Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции развития промышленности характеризуются увеличением масштабов и расширением области использования горючих газов. Этот естественный процесс, охвативший в настоящее время все передовые индустриальные страны, обусловлен прежде всего технологическими достоинствами горючих газов, рациональное использование которых позволяет получить значительный экономический и экологический эффект.
Однако, наряду с очевидными преимуществами использования горючих газов, процессы их добычи, производства, гранспортировки, хранения, переработки и использования связаны с чрезвычайно высокой опасностью пожара и взрыва при аварийных ситуациях.
Высокая энергонасыщенность современных объекчов, постоянная интенсификация технологических процессов, убыстряющаяся смена технологий, внедрение принципиально новых решений крайне усложняют проблему обеспечения пожарной безопасности, так как не позволяют при ее решении опираться лишь на имеющийся багаж знаний.
Это обуславливает актуальность исследований, направленных на обеспечение безопасного использования горючих газов, и, в частности, исследований пожароопасное аварийных ситуаций, связанных с выбросами горючих газов, которые представляют крайне высокую опасность для людей и технологического оборудования, и в тоже время являются весьма распространенными, а для ряда объектов и наиболее вероятными аварийными ситуациями.
Для решения названной проблемы необходимо исследование газодинамических и теплофизических процессов, возникающих при выбросе и горении газов, в том числе процессов стабилизации пламени, размеров и конфигурации горящего факела и его теплового воздействия на окружающие объекты.
Актуальность данной проблемы возрастает в связи с развитием современных подходов к обеспечению пожарной безопасности, базирующихся на концепции «приемлемого риска» и ставящих во главу угла задачу снижения вероятности гибели людей Этот подход предполагает выполнение комплекса работ, связанных с анализом риска возможных аварий. Практическим инструментом исследования уровня опасности объекта является количественный анализ риска. При этом вопрос научной обоснованности и адекватности расчетных методик является одним из ключевых в обеспечении безопасности людей.
Очевидно, что математические модели и методики расчета должны базироваться на достижениях современной науки. Отсутствие или пренебрежение научными основами приводит, с одной стороны, к экономически неоправданным и ненужным ограничениям, а с другой - к серьезным упущениям в отношении реальной опасности пожара.
Однако, несмотря на повышенное внимание исследователей к данной проблеме и достаточно большое количество работ, посвященных горению газов, ряд важных с практической точки зрения закономерностей, характеризующих параметры пожарной опасности выбросов горючих газов, выявлены в научном плане недостаточно, особенно для условий, соответствующих эксплуатации современных объектов Методики оценки основных опасных факторов, динамики развития и прогноза последствий аварийных ситуаций, связанных с выбросами горючих газов, разработаны для достаточно узкого круга задач В связи с этим тема диссертации, посвященной решению указанной проблемы, является актуальной
Объектом исследования в диссертации являются газодинамические и теплофизические процессы, характеризующие пожарную опасность аварийных выбросов горючих газов, и практическое использование их основных закономерностей для решения проблемы повышения уровня пожарной безопасности объектов
Целью работы является развитие научных основ и совершенствование методов расчета, направленных на прогнозирование и снижение пожарной опасности объектов, использующих горючие газы, на основе теоретического и экспериментального исследования харакиристик пожарной опасности аварийных и регламентных выбросов горючих газов в широком диапазоне изменения параметров газосброса, характерном для условий реальной эксплуатации объектов.
Для достижения указанной цели в работе ставятся и решаются следующие задачи:
теоретическое исследование предельных условий стабилизации, размеров и конфигурации турбулентных диффузионных факелов в широком диапазоне возможного изменения условий газосброса и получение аналитических зависимостей, описывающих предельные условия стабилизации и геометрические параметры турбулентных диффузионных пламен для различных режимов выброса горючих газов и. параметров окружающей атмосферы;
разработка и создание многофункционального экспериментального комплекса и полигонного испытательного стенда в целях проведения экспериментальных исследований в широком диапазоне изменения условий выброса горючих газов;
экспериментальное исследование закономерностей стабилизации и газодинамического тушения диффузионных факелов наиболее распространенных горючих газов (водород, метан, пропан), в том числе с учетом влияния степени разбавления горючего газа инертным, размеров и формы сбросного отверстия, скорости и направления ветра, концентрации кислорода в окружающем пространстве, направления газосброса и т п ,
экспериментальное исследование размеров и конфигурации турбулентных диффузионных факелов горючих газов в широком диапазоне изменения условий выброса газа (состава и скорости истечения газа, размеров и формы сбросного отверстия, скорости и направления ветра и т п ),
экспериментальное исследование закономерностей горения диффузионных факелов в условиях разреженной атмосферы;
полигонные исследования характеристик пожарной опасности крупномасштабных выбросов природного газа;
разработка инженерных расчетных зависимостей для оценок основных характеристик пожарной опасности аварийных выбросов горючих газов;
- разработка методики расчета предельных условий стабилизации
турбулентных диффузионных факелов,
разработка методики расчета размеров и конфигурации диффузионных факелов, образующихся в реальных условиях аварийного выброса горючих газов;
- разработка методики определения оптимальных пожаробезопасных
режимов сброса горючих газов1
Научная новизна работы заключается в следующем' 1 На основе теоретических исследований, базирующихся на единой физической модели, получены аналитические выражения, описывающие предельные условия стабилизации и геометрические параметры турбулентных диффузионных пламен в широком диапазоне изменения условий истечения газа и параметров окружающей атмосферы
Полученные зависимости позволяют оценивать комплексное влияние различных факторов (состав газа, скорость и направление газосброса, размеры и форма сбросных отверстий, скорость и направление ветра, концентрация кислорода в окружающем пространстве и т. п.) на параметры турбулентных диффузионных факелов.
