А Н Семко, С А Виноградов, И Н Грицына - Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов - страница 1

Страницы:
1  2 

ВІСНИК ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ, Сер. А: Природничі науки, 2011, № 1

УДК 699.816.3+621.227

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СТРУЙ ЖИДКОСТИ ВЫСОКОЙ СКОРОСТИ ДЛЯ ТУШЕНИЯ ГАЗОВЫХ ФАКЕЛОВ

А. Н. Семко, С. А. Виноградов , И. Н. Грицына

Национальный университет гражданской защиты Украины, г. Харьков

Проведены экспериментальные исследования тушения газового факела при помощи импульсных струй жид­кости высокой скорости, которые генерируются пороховым импульсным водометом. Скорость импульсной струи в зависимости от энергии заряда в экспериментах достигала 300 - 600 м/с. При помощи лазерного бесконтактного из­мерителя скорости измерялась скорость головы струи непосредственно перед факелом, проводилось фотографиро­вание струи. Показано, что вокруг импульсной струи жидкости высокой скорости в воздухе образуется высокоско­ростное облако брызг большого поперечного сечения, которое эффективно сбивает пламя газового факела на рас­стояниях 5 - 20 м от установки.

Ключевые слова: тушение газового факела, импульсная струя жидкости высокой скорости, импульсный водо­мет, измерение скорости струи

Введение. Открытые фонтаны, представляющие собой неуправляемый выброс пластовых флюи­дов, наносят большой экономический и экологический ущерб окружающей среде, принимая иногда ха­рактер стихийных бедствий. На разных расстояниях от фонтанирующей скважины могут возникнуть гри­фоны, появиться скопления газа в понижениях местности, что реально угрожает взрывами и пожарами.

Пожар газового фонтана является сложной чрезвычайной ситуацией техногенного характера, лик­видация которой связана со значительными финансовыми затратами и необходимости привлечения большого количества пожарной техники и личного состава.

Открытые газовые фонтаны подразделяются по мощности на [1]:

- небольшие с дебитом менее 0,5 млн. м3/сут. газа и менее 100 т нефти;

- средние с дебитом 0,5...1,0 млн. м3/сут. газа и 100...300 т нефти;

- мощные с дебитом 1,0... 10,0 млн. м3/сут. газа и 300... 1000 т нефти;

- большой мощности с дебитом более 10 млн. м3/сут. газа и более 1000 т нефти.

Под газопроявлениями понимается неконтролируемое поступление газа, нефти и воды на поверх­ность через негерметичные резьбовые соединения и дефекты, возникающие в результате нарушения гер­метичности стволов скважин при бурении и эксплуатации.

Практика показывает, что частота возникновения аварий, газопроявлений и открытых фонтанов составляет в среднем 0,12 случая на 100 скважин [2]. Например, на месторождениях, расположенных в штате Техас, число выбросов при разведочном бурении составляет порядка 244, при эксплуатационном бурении - 180, при заканчивании скважин - 64, при капитальном ремонте скважин - 197, при эксплуата­ции скважин - 85. На месторождениях, расположенных на американском континентальном шельфе, чис­ло выбросов меньше и составляет соответственно 45, 49, 25, 23 и 12. Это объясняется меньшим количе­ством скважин и применением более надежных конструкций скважин и внутрискважинного и устьевого оборудования.

Современные способы тушения газовых фонтанов. Для тушения пожаров нефтегазовых фонта­нов разработано не менее десятка различных методов, что обусловлено, с одной стороны, исключитель­ной сложностью технической проблемы, многофакторностью и разнообразием конкретных ситуаций на таких пожарах, а с другой - ограниченной эффективностью каждого из этих способов. В работе [3] при­ведены основные методы тушения пожаров газовых фонтанов в зависимости от их типа:

- закачкой воды в скважину или закрытием задвижек превентора и противовыбросового обо­рудования;

- струями автомобилей газоводяного тушения;

- импульсной подачей порошка специальными установками;

- водяными струями из лафетных стволов;

- взрывом заряда ВВ;

- вихрепорошковым способом;

- огнетушащим порошком с помощью пожарных автомобилей;

- комбинированным способом;

- бурением наклонной скважины и закачка в нее специального раствора.

На Украине и в странах СНГ при тушении пожаров открытых фонтанов чаще всего применяются лафетные стволы (гидромониторы), автомобили газоводяного тушения АГВТ-100 и АГВТ-150, пневма­тические порошковые пламеподавители ППП-200 [4].

© Лафетные стволы применяются при тушении газовых, газоконденсатных и нефтяных фонтанов небольшой мощности, поскольку стволы должны устанавливаться на расстоянии 15 м, что в условиях сильного теплового излучения фонтана с большим дебитом не допустимо [5]. При тушении более мощ­ных фонтанов (средней мощности), когда используется значительное количество лафетных стволов, по­дачу водяных струй осуществляют в два яруса. Долгое время этот метод занимал лидирующее место среди всех методов тушения газовых фонтанов. Суть его заключается в том, что струи воды, подаваемые из лафетных стволов, направляются на устье скважины в основании струи фонтана. Затем синхронно поднимают водяные струи вверх по столбу пламени до полного его отрыва.

Автомобили газоводяного тушения АГВТ-100 и АГВТ-150 применяются для тушения пожаров всех видов фонтанов, но чаще для тушения мощных фонтанов. Газоводяные струи, создаваемые этими установками, представляют собой смесь отработанных газов турбореактивного двигателя и распыленной воды. В газоводяной струе содержится около 60% воды и 40% газа, а концентрация кислорода не более 14%. По мере удаления от сопла содержание кислорода увеличивается и на рабочем расстоянии 12-15 м составляет 17-18%. Вода частично испаряется в струе раскаленного газа и в зону горения вода попадает в распыленном состоянии [4]. Экспериментально установлено, что газоводяная струя обладает высоким охлаждающим эффектом, например: при подаче 60 л/с воды (АГВТ-100) в течение 5 мин снижает темпе­ратуру фонтанной арматуры, с 950 до 100-150 °С. Эффективность тушения зависит от содержания воды в струе и имеет оптимальное значение в пределах 55 - 60 л/с.

Пневматические порошковые пламеподавители ППП-200 применяются при тушении пожара фон­танов большой мощности [4]. Тушение пожара осуществляется за счет воздействия на горящий факел распыленного порошка, выброс которого осуществляется за счет энергии сжатого воздуха. В зоне горе­ния фонтана в течение короткого времени (1.2 с) импульсно создается огнетушащая концентрация по­рошка путем направленного залпового выброса установкой.

Подобный принцип реализуется и в установках на базе танковых шасси Т-62 Импульс-1, Импульс-2, Импульс-3, а также Импульс-Шторм. Машины имеют 50 стволов (Импульс-1 - 40 стволов), в каждый из которых заряжается по 30 кг порошка. Установка Импульс-Шторм способна доставить в очаг пожара за 4 секунды 1,5 тонны огнетушащего порошка. Это позволяет создать мощное огнетушащее воздействие сразу и одновременно по всей площади или объему. Основным отличием данной установки является мощное ударное воздействие на очаг пожара совместно с огнетушащими эффектами, производимыми специальными порошковыми составами.

Не редко используется метод подрыва заряда взрывчатого вещества, который генерирует ударную волну большой скорости (до 1000 м/с) [3-6]. Заряд взрывчатого вещества подается к устью скважины либо по стальному тросу, перекинутому через блоки, подвешенные на специальных опорах, либо на те­лежке с укосиной по рельсовым путям, проложенным к устью скважины [5]. Главными недостатками этого метода является его высокая опасность, большой объем и сложность подготовительных работ, а также необходимость в большом количестве взрывчатого вещества (100-1000 кг).

Стоит отметить, что наряду с преимуществами, которые имеют каждый из перечисленных способов, все они имеют об­щий недостаток - низкая дальность подачи огнетушащего веще­ства, что недопустимо в условиях высокого теплового излучения газового факела. Так, при тушении с помощью лафетных стволов и автомобилей газоводяного тушения оптимальная дальность подачи составляет 15 м [3, 4, 6], а безопасное расстояние ібез для личного состава от факела уже при дебите V = 0,5 млн. м3/сутки составляет около 50 м (рис. 1).

Таким образом, для тушения пожаров газовых фонтанов наиболее перспективным является разработка устройств, способ­ных обеспечивать подачу огнетушащих смесей с расстояний, превышающих критические для безопасности личного состава по тепловому излучению.

