Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Пожары газовых и газонефтяных фонтанов

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ АКАДЕМИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ Кафедра «Процессы горения» в составе УНК ПГиЭБ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ Дистанционное обучение С.А. Бобков, П.В. Комраков Тема 3. Лекция 1 Пожары газовых и газонефтяных фонтанов Содержание 1. Виды фонтанов. 2. Характеристики горения газовых фонтанов. 3. Параметры газовых фонтанов. Оценка их значений. 4. Контрольные вопросы Москва 2014 1 Виды фонтанов. Фонтан представляет собой струю газа или жидкости, под давлением истекающую в окружающую среду. Фонтаны возникают в результате аварий при бурении и эксплуатации скважин на газовых и нефтяных месторождениях, при авариях в газовых хранилищах, локальном разрушении технологических трубопроводов. При появлении источника зажигания (механической искры, разряда статического электричества и т.д.) фонтан воспламеняется, возникает пожар. Наибольшая вероятность воспламенения у фонтана природного газа. Основным его компонентом является метан. По статистике в пожар переходит около 40% аварий на газовых и нефтяных месторождениях. Такие пожары отличаются большими масштабами, сложностью ликвидации, наносят огромный экономический и экологический ущерб. Пожары фонтанов на месторождениях классифицируют по трем признакам: составу, способу выброса, по дебиту. По составу фонтаны условно делят: газовые, газонефтяные и нефтяные. Фонтан считается газовым если содержание газа в нем составляет не менее 95%. К газонефтяным относят фонтаны, содержащие более 50% газа и, соответственно, менее 50% нефти, к нефтяным – фонтаны с содержанием нефти более 50%. Состав фонтана можно определить по цвету пламени. Факел газового фонтана имеет цвет от светло-голубого до светло-желтого; газонефтяного – от светло-красного до темно-красного. Горение газонефтяного фонтана может сопровождаться клубами черного дыма. При пожарах нефтяных фонтанов во время истечения в воздухе успевает испариться и сгореть только незначительная часть нефти. Большая ее часть разливается и горит вокруг скважины. Пламя горящей струи нефти имеет темно-красный цвет и выделяет большое количество черного дыма. Выброс горящего вещества может происходить в виде компактной или распыленной струи. Соответственно фонтан называется компактным или распыленным. При авариях на месторождениях газовые и газонефтяные фонтаны почти всегда являются распыленными т.к. на устье скважины находится арматура или оно загромождено остатками бурового оборудования. Кроме того, встречаются фонтаны комбинированные – с компактной струей и распыленной частью. При разработке газовых месторождений на рыхлых грунтах газ может пробиваться на поверхность минуя скважину. Тогда, помимо основного факела, могут неожиданно образовываться фонтаны, бьющие прямо из земли – так называемые “грифоны”. Ликвидация мощных распыленных фонтанов представляет значительные трудности. Прежде чем, заглушить скважину на практике приходится выполнять очень большой объем подготовительных работ по растаскиванию поврежденной арматуры, удалению остатков устьевого оборудования 2 и т.п. с тем, чтобы свести пожар к горению в компактном вертикальном факеле. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать именно компактные фонтаны (рис 2.1). Рис 2.1 Компактный газовый фонтан Характеристики горения газовых фонтанов. Процесс горения факелов компактных газовых фонтанов является диффузионным. Скорость истечения газа из скважины зависит от отношения давления в пласте к давлению окружающей среды. Пластовое давле- 3 ние обычно в 2÷20 раз превышает атмосферное давление. Поэтому скорость истечения газа на срезе сопла у подавляющего числа реальных газовых фонтанов больше скорости звука, число Рейнольдса при движении газового потока в атмосфере намного превышает критическое значение (2300) и пламя является турбулентным. В результате столь большого перепада давлений вблизи сопла формируется система волн расширения и сжатия газа – чередующихся скачков уплотнения. Визуально эти скачки уплотнения наблюдаются как своеобразные бочки. Благодаря им происходит постепенное выравнивание давлений газа и окружающей среды. Скорость потока газа быстро убывает по мере удаления от среза трубы. На