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