Динамика развития пожаров на газовых, газонефтяных и нефтяных фонтанах

Пожары фонтанов условно разделяют на три группы: газовые, газонефтяные и нефтяные. Газовыми считаются фонтаны с содержанием горючего газа не менее 95% по массе, газонефтяными - газа более 50% и нефти менее 50% по массе, а нефтяными - фонтаны с дебитом нефти более 50% по массе. Кроме того, газовые и газонефтяные фонтаны условно подразделяются по мощности (дебиту) на слабые - с дебитом газа до 2млн.м³/сутки, средние - от 2 до 5 млн.м³/сутки и мощные - свыше 5 млн.м³/сутки.

При авариях на скважинах истечение газа из фонтанной арматуры происходит при высоких перепадах давления, значительно превышающих критические, т.е. на срезе трубы устанавливается скорость истечения, равная скорости звука. Для метана скорость звука равна приблизительно 400 м/с.

Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха.

Горение газовых фонтанов устойчивое, которое может длиться неделями и даже месяцами и не зависит от метеорологических условий- ветра, дождя и т.п. Для ликвидации такого пожара необходимо огромное количество сил и средств.

Поскольку в реальных условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков и даже сотен метров в секунду (при Rе (число Рейнольдса) > 2300), то характер изменения поля скоростей и концентраций газа вдоль струи и в поперечных сечениях (отстоящих на различных расстояниях от места истечения) будут определяться основными закономерностями турбулентной газовой струи [4,10,35].

Рассматривая факелы газонефтяных фонтанов, можно пользоваться (с некоторыми поправками) основными закономерностями турбулентных газовых струй, так как при соотношении массы жидкой фазы (нефти) к массе газа около единицы отношение объемов газа и нефти будет около тысячи. По мере удаления от среза трубы (за счет массообмена струи с окружающим воздухом) это соотношение будет увеличиваться в десятки раз. Скорость движения капелек нефти в струе будет приблизительно равна скорости движения газовой фазы. Поэтому такую двухфазную струю можно рассматривать как свободную затопленную турбулентную струю.

Одним из важных параметров газового факела является его длина (высота). Под высотой факела горения понимается наблюдаемая визуально или «фотографическая» длина факела, а не «химическая».

Проведенными исследованиями установлена экспериментальная зависимость между высотой факела пламени и дебитом газовой скважины. Для практических расчетов с точностью + 5% может быть использована формула:

(3. 1.)

где - дебит фонтана млн. м³/сутки

Зная дебит фонтана, можно предположить, что высота факела фонтана составит:

.

Исследованиями установлено, что с увеличением расхода газа высота факела пламени растет медленно, причем на нее не оказывает существенного влияния диаметр насадка. Так, при расходе газа 2,2 млн.м³/сутки высота факела для устья фонтана диаметром 150 и 250 мм, составляет 33 м.

Высота пламени у газонефтяных фонтанов несколько больше, чем у газовых. Нефтяные фонтаны с большим дебитом нефти и незначительным содержанием газа имеют небольшую высоту факела пламени, примерно 20-З0 м. Пламя газового фонтана имеет светло-желтую окраску. При пожарах газонефтяных фонтанов вся нефть, как правило, сгорает в факеле пожара, пламя имеет оранжевый цвет, иногда горение сопровождается клубами черного дыма. При пожарах нефтяных фонтанов только незначительная часть нефти успевает испариться и сгореть в воздухе, а большая ее часть выпадает на землю, разливается вокруг устья скважины и продолжает гореть. Нефтяной фонтан горит темным оранжевым пламенем с большим выделением черного дыма.

Одним из факторов, препятствующих ликвидации пожаров газовых фонтанов, является высокая интенсивность теплового излучения факела пламени. Поэтому при тушении газового фонтана большие расходы воды необходимо предусматривать на орошение поверхности земли вокруг скважины в радиусе 10-15 м для снижения температуры в этой зоне, а также на защиту от теплового излучения личного состава и техники, принимающих участие в ликвидации пожара.

Интенсивность излучения компактного вертикального факела газового фонтана в безветренную погоду может быть рассчитана по формуле

(3. 3.)

где f - коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство; - количество тепла, выделяемого факелом пламени; R— расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли.

Значение f принимается: для метана - 0,2, пропана - 0,33, других углеводородов - 0,4.

Теплота пожара определяется по формуле:

(3. 4)

Где - низшая теплота сгорания газа, Дж/м³; - расход (дебит) газового фонтана, м³/ч; β- коэффициент неполноты сгорания.

Зная величину интенсивности теплового излучения, которую выдерживает личный состав , можно рассчитать предельное расстояние (рис. 3.1.) от центра факела пламени по формуле:

(3. 5)

На рис. 3.2. показана зависимость интенсивности теплового излучения от времени теплового воздействия при максимальных болевых ощущениях. Из графика видно, что с увеличением тепловых нагрузок время резко сокращается. При интенсивности излучения (3-4)· Дж/(м²·ч) время реакции человека (~5 с) оказывается больше, чем время достижения болевых ощущений, что может привести к сильным ожогам людей, находящихся вблизи устья фонтана при неожиданной его вспышке. При расчетах принимают, что тепловое излучение с интенсивностью в 5,6· Дж/(м²·ч) является безопасным и личный состав может выдерживать такие тепловые нагрузки без специальной защиты в течение неограниченного времени.

Безопасное расстояние (рис. 3.1.), на котором могут работать участники тушения пожара, рассчитывается по формуле:

(3. 6.)

Рис. 3. 1. Принципиальная схема расчета безопасного расстояния до горящего факела газового фонтана.

Рис. 3. 2. Зависимость интенсивности теплоизлучения от времени воздействия при максимальных болевых ощущениях

При сильном ветре пламя факела газового фонтана отклоняется от вертикального положения (рис. 3.3.), поэтому проекция зоны теплового воздействия будет иметь форму эллипса. В этом случае безопасное расстояние от устья скважины в противоположном направлении ветра увеличивается и может быть рассчитано по формуле:

(3.7.)

Рис. 3. 3. Принципиальная схема расчета безопасного расстояния для наклонного факела пламени

Для двух горелок различных диаметров при одинаковой скорости смеси в них, считая нормальную скорость константой, тепловые напряжения объема факела обратно пропорциональны радиусу горелки:

(3. 8.)

Это объясняется тем, что горение смеси происходит по поверхности факела. С уменьшением радиуса горелки увеличивается поверхность пламени, приходящаяся на единицу объема факела, что приводит к увеличению теплового напряжения. Такой вид горения наблюдается и на реальных пожарах при горении распыленных газовых фонтанов (рис. 3.4.), например, когда на устье скважины находится буровое оборудование или скважина оборудована фонтанной арматурой (елкой). Фронт пламени имеет развитую поверхность горения, что уменьшает инертный объем факела и увеличивает тепловое напряжение факела горения. При этом факел пламени имеет незначительную длину (высоту) и большой поперечный размер (ширину, диаметр). При встрече струи с фонтанной арматурой за плохо обтекаемыми телами образуется разрежение, вызывающее циркуляцию мощного потока высоконагретых продуктов горения. Факел горения принимает вид полого расходящегося конуса, в котором зажигание осуществляется как изнутри, так и по наружной поверхности. Тушение мощных распыленных фонтанов значительно труднее, чем компактных. Из-за сильно развитой поверхности горения, горение является более устойчивым. На практике распыленный фонтан, как правило, приводят к компактному и только затем приступают к его тушению. Кроме того, встречаются комбинированные фонтаны с компактным факелом сверху (или наклоненном под углом к горизонту) и распыленными у устья (на арматуре), а также групповые (кустовые) фонтаны с одновременным горением двух и более скважин.

Рис. 3. 4. Виды факелов пламени распыленных газовых фонтанов

а – вертикальный; б - горизонтальный