Перспективные направления разработки устройств для тушения газовых фонтанов. Во все

времена наиболее доступным и простым средством для тушения пожаров была вода. Она широко исполь­зуется в практике пожаротушения, кроме применения ее для отдельных видов пожаров (тушения щелоч­ных металлов, электрооборудования под напряжением). Очевидно, что и для тушения газовых фонтанов вода занимает лидирующее место среди других огнетушащих средств, что определяется ее доступностью, дешевизной, простотой доставки и эксплуатации, а также высокими огнетушащими качествами.

Наиболее перспективным на данный момент является применение тонкораспыленной воды для тушения пожаров. Основными механизмами тушения тонкораспыленной водой является охлаждение горящего материала и образование локализующего очаг горения облака пара. В случае если капли не будут обладать достаточной кинетической энергией, они не смогут преодолеть барьер конвективных по­

200

150

100

50

ібез, м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V, мл

н. м3/сут.

0 2 4 6

Рис. 1. Безопасное расстояние от горящего газового факелатоков горячих газов, генерируемых пламенем, и зону радиационно-кондуктивного нагрева, в результате они не смогут достигать поверхности горения и подавлять этот процесс. В этом случае тонкораспылен­ная вода может рассматриваться как вспомогательное средство для смягчения условий при пожаре, но не как средство подавления пожара.

Для успешного подавления горения необходимо, чтобы размер капель был минимален, и они мог­ли преодолеть конвективные тепловые потоки и радиационно-кондуктивный барьер, генерируемые пла­менем. Малый размер капель необходим для повышения скорости испарения воды, в результате которого происходит интенсивное охлаждение и образование флегматизирующей среды водяного пара, что обес­печивает тушение пламени. В то же бремя уменьшение размера частиц затрудняет поддержание высоких скоростей капель и способствует более быстрому испарению капель в предпламенной зоне, что снижает эффективность пожаротушения распыленной водой. Анализ данных разных авторов показывает, что оп­тимальной диаметр капель для тушения различных материалов составляет dк є (100 150) мкм.

Для доставки воды к горящему факелу с безопасных дистанций необходимо обеспечить высокие скорости на выходе из устройства тушения. Эта скорость должна учитывать потери при полете струи и обеспечивать необходимую скорость непосредственно перед факелом для преодоления конвективных потоков, а также «срывного» воздействия на факел. Суть «срывного» действия заключается в том, что с увеличением скорости потока равновесное положение фронта пламени сдвигается по потоку. Свежая паровоздушная горючая смесь по мере удаления претерпевает все более сильное разбавление за счет вза­имной диффузии со сносящим потоком. Скорость горения такой смеси уменьшается пропорционально степени ее разбавления и при некоторой критической скорости потока, превышающей скорость горения, струя на мгновение прерывается, а пламя отбрасывается вверх и отрывается от нее.

Скорость отрыв пламени факела можно оценить по эмпирической формуле [7]

Vотр = 100^,

где d - начальный диаметр струи фонтана в метрах.

Анализ конкретных данных по изменению характера пламени при увеличении скорости горящей струи показывает, что срыв диффузионных пламен происходит в диапазоне скоростей 80-100 м/с. Оче­видно, что указанные значения срывных скоростей с расстояний безопасного удаления (110-130 м) могут быть обеспечены при использовании высокоскоростных струй жидкости, генерируемых устройствами, аналогом которых является импульсный водомет (ИВ).

Схема проведения эксперимента. Для обоснования возможности тушения газовых факелов им­пульсными струями жидкости высокой скорости были проведены предварительные экспериментальные исследования, целью которых являлось определить принципиальную возможность тушения газовых фонтанов с помощью импульсного водомета, а также определить скорости, при которых происходит ту­шение факела.

Модель газового фонтана рассчитывалась по коэффициенту аэродинамического подобия, который характеризует процессы перемешивания газа с окружающей атмосферой, зависящие от напора и толщи­ны газовой струи

2

К =

2gd0

где W0 - скорость истечения газа, м/с; g - ускорение свободного падения; d0 - диаметр скважины, м.

