Рыбохозяйственного комплекса

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И

РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАФЕДРА «ПОЖАРНАЯ И ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ»

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРА»

НА ТЕМУ «РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРА ГАЗОВОГО ФОНТАНА»

 

 

                                                Выполнил:

 

студент группы

                                                        Проверил:

 

 

ВОЛГОГРАД 2021

Образец задания по вариантам

 

К курсовой работе по дисциплине

«Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

На тему:

Расчет основных параметров горения и тушения пожара газового фонтана.

 

Студенту _________ _________________группы ______ ____

Компактный газовый фонтан состава:

 

№ п / п	Компонент К о м по н е нт	С о д е р ж а н и е компонентов, %об.
1.	Метан	80
2.	Этан	-
3.	Пропан	15
4.	Сероводород	5
5.	Сероуглерод	-
6.	Азот	-
7.	Диоксидуглерода	-
8.	Кислород	-

 

- истекающий через устье диаметром d=65мм;

- имеет высоту факела пламени Н ф=17м;

- химический недожог зоне горения составляет hх=0,15 (в долях от низшей теплоты сгорания);

- тушение пожара осуществляется водяной струёй из лафетных стволов.

 

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 и определение безопасных расстояний.

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 ________________________________  

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

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

− режим истечения газового фонтана;

− параметры пожара газового фонтана;

− адиабатическую и действительную температуры пламени;

− интенсивность облучённости от факела пламени в зависимости от расстояния до устья скважины;

− расход воды на тушение пожара газового фонтана.

 

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 (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 расчёта дебита фонтана по высоте факела при горении природного газа:

Расчеты.

1. Дебет газового фонтана (V_Д, млн м³/сутки)может быть рассчитан по высоте факела пламени:

V_Д=0,0025H²ф                                      (1)

V_Д =0,0025*17²=0,7225млн м³/сутки

где: Н_ф – высота факела пламени, м.

 

Режим истечения газовой струи может быть рассчитан сравнением эффективной скорости истечения (V_э) со скоростью звука (V₀):

V_э=4V/π*d²                                                                                         (2),

где: V – секундный расход газа м³/с,

d – диаметр устья скважины (м), V₀ в метане составляет 430 м/с.

                                                V=V_Д/60*60*24,                                    (3)

Где: V – секундный расход газа (м³/с)

d – диаметр устья скважины (м)

V= 0,7225*10⁶/60*60*24=0,7225*1000000/86400=8,4м³/c

V_Э=4*8,4/3,14*0,065²=33,6/0,2041=164,6м/с

2. Теплота пожара - это тепло выделения в зоне горения в единицу времени (КВт)

q=Q_H(1-h_x)*V,                                       (4)

где: Q_H-низшая теплота сгорания смеси газов и будет в размерах (КДж/м³)

h_x-химический недожег

V-секундный расход газа(м³/c)

Низшая теплота сгорания рассчитывается по уравнению:q_п=Q_H(1-h_x)*V;

Q _H =1/100*∑Q _H * r.

Содержание ί-го имеет размерность в процентах низшая теплота сгорания каждого горючего компонента смеси рассчитывается исходя закона Гесса:

Q_Hί*(∑△Hlί*n_ί)-(△H l ί*n ί),кДж/моль                  (4)

где: △H l ί-го вещества

n_ί – количество моля ί-го вещества для метана

Воздух=79% (Азота)

Кислород=21%

Q_уд=Qн*1000/24,45                                                (5)

Удельная теплота сгорания равна количеству теплоты выделяющейся при сгорании одного м3 газообразного вещества до образования высших оксидов, где 24,45 л n 1 моля газа при 290 К. Таким образом, теплота сгорания 1 м³ продуктов будет равна:

Метан:

CH₄+2O₂+2*3,76N₂=CO₂+2H₂O+2*3,76N₂

Q_HCH₄=396,9*1+242,2*2-75*1=806,3кДж/моль

Q_уд=806,3*1000/24,45=32977,5 кдж/м³

Пропан:

С₃H₈+5O₂+5*3,76N₂=3CO₂+4H₂O+5*3,76N₂

Q_HC3H8=(396,9*3+242,2*4)-109,4*1=2050,1кДж/моль

Q_уд=2050,1*1000/24,45=83848,67кдж/м³

Сероводород:

H₂S+1,5O₂+1,5*3,76N₂=SO₂+H₂O+1,5*3,76N₂

Q_HH2S=296,9+242,2*1-201,1*1=337,2кДж/моль

Q_уд=337,2*1000/24,45=13791,41 кдж/м³

Удельная теплота сгорания равна количеству теплоты выделяющейся, при сгорании одного м³ газообразного вещества высших оксидов Q объем одного моля газа при 298к (22,4), занимает один моль газа при температуре 273, таким образом теплота сгорания будет равна

Q_H=(33249,4845*80+83848,67*15+13791,41*5)/100=39866,4586кДж/моль

q_n=39866,4586*(1-0,15)*8,4=284646,5144кВТ

3. При расчете мощности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважин рассматривается следующая схема.

                                                                   

 

Рис 1 (Модель для расчета мощности излучения пламени)

1) поверхность пламени фонтана(1) заменяется точкой (2),расположенной над устьем ровной половиной высоты факела и изучающая тепловую энергию в единицу времени также как и весь факел.

Q_л=h_л*Q_H*(1-h_x)*V,                                     (6)

где: h_л – тепло потери излучения пламени

h_x – химический недожег определение молекулярной массы(M)

фонтанирующего газа, состоящего из нескольких компонентов можно провести по соотношению

M=1/100∑ϻ_i*  ,                                                   (7)

где: ϻ_i – молекулярная масса i-го компонента и с размерностью (кг/моль)

_i – содержание i-го компонента в смеси и размерность (%).

Найдем молекулярную массу каждого компонента:

Для метана:

CH₄=12,0106+1,008*4=16,048 кг/моль

Для пропана:

C₃H₈=12?0106*3+1,008*8=44,0958 кг/моль

Для сероводорода:

H₂S=1,008*2+32,068=34,084 кг/моль

Средняя молярная масса газовой смеси:

M= (16,048*80+44,0958*15+8,064*5)/100=8,301кг/моль

Излучение тепловой энергии:

Q_л= 0,12*39866,4586(1-0,15)*8,4=34157,5817 кВт

Тепло потери излучения газового фонтана могут быть определены по уравнению:

h_л=0,048 ,                                        (8)

h_л=0,048 =0,12

Коэффициент общих теплопотерь будет равен ₀:

₀=h_x+h_л,                                              (9)

где: h_х – химический недожог

h_л – тепло потери излучения газового фонтана

Общие тепло потери при горение представляющие собой долю от низшей теплоты сгорания

₀=0,15+0,12=0,27

Это излучение воспринимается поверхностью шара:

S=4πR²                                                                                    (10)

C возрастанием радиуса шара интенсивность излучения снижается, т.к возрастает поверхность, воспринимающая это излучение.

Согласно рис 1 и известной теореме Пифагора для расчета мощности теплового потока,  поступающая на поверхность земли, в предыдущем уравнении проведена замена R на ее составляющие

R²= (H/2)²+L²                                                                    (11)

Таким образом мощность лучистого теплового потока от пламени на различных расстояниях от устья скважины может быть рассчитана по уравнению.

q_л=Q_л/S=h_л*Q_H*(1-h_x)*V/4π((H_ф/2)²+L²)=h_x*q_n/4π((H_ф/2)²+L²), (12)

где: Н_ф – высота факела

Q_л – излучение тепловой энергии

H_х – химический недожог

q_п – теплота пожара

L – это расстояние до скважины L принимает от 0 до 12 м.      

Интенсивность (мощности) лучистого теплового потока:

q_л0=0,15*284646,5144/(4*3,14[(17/2)²+0²] = 47,07 квт/м²

q_л1=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+1²] = 46,41 квт/м²

q_л2=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+2²] = 44,6 квт/м²

q_л3=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+3²] = 41,84 квт/м²

q_л4=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+4²] = 38,52 квт/м²

q_л5=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+5²] = 34,96квт/м²

q_л6=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+6²] = 31,41квт/м²

q_л7=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+7²] = 28,03квт/м²

q_л8=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+8²] = 24,95квт/м²

q_л9=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+9²] = 22,18квт/м²

q_л10=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+10²] = 19,7355квт/м²

q_л11=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+11²] =17,6квт/м²

q_л12=0,15*284646,5144/(4*3,14[72,25+12²] =15,72квт/м²

Выводы

1. В результате проведённых расчётов определены основные параметры горения газового фонтана: мощность фонтана (0,56 млн м³/сутки), действительная температура его горения (1064 °С);

2. Требуемый секундный расход воды с учётом коэффициента её использования, обеспечивающий прекращение горения газового фонтана составляет 20 л/с.

Библиографический список

1. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Миронов М.П., Пазникова С.Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 274 с.

2. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров М.: Стройиздат, 1990. 424 с.

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. 332 с.

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. – 288 с.: ил.

 

Приложение

Таблица 1 – Основные физические константы некоторых газов

Название	М, кг/кмоль	р, кг/м^3	Тпл, К	Ткип, К	Δ Hf ^0,кДж/моль
Воздух	28,98	1,293	60	81	0
СО	28,01	1,250	68	81	112,7
СО2	44,01	1,977	216,4	194,5	396,9
СН4	16,04	0,717	90,5	112,4	75
С2Н6	30,06	1,357	90,5	184,4	88,4
С3Н8	44,10	2,019	85,6	230,9	109,4
Н2	2,02	0,090	13,8	20,3	0
H2O(пар)	18,02	0,768	273	373,0	242,2
N2	28,01	1,251	63	77,2	0
O2	32,00	1,429	54,6	90,1	0
H2S	34,08	1,263	160,9	319,25	201,1
CS2	76,14	1,26	161,55	319	115,3
SO2	64,06	2,927	197,5	262,9	296,9

Примечание. M - молярная масса газа; р - плотность при нормальных усло­виях; Т_пл и Т_кип - температуры плавления и кипения при давлении 101,325 кПа; Δ H_f ⁰ - теплота образования.

 

 

Таблица 2 – Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении

Температура, Т, °С	Н, кДж/моль
	O2	N2	Воздух	СО2	Н2О	SO2
0	0	0	0	0	0	0
100	3,0	2,9	2,9	3,8	3,3	4,1
200	6,0	5,8	5,8	8,0	6,8	8,5
300	9,1	8,8	8,9	12,5	10,4	13,2
400	12,4	11,8	11,9	17,3	14,0	18,2
500	15,7	14,9	15,1	22,3	17,8	23,3
600	19,1	18,1	18,3	27,5	21,7	28,5
700	22,5	21,3	21,5	32,8	25,8	33,9
800	26,0	24,6	24,8	38,2	29,9	39,3
900	29,6	28,0	28,2	43,8	34,2	44,8
1000	33,1	31,3	31,6	49,4	38,6	50,3
1100	36,8	34,8	35,1	55,1	43,2	55,9
1200	40,4	38,2	38,6	60,9	47,8	61,5
1300	44,0	41,7	42,1	66,8	52,6	67,2
1400	47,7	45,3	45,6	72,7	57,4	72,3
1500	51,5	48,8	49,2	78,6	62,3	78,4
1600	55,2	52,4	52,8	84,6	67,3	84,1
1700	59,0	55,9	56,4	90,5	72,4	89,8
1800	62,8	59,5	60,0	96,6	77,6	95,6
1900	66,6	63,1	63,6	102,6	82,8	101,2
2000	70,4	66,8	67,3	108,6	88,1	107,1
2100	74,2	70,4	71,0	114,7	93,4	112,7
2200	78,1	74,1	74,7	120,8	98,8	118,5
2300	82,0	77,8	78,4	126,9	104,2	124,2
2400	85,9	81,5	82,1	133,0	109,6	130,0
2500	89,9	85,1	85,9	139,1	115,1	135,8
2600	94,0	89,0	89,3	145,3	119,4	141,5
2700	97,9	92,6	93,1	151,5	124,8	147,3
2800	101,8	96,4	96,8	157,6	130,3	153,0
2900	105,1	100,5	100,5	163,8	135,8	158,8
3000	110,1	103,8	104,2	169.9	141,2	164,7

 

Таблица 3 – Требуемые расходы воды при тушении закачкой ее в скважину (фонтан компактный)

Диаметр устья, скважины, мм	Требуемый расход воды, л/с, при дебите фонтана, млн. м^3/сут. газа или тыс. м^3/сут. нефти
	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
65	10	20	30	40	-	-
100	10	20	30	40	50	60
150	20	25	30	40	50	60
200	30	40	45	50	50	60
250	40	50	60	70	70	80
300	50	60	80	90	95	100

 

Таблица 4 – Требуемые расходы воды при тушении водяными струями (фонтан компактный)

Диаметр устья, скважины, мм	Требуемый расход воды, л/с, при дебите фонтана, млн. м^3/сут. газа или тыс. м^3/сут. нефти
	0,5	1,0	1,5	2,0	3,0
65	20	30	40	50	60
100	35	50	60	70	80
150	60	75	90	100	120
200	90	110	130	140	160
250	120	150	180	200	220
300	140	180	220	250	280

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И

РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