Uploaded by jibiv89171

RASChE 776 T GRANITs OPASNYKh ZON POZhARA

advertisement
РАСЧЁТ ГРАНИЦ ОПАСНЫХ ЗОН ПОЖАРА
ОТКРЫТО ФОНТАНИРУЮЩИХ ГАЗОНЕФТЯНЫХ
СКВАЖИН
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ЗАДАНИЕ И ВЫБОР ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
3. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Титульный лист
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Исходные данные (пример)
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Показатели некоторых газов
ВВЕДЕНИЕ
Увеличивающееся с каждым годом потребление нефти и газа, ежегодный объём
которых в настоящее время в стране составляет более 300 млн тонн, приводит к
необходимости интенсификации процессов его добычи. Обусловленные этим отказы
механизмов, нарушения технологического процесса, а также природные катастрофы
приводят к серьёзным авариям, которые могут сопровождаться крупными пожарами,
ведущими к большим материальным потерям, ухудшению экологической обстановки, а
нередко и человеческим жертвам.
Пожары на открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах являются одними из
наиболее сложных видов промышленных аварий.
Одним из основных условий организации и проведения аварийно-спасательных
работ является обеспечение безопасности личного состава. При чрезвычайных ситуациях
условия труда, как правило, граничат с предельно допустимыми нагрузками. В
экстремальных условиях необходимо иметь научно обоснованные методы оценки
опасных факторов. На открытых пожарах к таким опасным факторам относится излучение
пламени. Мощность или интенсивность излучения определяет допустимое время
пребывания и границы зон, в которых могут проводиться те или иные виды аварийноспасательных работ.
Целью работы является привитие навыков расчёта опасных зон и выработки
рекомендаций по защите личного состава и техники, участвующих в тушении пожара.
1. ЗАДАНИЕ И ВЫБОР ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ
ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
Задание: компактный газовый состав (табл. 1), истекающий через устье скважины
диаметром d мм, имеет высоту факела пламени НФ (табл. 2). Химический недожог
составляет ηX % от низшей теплоты сгорания (табл. 3). Тушение пожара осуществляется
водяными струями из лафетных стволов.
Рассчитать:
1) дебит газового фонтана;
2) секундный расход газовой смеси;
3) теплоту пожара – тепловыделение в зоне горения в единицу времени;
4) низшую теплоту сгорания смеси газов;
5) тепловую энергию факела с учётом тепловых потерь;
6) мощность (интенсивность) теплового излучения на различных расстояниях от
устья скважины.
Определить:
7) I, II, III и IV границы зон теплового воздействия пламени.
Вариант задания выбирается по двум последним цифрам номера зачётной книжки:
по последней цифре – вариант по таблице 1, по предпоследней цифре вариант по
таблицам 2 и 3.
Пример выбора варианта: по номеру 132073 практическую работу следует
выполнять по варианту 73. Тогда из таблицы 1 находим состав фонтана: метан – 70%,
этан – 20%, сероводород – 5%, кислород – 5%; из таблицы 2 диаметр устья – 120 м,
высота факела пламени – 13 м, химический недожог – 0,12.
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Компонент
фонтана
Метан
Этан
Пропан
Бутан
Сероводород
Азот
Диоксид
углерода
Кислород
№
варианта
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
80
10
4
6
Диаметр
устьевого
оборудования,
мм
65
80
100
120
150
175
200
250
275
300
Показатель
процесса горения
Химический
недожог,
доли от низшей
теплоты
сгорания
Таблица 1 – Состав газового фонтана
Содержание компонентов (% об.) по вариантам
1
2
3
4
5
6
7
8
9
75
85
70
80
70
90
84
72
85
20
10
15
5
6
20
5
8
5
5
15
10
10
5
5
10
10
5
-
0
0,05
-
-
5
-
-
5
-
5
10
0
Таблица 2 – Параметры газового фонтана
Высота факела пламени (м) по вариантам
1
2
3
4
5
6
7
8
9
14
49
35
20
34
14
20
19
34
49
35
29
15
28
35
35
28
48
35
29
35
24
34
49
14
35
49
21
14
24
28
35
20
13
48
28
13
24
48
35
35
45
19
28
28
35
28
15
28
45
34
13
35
25
25
34
25
45
25
13
27
44
34
14
28
27
14
44
28
44
27
27
15
45
35
27
45
45
35
27
40
28
14
44
34
40
44
24
34
28
28
35
20
13
48
28
13
45
48
35
Таблица 3 – Химический недожог фонтанирующей смеси
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,10 0,08 0,12 0,07
0,10 0,15 0,07 0,15 0,10
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
Рекомендуется следующий порядок выполнения работы:
1. Дебит газового фонтана может быть рассчитан по высоте факела пламени:
VД=0,0025 ∙ HФ2,
где VД – дебит газового фонтана, млн м3/сутки;
(1)
HФ – высота факела пламени, м.
Секундный расход газа:
V= VД/ (24 ∙ 3600),
(2)
где V – секундный расход газового фонтана, м3/с;
24 – количество часов в сутках;
3600 – количество секунд в одном часе.
2. Теплота пожара – тепловыделение в зоне горения в единицу времени определяется
по формуле:
qП = QН ∙ (1-ηХ)∙ V,
(3)
где qП – теплота пожара, кВт;
QН – низшая теплота сгорания смеси газов, кДж/м3;
η Х – химический недожог (табл. 3);
V – секундный расход газа, м3/с.
Низшая теплота сгорания смеси газов рассчитывается по формуле закона Гесса
(Приложение 3):
QН = 0,01∙∑ QНi∙φГi,
(4)
где QН – низшая теплота сгорания смеси газов, кДж/м3;
QНi – низшая теплота сгорания i-го горючего компонента смеси, кДж/м3;
φГi – содержание i-го горючего компонента в смеси, % об.
3. При расчёте мощности (интенсивности) лучистого теплового потока в
зависимости от расстояния до устья скважины рассматривается следующая схема (рис. 1).
Рис. 1. Модель для расчёта мощности излучения пламени
Поверхность пламени фонтана (1) заменяется точкой (2), расположенной над устьем
на ½ высоты факела и излучающей тепловую энергию в единицу времени такую же, как и
весь факел:
QЛ = ηЛ ∙ QН ∙ (1-ηХ)∙ V,
(5)
где ηЛ – теплопотери излучением пламени;
ηХ – химический недожог (доли от низшей теплоты сгорания).
Теплопотери излучением газового фонтана могут быть рассчитаны по уравнению:
ηЛ =0,048∙√М,
(6)
где М – средняя молекулярная масса газовой смеси, кг/кмоль.
Определение молекулярной массы фонтанирующего газа, состоящего из нескольких
компонентов, можно провести по соотношению (Приложение 3):
М= 0,01∙∑Мi∙φi ,
(7)
где Мi – молекулярная масса i-го компонента, кг/кмоль;
φi – содержание i-го компонента в смеси, % об.
Это излучение воспринимается поверхностью шара:
S =4 ∙ π ∙R2,
(8)
С возрастанием радиуса шара интенсивность излучения снижается, так как
возрастает поверхность, воспринимающая это излучение.
Согласно рис. 1 и известной теореме Пифагора мощности теплового потока,
поступающего на поверхность земли, в уравнении (9) проведена замена R на её
составляющие:
R2= (H/2)2+ L2,
(9)
Таким образом, мощность лучистого теплового потока от пламени на различных
расстояниях от устья скважины может быть рассчитана по формуле:
qЛ= QЛ / S=( ηЛ ∙ QН ∙ (1-ηХ)∙ V)/( 4 ∙ π ∙[(H/2)2+ L2])= (ηЛ ∙ qП /)/( 4 ∙ π ∙[(H/2)2+ L2]),
(10)
Для определения границ искомых зон от излучения пламени рекомендуется провести
расчёты по формуле (10) и представить их в виде таблицы 4.
№
п/п
1
2
3
4
5
6
…
n
Таблица 4 – Зависимость мощности излучения от расстояния от устья скважины
Расстояние от
Мощность излучения
устья скважины (L), м
от пламени (qл), кВт/м2
По результатам расчётов, представленных в табл. 4, строится график зависимости
мощности теплового потока от расстояния до устья скважины. По графику определяются
границы зон теплового воздействия пламени фонтана на людей и технику: I – 4,2 кВт/м2,
II – 8,4 кВт/м2, III – 10,5 кВт/м2, IV – 14,0 кВт/м2 (рис. 2, таблица 5).
Рис. 2. Схема зон теплового излучения пожара
Границы
Таблица 5 – Зоны теплового воздействия пламени фонтана
Максим.
плотность
теплового
потока,
кВт/м2
Последствия теплового воздействия
на кожу
человека
Характеристика зон
по условиям работы
личного состава
на технику
метал.
оборудование
деревян.
элементы
резина,
одежда,
ткань
I
4,2
болевые
ощущения
через 20 с
без видимых изменений
II
8,4
вспучивание
краски
разложение
обугливание
III
10,5
Появление
волдырей
через 20 с
-
Личный состав
может находиться и
выполнять
физическую работу
длительное время в
боевой одежде без
специального
теплозащитного
снаряжения
-
загорание
загорание
-
IV
14,0
-
обгорание
краски
обгорание
краски
загорание
загорание
Личный состав
может находиться и
выполнять
физическую работу
не более 5 минут
в теплозащитном
снаряжении, под
защитой
распылённых
водяных струй
3. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Состав газового фонтана: метан – 80%; сероводород – 15%, кислород – 5%; высота
факела пламени – 20 м; потери тепла за счёт химического недожога – 15%.
1. Дебит газового фонтана:
VД=0,0025 ∙ HФ2= 0,0025 ∙ 202 = 1,0 млн м3/сут.
Секундный расход газа:
V= VД/ (24 ∙ 3600) = 1,0 ∙ 106 / (24 ∙ 3600) = 11,5 м3/с.
2. Теплота пожара рассчитывается:
qП = QН ∙ (1-ηХ)∙ V .
Низшая теплота горения газовой смеси составит:
QН = 0,01∙∑ QНi∙φГi = 0,01 ∙ (35982 ∙ 80 +23400 ∙15) = 32296 кДж/м3.
qП = 32296 ∙ (1-0,15)∙11,5=315693 кВт ≈ 315,7 МВт.
3. Мощность теплового излучения факела пламени на заданном расстоянии имеет
зависимость:
qЛ= (ηЛ ∙ qП )/( 4 ∙ π ∙[(H/2)2+ L2]) = 0,21∙ 315693/ (4∙3,14∙[(20/2)2 + L2]),
где: М= 0,01∙∑Мi∙φi=0,01∙(16∙80+34∙15+32∙5)=19,5 кг/кмоль;
ηЛ =0,048∙√М = 0,048 ∙√19,5 = 0,21
Задаваясь расстоянием до скважины, определяем соответствующие значения
мощности теплового потока и результаты заносим в таблицу 6.
Таблица 6 – Зависимость мощности излучения от расстояния от устья скважины
№
Расстояние от устья
Мощность излучения
п/п
скважины (L), м
от пламени (qл), кВт/м2
1
2
50,8
2
5
42,2
3
10
26,4
4
15
16,2
5
20
10,6
6
25
7,3
7
30
5,3
8
35
4,0
9
40
3,1
По результатам расчёта, представленным в таблице 6, строится график зависимости
мощности излучения от расстояния до устья скважины (рис. 3), по которому
определяются границы зон I-IV.
Рис. 3. Зависимость мощности теплового потока от расстояния до устья скважины
Из графика, представленного на рис. 3, определяют зоны теплового воздействия
пламени, а результаты представляют в виде таблицы 7.
Таблица 7 – Удаление границ опасных зон теплового потока от устья скважины
Зона теплового воздействия пламени
Граница зон до устья скважины
пожара
I
34
II
23
III
20
IV
17
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Андросов, А. С. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрыва» / А.С.
Андросов, Е. П. Салеев. – М., 2008.
2. Бобков, С. А. Примеры и задачи по курсу «Физико-химические основы развития и
тушения пожара» / С. А. Бобков, А. В. Бабурин, П. В. Комраков – М., 2010.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФГБОУ ВО «Югорский государственный университет» (ЮГУ)
Институт (НОЦ) технических систем и информационных технологий
Кафедра физики и общетехнических дисциплин
Практическая работа
по дисциплине: «Безопасность технологических процессов добычи нефти и газа»
на тему: «Расчёт границ опасных зон пожара открыто фонтанирующих газонефтяных
скважин»
Выполнил(а): студент(ка) группы
Фамилия И.О.
Проверила: ст.преподаватель
Волдиман К.Ю.
Ханты-Мансийск
20__г.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Исходные данные (пример)
Исходные данные расчёта
Количественные показатели
1. Состав газового фонтана:
- метан
80%
- сероводород
15%
- кислород
5%
2. Химический недожог (доли от низшей
15%
теплоты сгорания)
3. Молекулярная масса компонентов
газовой
смеси:
- метан
16 кг/кмоль
- сероводород
34 кг/кмоль
- кислород
32 кг/кмоль
4. Низшая теплота сгорания компонентов
газовой смеси:
- метан
35982 кДж/м3
- сероводород
93400 кДж/м3
- кислород
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
№
п/п
Вещество
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Метан
Этан
Пропан
Бутан
Сероводород
Азот
Диоксид углерода
Кислород
Показатели некоторых газов
Химическая
Молекулярная
формула
масса, кг/кмоль
СН4
С2Н6
С3Н8
С4Н10
Н2S
N2
CO2
O2
16
30
44
58
34
28
44
32
Низшая теплота
сгорания,
кДж/м2
35982
70357
91250
118616
93400
-
Download