2. Получены новые экспериментальные данные о предельных условиях
стабилизации диффузионных факелов наиболее распространенных горючих
газов в диапазоне изменения параметров газосброса, характерном для
условий реальной эксплуатации объектов.
3. Выявлены закономерности стабилизации и газодинамического
тушения турбулентных диффузионных пламен.
Определено влияние на стабилизацию и тушение диффузионных факелов степени разбавления горючего газа инертным, размеров и формы сбросного отверстия, скорости и направления ветра, концентрации кислорода в окружающем пространстве, направления газосброса.
Установлено, что максимальной устойчивостью обладают диффузионные факелы, развивающиеся во встречном потоке воздуха, направленном под углом 120 < а < 160 к оси сбросного устройства. Выявлена практическая независимость пределов устойчивого горения турбулентных диффузионных факелов от формы проходного сечения сбросного отверстия.
Обнаружено аномальное уменьшение устойчивости диффузионных присопловых факелов, характерное для выбросов газа из отверстий большого (rfQ > 40 мм) диаметра.
4 Выявлены качественные закономерности горения диффузионных
факелов в условиях разреженной атмосферы.
В экспериментах с водородом и кислородом было показано, что диффузионные газовые факелы могут стабильно гореть в условиях разрежения, как минимум, до абсолютного давления 0,4 кПа (3 мм рт ст) При этом возможно существование двух видов пламени - водородного в кислородной атмосфере и «кислородного» в атмосфере водорода, т е факела, образующегося при истечении кислорода в водород
Показано, что в рассматриваемых условиях основание пламени может стабилизироваться ниже среза сбросного отверстия (горелки) В связи с этим происходит существенный прогрев в зоне сбросного отверстия, что может приводить к эскалации аварийной ситуации (увеличению площади разгерметизации).
5 Получены новые экспериментальные данные и выявлены
закономерности влияния на геометрические параметры турбулентных
диффузионных факелов условий истечения горючего газа (формы отверстия,
направления газосброса, скорости и направления ветра, начальной
турбулентности)
Установлено, что на всех режимах сброса сохраняется пропорциональность между длиной пламени и размерами стехиометрического контура струи истекающего горючего газа.
Отмечено, что при высоких скоростях истечения газа, характерных для реальных аварийных выбросов, размеры и конфигурация факела практически не зависят от направления газосброса.
Определена динамика уменьшения длины факела в зависимости от скорости поперечного потока воздуха Показано, что координаты оси факела в этих условиях, практически соответствуют координатам оси струи истекающего горючего газа.
6 Получены новые экспериментальные данные о характеристиках
пожаровзрывоопасности крупномасштабных выбросов природного газа в
широком диапазоне изменения условий газосброса.
Установлено, что при высоких скоростях истечения газа пропорциональность между длиной факелаL0 и расходом газа G (L0~GA) сохраняется на всех режимах сброса природного газа.
Выявлено, что длина факелов, развивающихся вдоль поверхности земли (настильный факел), на 15-25% больше «свободных» (вертикальный и горизонтальный) факелов
Показано, что горение рассеянного факела в значительной степени отличается от струйных вертикальных факелов В частности, при поджигании газа наблюдаются две ярко выраженные стадии горения'
1 - начальная стадия продолжительностью 3 - 6 с, которая сопровождается яркой вспышкой и образованием «огненного шара» с большим количеством сажи;
2 - стационарное горение, напоминающее по внешнему виду горение разливов горючих жидкостей, которое также сопровождалось выделением сажи, а на больших расходах газа (несколько десятков м3/с) периодическим возникновением «огненных шаров» меньших размеров чем первоначальный.
Отмечено, что максимальная длина рассеянных факелов примерно равна длине вертикальных факелов при значительно (в 3 - 4 раза) большей ширине.
Выявлены закономерности изменения интенсивности теплового излучения горизонтальных, настильных и рассеянных факелов в зависимости от режимов газосброса.
