Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

Стабилизация пламени на струе происходит в самой нижней части факела, где реализуется другой механизм горения. При истечении газа из отверстия на начальном не горящем участке поверхности струи образуется турбулентный слой смешения газа и окружающего воздуха. В этом слое концентрация газа в радиальном направлении плавно падает, а концентрация окислителя нарастает. В средней части слоя смешения возникает гомогенная смесь топлива и окислителя с составом, близким к стехиометрическому. При воспламенении такой подготовленной к горению смеси фронт пламени может распространяться в слое смешения с конечной скоростью даже навстречу потоку, если скорость горения превышает по величине локальную скорость потока. Но так как по мере приближения к выходному отверстию скорость струи нарастает, то на некоторой высоте скорость струи (uf) становится равной скорости горения (t), и пламя стабилизируется на поверхности струи на этой высоте. Точно рассчитать скорость турбулентного горения (t) не представляется возможным. Однако оценки показывают, что значение (t) приблизительно равно пульсационным скоростям струи, величина которых пропорциональна осевой скорости (um). Из экспериментальных данных следует, что максимальные значения среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости составляют 0.2um. Принимая эту величину за скорость турбулентного горения, можно считать, что максимальная скорость распространения пламени навстречу фонтанирующей со скоростью 300-450 м/с струе газа будет порядка 50 м/с.

Оценка дебита горящих газовых фонтанов

При тушении пожаров мощных газовых фонтанов возникает необходимость в оценке дебита (D) горящего фонтана, так как расход газа является одним из основных параметров, определяющих объемы работ и материально-технических средств, необходимых для ликвидации аварии. Однако непосредственное измерение расхода горящего фонтана в большинстве случаев оказывается невозможным, а эффективных дистанционных способов определения расхода струи не существует. Расход мощных газовых фонтанов может быть достаточно точно определен по высоте факела (Н).

Известно, что высота турбулентного факела, образующегося при горении нормально расширенных газовых струй с дозвуковой скоростью истечения, не зависит от скорости или расхода струи, а определяется лишь диаметром отверстия (d), из которого струя вытекает, теплофизическими свойствами газа и его температурой (Т) на выходе из отверстия.

Известна эмпирическая формула расчёта дебита фонтана по высоте факела при горении природного газа:

D = 0.0025Hф 2, млн. м3/сутки. (4)

На реальных пожарах ламинарный режим горения практически не встречается. Газ, как в пласте газового месторождения, так и в транспортных трубопроводах и в технологических установках, находится под давлением. Поэтому расходы газа при аварийном истечении будут очень большими − до 100 м3/с на пожарах фонтанирующих газовых скважин (до 10 млн. м3/сутки). Естественно, что в этих условиях режимы истечения, а значит, и режимы горения будут турбулентными.

Для расчета сил и средств на тушение горящих газовых факелов необходимо знать расход газа. Исходные данные для его расчета практически всегда отсутствуют, поскольку неизвестны либо давление газа в технологическом оборудовании, либо в пласте месторождения. Поэтому на практике пользуются экспериментально установленной зависимостью (4) высоты пламени факела от расхода газа, расчётные данные при использовании которой приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Зависимость высоты пламени от расхода газа газового фонтана при различных режимах горения

Методы тушения пожаров газовых фонтанов

До настоящего времени тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газо-водяными струями, создаваемыми авиационными турбореактивными двигателями; взрывом мощного сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, подвешиваемого вблизи основания факела. Эти способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3−5 млн. м3 в сутки, однако при тушении более мощных горящих фонтанов становятся малоэффективными. Применение этих методов требует привлечения большого количества людей и специальной техники, проведения сложных и дорогостоящих подготовительных работ, наличия больших запасов воды. Поэтому сроки ликвидации аварии на скважине нередко затягиваются на многие недели и месяцы, что приводит к истощению ресурсов месторождения и к угрозе гибели скважины.

Принципиально новый вихрепорошковый способ тушения пожаров газовых фонтанов практически любой возможной мощности разработан в Институте гидродинамики Сибирского отделения Российской академии наук совместно с работниками пожарной службы. Сущность этого способа заключается в следующем. У основания факела, который при пожаре на скважине достигает высоты 80-100 м, с максимальным диаметром 10-15 м, создается вихревое кольцо, движущееся вдоль оси факела снизу вверх. При таком движении "атмосфера" вихревого кольца сдувает пламя и пожар прекращается. Такие вихревые кольца получают с помощью взрыва небольших зарядов взрывчатого вещества в баке соответствующего диаметра.

С практической точки зрения более привлекательны для тушения пожаров на скважине сравнительно низкоскоростные, так называемые всплывающие вихревые кольца, которые образуются при подъеме компактного облака легкого газа в атмосфере. Такие вихри образуются при взрыве зарядов взрывчатого вещества без применения специальных устройств и конструкций. При этом, однако, необходимо ликвидировать проскок пламени через вихревое кольцо. Этого можно достичь, используя способность вихревого кольца переносить распыленную примесь. Если в момент образования вихревого кольца заполнить его огнетушащим порошком, то такое вихревое кольцо даже при относительно небольшой скорости будет сдувать пламя факела.

Опыт тушения пожара на газовой скважине в реальной ситуации доказывает, что практическое применение вихрепорошкового способа тушения, разработанного в рамках комплексной программы "Сибирь", прежде всего для использования в условиях Западной Сибири, приведет к существенному сокращению сроков тушения пожаров на аварийных скважинах и даст значительную экономию средств (людских и материальных ресурсов).