Файл: Курсовая работа физикохимические основы развития и тушения пожаров.docx
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 268
Скачиваний: 9
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ЗВ + НЗД) называется длиной (высотой) факела горящего фонтана (НФ). С точностью ± 5 % для расчета длины факела газового фонтана можно использовать эмпирическую формулу (1.1):
(1.1)
Где,
- дебит газа, млн. м3 /сут.
Высоту факела диффузионного пламени можно определить по формуле (1.2):
(1.2)
Где,
- высота пламени, м;
- скорость истечения газа, м/с;
- радиус струи горючего газа (горелки), м;
D - коэффициент диффузии окислителя в продуктах реакции, м2/с.
Диаметр устья скважины в определенных пределах практически не влияет на высоту факела горящего фонтана. Так, при дебите 2,2 млн. м3 в сутки высота факела для устьев диаметром 150 и 250 мм составляет около 33 м. У газонефтяных фонтанов высота факела несколько больше, чем у газовых, тогда как у нефтяных она фактически не превышает 20 - 30 м.
Цвет пламени с увеличением содержания в фонтане нефти изменяется от светло-желтого для газового фонтана до темно-оранжевого. При этом возрастает интенсивность образования клубов черного дыма.
С увеличением дебита скважины происходит некоторое повышение максимальной температуры пламени (на 60 - 70℃) за счет роста турбулентности струи. [1]
Раздел 1.2 Методы оценки дебита горящих газовых фонтанов
При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита (ЛК) 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 (1.3).
, м (1.3)
Где,
- расход газа, млн. м3/сутки.
Эта формула может быть использована для определения дебита фонтана по высоте пламени (1.4):
, млн. м3/сутки (1.4)
Где,
- высота факела газового фонтана, м
Высота пламени у газонефтяных фонтанов несколько больше, чем у газовых.
Раздел 1.3 Основные параметры пожаров на газовых и нефтяных фонтанах
Факел фонтана служит источником теплового излучения, что является одним из серьезных препятствий при борьбе с пожаром фонтана.
Интенсивность теплового излучения компактного вертикального факела газового фонтана в безветренную погоду может быть рассчитана по формуле (1.5):
Дж/м2ч (1.5)
Где,
- коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство и определяемый по формуле (1.6):
(1.6)
Где,
М - молекулярная масса углеводорода, кг/кмолы,
- количество тепла, выделяемого факелом пламени, Дж/ч;
R - расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли, м.
Теплота пожара определяется по формуле (1.7):
, Дж/ч. (1.7)
Где,
- низшая теплота сгорания газа, Дж/м3;
- коэффициент неполноты сгорания;
- дебит газового фонтана, м3/ч.
При интенсивности излучения (34) ·107 Дж/(м2/ч) время реакции человека (5 с) оказывается больше, чем время достижения болевых ощущений, что может привести к сильным ожогам людей, находящихся вблизи устья потушенного фонтана при неожиданной его вспышке. При расчетах принимают, что тепловое излучение с интенсивностью в 5,6 · 106 Дж/(м2/ч) является безопасным и личный состав может выдерживать такие тепловые нагрузки без специальной защиты в течение неограниченного времени.[3]
Зная величину интенсивности теплового излучения, которую выдерживает
личный состав 
, можно рассчитать предельное расстояние (Рисунок 2) от центра факела пламени по формуле (1.8):
, м (1.8)
Рис.2 Принципиальная схема расчета безопасного расстояния от горящего факела газового фонтана
Безопасное расстояние (рис, 2), на котором может работать личный состав, можно найти по формуле (1.9):
, м (1.9)
Температура пламени газового фонтана зависит от дебита скважины и несколько повышается с расходом газа, что объясняется изменением степени турбулентности газовой струи и скорости сгорания (таблице 1).
Таблица 1. Максимальная температура пламени газового фонтана в зависимости от расхода газа, К
При наличии механических препятствий, металлической арматуры на пути газовой струи происходит ее разбиение и распыление. В результате увеличивается поперечный диаметр факела при значительном уменьшении его высоты. Такой фонтан за счет высокой интенсивности перемешивания газа с воздухом отличается более устойчивым горением, повышенным тепловыделением и значительно труднее поддается тушению. [2]
При уровне облучённости до 4,2 кВт/м допустимо нахождение сотрудников без специального теплозащитного снаряжения не более 15 мин при условии защиты открытых кожных покровов (перчатки, защитные щитки).
