Расчёт параметров газового фонтана
12 Введение Адиабатический пожар газовый фонтан 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. 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 «Теоретический расчёт основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов» является выработка навыков использования теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» при проведении расчётов параметров пожаров и расхода огнетушащих веществ. В результате выполнения курсовой работы студент должен знать и уметь оценивать расчётными 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; Расчётная часть Исходные данные Адиабатический пожар газовый фонтан Вариант 8587 Компактный газовый фонтан состава (см. ниже), истекающий через устье диаметром dy, имеет высоту факела пламени Hф. Химический недожог ηх в зоне горения составляет от низшей теплоты сгорания. Содержание компонентов, % (об): Метан (СH4) - 90 % Этан (С2H6) - 8 % Сероуглерод (СS2) - 2 % Параметры газового фонтана: Диаметр устьевого оборудования (dy) - 250 мм Высота факела пламени - 45 м Химический недожог (в долях от низшей теплоты сгорания) - 0,15 Рассчитать: Дебит газового фонтана; Адиабатическую температуру горения Ta, ºС; Действительную температуру горения Тг, ºС; Изменение интенсивности лучистого теплового потока в зависимости от расстояния до устья скважины qл. Определить безопасное расстояние Lб; Адиабатическую температуру потухания Тпот, ºС; Минимальный секундный расход воды Vmin, л/с; Удельный расход воды на тушение фонтана Vуд, л/м3; Коэффициент использования воды kв.
Расчёт параметров газового фонтана
1. Дебит газового фонтана ( , млн. м3/сутки) может быть рассчитан из высоты факела пламени по формуле (4): = 0,0025× =0,0025×452 = 5,06 млн. м3/сутки Секундный расход газа составит Vг = 5,06∙106/ (24×60×60) = 58,59 м3/с. Режим истечения газовой струи может быть определён сравнением эффективной скорости истечения (Vэ) со скоростью звука (Vо) Эффективная скорость истечения (Vэ) газовой струи может быть определена по уравнению:
- секундный расход газа, м3/с;- диаметр устья скважины, м. Скорость звука в метане (V0) составляет 430 м/с
. Теплота пожара рассчитывается по формуле: = Qн (1-ηх)
низшая теплота горения газовой смеси:
где Qнi - низшая теплота сгорания i-го горючего компонента, кДж/м3; φгi - содержание i-го горючего компонента в смеси, % об. Низшая теплота сгорания отдельныхкомпонентов рассчитывается, выбирается в таблице 2 приложения.
Теплота пожара - тепловыделение в зоне горения в единицу времени (кВт) q = Qн (1-ηх) ∙ V= 38263,2(1-0,15)∙58,59 = 1905688,7 кВт
. Мощность теплового излучения факела пламени Для определения теплоотдачи излучением пламени (ηл) определим среднюю молекулярную массу фонтанирующей газовой смеси Молекулярную массуфонтанирующего газа ( ), состоящего из нескольких компонентов, можно определить по формуле:
,
где −молекулярная масса i-гoгорючего компонента газового фонтана; − доля i-гo горючего компонента. Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан и сероуглерод, будет равна:
Коэффициент теплопотерь излучением от пламени газового фонтана может бытьопределён в соответствии со следующей формулой [1]:
. ,
Коэффициент общих теплопотерь будет равен:
,
где - общие теплопотери при горении газового фонтана, представляющие собой долюот низшей теплоты сгорания ; - химический недожог (0,15);
Мощность излучения от расстояния до устья скважины (L):
Для установления величины облучённости окружающего пространства факелом пламени в зависимости от расстояния до скважины в формуле (31) необходимо задаваться значениями L, принимая их равными 5, 10,20, 40, 60, 80, 100, 120, 150 и 200 м. В формулу (31) подставляются также высота факела пламени Нф= 45 м, секундный расход газа VГ = 58,59 м3/с и коэффициент теплопотерь излучением hл = 0,364. В качестве примера проведём расчёт облучённости (qл) на расстоянии L, м:
кВт/м2
Рассчитанные значения облучённости сведём в таблице 3.
Таблица 1 - Величина облучённости от факела газового фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины
По результатам расчёта, представленным в таблице3, строится график зависимости мощности излучения от расстояния до устья скважины, по которому определяются границы зон I - IV. ЗависимостьЕ = f(L) в графической форме представлена на рис. 1.
Рисунок 1 - Зависимость мощности теплового потока от расстояния до устья скважины
При расчёте расстояния L принимается, что источником излучения пламени фонтана является точка, расположенная в его геометрическом центре, - т.е. на высоте Нф/2 от устья скважины
Рисунок 2 - Схема для расчёта плотности теплового потокаТогда плотность потока излучения Eчерез сферу радиусом R равна
откуда расстояние R, на котором плотность лучистого теплового потока равна заданному значению qзад, определяется выражением
Очевидно, что соответствующее расстояние от скважины на уровне земли L равно:
Дляqзад = 4,2 кВт/м2: Для qзад = 14 кВт/м2:
Таблица 2
За адиабатическую температуру потухания как предельный параметр процесса горения может быть принята адиабатическая температура горения на нижнем концентрационном пределе распространения пламени (НКПР). Определяется НКПР для индивидуальных компонентов смеси (СН4 и CS2) по аппроксимационной формуле или выбирается из таблицы приложения: для метана φн = 5,28 %, для этана φн = 2,9 %, для сероуглерода φн = 1,0 %.
,
где ji - концентрация i-го горючего газа в смеси; jiн - значение НКПР i-го компонента.
Для нахождения коэффициента избытка воздуха на НКПР для данной смеси газов рассчитаем теоретический объём воздуха:
,
где - сумма произведений стехиометрических коэффициентов реакций горения каждого компонента горючей смеси ( ) на процентное содержание этого компонента (ji) в смеси; - процентное содержание кислорода в газовой смеси.
СН4(г)+ 2(О2 +3,76N2) = СО2(г) + 2Н2О(г)+2×3,76N2 С2Н6(г)+ 3,5(О2 +3,76N2) = 2СО2(г) + 3Н2О(г)+3,5×3,76N2 СS2(г)+3(О2(г)+3,76N2)=2SО2(г)+CO2(г)+3×3,76N2
Отсюда Тогда DVв =Vтеорв(α-1) = 10,19 (2,04 − 1) = 10,6м3/м3 или Для расчёта адиабатической температуры потухания методом последовательных приближений - из уравнения химической реакции горения определяется объём и состав продуктов горения. Определим объём (V) и число молей (ν) продуктов горения, образовавшихся при сгорании исходной смеси, содержащей 90об. % СН4, 8 об. % С2Н6, 2 об. %СS2, используя приведённые выше химические уравнения реакций их горения.
Суммарный объём продуктов горения с учётом избытка воздуха составит:
V*пг = Vпг+DVв=(1,08+ 2,04 + 0,04 + 8,05)+ 10,61= 10,79+10,61= 21,4 м3/м3
Рассчитывается среднее теплосодержание продуктов горения
по таблице приложения определяется первая приближённая температура, ориентируясь на азот, количество которого в продуктах горения наибольшее Рассчитывается теплосодержание притемпературеT1 = 1200 ºC 1 = 2718,5·1,08 + 2133,9·2,04 + 2735,2·0,04 + 1705,3·8,05 + 1720,4·10,6 = 39379,7 кДж/м3;
Рассчитывается теплосодержание при температуре T2 = 1100 ºC 2 = 2460,4·1,08 + 1926,5·2,04 + 2488,8·0,04 + 1551,1·8,05 + 1554,9·10,6 = 35670,7 кДж/м3
Методом линейной интерполяции определяем адиабатическую температуру потухания:
Расчёт теплосодержания теоретического объёма продуктов горения при температуре потухания проводится методом последовательных приближений с линейной интерполяцией, для чего используются данные табл. 2 приложения
Результаты сводятся таблицу 3.
Таблица 3 - Теплосодержание продуктов горения при температуре потухания
После интегрирования уравнения получим выражение для расчёта адиабатической температуры горения:
Для расчётов воспользуемся следующими средними значениями теплоёмкостей для температурного диапазона 298−2000 K: =53,14; =42,34; =32,76; = 52,57 Дж/моль.K Подставив приведённые значения теплоёмкостей и числа молей продуктов сгорания в формулу (25), получим:
Действительная температура горения всегда ниже адиабатической, так как часть тепла теряется с излучением. При расчёте действительной температуры горения учитываются потери тепла в результате химического недожога в зоне горения, когда образуются продукты неполного сгорания (СО, С, и др.) и потери тепла за счёт излучения факела пламени. Действительная температура горения газового фонтана будет равна:
.
Теплосодержание продуктов горения при температуре потухания пг = 2640,8∙1,08+2071,5∙2,04+2661,0∙0,04+1658,9∙8,05 = 20532,4 кДж/м3
Количество тепла, которое должно быть отведено от зоны горения огнетушащим средством отв= Qн-Qпг =38263,2- 20532,4 = 17730,9 кДж/м3
Отвод тепла от зоны пламени происходит в результате нагрева воды от начальной температуры до температуры потухания. Охлаждающий эффект воды определяется охл = c(Tкип-Tо)+Qисп+cp(Tпот-Tкип)охл = 4,2(100-20) + 2260 + 2,52(1169,9-100) = 5292,1 кДж/кг(л)
12
Популярное: Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1172)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |