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 -