Теоретический расчет основных параметров горения газового фонтана

Оценка  расхода горящих газовых фонтанов

При тушении пожаров мощных газовых  фонтанов возникает необходимость в оценке расхода горящего фонтана, так как расход газа является од ним 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 способом определения расхода струи не существует. Расход мощных недорасширенных газовых фонтанов может быть определен по высоте факела (Н).

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. Известна эмпирическая формула высоты факела при горении фонтана природного газа:

V = 0.0025H²,млн.м³/сутки.

На  реальных пожарах ламинарный режим  горения практически не встречается. Газ, как в пласте газового месторождения, так и в транспортных трубопроводах и в технологических установках, находится под давлением. Поэтому расходы газа при аварийном истечении будут очень большими - до 100 м /с на пожарах фонтанирующих газовых скважин (до 10 млн. м³/сутки). Естественно, что в этих условиях режимы истечения, а значит, и режимы горения будут турбулентными.

Для расчета сил и средств на тушение  горящих газовых факелов необходимо знать расход газа. Исходные данные для его расчета практически всегда отсутствуют, поскольку неизвестны либо давление газа в технологическом оборудовании, либо в пласте месторождения. Поэтому на практике пользуются экспериментально установленной зависимостью высоты пламени факела от расхода газа (табл. 2).

Таблица 2. Зависимость высоты пламени  от расхода газа газового фонтана при различных режимах горения

Режим горения	Расход газа, м3/с	Высота  пламени, м
турбулентный	5	16
		10	22
		20	28
		30	35
ламинарный	1.8*10-6	25*10-2

Методы тушения газовых фонтанов

До  настоящего времени тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газоводяными 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.

В Институте  гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы разработан принципиально новый вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности. Тушение факела по этому способу осуществляется путем воздействия на факел воздушным вихревым кольцом, заполненным распыленным огнетушащим порошком. Вихревое кольцо образуется при взрыве небольшого кольцевого заряда взрывчатого вещества, обложенного слоем огнетушащего порошка. Этот способ характеризуется высокой эффективностью, незначительным объемом подготовительных работ и малыми расходами огнетушащих материалов. Простота реализации данного способа позволяет осуществить тушение горящего газового фонтана в сжатые сроки при минимальных затратах людских и материальных ресурсов.

 

 

Расчет основных параметров горения газового фонтана

 

1. Дебит газового фонтана (D, млн. м³/сутки) рассчитывается по высоте пламени:

2. Режим истечения газовой струи определяется сравнением эффективности скорости истечения (V_Э) со скоростью звука (V_О)

3. Расчет  теоретической ( ) и действительной ( температур горения, для этого определим теплоту сгорания, т.е. количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы количества горючего материала, с учетом состава газового фонтана.

 

 

 

 

Найдем  продукты горения

 

 

 или 

 или 

 или 

 или 

 

 

4. Действительная температура горения всегда ниже теоретической, так как часть тепла теряется на излучение. При расчете действительной температуры горения учитывают потери тепла в результате химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного горения (CO, C, C_n, H_m и др.) и потерь тепла излучением факела пламени.

5. Изменение мощности (интенсивности) излучения факела пламени фонтана (q_л, кВт/м²) в зависимости от расстояния до устья скважины можно рассчитать по соотношениям:

 

L, м	q, кВт/м2
10	43,90633
20	11,54294
30	5,179689
40	2,923446
50	1,873944
60	1,302461
70	0,957403
80	0,733257
90	0,579496
100	0,469469

рис. 1 Зависимость изменения мощности излучения факела пламени фонтана от расстояния до устья скважины.
Построив график зависимости q = f (L), устанавливаем, что:
1. расстояние, на котором личный состав может работать длительное время (около 15 минут) в боевой одежде и в касках с защитными щитками без специального теплозащитного снаряжения, которое определяется по мощности теплового потока, составляющего величину 4,2 кВт/м2, равно 33,3 м от устья скважины фонтанирующего газа;
2. расстояние, на котором личный состав может вести боевую работу в течении не более 5 мин в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй, определяемое мощностью теплового потока в 14 кВт/м2, составляет 18,1 м.

 

 

 

Вывод

В результате проведенных  расчетов мы определили теоретическую и действительную температуры горения газового фонтана, интенсивность лучистого потока в зависимости от расстояния до устья скважины и режим истечения.

Из этого  мы можем судить об времени горения  газового фонтана, можем рассчитать количество специальной пожарной техники и личного состава необходимого для тушения данного пожара. Зная интенсивность лучистого потока, мы можем точно определить на каком расстоянии от устья скважины может находиться личный состав и пожарная техника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

1. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров-М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1980.-255с.
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., Луговцев Б.А. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах / Тр. Школы семинара «Физика нефтяного пласта» - 2002 С.7-14