некотором расстоянии от устья скважины характер течения в струе ничем не отличается от дозвуковой турбулентной струи. По характеру поля скоростей дозвуковая затопленная струя условно делится на три участка: начальный, переходный и основной (рис.2.2). Начальный участок характеризуется наличием ядра постоянных скоростей. Газ, вытекающий из сопла, вовлекает в вихревое движение близлежащие слои воздуха. За счет турбулентного перемешивания на начальном участке образуется пограничный слой, в котором скорость перемещения газовоздушной смеси вдоль оси струи меньше скорости в ядре. По мере удаления от среза трубы струя газа все больше разбавляется воздухом, ее поперечное сечение увеличивается, ядро постоянных скоростей сужается. На некотором расстоянии от среза трубы воздух достигает оси потока, ядро постоянных скоростей исчезает. Дальше струя газа перемешивается с воздухом по всему сечению. На переходном участке струи происходит формирование поля скоростей газовоздушной смеси. Его форма при этом переходит от конической к параболической и в дальнейшем не изменяется. На основном участке скорость движения по сечению струи возрастает плавно от нуля в пограничном слое до максимума на оси потока. Из теории горения известно, что в движущемся потоке газа пламя стабилизируется, если линейная скорость потока Vл равна нормальной скорости распространения пламени U. Если Vл ≤ U пламя соприкасается с устьем скважины. Проскок пламени внутрь трубы в данном случае возможен, только если по трубе движется смесь газа с окислителем, состав которой попадает в область воспламенения. Такая ситуация реализуется, например, при разгерметизации технологического аппарата, в котором обращается горючая газообразная смесь и сопровождается взрывом аппарата. Если Vл>U происходит срыв пламени и зажигание струи газа становится невозможным при любой концентрации горючего. 4 Основной участок Начальный участок Переходный участок Турбулентный пограничный слой Ядро постоянных скоростей Скачки уплотнения Скважина Рис. 2.2. Поле скоростей в струе газового фонтана На реальных газовых фонтанах скорость потока в устье скважины намного больше турбулентной скорости распространения пламени. Однако в атмосфере она быстро гасится благодаря скачкам уплотнения. Расчет показывает, что на половине высоты факела скорость на оси потока составляет всего 20% от начальной. Горение начинается в той области, где уравниваются скорости потока горючего газа и распространения пламени. Поэтому нижняя кромка факела отрывается и зависает на некотором расстоянии от устья скважины. Высота этой зоны отрыва пламени возрастает с увеличением расхода газа. Подобно полю скоростей изменяется поле концентраций газа в струе. Известно, что горение возможно только в области концентраций, ограниченной нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени. На участке сверхзвукового истечения пограничный слой не 5 Зона догорания образуется, перемешивание газа с воздухом практически не происходит и концентрация газа по всему сечению струи равна 100%. По мере торможения потока концентрация воздуха в струе возрастает, а газа, наоборот, уменьшается. Таким образом, в поперечном сечении струи концентрация газа уменьшается от максимального значения на оси потока до нуля на его границе. В структуре факела газового фонтана можно выделить три характерных поверхности равных концентраций, соответствующих нижнему концентрационному пределу, стехиометрической смеси и верхнему концентрационному пределу (рис. 2.3). Нижний концентрационный предел Зона воспламенения Стехиометрическая смесь А А Верхний концентрационный предел Зона отрыва Сг А Распределение концентраций газа в сечении А-А А W Изменение скорости реакции горения А А Tг Изменение температуры по сечению А-А А А Рис. 2.2. Структура факела газового фонтана Реакция горения имеет с максимальную скорость на поверхности контура стехиометрических концентраций горючего. На этой же поверхности наблюдаются максимальные значения турбулентной скорости распространения и температуры пламени. Скорость реакции горения предельных сме- 6 сей (при концентрации горючего газа равной нижнему или верхнему пределу) меньше, чем стехиометрических. Соответственно скорость распространения и температура пламени ниже (см. рис. 2.3). Таким образом, воспламенение турбулентной струи происходит по периферии потока в кольцевой области, где турбулентная скорость распространения пламени имеет максимальное значение. По мере удаления от среза трубы зона максимальных температур сужается и на некотором расстоянии достигает оси потока. Этот участок факела от зоны отрыва до смыкания кольцевой области максимальных температур и скоростей распространения пламени называется зоной воспламенения (см. рис 2.3). Основной вклад в процесс образования горючей смеси и ее воспламенение здесь вносит турбулентное перемешивание газа и воздуха. Температура в этой зоне составляет порядка 1000°С. Выше зоны воспламенения находится зона догорания. Из-за высокой степени турбулизации потока смесь, образующаяся в зоне воспламенения, не является однородной и какая-то часть горючего не успевает прореагировать. Его догорание происходит в верхней части факела. В этой зоне процесс смешения осуществляется в основном за счет молекулярной диффузии. Температура факела в зоне догорания наибольшая т.к. здесь складывается действие лучистой и конвективной составляющей. Максимальная температура факела зависит главным образом от состава газа. При горении фонтанов природного газа, которые содержат до 95% метана, максимальная температура в зоне догорания достигает примерно 1350°С. Наименьшая температура факела наблюдается в зоне отрыва. Средняя температура для этой зоны составляет около 50°С. Вокруг устья скважины существует небольшая зона низких температур. Однако выполнение каких-либо работ в этой зоне чрезвычайно затруднено. Уровень звукового давления здесь достигает 130 децибел, что превышает болевой порог для человека (110дБ). Параметры газовых фонтанов. Оценка их значений. Основным параметром газовых фонтанов является дебит – расход, выраженный в млн.м3 газа в сутки. По этому параметру газовые фонтаны делят на: слабые – с дебитом от 0,5 до 3 млн.м3/сутки, средние - 3÷5, мощные – 5÷10 и сверхмощные – более 10 млн.м3/сутки. Методика оценки дебита газового фонтана по высоте факела Нф, заключается в следующем. Имеется экспериментальная зависимость высоты факела газового фонтана от дебита D: Нф = 23D0,4,м (2.1) Для выполнения практических расчетов эту формулу можно упростить: 7 Отсюда: Нф ≈ 20D0,5,м (2.2) D ≈ 0,0025Нф2,м (2.3) Точность оценки дебита газового фонтана по этой формуле составляет 5%, что для практики является вполне достаточным. Существуют и другие методы оценки дебита фонтана природного газа. В частности по величине давления в пласте. Расчетная формула имеет вид: 2 P d (2.4) Q0  0,457 в 0 , нм3/с   Tг где: Q0 – расход газа, приведенный к нормальным условиям (давление 0,1 МПа, температура 20°С), нм3/с; Р0 – пластовое давление, Па; dв – внутренний диаметр трубы, м; Δ – относительная плотность газа по воздуху; Тг – температура газа, К. Если давление в пласте неизвестно, его находят по расстоянию от устья трубы до первого скачка уплотнения, которое измеряют фотометрическим методом. Определить дебит горящего фонтана можно также по уровню звукового давления. Его измеряют с помощью шумомеров, установленных на различном расстоянии 40 ÷ 60м от устья скважины. Работы по ликвидации горящих газовых фонтанов представляют большие трудности главным образом из-за высокой интенсивности теплового излучения. Границу зоны теплового воздействия в данном случае устанавливают по величине безопасной плотности теплового потока Wдоп, которую человек без специальной защиты выдерживает неограниченное время. Для расчета безопасного расстояния от горящей скважины принимают, что все излучение факела сконцентрировано в точке, расположенной в геометрическом центре факела. Т.е. эта точка находится на оси потока и расстояние от нее до устья скважины равно половине высоты факела. Интенсивность излучения qл, исходящего из этой точки в окружающее пространство, определяется величиной лучистой составляющей общих потерь тепла из зоны горения - коэффициентом излучения факела пламени f: f = qл/qп = qл/(Qн∙g), (2.5) где: qл – интенсивность излучения факела, кВт; qп – интенсивность тепловыделения, кВт; Qн – низшая теплота сгорания, кДж/м3; g – секундный расход газа, м3/с. Тогда плотность потока излучения W на расстоянии R от излучающей точки равна: W qл f  Qн  g  , кВт/м2 2 2 4R 4R (2.6) 8 Расстояние R, на котором плотность лучистого теплового потока равна допустимому значению Wдоп, является безопасным и определяется выражением: f  Qн  g ,м (2.7) Rбез  4Wдоп Очевидно, что на уровне земли безопасное расстояние от скважины Lбез (рис.2.4) равно: Lбез  Rбез  (0,5Н ф  Н т ) 2 , м 2 (2,8) Нф где Hт – высота трубы, м. Нт Rбез L,без Рис. 2.4. Схема расчета безопасного расстояния до факела газового фонтана. Значение коэффициента излучения f для углеводородов можно найти по эмпирической формуле: f  0,048 М (2.9) где M – молярная масса углеводорода, кг/кмоль. Для практических целей можно считать: f  0,048 М (2.10) Среднюю молярную массу горючих компонентов смеси газов можно определить по следующему выражению: М = ∑Мiai, (2.11) си. где: Mi – молярная масса i-го компонента смеси; ai - доля i – го компонента в сме- 9 Низшая теплота сгорания смеси газов равна: Qн = ∑Qнiai, (2.12) где: Qнi - низшая теплота сгорания i – го горючего компонента; ai – объемная доля i – го горючего компонента. Расчетные значения плотности лучистого теплового потока, полученные по описанной методике, хорошо согласуются с экспериментальными данными (табл. 2.1). Значения W, приведенные в табл. 2.1, получены для газового фонтана, состоящего из метана, дебитом 0,936 млн. м3/сутки. Таблица 2.1 Плотность лучистого теплового потока W, кВт/м2 Расстояние до устья скважины L, м расчетная экспериментальная 10 74,0 84,0 20 32,2 28,0 30 16,70 14,0 40 9,90 10,5 50 6,5 7,0 Результаты расчетов и экспериментов показывают, что интенсивность излучения возрастает при увеличении расхода газа и диаметра устья скважины. Излучение в различных направлениях зависит от скорости ветра. С наветренной стороны интенсивность излучения значительно уменьшается даже при слабом ветре (порядка 3 – 4 м/сек). Интенсивность излучения резко снижается также при введении в струю фонтана воды. На рис. 2.5 показаны экспериментальные значения интенсивности излучения в зависимости от расстояния при различных расходах газа для скважины диаметром 150 мм. 10 W, кВт/м2 70,0 45,0 W, кВт/м2 30,0 15,0 10 20 30 40 L, м 10 20 30 40 - дебит 2,697млн м3/сутки - дебит 1,028 млн м3/сутки - дебит 0,936 млн м3/сутки L, м Рис. 2.5. Плотность теплового потока на различных расстояниях от скважины диаметром 150 мм. Допустимая плотность теплового потока Wдоп, при которой личный состав может работать длительное время в боевой одежде без специальных средств тепловой защиты принимается равной 4,2 кВт/м2. Боевая работа в специальном теплозащитном снаряжении под защитой распыленных водяных струй считается возможной при плотности теплового потока 14 кВт/м 2 не более 5 мин. Широко распространено мнение, что при ликвидации пожаров фонтанов самое сложное – прекратить горение. В нашей стране разработаны и применяются технические средства, позволяющие потушить мощный фонтан в считанные минуты или секунды. Автомобили газоводяного тушения АГВТ – 100, АГВТ – 200 способны прекратить горение компактных газовых фонтанов дебитом до 5млн.м3/сут. Практический предел возможностей импульсных порошковых пламяподавителей ППП–200, разработанных кафедрой «Процессы горения» Высшей инженерной пожарнотехнической школы, не установлен до сих пор. Компактный газовый фонтан дебитом 8млн.м3/сут. был потушен залпом из двух ППП-200 за 2с. 11 Однако, преждевременное тушение факела может привести к сильному загрязнению окружающей среды продуктами выброса – нефтью, газом, высокоминерализованной водой. Поэтому к прекращению горения факела приступают после того как выполнены все мероприятия, необходимые для глушения скважины: фонтан приведен к компактному виду, доставлено и подготовлено запорное оборудование и т.д. Все это время производится охлаждение оборудования и орошение водой работающих в опасной зоне людей. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Как классифицируются газовые фонтаны? Чем характеризуются основные участки факела газового фонтана? В чем заключается структура факела газового фонтана? Что собой представляет поле концентраций газа в струе газового фонтана? Назовите основные параметры пожара газового фонтана. Что такое дебит газового фонтана, и к чему приводит увеличение дебита газового фонтана? К каким последствиям приводит увеличение высоты факела газового фонтана? Где наибольшая температура газового фонтана? Как влияет интенсивность излучения факела газового фонтана на безопасное расстояние? 12