При облучённости до 14 кВт/м можно вести работу в специальном теплозащитном снаряжении и защите с использованием распылённых водяных струй. Плотность теплового потока может быть существенно понижена путем подачи водяных струй в струю фонтана, создания экранирующих водяных завес, использования экранирующих щитов для групповой и индивидуальной защиты. При удельном расходе воды 10 - 15 л/с на млн. м сут. газа плотность теплового потока снижается в 2 раза и в З раза - при подаче 30 л/с на млн. м /сут. газа.
Глава 2. Расчет параметров горения и тушения газовых фонтанов
Раздел 2.1 Расчет для прекращения пламенного горения газового фонтана
Нам даны следующие исходное данные:
Необходимо найти
и 
Для начала изобразим схему фонтана, расположенного вертикально, и отметим на схеме геометрические размеры факела (рисунок 2)
Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство, для каждого компонента смеси коэффициент излучения факела пламени рассчитывается по формуле (1.6)
(1.6)
Где,
М - молекулярная масса углеводорода, кг/кмолы,
- количество тепла, выделяемого факелом пламени, Дж/ч;
R - расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли, м.
Для метана М(CH4) =16 г/моль,
Для пентана М(C5H12) =72 г/моль,
Для углекислого газа М(CO2) =44 г/моль,
Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени для заданной газовой смеси по формуле (2.1):
Раздел 2.2 Уравнения реакции горения
Рассчитаем теплоту сгорания метана, этана и сероводорода, опираясь на первое следствие из закона Гесса.
Уравнение реакции горения метана в воздухе:
1CH4 +2(O2 + 3,76 N2)
1CO2 + 2H2O + 2·3,76N2
По уравнению реакции находим, что при сгорании моль метана выделяется 1 моль углекислого газа и 2 моль воды
= 1; 
= 1; 
= 2;
Определяем по таблице 1 приложения 3 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О2, N2) равны нулю.
(CH4) = -74,85 кДж/моль;
(1.1)Где,
- дебит газа, млн. м3 /сут.Высоту факела диффузионного пламени можно определить по формуле (1.2):
(1.2)Где,
- высота пламени, м; - скорость истечения газа, м/с; - радиус струи горючего газа (горелки), м;D - коэффициент диффузии окислителя в продуктах реакции, м2/с.
Диаметр устья скважины в определенных пределах практически не влияет на высоту факела горящего фонтана. Так, при дебите 2,2 млн. м3 в сутки высота факела для устьев диаметром 150 и 250 мм составляет около 33 м. У газонефтяных фонтанов высота факела несколько больше, чем у газовых, тогда как у нефтяных она фактически не превышает 20 - 30 м.
Цвет пламени с увеличением содержания в фонтане нефти изменяется от светло-желтого для газового фонтана до темно-оранжевого. При этом возрастает интенсивность образования клубов черного дыма.
С увеличением дебита скважины происходит некоторое повышение максимальной температуры пламени (на 60 - 70℃) за счет роста турбулентности струи. [1]
Раздел 1.2 Методы оценки дебита горящих газовых фонтанов
При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита (ЛК) 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 (1.3).
, м (1.3) Где,
- расход газа, млн. м3/сутки.Эта формула может быть использована для определения дебита фонтана по высоте пламени (1.4):
, млн. м3/сутки (1.4)Где,
- высота факела газового фонтана, мВысота пламени у газонефтяных фонтанов несколько больше, чем у газовых.
Раздел 1.3 Основные параметры пожаров на газовых и нефтяных фонтанах
Факел фонтана служит источником теплового излучения, что является одним из серьезных препятствий при борьбе с пожаром фонтана.
Интенсивность теплового излучения компактного вертикального факела газового фонтана в безветренную погоду может быть рассчитана по формуле (1.5):
Дж/м2ч (1.5)Где,
- коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство и определяемый по формуле (1.6): (1.6)Где,
М - молекулярная масса углеводорода, кг/кмолы,
- количество тепла, выделяемого факелом пламени, Дж/ч;R - расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли, м.
Теплота пожара определяется по формуле (1.7):
, Дж/ч. (1.7)Где,
- низшая теплота сгорания газа, Дж/м3; - коэффициент неполноты сгорания; - дебит газового фонтана, м3/ч.При интенсивности излучения (34) ·107 Дж/(м2/ч) время реакции человека (5 с) оказывается больше, чем время достижения болевых ощущений, что может привести к сильным ожогам людей, находящихся вблизи устья потушенного фонтана при неожиданной его вспышке. При расчетах принимают, что тепловое излучение с интенсивностью в 5,6 · 106 Дж/(м2/ч) является безопасным и личный состав может выдерживать такие тепловые нагрузки без специальной защиты в течение неограниченного времени.[3]
Зная величину интенсивности теплового излучения, которую выдерживает
личный состав , можно рассчитать предельное расстояние (Рисунок 2) от центра факела пламени по формуле (1.8): , м (1.8) Рис.2 Принципиальная схема расчета безопасного расстояния от горящего факела газового фонтана
Безопасное расстояние (рис, 2), на котором может работать личный состав, можно найти по формуле (1.9):
, м (1.9)Температура пламени газового фонтана зависит от дебита скважины и несколько повышается с расходом газа, что объясняется изменением степени турбулентности газовой струи и скорости сгорания (таблице 1).
Таблица 1. Максимальная температура пламени газового фонтана в зависимости от расхода газа, К
| Диаметр устья скважины, м | Расход газа, м3/с | Максимальная температура пламени, К |
| 0.15 0.15 0.2 0.2 | 6.78 31.2 6.55 30.8 | 1553 1623 1573 1633 |
При наличии механических препятствий, металлической арматуры на пути газовой струи происходит ее разбиение и распыление. В результате увеличивается поперечный диаметр факела при значительном уменьшении его высоты. Такой фонтан за счет высокой интенсивности перемешивания газа с воздухом отличается более устойчивым горением, повышенным тепловыделением и значительно труднее поддается тушению. [2]
При уровне облучённости до 4,2 кВт/м допустимо нахождение сотрудников без специального теплозащитного снаряжения не более 15 мин при условии защиты открытых кожных покровов (перчатки, защитные щитки).
При облучённости до 14 кВт/м можно вести работу в специальном теплозащитном снаряжении и защите с использованием распылённых водяных струй. Плотность теплового потока может быть существенно понижена путем подачи водяных струй в струю фонтана, создания экранирующих водяных завес, использования экранирующих щитов для групповой и индивидуальной защиты. При удельном расходе воды 10 - 15 л/с на млн. м сут. газа плотность теплового потока снижается в 2 раза и в З раза - при подаче 30 л/с на млн. м /сут. газа.
Глава 2. Расчет параметров горения и тушения газовых фонтанов
Раздел 2.1 Расчет для прекращения пламенного горения газового фонтана
Нам даны следующие исходное данные:
| Состав фонтанирующего вещества | CH4 – 73 %; C5H12 – 22 %; CO2 – 20 %; |
| Высота факела | 86 м |
| Высота расположения нижней точки факела от уровня земли | 1,9 м |
| Интенсивность теплового излучения, которая является безопасной для работы личного состава без специальной защиты в течение неограниченного времени | 5,6 · 10 6 Дж/(м2/ ч). |
| Расстояние от устья скважины до места облучения | 10 м; 40м; 80м; 20м; 60м; |
| Потери тепла излучением | 10% |
| Коэффициент использования воды | 0,38  |
Необходимо найти
и
Для начала изобразим схему фонтана, расположенного вертикально, и отметим на схеме геометрические размеры факела (рисунок 2)
Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство, для каждого компонента смеси коэффициент излучения факела пламени рассчитывается по формуле (1.6)
(1.6)Где,
М - молекулярная масса углеводорода, кг/кмолы,
- количество тепла, выделяемого факелом пламени, Дж/ч;R - расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли, м.
Для метана М(CH4) =16 г/моль,
Для пентана М(C5H12) =72 г/моль,
Для углекислого газа М(CO2) =44 г/моль,
Рассчитаем коэффициент излучения факела пламени для заданной газовой смеси по формуле (2.1):
Раздел 2.2 Уравнения реакции горения
Рассчитаем теплоту сгорания метана, этана и сероводорода, опираясь на первое следствие из закона Гесса.
Уравнение реакции горения метана в воздухе:
1CH4 +2(O2 + 3,76 N2)
1CO2 + 2H2O + 2·3,76N2По уравнению реакции находим, что при сгорании моль метана выделяется 1 моль углекислого газа и 2 моль воды
= 1; = 1; = 2;Определяем по таблице 1 приложения 3 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О2, N2) равны нулю.
(CH4) = -74,85 кДж/моль;