Установлено, что газовоздушные облака, образующиеся при выбросе природного газа в окружающее просфанство в виде свободных, настильных и рассеянных струй с расходами до 50 м /с, сгорают без образования интенсивных волн сжатия, представляющих опасность для людей и окружающих объектов.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием аттестованной измерительной аппаратуры, апробированных методик измерения и обработки экспериментальных данных, удовлетворительным согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными в широком диапазоне изменения условий газосброса, том числе в крупномасштабных испытаниях, а также с результатами других авторов, описанными в литературе
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. сформулированных в диссертации, подтверждена достаточным объемом исследований (в том числе крупномасштабных опытов), длительной апробацией методик расчета и положительным опытом внедрения результатов работы в авиационной и космической технике, газовой промышленности и других отраслях.
Практическая значимость работы заключается в разработке новых и совершенствовании существующих методов расчета, направленных на прогнозирование пожарной опасности аварийных выбросов горючих газов и определение оптимальных способов и направлений снижения указанной опасности. В частности, разработаны:
методики расчета предельных условий стабилизации и газодинамического тушения турбулентных диффузионных факелов, образующихся при аварийных и регламентных выбросах горючих газов;
- методика определения оптимальных пожаробезопасных режимов
сброса горючих газов;
методики расчета размеров и конфигурации диффузионных факелов, позволяющие определять геометрические параметры горящих факелов в широком диапазоне изменения условий газосброса;
компьютерные программы расчета основных характеристик пожарной опасности и оптимальных пожаробезопасных режимов сброса горючих газов.
Практическая реализация. Результаты диссертационной работы использованы при разработке-
- систем обеспечения пожаровзрывобезопасности самолета Ту-155 на
криогенных топливах;
средств обеспечения пожаровзрывобезопасности криогенных разгонных блоков 12КРБ и КВРБ;
- комплекса мероприятий по обеспечению безопасности космической
системы «Энергия-Буран»;
- математических моделей горения газов в Институте проблем
механики РАН;
расчетов размеров и параметров взаимодействия струй горячих газов с элементами конструкций из композитных материалов, разрабатываемых ЦНИИСМ;
проектов 6590 и 9706 «Обустройство опытно-промышленной эксплуатации правобережной части Приобского месторождения нефти и газа»;
методических указаний по противопожарной защите компрессорных станций и объектов комплексной подготовки газа ОАО «Газпром»;
рекомендаций по противопожарной защите целого ряда объектов нефтяной и газовой промышленности (компрессорных станций, газотурбинных электростанций, установок подготовки нефти и т п )
Апробация работы. Результаты диссертационной работы, ее основные положения и выводы докладывались и обсуждались на IX Всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства» (Москва, 1988), XI Всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства» (Москва, 1992), X и XI Симпозиумах по горению и взрыву (Черноголовка, 1992, 1996), Proceedings of the Russian-Japanese seminar on combustion (Chemogolovka, 1993), XII Всесоюзной научно-практической конференции «Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ» (Москва, 1993), I Международном семинаре «Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита» (Москва, 1995), II Международной научно-практической конференции «Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых и нефтяных месторождений в арктических регионах» (Надым, 1995), XIII Всероссийской научно-практической конференции «Пожарная безопасность» (Москва, 1995), III Всероссийской научно-технической конференции «Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах» (Москва, 1996), XIV Всероссийской научно-практической конференции «Пожарная безопасность: история, состояние, перспективы» (Москва, 1997), XV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков» (Москва, 1998), XVI Всероссийской научно-практической конференции «Крупные пожары предупреждение и тушение» (Москва, 2001), XVII Всероссийской научно-практической конференции «Пожары и окружающая
среда» (Москва, 2002), XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» (Москва, 2003). На защиту выносятся:
- результаты теоретического и экспериментального исследования и
закономерности стабилизации и газодинамического тушения турбулентных
диффузионных факелов;
экспериментально установленные закономерности горения диффузионных факелов в условиях разрежения;
- результаты теоретического исследования размеров и конфигурации
турбулентных диффузионных факелов;
- результаты экспериментальных исследований и закономерности
влияния на геометрические параметры турбулентных диффузионных
факелов условий истечения горючего газа (формы отверстия, направления
газосброса, скорости и направления ветра, начальной турбулентности);
результаты крупномасштабных полигонных исследований характеристик пожаровзрывоопасности выбросов природного газа;
методика расчета предельных условий стабилизации и газодинамического тушения турбулентных диффузионных факелов, образующихся при аварийных и регламентных выбросах горючих газов;
методика расчета размеров и конфигурации диффузионных факелов
методика определения оптимальных пожаробезопасных режимов сброса горючих газов.
Публикации. По материалам выполненных диссертационных исследований опубликовано 56 печатных работ
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованной литературы Материалы изложены на 319 страницах машинописного текста, включающего 71 рисунок, 11 таблиц и 245 наименований литературы
