Пузина Е.Д Курсовая работа. ФИЗХИМ. Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана

• Название: Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана
• Дата: 13.06.2022
• Размер: 266.37 Kb.
• Имя файла: Пузина Е.Д Курсовая работа. ФИЗХИМ.docx
• Тип: Курсовая; #589065

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Кафедра «Пожарная и техносферная безопасность»


Курсовая работа

по дисциплине: «Физико-химические основы развития и тушения

пожара»

на тему: «Расчет основных параметров горения и тушения пожара

газового фонтана»

Выполнил: ст. гр. ПБ-21

Пузина Е.Д.

Проверил:

Гопия О.Г.


Волгоград – 2020

ЗАДАНИЕ

К курсовой работе по дисциплине

«Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

По специальности «Пожарная безопасность »

На тему: Расчёт основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана.
Студенту Пузиной Елизавете Дмитриевне группы ПБ-21
Компактный газовый фонтан состава:

№	Компонент	Содержание компонентов, % об.
1.	Метан	95
2.	Этан	-
3.	Пропан	-
4.	Сероводород	-
5.	Сероуглерод	-
6.	Азот	-
7.	Диоксид углерода	2
8.	Кислород	3

• 
  истекающий через устье диаметром d=150мм;
  
• 
  имеет высоту факела пламени Н_ф=20м;
  
• 
  химический недожог в зоне горения составляет h_х =0,10 (в долях от низшей теплоты сгорания);
  
• 
  тушение пожара осуществляется закачкой воды в скважину.
  

Рассчитать:

1. Дебит газового фонтана и режим истечения газовой струи.

2. Теплоту пожара.

3. Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины.

4. Время воспламенения растительных материалов (древесины) под влиянием тепловых потоков.

5. Адиабатическую температуру потухания.

6. Удельный расход воды на тушение фонтана.

7. Минимальный секундный расход воды.

8. Коэффициент использования воды.
Руководитель ______________________ Гопия О.Г.

Содержание

Введение 5

1.Определение дебита газового фонтана и режима истечения газовой струи 6

2.Определение теплоты пожара 7

3.Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины и определение безопасных расстояний 8

4.Определение времени воспламенения растительных материалов (древесины) под влиянием тепловых потоков 12

5.Определение адиабатической температуры потухания 14

6.Расчет теплосодержания продуктов горения при температуре потухания 19

7.Определение минимального секундного расхода воды 21

8.Определение коэффициента использования огнетушащего средства при тушении пожара газового фонтана 22

Выводы 22

Библиографический список 23

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 серьезным 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, нанесенный 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 «Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана» является выработка навыков использования теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожара» при проведении расчетов параметров пожаров и расхода огнетушащих веществ.

В результате выполнения курсовой работы студент должен знаь и уметь оценивать расчетными методами:

• 
  режим истечения газового фонтана;
  
• 
  параметры пожара газового фонтана;
  
• 
  адиабатическую и действительную температуру пламени;
  
• 
  интенсивность облученности от факела пламени в зависимости от расстояния до устья скважины;
  
• 
  расход воды на тушение пожара газового фонтана.
  

1. Определение дебита газового фонтана и режима истечения газовой струи

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

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 (T) на выходе из отверстия.

Известна эмпирическая формула расчета дебита горящего фонтана по высоте факела при горении природного газа:

(1)

где: Нф – высота факела пламени, м.



Режим истечения газовой струи:

где: d – диаметр устья скважины, м.,

– секундный расход газа, м³/с

м³/с (2)

Секундный расход газа определяется:

м³/с (3)

м³/с

Тогда режим истечения газовой струи будет равен:

м³/с

2. Определение теплоты пожара

Теплота пожара – количество тепла, выделяющееся в зоне горения в единицу времени. Определяется:

,кВт (4)

где: – низшая теплота сгорания смеси газов , кДж/м³

– химический недожог;

– секундный расход газа, м³/с

Низшая теплота сгорания смеси газов рассчитывается по:

, кДж/м³ (5)

где: – удельная теплота сгорания i – го горючего компонента смеси, кДж/м³

– содержание i – го горючего компонента смеси, % об

Удельная теплота сгорания равна количеству теплоты, выделяющейся при сгорании 1м³ газообразного вещества до образования высших оксидов:

, кДж/м³ (6)
где: 24.45л – объем 1 моля газа при 298К (22,4л занимает 1 моль газа при температуре 273К)

– низшая теплота сгорания i – го горючего компонента, кДж/м³

Низшая теплота сгорания каждого горючего компонента смеси расчитывается исходя из закона Гесса:

, кДж/м³ (7)

где: – теплота образования i – го вещества

– количество молей i – го вещества.

