Тушение диффузионного пламени метана в воздухе при одновременной подаче газовых огнетушащих агентов в горючее и окислитель

Шебеко Алексей Юрьевич кандидат технических наук начальник отдела, ФГБУ Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (ФГБУ ВНИИПО МЧС России) 143903, Россия, Московская область, г. Балашиха, ул. Микрорайон Вниипо, 12 Shebeko Alexey Yurevich PhD in Technical Science head of the department at All-Russian Research Institute for Fire Protection 143903, Russia, Moskovskaya oblast', g. Balashikha, ul. Mikroraion Vniipo, 12 yn_shebeko.@mail.ru

Введение

Образование аварийных газовых факелов является одним из основных факторов, определяющих уровень пожарной опасности предприятий нефтегазовой отрасли. Такие факела при воздействии на технологическое оборудование, содержащее сжиженные углеводородные газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости могут вызвать каскадное развитие пожара с катастрофическими последствиями. Тушение таких факелов может проводиться при подаче огнетушащего газа как в окислитель (воздух), так и в поток горючего газа. Для оценки возможности такого комбинированного тушения необходимо знать закономерности стабилизации указанных факелов, а также особенности их тушения газовыми составами. Решению этой задачи посвящена настоящая работа.

Изучение характеристик диффузионного горения газов до сих пор привлекает внимание многих исследователей. Основы теории гашения диффузионного пламени изложены в работах ^[1,2]. Показано, что прекращение горения в газовом диффузионном факеле наступает тогда, когда из-за подачи огнетушащего вещества скорость химической реакции во фронте пламени, локализованном в контуре стехиометрического состава, становится недостаточной для химического превращения при заданных скоростях горючего и окислителя. При этом флегматизатор может подаваться как с окислителем, так и с горючим.

Количество работ, посвященных определению минимальных огнетушащих концентраций (предельных концентраций флегматизатора при подаче в окислитель) весьма велико (см., например, ^[3-9]).

Описаны в литературе также исследования, посвященные тушению диффузионных факелов путем подачи флегматизатора вместе с горючим (см. например, ^[10-16]). Отмечено ^[17], что ингибиторы практически одинаково эффективны при их введении как с окислителем, так и с топливом при учете их полного потока во фронт пламени. В работе ^[18] сформулировано эмпирическое правило Ле-Шателье для огнетушащих концентраций агентов, подаваемых как с горючим, так и с окислителем. Наблюдаемые заметные отклонения экспериментальных данных от этого правила авторы ^[18] объясняют диффузионными эффектами.

Из приведенного выше краткого анализа опубликованных исследований следует, что работы по изучению предельных условий гашения газовых диффузионных факелов при одновременной подаче флегматизатора в потоки горючего и окислителя весьма немногочисленны. В связи с вышеизложенным настоящая работа посвящена экспериментальному определению огнетушащих концентраций газовых средств объемного тушения факела метана при их одновременной подаче в горючее и окислитель как с точки зрения определения условий пожаробезопасного сброса горючих газов из технологического оборудования в аварийных условиях, так и с точки зрения совершенствования метода определения минимальных огнетушащих концентраций.

Результаты определения предельных концентраций огнетушащих газов по отношению к диффузионному пламени метана

Эксперименты выполнены по описанной в работе ^[19] методике. Для сравнения приведены результаты расчета по обычному ^[18] и модифицированному правилу Ле-Шателье, описанному в работе ^[19].

Опыты по определению огнетушащих концентраций при подаче флегматизатора одновременно в горючее и окислитель проводились на экспериментальной установке «Диффузия», схема которой приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки «Диффузия»:

1, 2, 13, 14 – вентили; 3, 4, 15, 16 – электропневмовентили; 5, 6, 17, 18 – ротаметры; 7 – вход вытяжной вентиляционной системы; 8 – реакционный цилиндр; 9 – горелка Бунзена; 10 – электроды зажигания; 11 – компрессор; 12 – буферная емкость.

Эксперименты по определению огнетушащих концентраций флегматизатора при его одновременной подаче в горючее и окислитель проводились следующим образом. Получение горючей смеси заданного состава (горючей газ с флегматизатором при различном объемном содержании флегматизатора) осуществлялось посредством подачи водорода и флегматизатора через электропневмоклапаны (3, 4) и ротаметры (5, 6) в общую газовую магистраль. Для грубой регулировки расходов газов использовались вентили (1, 2). Для точной регулировки расходов газов использовались винты точной регулировки, установленные на ротаметрах. Длина общей газовой магистрали составляла не менее 20 калибров горелки, что обеспечивало необходимое качество перемешивания газов. Общая газовая магистраль соединялась с горелкой.

Использованные в работе ротаметры имели градуировочную характеристику по рабочему газу в виде воздуха.

При использовании ротаметров для газов, отличных от воздуха по плотности, с целью более близкого приближения к действительной величине расхода измеряемого газа были проведены пересчеты градуировочных характеристик ротаметров по формуле:

(1)

где – расход измеряемого газа в рабочих условиях, м3/ч; – расход воздуха при градуировке, м3/ч; – плотность воздуха, кг/м3; – плотность исследуемого газа, кг/м3. В силу того, что эксперименты проводились в помещении при комнатной температуре, а давление в газовых магистралях практически равно атмосферному, так как скорости истечения составляют несколько десятков см/c, то плотности газов ρ1, ρ2 можно принять равными соответствующим плотностям при нормальных условиях. В условиях проведения экспериментов − отношение плотностей равно отношению молекулярных масс . С использованием этой корреляции рассчитывались расходы флегматизатора и горючего газа для получения необходимого соотношения между горючим газом и флегматизатором в горючей среде, воздухом и флегматизатором в окислительной среде.

Аналогичным образом осуществлялось получение окислительной среды заданного состава (смесь флегматизатора с воздухом при заданной концентрации флегматизатора). Выход газовой магистрали с окислительной средой располагался в непосредственной близости от горелки (расстояние между осями горелки и магистрали с окислительной средой составляло 4 см). Для исключения влияния внешнего окислителя (кислорода воздуха) на результаты экспериментов горелка помещалась в реакционный стеклянный цилиндр (8) диаметром 10 см и высотой 40 см. Для получения равномерного потока окислительной среды вокруг горелки над выходом магистрали с окислительной средой располагалась засыпка из стеклянных шариков высотой 4 см, диаметр шариков 8 мм. Горючая смесь зажигалась с помощью электрической искры, возникающей в результате разряда между электродами зажигания (10). Продукты горения удалялись из помещения с помощью вытяжной вентиляционной системы (7). Внутренний диаметр горелки составлял 10 мм. Во время опытов поддерживали постоянные объемные расходы составов горючее – флегматизатор и воздух – флегматизатор, при этом варьировали соотношения горючее/флегматизатор и воздух/флегматизатор. Гашение пламени регистрировали с помощью веб- камеры.

На рис.2,3 видно, что полученные в эксперименте зависимости существенно нелинейны, т.е. правило Ле-Шателье в виде, сформулированном в работе ^[18], не выполняется. Это правило в формулировке работы ^[18] имеет вид:

, (2)

где − объемные расходы азота, подаваемого с окислителем и горючим соответственно; − объемные расходы окислителя и горючего.

Рисунок 2 – Зависимость предельной концентрации азота, подаваемого с воздухом, от его содержания в смеси с метаном. 1 – эксперимент; 2 – расчет по методике ^[19]; 3 – расчет по классическому правилу Ле-Шателье.

Расчет предельных концентраций флегматизатора, выполненный по методике ^[19] (кривые 2 на рисунках 2,3), качественно, а для фторированных агентов и количественно описывает зависимости предельной концентрации флегматизатора, подаваемого с воздухом (), от его содержания в смеси с горючимт (). При этом расчетные величины для достаточно близки к экспериментальным, оставаясь несколько выше их. Причиной этого может служить участие агентов в химических превращениях во фронте пламени с дополнительным тепловыделением. Подобное участие было обнаружено ранее (см., например, работы ^[20,21]).

Рисунок 3 – Зависимость предельной концентрации трифторметана, подаваемого с воздухом, от его содержания в смеси с метаном. 1 – эксперимент; 2 – расчет по методике ^[19]; 3 – расчет по классическому правилу Ле-Шателье.

И лишь в работе ^[14] экспериментально обнаружено, что некоторые из фторированных агентов увеличивают скорость тепловыделения во фронте диффузионного пламени пропана в воздухе. В связи с этим превышение экспериментально определенных значений расчетных величин связано, вероятно, с эффектом дополнительного тепловыделения из-за наличия во фронте пламени фторированного агента (трифторметана).

ВЫВОДЫ

Таким образом, в настоящей работе проведено экспериментальное исследование тушения факелов метана газовыми огнетушащими средствами при подаче химически инертного газа (азота) и фторированного ингибитора (трифторметана) одновременно в поток горючего и окислителя. Найдено, что зависимость концентраций флегматизатора, подаваемого в поток окислителя, от концентрации флегматизатора, подаваемого в поток горючего, существенно нелинейна. Дана качественная интерпретация полученных результатов, основанная на представлениях об активном участии фторированных агентов в процессах горения. Полученные данные могут служить основой для разработки новых эффективных систем пожаротушения на предприятиях нефтегазового комплекса.