Дж/ м³, где:
- объёмные низшие теплоты сгорания каждого компонента газовой смеси, Дж/ м³;

– концентрация каждого компонента газовой смеси, %.
= 1,78·10⁸ (Дж/ м³)

Глава 5. Расчёт дебита фонтана.
При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита ( ) горящего фонтана, так как расход газа является одним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально-технических средств, необходимых для ликвидации аварии.

Существует несколько методов, позволяющих ориентировочно определить дебит фонтанирующей скважины:

- по геолого-техническим характеристикам;

- по величине прямого скачка уплотнения (фотометрический метод);

- по уровню шума (акустический метод);

- по газодинамическим характеристикам (в зависимости от давления на

устье скважины, площади выходного сечения, плотности и температуры фонтанирующего вещества);

- по геометрическим размерам пламени.

Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаев оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способов определения расхода струи не существует. Расход мощных газовых фонтанов может быть достаточно точно определен по высоте факела ( ).

Известно, что высота турбулентного факела, образующегося при горении нормально расширенных газовых струй с дозвуковой скоростью истечения, не зависит от скорости или расхода струи, а определяется лишь диаметром отверстия (d), из которого струя вытекает, теплофизическими свойствами газа и его температурой (Т) на выходе из отверстия.

При горении природного газа, представляющего смесь газов, установлена экспериментальная зависимость между высотой факела пламени и дебитом газовой скважины.
Рассчитаем дебит фонтана по формуле:
= = 29,5 (млн.м³/сут.), где:
Н_ф – высота факела, м.
Переводим полученное значение в м³/час:
= 3,2 (м³/ч)

Глава 6. Расчёт теплоты пожара.
Рассчитываем теплоту пожара по формуле:
= 0,85 · 1,78·10⁴· 3,2 = 4,85·10¹³ (Дж/ч), где:
β - коэффициент неполноты сгорания (принимается по таблице 2 приложения 2 [1]);

- объёмная низшая теплота сгорания смеси заданных газов, Дж/ м³;

- дебет газового фонтана, м³/ч.

Глава 7. Расчёт безопасного расстояния от устья фонтана.
Рассчитываем безопасное расстояние от устья фонтана, на котором личный состав может вести работу без дополнительных средств защиты от теплового излучения по формуле:
, где:
- коэффициент излучения факела пламени для заданной газовой смеси;

- теплота пожара, Дж/ч;

- интенсивность теплового излучения, которая является безопасной для работы личного состава без специальной защиты в течение неограниченного времени, Дж/(м²·ч);

Н - высота расположения нижней точки факела от уровня земли, м;

Н_ф - высота факела, м.
= 418,6 м

Глава 8. Расчёт величины облучённости от факела пламени горящего фонтана.
Величину облучённости от факела пламени горящего фонтана на заданных расстояниях найдём по формуле:
, где:
𝜂 – потери тепла излучением;

– объёмная низшая теплота сгорания смеси заданных газов, Дж/ м³;

– секундный расход газа, м³/с;

Н_ф – высота факела, м;

r – заданное расстояние, м.
Переводим полученное значение п.5 значение дебита фонтана в м³/сек:
88,96 (м³/с)
8.1. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 10 м:
= 35,8 (кВт/м²)

8.2. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 20 м:
= 25,8 (кВт/м²)
8.3. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 40 м:
= 17,6 (кВт/м²)
8.4. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 60 м:
= 12,2 (кВт/м²)
8.5. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 80 м:

= 8,7 (кВт/м²)
8.6. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 100 м:
= 2,6 (кВт/м²)
8.7. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 120 м:
= 1,8 (кВт/м²)
8.8. Проведём расчёт величины облучённости от факела горящего фонтана на расстоянии 130 м:
= 1,6 (кВт/м²)
8.9. Построим график зависимости Е=f(L):


Рисунок 2. График зависимости излучения от расстояния

8.10. Из графика делаем выводы:
1) 130 м – расстояние от устья скважины, в пределах которого облучённость не превышает 1,6 кВт/м², является безопасным для работы личного состава без специальных средств защиты в течение неопределённо долгого времени.
2) На расстоянии 80 м – допустимо нахождение бойцов без специального теплозащитного снаряжения не более 15 мин при условии защиты открытых кожных покровов (перчатки, защитные щитки).
3) На расстоянии 37 м – допустимо вести работу в специальном теплозащитном снаряжении и защите с использованием распылённых водяных струй.
Глава 9. Определение теоретического секундного расхода воды для прекращения пламенного горения газового фонтана.

Теоретический секундный расход воды для прекращения пламенного горения газового фонтана определим по формуле:

= 247,1 (л/с), где:

- секундный расход газа, м³/с;

- удельный расход воды на тушение факела пламени, л/м³ (≈1 л/м³ для метано - воздушной смеси);

- коэффициент использования воды.
Заключение
В данной курсовой работе были проведены расчёты основных параметров горения и тушения газового фонтана. На основании проделанных расчётов, можно сделать выводы, что:
1. Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, за пределами которой личный состав при выполнении боевых действий может находиться неопределённо долгое время (интенсивность теплового излучения q_безоп=5,6·10⁶ Дж/м²·ч), расположена на расстоянии 419 м от устья скважины.

2. Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может работать длительное время в боевой одежде и в касках с защитными щитками без специального теплозащитного снаряжения, находится на расстоянии 130 м от устья скважины.

3. Граница локальной зоны теплового воздействия факела пламени газового фонтана, на которой личный состав может вести боевую работу в течение не более 5 минут в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распылённых водяных струй составляет 80 м от устья скважины.

4. Требуемый секундный расход, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана с дебитом 7,68 млн. м³ /сут., составляет 247,1 л/с.
Список используемой литературы:
1. Российская Федерация. Законы. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : ФЗ от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ.

2. Батов Д.В., Мочалова Т.А., Сторонкина О.Е., Таратанов Н.А. Учебно – методическое пособие по выполнению укрсовой работы по дисциплине «Физико – химические основы развития и тушения пожаров» для обучающихся по направлениям подготовки 20.05.01 «Пожарная безопасность» и 20.03.01 «Техносферная безопасность» по заочной и дистанционной формам обучения. – Иваново: Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017. – 52 с.

3. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х ч. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Асс. «Пожнаука», 2004. - Т.1 – 2.

4. Марков В.Ф. Физико – химические основы развития и тушения пожаров. Учебное пособие для курсантов, студентов и слушателей образовательных учреждений МЧС России / В.Ф. Марков, Л.Н. Маскаева, М.П. Миронов, С.Н. Пазникова. – Екатеринбург. УрО РАН.- 2009. - 274 с.

5. Наумов А.В., Самохвалов Ю.П., Семенов А.О. Сборник задач по основам тактики тушения пожаров, учебное пособие / под общ. ред. М.М. Верзилина; Иваново: ИвИ ГПС МЧС России, 2008. - 185 с.

6. Теребнев В.В. Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений; М.: ПожКнига, 2004. - 248 с., ил. – 446 с.

7. Тимофеева С.С., ДроздоваТ.И., Плотникова Г.В., Гольчевский В.Ф. Физико-химические основы развития и тушения пожаров : учеб. пособие. – Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2013. – 178 с.

8. Шароварников А.Ф., Салем Р.Р., Воевода С.С. Общая и специальная химия: учебное пособие; Академия ГПС МЧС России, 2005. - 458с.