Запишем уравнение материального баланса горения для метана:

CH₄ + 2O₂ + 2 * 3.76N₂ = CO₂ + 2H₂O + 2 * 3.76N₂

Низшая теплота сгорания метана:

кДж/м³

= (396,9 * 1 + 242,2 * 2) – (75 * 1) = 806,3 кДж/м³

Удельная теплота сгорания 1м³ метана будет равна:

кДж/м³

= = 32977,5 кДж/м³

Таким образом низшая теплота сгорания смеси газов будет равна:

кДж/м³

Теплота пожара, соответственно, составит:

кВт

3. Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины и определение безопасных расстояний

При расчете мощности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины рассматривается следующая схема:



Рис. 1 Модель для расчета мощности излучения пламени

Поверхность пламени фонтана (1) заменяется точкой (2), расположенной над устьем равной половине высоты факела, и излучающей тепловую энергию в единицу времени такую же как и весь факел.

, кВт (8)

где: – химический недожог,

– низшая теплота сгорания смеси газов, кДж/м³

– секундный расход газа, м³/с

– топлопотери излучением газового фонтана. Определяется:

(9)

где: – средняя молярная масса газовой смеси, кг/моль. Определяется:

, кг/моль (10)

где: – молярная масса i – го горючего компонента в смеси, кг/моль

– содержание i – го горючего компонента в смеси, % об,

Молярная масса каждого компонента:

Молярная масса метана: СН₄ = 12,011 + 1,0079 * 4 = 16,04 кг/моль

Средняя молярная масса газовой смеси:



Тогда теплопотери излучением газового фонтана будет составлять



Значит излучение тепловой энергии составит:

= 0,19 * 31328,63 * (1 – 0,10) * 11,574 = 62004,2 кВт

Коэффициент общих теплопотерь. Определяется:

(11)

где: – химический недожог,

– топлопотери излучением газового фонтана. Определяется:



Это излучение воспринимается поверхностью шара:

, м² (12)

С возрастанием радиуса шара интенсивность излучения снижается, так как возрастает поверхность, воспринимающая это излучение.

Согласно рис.1 и известной теоремы Пифагора для расчета мощности теплового потока, поступающего на поверхность земли, в уравнении (12) проведена замен R на ее составляющие:

(13)
Таким образом, мощность лучистого теплового потока от пламени на различных расстояниях от устья скважины может быть рассчитана:

,кВт/м² (14)

где: – расстояние до устья скважины, м

– высота факела пламени, м

– химический недожог

– теплота пожара, кВт

Интенсивность (мощность) лучистого теплового потока составит:










Запишем, полученные значения интенсивности (мощности) лучистого теплового потока в таблицу:

L, м	0	2	4	6	7	9	11
,кВт/м2	25,98	24,98	22,39	19,10	17,43	14,35	11,75

График зависимости мощности теплового потока от расстояния до

устья скважины

4. Определение времени воспламенения растительных материалов (древесины) под влиянием тепловых потоков

, с (15)

где: – интенсивность (мощность) лучистого теплового потока, кВт/м²

Данное уравнение справедливо при условии, что кВт/м²

Время воспламенения древесины под действием лучистого теплового потока составит:

с
с
с
с
с

с
с
с
Запишем, полученные значения времени воспламенения растительных материалов в таблицу:

L, м	0	2	4	6	7	9	11
,с	50,37	55,78	74,14	112,08	142,18	235,72	396,38

График зависимости времени воспламенения древесины от расстояния до устья скважины

5. Определение адиабатической температуры потухания

За адиабатическую температуру потухания можно принять минимально возможную температуру горения, например, температуру горения на нижнем концентрационном пределе распространения пламени (НКПР).

Порядок расчета:

• 
  определим нижний концентрационный предел распространения пламени ( ) для индивидуальных горючих компонентов газовой смеси по аппроксимационной формуле:
  

,% (16)
где: – число молей кислорода, необходимое для полного сгорания одного моля горючего вещества (находят из уравнения реакции горения);

a и b – константы, имеющие определенные значения для нижнего концентрационного предела распространения пламени в зависимости от значения n (a = 8,684; b = 4,679)

Для метана нижний концентрационный предел распространения пламени:

%

• 
  определим по уровню Ле-Шателье нижний концентрационный предел распространения пламени всей газовой смеси ( ).
  

,% (17)

где: – нижний концентрационный предел распространения пламени для индивидуальных горючих компонентов в газовой смеси;

– доля компонента смеси

Доля компонента смеси определяется по формуле:

(18)

Количество вещества компонента в смеси:

(19)

где – содержание i-го компонента (по заданию), %

– молярная масса i-го горючего компонента в смеси, кг/кмоль

Количество метана в смеси:



Количество вещества всей смеси:

(20)

Тогда

Доля метана в смеси:



Нижний концентрационный предел распространения пламени всей смеси будет равен:

%

(21)

где: – нижний концентрационный предел распространения всей газовой смеси, %;

– теоретический объем воздуха для горения газовой смеси вонтана, м³/м³.

Для нахождения коэффициента избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе распространения пламени для данной смеси газов рассчитаем теоретический объем воздуха:

м³/м³ (22)

где: – сумма произведений стехиометрических коэффициентов реакций горения каждого компонента горючей смеси ( ) на процентное содержание этого компонента ( ) в смеси;

– процентное содержание кислорода в газовой смеси.

– теоретический объем воздуха для горения газовой смеси вонтана, м³/м³.

м³/м³

Отсюда коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе распространения пламени будет равен:

• 
  определим коэффициент избытка воздуха на нижгнем концентрационном пределе распространения пламени:
  

м³/м³ (23)

где: – теоретический объем воздуха для горения газовой смеси фонтана, м³/м³;

– коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе распространения пламени.

м³/м³

• 
  методом последовательных приближений рассчитывается адиабатическая температура горения на нижнем концентрационном пределе распространения пламени (адиабатическая температура потухания).
  

Для расчета адиабатической температуры потухания методом последовательных приближений из уравнения химической реакции горения определяется объем и состав продуктов горения.

Определим объем (V) и число молей () продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 80% СН₄; 15% С₃Н₈; 5% H₂S, используя приведенные химические уравнения реакций горения.

Объем продуктов горения углекислого газа CO₂:



где: – стехиометрический коэффициент CO₂ в метане

– стехиометрический коэффициент метана

– процентное содержание метана в смеси (по заданию)

м³/м³

Число молей углекислого газа:



моль/м³

Объем продуктов горения воды H₂O:



где: – стехиометрический коэффициент H₂O в метане

– стехиометрический коэффициент метана

– процентное содержание метана в смеси (по заданию)

_м3/м3

Число молей воды:



моль/м³

Объем продуктов горения азота N₂:



где: – стехиометрический коэффициент в метане

– стехиометрический коэффициент метана

– процентное содержание метана в смеси (по заданию)

м³/м³

Число молей азота:



моль/м³

Суммарный объем продуктов горения с учетом избытка воздуха составит:

м³/м³ (24)

м³/м³

Рассчитываем среднее теплосодержание продуктов горения:

кДж/м³ (25)

где: – низшая теплота сгорания смеси газов, кДж/м³

- суммарный объем продуктов горения с учетом избытка воздуха, м³/м³

кДж/м³

Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры, можно установить какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения.

кДж/моль (26)

кДж/моль

При температуре 1100⁰С теплосодержание азота 35,76 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры.

кДж/моль

где: Н – энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении, кДж/моль

– избыток воздуха на нижнем концентрационном пределе распространения пламени, м³/м³

Рассчитываем теплосодержание при температуре 1100⁰С

кДж/моль



Рассчитываем теплосодержание при температуре 1000⁰С

кДж/моль



Методом линейной интерполяции определим адиабатическую температуру потухания:

, ⁰С

где: Т – температура, ⁰С

– теплосодержание продуктов горения при температуре Т, кДж/м³

– низшая теплота сгорания смеси газов, кДж/м<sup>3

0</sup>С

6. Расчет теплосодержания продуктов горения при температуре потухания

кДж/моль (27)

где: – теплосодержание i-го продукта горения, при температуре потухания, кДж/моль

– объем i-го продукта горения, м³/м³

Методом линейной интерполяции определим теплосодержание i-го продукта горения при температуре потухания:

кДж/моль

где: – теплосодержание газов пи постоянном давлении при температуре , кДж/моль

Т – температура, ⁰С

– адиабатическая температура потухания, ⁰С

Чтобы перевести кДж/моль в кДж/м³, необходимо после расчета интерполяции теплосодержания i-го продукта горения при температуре потухания разделить на 22,4л (т.к. 22,4л занимает 1 моль газа при температуре 273К) и умножить на 10^-3.

Теплосодержание углекислого газа при температуре потухания:

кДж/моль

кДж/м³

Теплосодержание воды при температуре потухания:

кДж/моль

кДж/м³

Теплосодержание азота при температуре потухания:

кДж/моль

кДж/м³



Расчет количества тепла, необходимого для отвода от зоны пламени для снижения температуры горения до температуры потухания:

кДж/м³ (28)

где: – низшая теплота сгорания смеси газов, кДж/м³

– теплосодержание продуктов горения при температуре потухания, кДж/м³



Минимальный удельный расход воды рассчитывается по соотношению:

л/м³ (29)

где: – количество тепла, необходимого длоя отвода от зоны пламени для снижения температуры горения до температуры потухания, кДж/м³

– охлаждающий эффект воды, кДж/кг (л)

Рассчитывается по формуле:

кДж/кг (л) (30)

где: – температура кипения воды (100⁰С)

– начальная температура (20⁰С)

С – теплоемкость воды (4,2 кДж/кг*К)

– теплоемкость водяного пара (2,52 кДж/кг*К)

– скрытая температура парообразования воды (2260 кДж/кг (л)

– охлаждающий эффект воды, кДж/кг (л)

кДж/кг (л)

Минимальный секундный расход воды равен:

л/м³

7. Определение минимального секундного расхода воды

л/с (31)

где: – секундный расход газа м³/с

– минимальный удельный расход воды, л/м³

л/с

По данным рассчитываем фактический удельный расход воды:

л/м³ (32)

где: – фактический секундный расход воды на тушение газового фонтана, л/с

л/м³

8. Определение коэффициента использования огнетушащего средства при тушении пожара газового фонтана

(33)

где: – минимальный удельный расход воды, л/м³

– фактическийудельный расход воды, л/м³



Результаты расчета подставляются в итоговую таблицу:

Дебит фонтана, млн м3/сутки	Теплота пожара, кВт	Границы зоны теплового воздействия пожара, м				Удельный расход воды					Коэффициент использования огнетушащего средства
		Мощность теплового потока, кВт/м2				расче тный		факти ческий
		0	6	11
1	326337,80	25,98	19,10	11,75	3,47		1,73		2

Выводы

1. 
   В результате проведенных расчетов определены основные параметры горения газового фонтана: мощность фонтана (1млн м³/сутки), действительная температура его горения (970⁰С);
   
2. 
   Требуемый секундный расход воды с учетом коэффициента ее использования, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана составляет 20л/с.
   

Библиографический список

1. 
   Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Миронов Н.П., Пазникова С.Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 274с.
   
2. 
   Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров М.: Стройиздат, 1990. 424с.
   
3. 
   Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения. М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 113с.
   
4. 
   Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов. М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. 83с.
   
5. 
   Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. Л.: Химия, 1983. 332с.
   
6. 
   Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах / Тр. школы семинара «Физика нефтяного пласта», 2002. С. 7-14.
   
7. 
   Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. М.: Стройиздат, 1987. 288с.: ил.