Моделирование газового факела проводилось для горения фонтанов с дебитом (1+3)Т06 м3/сут. Диаметры скважины взяты из расчета использования стандартного бурового оборудования от 0,3 до 0,5 м. При масштабе моделирования по линейным размерам М 1:100 для модельного факела диаметры насадок находятся в пределах (0,003+0,005) м. Параметры модельных факелов для разных условий (де­бита и диаметра скважины, ) представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры модельного факела для разных условий

Диаметр модели, м

Значение скорости (м/с) /расхода (л/с) истечения газа из модели факела при дебите газового фонтана (м3/сут.) и диаметре скважины (м)

 

1 000 000

2 000 000

3 000 000

 

0,3

0,4

0,5

0,3

0,4

0,5

0,3

0,4

0,5

0,003

16,38/ 0,116

Х

Х

32,76/ 0,23

Х

Х

49,1/ 0,347

Х

Х

0,004

Х

9,21/ 0,116

Х

Х

18,43/ 0,23

Х

Х

27,65/ 0,347

Х

0,005

Х

Х

5,89/

0,116

Х

Х

11,8/ 0,23

Х

Х

17,7/ 0,347

В экспериментах использовалась модель газового факела, соответствующая усредненным пара­метрам.

На рис. 2 приведена схема проведения эксперимента, а на рис. 3 экспериментальная установка при

3 П

3

4 СНІ

Рис. 2. Схема проведения эксперимента. 1 - пороховой ИВ, 2 - объект воздействия (газовый факел), - измеритель скорости, 4 - блок лазеров, 5 - лучи лазеров. 6 - импульсная струя,

полевых испытаниях на полигоне. Здесь 1 - пороховой ИВ, 2 - импульсная струя, 3 - объект воздействия (газовый факел), 4 - измеритель скорости, 5 - блок лазеров, 6 - лучи лазеров.

Рис. 3. Схема проведения полевых испытаний на полигоне 1 - Импульсный пороховой водомет, 2 - газовый факел, 3 - блок лазеров, 4 - измеритель скорости.

В экспериментах варьировалось расстояние от импульсного водомета до факела и величина поро­хового заряда, от которого зависит скорость импульсной струи жидкости. Расстояние от установки до факела измерялось рулеткой, а прицеливание осуществлялось при помощи специального лазерного при­цела, который закреплялся на стволе импульсного водомета.

Схема порохового ИВ, при помощи которого проводились экспериментальные исследования, изо­бражена на рис. 4 [8]. Ствол 4 порохового ИВ, который заканчивается коническим соплом 6 с коллима­тором 7, заполнен водой 3. Пороховой заряд 2 отделен от водяного заряда 3 пыжом 8. Для упрочнения самый напряженный участок ствола укре­плен бандажом 5, который посажен на ствол с заданным натягом. Пороховой за­ряд 2 в корпусе водомета зафиксирован затвором 9, внутри которого находится воспламенитель 1. В начальный момент срабатывает воспламенитель 1 и поджига­ет пороховой заряд 2. Пороховые газы, образующиеся при горении пороха, начи­нают выталкивать водяной 3 заряд через

коническое сопло 6 в виде импульсной струи жидкости. Истечение струи жидкости начинается с не­большой скоростью, которая быстро возрастает по мере увеличения давления пороховых газов.

Параметры порохового ИВ были рассчитаны теоретически по методике, изложенной в [8-10]. Движение жидкости описывалось уравнениями нестационарной газовой динамики в квазиодномерной постановке, горение пороха рассматривалось в квазистационарной постановке, характерной для задач внутренней баллистики ствольных орудий. Расчеты выполнены численно методами Годунова и Родио­нова. Ниже приведены некоторые результаты расчетов для порохового ИВ с параметрами: масса водяно­го заряда 450 г, диаметр сопла и струи 15 мм.

На рис. 4 приведены графики зависимости скорости истечения струи и давления внутри ИВ от времени для порохового заряда массой 30 г (штатный режим работы ИВ). Кривая 1 - скорость истечения, 2 - давление пороховых газов, 3 - давление воды в стволе ИВ.

12

3

4

56

'9

8

Рис. 4. Пороховой импульсный водомет. 1 - воспламенитель, 2 - камера сгорания, 3 - вода, 4 - ствол, 5 - бандаж, 6 - сопло, 7 - коллиматор, 8 - пыж, 9 - затвор.

v, м/с p, МПа

600

400

200

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'out

2 3

 

 

-

 

 

_1

 

0

1

2

3

4

5    t, мс

Рис. 4. Зависимость скорости истечения струи и давления внутри порохового ИВ от времени. 1 - скорость истечения, 2 - давление пороховых газов, 3 - давление воды в стволе, tg =1,57 мс - время горения пороха, tout = 5,2 мс - окончание истечения струи воды.

Как видно, истечение струи порохового ИВ начинается с нулевой скорости. По мере сгорания по­роха скорость истечения быстро возрастает и достигает максимального значения 685 м/с через 1,5 мс с начала выстрела. Порох сгорает позже, к моменту времени tg = 1,57 мс (на графике это отмечено пунк­тирной линией). Скорость истечения струи к этому времени немного уменьшается до 647 м/с. После сго­рания пороха скорость истечения медленно уменьшается до 320 м/с. Истечение струи заканчивается к моменту времени tout = 5,2 мс выбросом малой порции воды пороховыми газами с более высокой ско­ростью.

Кривая 2 давления пороховых газов в ИВ имеет типичную форму, характерную для ствольных орудий. Максимальное давление пороховых газов достигает 275 МПа ко времени 0,95 мс. Затем давление пороховых газов монотонно убывает до 40 МПа в конце выстрела. Давление воды в стволе ИВ (кривая 3) не превышает давления пороховых газов и носит пульсирующий характер, который отражает волновые процессы внутри установки при выстреле, связанные с волнами сжатия и разрежения, которые отража­ются от границы пороховых газов и среза сопла. Пульсации давления незначительные и мало влияют на скорость истечения импульсной струи. Давление жидкости в установке и скорость истечения струи очень хорошо согласуются с уравнением Бернулли для несжимаемой жидкости и стационарного процес­са. Максимальная скорость истечения струи ИВ, рассчитанная по давлению жидкости внутри установки на этот момент, составляет 678 м/с, что отличается от точного расчета в нестационарной постановке для сжимаемой жидкости всего на 1%. Приведенные результаты расчетов показывают, что параметры поро­хового ИВ с достаточной точностью можно рассчитывать в более простой квазистационарной постанов­ке без учета сжимаемости жидкости.

В табл. 2 приведены результаты расчетов максимальной скорости истечения импульсной струи жидкости порохового ИВ для разных зарядов пороха.

Таблица 2

Зависимость параметров ИВ от массы пороха

масса пороха, г

30

20

10

Максимальная скорость струи, м/с

685

505

300

максимальное давление пороховых газов, МПа

275

143

46,5

Как и следовало ожидать, при уменьшении массы пороха (энергии выстрела) максимальная ско­рость струи и давление внутри установки уменьшались, причем давление уменьшалось гораздо быстрее, чем скорость. Например, для порохового заряда 10 г (масса пороха в 3 раза меньше штатной) максималь­ная скорость истечения уменьшилась в 2,3 раза, а давление - в 6 раз. Соотношения между скоростью и давлением удовлетворительно согласуются с уравнением Бернулли для несжимаемой жидкости, соглас­но которому давление пропорционально квадрату скорости. Существенное уменьшение максимального давления внутри установки при незначительном уменьшении максимальной скорости струи жидкости является положительным фактором для прочностных характеристик установки: чем меньше давление в установке, тем тоньше может быть ее корпус, меньше масса и, как следствие, больше мобильность.

Специфический характер зависимости скорости истечения струи ИВ от времени (быстрое возрас­тание в начале истечения от нуля до максимума, а в дальнейшем спад практически до нуля), определяет закономерности распространения импульсной струи. В начале истечения более быстрые частицы выте­кающей из сопла ИВ жидкости пробиваются через более медленные, вытекшие ранее. В результате в струе возникает радиальное течение, которое приводит к увеличению поперечного сечения струи. Ско­рость радиального течения vr можно оценить по уравнению Бернулли для избыточного давлению вструе, которое возникает при столкновении более быстрого заднего участка струи с более медленным передним, вытекшим ранее [11, 12]. Эти оценки показывают, что скорость радиального течения пропор­циональна корню квадратному из избыточного давления vr ~ у]Ap ~ Av, которое в свою очередь про­порционально квадрату разности скоростей Av соударяющихся участков струи. Поэтому на начальной стадии истечения скорость головы струи возрастает до тех пор, пока высокоскоростные участки не дос­тигнут головы струи. В дальнейшем скорость головы струи уменьшается из-за торможения воздухом. Радиальное течение вызывает утолщение струи и образование вокруг нее ореола брызг, который движет­ся со скоростью, мало отличающейся от скорости ядра струи.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А Н Семко, С А Виноградов, И Н Грицына - Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов