Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

Молекулярную массу фонтанирующего газа (), состоящего из нескольких компонентов, можно определить по формуле:

, (29)

где − молекулярная масса i-гo горючего компонента газового фонтана;

− доля i-гo горючего компонента.

Молекулярная масса горючего газа, содержащего метан, этан и сероводород, будет равна:

Мг = МCH4 φCH4 + МC2H6 φC2H6 + МH2S φH2S =16×0,84 + 30×0,06 + 34×0,07= =17,62 г/моль.

Коэффициент теплопотерь за счёт излучения пламени фонтана составит:

ηл=0,048 √17,62 = 0,2.

Тогда для общих теплопотерь будет равна:

η= 0,08 + 0,2 = 0,28.

Действительная температура горения газового фонтана будет равна:

(30)

T д= 298 + 34033,9 × 103 ×(1 – 0,28)/(39,26×53,14 + 78,96×42,34 + 306,798×32,76 + 2,86×52,57 + 1,23×34,73) = 1862 К.

4. Интенсивность лучистого потока от факела пламени, приходящаяся на единицу площади поверхности окружающих тел, называют плотностью лучистого потока или облучённостью (Е). Её обычно выражают в кВт/м2.

Величина облучённости определяет границы локальных зон теплового воздействия факела пламени, в пределах которого предъявляются определённые требования к экипировке личного состава, выполняющего боевые действия по тушению пожара, и времени пребывания в данных зонах.

Расстояние от устья скважины, в пределах которого облучённость не превышает 1,6 кВт/м2, является безопасным для нахождения в течение неопределённо долгого времени.

При граничном уровне облучённости 4,2 кВт/м2 допустимо нахождение не более 15 минут бойцов без специального теплозащитного снаряжения при условии защиты открытых кожных покровов (перчатки, защитные щитки). Специальное теплозащитное снаряжение и защита с использованием распылённых водяных струй позволяют вести работу в течение 5 минут при облучённости 14 кВт/м2.

Величину облучённости от факела пламени горящего фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины можно рассчитать по формулам:

, (31)

где − низшая теплота сгорания фонтанирующего газа, кДж/м3;

VГ − секундный расход газа, м3/с;

R − длина гипотенузы в треугольнике, катетами которого являются половина высоты факела фонтана и расстояние от устья скважины до места облучения (L), м.

Очевидно, что

, (32)

Тогда из (31) следует, что

(33)

Для установления величины облучённости окружающего пространства факелом пламени в зависимости от расстояния до скважины в формуле (32) необходимо задаваться значениями L, принимая их равными 20, 40, 60, 80, 100, 120, 150 и 200 м. В формулу (32) подставляются также высота факела пламени Нф=13 м, секундный расход газа VГ=4,8 м3/с и коэффициент теплопотерь излучением л= 0,2.

В качестве примера проведем расчёт облучённости (Е) на расстоянии

L = 20 м:

Е = (0,2×34033,9×4,8)/(4×3,14×[(13/2)2 + 202 ] ) = 5,88 кВт/м2 .

Остальные значения получим по аналогии, используя формулу (33).

Рассчитанные значения облучённости сведём в табл. 8.

Таблица 8.

Величина облучённости от факела газового фонтана в зависимости от расстояния до устья скважины

L, м	20	40	60	80	100	120	150	200
qл, кВт/м2	5,88	1,58	0,71	0,40	0,26	0,18	0,12	0,06

Зависимость Е = f(L) в графической форме представлена на рис. 11.

Рисунок 11. Зависимость изменения облучённости, создаваемой факелом пламени газового фонтана, от расстояния до устья скважины

Построенный график можно использовать для определения границ локальных зон теплового воздействия факела горящего фонтана, на которых уровень облучённости составляет 1,6; 4,2 и 14 кВт/м2, путём нахождения расстояния от точки, имеющей соответствующую облучённость, до устья скважины. Также границы зон можно определить из формулы (34), подставив в неё известные значения Е и положив неизвестной величиной расстояние L.

Таким образом, расстояние до соответствующих локальных зон теплового воздействия составляют соответственно 39,8; 24 и 12 м от устья скважины.

5. Определение теоретического расхода воды на тушение газового фонтана производится по формуле (18):

nв =

Коэффициент излучения л был рассчитан ранее по формуле (28).

Коэффициентт в свою очередь рассчитывается из соотношения:

(34)

Для определения этого коэффициента необходимо рассчитать действительную температуру горения стехиометрической смеси горючих газов с воздухом (при =1) и температуру горения при концентрации горючей смеси, равной нижнему концентрационному пределу .

Согласно формуле (11):

Тгст = Т0 + Qнс, об (1– ηл) / (νCO2 CP,CO2 + νH2O CP,H2O + νN2 CP,N2 + νSO2 CP,SO2) = 298 + 34033,9 × 103 ×(1 – 0,2)/(39,26×53,14 + 306,798×32,76 + 78,96×42,34 + 2,86×52,57) = 2040 К.

По формуле (12) находим Тгн:

Тгн = Т0 + Qнс, об (1– ηл) / (νCO2 CP,CO2 + νH2O CP,H2O + νN2 CP,N2 + νSO2 CP,SO2 +Δν CP,в).

Предварительно находим избыточный объём воздуха: ΔVв =Vв0 (α – 1).

Для этого рассчитываем теоретический объём воздуха, необходимый для сгорания газовоздушной смеси заданного нам состава: