автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Пожарная опасность аварийных выбросов горючих газов

На правах рукописи

КАРПОВ ВАДИМ ЛЕОНИДОВИЧ

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСОВ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Специальность 05.26 03 «Пожарная и промышленная безопасность» (технические науки, отрасль - топливная промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

♦

На правах рукописи

КАРПОВ ВАДИМ ЛЕОНИДОВИЧ

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСОВ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Специальность 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность» (технические науки, отрасль - топливная промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

21П1ЬЬ

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт ■противопожарной обороны» Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (ФГУ ВНИИПО МЧС России)

Научный консультант Официальные оппоненты-

доктор технических наук, профессор И. А. Болодьян

доктор физико-математических наук, профессор Ю.В Фролов

доктор физико-математических наук, профессор Н.И. Кидин

доктор технических наук, профессор Ю А. Поляков

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ.

Защита состоится 30 сентября 2004 г. в 10 00 часов на заседании диссертационного совета ДС 205.003 01 при ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр ВНИИПО, д.12, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России

Автореферат разослан 27 08. 2004 г. Исх. № 4 ЗГУ С/1719

Отзыв на автореферат с заверенными подписями и печатью просим выслать в ФГУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу Телефон для справок: 521-29-00

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

РОС Н" ■' ■ ЩЛЬИАЯ

' нА

( г

Е Ю Сушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 объектов, 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

Целыо 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 сброспого 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 газов.

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 (</„ > 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 факела ¿ф и расходом газа С (¿ф~<;м) 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 пространство в виде свободных, настильных и рассеянных струй с расходами до 50 м3/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 (Chernogolovka, 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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываемся актуальность исследуемой проблемы, изложены общие положения диссертационной работы, сформулирована цель работы и задачи исследования.

В первой главе представлены результаты анализа основных направлений исследований по рассматриваемой проблеме

Проанализированы физические особенности развития аварийных ситуаций, связанных с выбросами горючих газов, с учетом влияния на них технологических и природных факторов Основное внимание уделено объектам, аварии на которых могут сопровождаться человеческими жертвами или существенным материальным ущербом - это объекты добычи, транспортировки, переработки и использования горючих газов, авиационно-космические объекты и т. п.

На основании анализа развития аварийных ситуаций, связанных с выбросом газа на различных объектах, выявлены следующие основные особенности:

- компонентный состав выбрасываемого газа может варьироваться в достаточно широких пределах;

- истечение газа может происходить со скоростями от нескольких метров в секунду до звуковых, в том числе в закритических режимах;

- при аварийной разгерметизации сбросные отверстия могут иметь различные размеры, от миллиметров (неплотности разъемных соединений) до метров (газовые скважины, магистральные трубопроводы), и форму проходного сечения;

- струя выбрасываемого горючего газа может иметь произвольную ориентацию в пространстве;

- вероятность воспламенения аварийных выбросов горючих газов достаточно велика и может достигать значений 0,5 - 0,8;

- горение может происходить в виде компактного факела, частично ограниченного, развивающегося вдоль поверхности земли или технологического оборудования, рассеянного, образующегося при обрушении конструкций и загромождении места истечения и т п.;

- на горящий факел может воздействовать ветер различной скорости и направления,

- горение может развиваться в непосредственной близости от технологического оборудования;

- в зоне горения возможно изменение концентрации кислорода (при параллельном выбросе инертного газа или кислорода);

- выброс горючего газа может осуществляться в условиях разреженной атмосферы (авиационно-космическая техника), и т. п.

Анализ влияния технологических и природных факторов на физические особенности развития аварийных ситуаций, связанных с выбросом и воспламенением горючих газов на различных объектах, позволяет сделать следующие основные выводы:

- пожарная опасность газовых выбросов определяется, прежде всего, высокой вероятностью воспламенения и устойчивого горения сбрасываемого газа в виде турбулентного диффузионного факела и характеризуется теплофизическими параметрами самого пламени, его размерами и формой, температурой и тепловыми потоками, а также длительностью воздействия на окружающие объекты;

- при оценке пожарной опасности аварийных выбросов горючих газов необходимо рассматривать весь широкий диапазон возможного изменения условий эксплуатации объектов, то есть учитывать всю совокупность факторов, оказывающих влияние на параметры воспламенения и устойчивого горения, а также геометрические и теплофизические параметры факелов

Исследования процессов стабилизации пламени и геометрических параметров факелов неразрывно связаны с теорией горения в целом и теорией турбулентного диффузионного горения в частности. В соответствии

с этим во втором разделе главы представлен краткий обзор наиболее важных теоретических и экспериментальных работ, в которых исследованы основные закономерности, характеризующие процесс горения в турбулентном диффузионном факеле.

Рассмотрены наиболее известные модели структуры турбулентного пламени: складчатая модель пламени (Г Дамкелер), модели разрушения вихрей и мелкомасштабной структуры турбулентности (Д Сполдинг), вихревая модель (Д. Франк-Каменецкий), модели микроламинарного пламени (П. Либи, Ф. Вильяме), теплообменные модели (Л. Хитрин), реакторная модель (Е. Щетинков), индукционная модель (С. Ильяшенко, А.Талантов) и ряд других.

На основе анализа литературных данных показано, что для турбулентного диффузионного факела, образующегося при истечении горючего газа из различных газосбросных устройств, характерны два вида пламени - присопловое, стабилизирующееся в непосредственной близости от среза горелки, и оторванное (висящее или приподнятое), стабилизация которого осуществляется на некотором удалении от среза сопла

Для описания предельных условий устойчивого горения присоплового пламени были разработаны разнообразные модели стабилизации, например, критического градиента скорости (К. Воль, И. Капп, К. Газлей), кривизны фронта пламени (X. Кремер), характерных времен горения (В. Баев), критических чисел Пекле (А. Патнэм, Р. Джексон) и некоторые другие. На сегодняшний день наибольшее признание получил метод критического градиента скорости, в соответствии с которым основным условием стабилизации присоплового факела является равенство градиентов скорости потока газа и скорости горения.

В процессе анализа многочисленных моделей, используемых для описания стабилизации оторванных факелов, показано, что для инженерных оценок и обобщения результатов экспериментальных исследований наиболее широкое распространение получили модели, основанные на аэродинамической теории газового факела (Л. Вулис, Ш. Ершин, Л Ярин), а также различные полуэмпирические методы расчета (Г.Т.Калгатчи).

На основе анализа работ, посвященных исследованию размеров и конфигурации турбулентных диффузионных факелов, установлено, что на практике наиболее часто используются эмпирические и полуэмпирические выражения, позволяющие проводить оценки для определенного круга задач с приемлемой точностью. В то же время, несмотря на значительный теоретический и практический интерес к вопросам о длине диффузионного факела и наличие большого объема экспериментальных данных, до настоящего времени еще не разработан общепринятый метод расчета геометрических параметров диффузионного пламени.

На основе проведенного аналитического обзора в заключении главы приведен перечень нерешенных проблем в области пожарной опасности аварийных выбросов горючих газов для реальных условий эксплуатации объектов, сформулирована цель работы и определены задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому изучению предельных условий стабилизации и размеров турбулентных диффузионных факелов. Исследования проводились на базе единой физической модели, основанной на аэродинамической теории газового факела. Основным критерием выбора названной физической модели являлась ее приемлемость для проведения исследований в широком диапазоне возможного изменения условий газосброса, характерного для реальных аварийных ситуаций

При проведении теоретических исследований предпочтение отдавалось полуэмпирическим методам расчета, основанным на физически ясных допущениях и приводящим к легко обозримым результатам, удобным для практического использования.

Основные положения принятой модели могут быть сформулированы следующим образом:

- в связи с тем, что в турбулентном диффузионном факеле реакция протекает в достаточно тонком слое - фронте пламени,' доминирующее влияние на его параметры оказывают газодинамические процессы;

- положение фронта пламени в зоне реакции определяется условиями смешения горючего и окислителя в стехиометрической пропорции;

- условием стабилизации диффузионного факела является наличие

точек, в которых скорость распространения пламени Ип равна скорости потока газа и

"п = И.

О)

На основе принятой модели получены аналитические зависимости для определения скоростей истечения газа при отрыве присоплового факела ит, срыве оторванного факела и'аа и посадке факела на срез сбросного устройства ипп, а также высоты отрыва Н основания факела от горелки:

/О

4,2

(2)

0,4

у.

I, >10_ „1,11 j0.ll .

011 = «2 И» Я» ; (3)

а,

, а,У а

и„„ = -:——----С41

Н = 0,56Н5 "* """ , (5)

иов — ипп

где и„ - нормальная скорость горения стехиометрической смеси, м/с; I/0 - внутренний диаметр сбросного отверстия, м; / - коэффициент смешения, физически означающий массовую долю истекающего газа,

находящуюся на поверхности стехиометрического контура; -

плотности истекающего газа и окружающей атмосферы соответственно, кг/м3; У0, - коэффициенты кинематической вязкости истекающего газа и

стехиометрической смеси, соответственно, м2/с; Я, - коэффициент температуропроводности стехиомегрической смеси, м2/с; Н, - длина стехиометрического контура струи газа, м; к1,кг,к1 - коэффициенты пропорциональности.

На основе анализа влияния на стабилизацию пламени скорости и направления ветра получена аналитическая зависимость для определения скорости истечения газа при срыве оторванного факела в обдувающем потоке воздуха произвольной скорости и направления

«ов = 0,25«4

Иу

/ 1

casa

Г \ + 8,3 S"1 а'

(6)

где и«, - скорость обдувающего потока воздуха, м/с; а - угол между осью струи горючего газа и направлением обдувающего потока воздуха в зоне стабилизации пламени.

Теоретическое изучение геометрических параметров диффузионных факелов базировалось на сделанных в аналитическом обзоре выводах о том, что размеры и конфигурация диффузионного факела сложным образом зависят от физико-химических свойств газа, процессов смешения истекающей струи с окружающим воздухом, параметров окружающей атмосферы, скорости выброса и характера течения горючего газа после выхода из сбросного отверстия и т. п.

Понимая практическую невозможность одновременного учета всех названных характеристик, для наиболее распространенного в реальных условиях случая - развитого турбулентного истечения, с учетом упрощающих предположений, вытекающих из принятой выше модели факельного горения, для описания длины пламени Ьф в неподвижной атмосфере может быть предложена следующая зависимость' г -

1*--т - (7)

а + —

«о

„ 6,57</0

где Нц =--— - длина стехиометрического контура турбулентной

/(/>„/ Р») '

струи газа, м; иц - среднерасходная скорость истечения газа, м/с; а, Ъ эмпирические коэффициенты.

На основе анализа влияния ветра на параметры газовой струи с учетом взаимосвязи между длиной пламени и размерами стехиометрического

контура, для длины факела 1ТФ, развивающегося в условиях воздействия поперечного потока воздуха была получена зависимость следующего вида:

Ц- \ • С8)

1 + 8,3 — "о

Основываясь на том, что в турбулентном диффузионном факеле реакция протекает в достаточно тонком слое, было высказано предположение о том, что ось струи горючего газа должна совпадать с осью соответствующего факела, в связи с чем для описания координат оси факела, развивающегося в сносящем потоке воздуха, было предложено использовать известное выражение для определения координат оси струи газа, истекающего в поперечный поток воздуха.

(9)

где х,у - координаты точек оси факела; а - угол между осью сбросного

2 2

отверстия и направлением ветра, = , Я о ~ - скоростные напоры соответственно в сносящем потоке и начальном сечении струи.

Представленные выше зависимости с точностью до коэффициентов пропорциональности описывают предельные условия стабилизации и геометрические параметры турбулентных диффузионных факелов в широком диапазоне изменения условий газосброса. Их использование, после нахождения значений эмпирических коэффициентов, позволит определять критические условия сброса, размеры и конфигурацию диффузионных факелов для различных горючих газов и газовых смесей при осуществлении выброса как в неподвижную атмосферу, так и в условиях воздействия ветра различной скорости и направления

В третьей главе сформулированы цели, задачи и основные направления экспериментальных исследований, представлено описание многофункционального экспериментального комплекса (МЭК) и полигонного экспериментального стенда, разработанных и созданных для выполнения поставленных задач.

МЭК был создан на полигонной базе ВНИИПО на территории института физики высоких энергий (ИФВЭ, г Протвино) и предназначался для изучения характеристик пожарной опасности выбросов горючих газов в возможно более широком диапазоне изменения условий газосброса

В состав комплекса входил целый ряд стендов и установок, в частности:

- стенд для изучения влияния условий газосброса на процессы стабилизации и тушения диффузионных факелов и их размеры и форму;

- установка для изучения предельных условий стабилизации и тушения диффузионных факелов при изменении концентрации кислорода в окружающем пространстве;

- установка для изучения геометрических параметров диффузионных факелов при выбросах горючего газа в непосредственной близости от технологического оборудования;

- установка для исследования параметров диффузионных факелов в условиях разреженной атмосферы.

Комплекс был оборудован всеми необходимыми вспомогательными устройствами (хранилище газов, система газораспределения, установка для приготовления и подачи газовых смесей, устройство обдува факела и т. п.) и измерительными системами (скоростей потока воздуха, расхода газа, отбора газовых проб и хроматографического анализа, видео- и фоторегистрации, метеонаблюдений и т. п.).

Представлены методики проведения экспериментов и измерения основных параметров для всех описанных выше стендов и установок. Приведены допускаемые погрешности, в соответствии с паспортными данными, основных измерительных приборов и расчетные оценки погрешности измеряемых параметров.

Для проведения крупномасштабных экспериментальных исследований характеристик пожаровзрывоопасности аварийных выбросов природного газа был создан экспериментальный стенд на территории специализированного полигона для проведения пожарно-тактических учений по тушению газа и газового конденсата, расположенного в г. Новый Уренгой.

В качестве основных элементов экспериментального стенда были использованы установленные на полигоне полномасштабные макеты газовых скважин, к которым был подведен газ от промыслового газопровода Сеноманского месторождения. Технические характеристики подводящего газопровода позволяли осуществлять подачу газа с расходом до 55 м3/с.

В состав стенда входили следующие основные установки и системы:

- установки для создания вертикальных, горизонтальных, настильных и рассеянных факелов;

- пульты регулирования и измерения расхода газа;

- системы измерения температур и тепловых потоков;

- системы отбора газовых проб и хроматографического анализа;

- система поджига струи газа;

- система измерения параметров ударных волн;

- измерительно-регистрирующий комплекс;

- кино, видео- и фоторегистрирующая аппаратура;

- вспомогательная контролирующая и измерительная аппаратура.

На полигонном стенде было запланировано проведение экспериментальных исследований по трем направлениям:

исследование геометрических параметров вертикальных, горизонтальных, настильных и рассеянных факелов при различных расходах природного газа;

- изучение интенсивности теплового излучения факелов природного газа в различных условиях стабилизации пламени (настильный и рассеянный факелы);

- исследование параметров волн сжатия, возникающих при сгорании газовоздушного облака природного газа при различной временной задержке момента воспламенения от начала газосброса.

Для всех запланированных направлений исследований представлены методики проведения экспериментов и измерения основных параметров

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям параметров турбулентных диффузионных факелов, характеризующих их пожарную опасность, обобщению опытных данных и апробации аналитических зависимостей, полученных во второй главе.

Основными исследуемыми горючими газами были выбраны метан, водород, пропан, ацетилен и их смеси с инертными газами В качестве модельного газа был использован водород. Данный выбор основывался на том, что использование горючих газовых смесей водорода с инертными газами позволяло, с одной стороны, базироваться на постоянном горючем газе с хорошо изученными свойствами, а с другой - исследовать горючие газовые смеси, имеющие весьма широкий диапазон изменения физических параметров В частности, чистый водород и горючая газовая смесь, полученная путем разбавления водорода на 80 % азотом, отличаются по плотности в 11 раз, по коэффициенту кинематической вязкости - в 6 раз, а по нормальной скорости горения - в 10 раз.

Предельные условия (отрыв и срыв) стабилизации пламени. На рис. 1 приведены результаты экспериментов по определению предельных скоростей сброса горючего газа, при которых происходил срыв оторванного пламени. Данные представлены в виде зависимости приведенной скорости срыва факела и'ов от концентрации горючего газа в сбрасываемой струе

Кривые построены в соответствии с выражением (2) при значении коэффициента пропорциональности ку равном 0,16 для водорода и 0,10 для метана Значения физико-химических параметров, входящих в выражение (2), определялись по справочной литературе

Анализ представленных на рис 1 данных свидетельствует о достаточно хорошей корреляции результатов экспериментов и расчетов во всем исследованном диапазоне изменения диаметров горелок, скоростей сброса и состава горючих газовых смесей.

Для определения влияния на предельные условия стабилизации и тушения оторванных факелов типа газа-разбавителя были также проведены эксперименты с использованием метана и пропана, разбавленных двуокисью углерода На рис 2 представлены результаты экспериментов, полученные, в частности, на горелке диаметром 5 мм, и их обобщение. Кривые на рисунке построены в соответствии с выражением (2) при значении коэффициента пропорциональности к^ равном 0,15 для пропановых и 0,10 для метановых горючих I азовых смесей.

1 ОЕ+7 —

и0*. /й.. 1/с

1 ОЕ+в — 1 ОЕ+5 — 1 ОЕ+4 ■ 1 ОЕ+3 —

1 ОЕ+2 ■

00 02 04 06 08 1 0

С0, об. доли

Рис. 1. Приведенные скорости истечения газа при срыве оторванного факела и'ов / </„ в зависимости от концентрации горючего газа С„ в

сбрасываемой струе. А - ¿0=0,55 мм; 0-2 мм; □ - 4 мм; О -10 мм;

Д - 20 мм; V - 40 мм; * - 80 мм, Ф - 140 мм Кривые - расчет по зависимости (2). Верхняя кривая - водород, нижняя - метан

00 02 04 Об 08 10

Со, об. доли

Рис.2. Скорости истечения газа при срыве оторванного факела Иов в зависимости от концентрации горючего газа Со в сбрасываемой струе. Кривые - расчет по (2). Верхняя кривая - пропан, нижняя - метан

Данные по скоростям срыва оторванных турбулентных диффузионных факелов, полученные в экспериментах с неразбавленными газами - водород, метан, пропан и ацетилен, таюке удовлетворительно согласуются с расчетом по зависимости (2).

Анализ экспериментальных данных, полученных разными авторами при различных методиках проведения экспериментов показал, что и они удовлетворительно описываются предложенной зависимостью (2) В таблице представлены значения коэффициента при которых экспериментально определенные значения скоростей сброса горючего газа при срыве оторванного факела описываются с помощью зависимости (2) с погрешностью не превышающей 10 %.

Таблица

Значения коэффициента к\ для различных горючих газов

Горючий газ Источник информации Коэффициент к\ в уравнении (2)

Метан [В.П. Сомов 1 0,10

Метан и его смеси с двуокисью углерода и воздухом [Г.Т. Калгатчи 1 0,10

Пропан и его смеси с двуокисью углерода и воздухом [Г.Т. Калгатчи 1 0,15

Бутан [Г.Т. Калгатчи ] 0,14

Этилен [Г.Т. Калгатчи 1 0,13

Ацетилен [Г.Т. Калгатчи 1 0,13

Водород [В К. Баев 1 0,16

Водород и его меси с азотом, аргоном и гелием [Г Г. Шевяков ] 0,16

Из рис. 1 и 2 и таблицы видно, что для различных горючих газов с учетом коэффициента к\ в широком диапазоне изменения условий истечения горючих газов и их теплофизических характеристик, т. е независимо от степени разбавления, типа горючего газа и газа-разбавителя, размеров горелки наблюдается удовлетворительная корреляция экспериментальных и расчетных данных.

Экспериментальные исследования пределов устойчивого горения присопловых пламен проводились с использованием водорода, метана, водородно-азогных и водородно-гелиевых горючих газовых смесей на горелках с диаметром проходного сечения от 4 до 100 мм В ходе экспериментов определялась скорость сброса горючего газа, при которой происходил отрыв факела от среза горелки

Характерные результаты экспериментальных исследований пределов устойчивого горения присопловых пламен, полученные на водородно-азотных и метано-азотных смесях, представлены на рис 3

Кривые на рисунке построены в соответствии с уравнением (3) при значении коэффициента пропорциональности к2 = 60 для водорода и 33 для метана.

600 -и£|, м/с

400 -

200 -

0--

00

Рис. 3. Скорости истечения газа иоп при отрыве присопловых диффузионных факелов в зависимости от концентрации горючего газа С„, (а - водород, б - метан). Точки - эксперимент, кривые - расчет по (3)

Из рис. 3 видно, что характер зависимости (3) во всем исследованном диапазоне изменения концентрации горючих газов в сбрасываемой струе удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

Эксперименты, проведенные с другим газом-разбавителем (гелий) показали, что и в данном случае результаты экспериментов удовлетворительно согласуются с расчетом.

Анализ зависимости (3) и результатов экспериментов позволяет отметить незначительное влияние диаметра (1ц°'п горелки на устойчивость присоплового факела. В целях уточнения характера влияния размеров сбросных отверстий на устойчивость присопловых пламен проведены экспериментальные исследования (рис 4) на цилиндрических и мембранных горелках больших диаметров (60, 80 и 100 мм).

Видно, что для горелок диаметром более 40 мм наблюдается аномальное снижение устойчивости присопловых пламен. В литературных данных сведения об обнаруженном эффекте отсутствуют, так как в них описаны опыты на горелках, диаметр которых не превышал 30 мм. Обнаруженная аномалия может быть объяснена повышенным влиянием в рассмотренных условиях турбулентных пульсаций на зону стабилизации

Для инженерных расчетов при определении скорости отрыва горючих газовых смесей водорода с инертными и негорючими газами может быть предложена приближенная зависимость:

«ш = 185"„ - (Ю)

г

ов оа ю Со, об. доли

"1-1-

ов ов

С,,, об. доли

250 -)

и* ,м/с

200 -

Со =0,60 об. ДОЛИ

0,40

• 0,25

20

"Т" во

80 100 а«, мм

Рис. 4. Скорости истечения газа при отрыве присопловых водородно-азотных" факелов в зависимости от диаметра сбросного отверстия йо и концентрации горючего газа С0 в сбрасываемой струе.

Д, Ц О - цилиндрические горелки; А. ♦ - мембранные горелки.

Пунктирные кривые - расчет по формуле (3); сплошные - по (10)

Полученные данные об условиях стабилизации и газодинамическом тушении турбулентных диффузионных факелов, дополненные результатами экспериментов по скоростям посадки факела на горелку, позволяют получить обобщенный график устойчивости диффузионного факела, который представлен на рис 5 на примере водородно-азотных пламен.

и;, м/с

1-1

00 02 04 Ов 03 10

Со, об. доли

Рис. 5. Скорости истечения газа при отрыве, срыве и посадке на сопло диффузионных турбулентных водородно-азотных факелов

О - ¿о = Ю мм, Д - 20 мм; V - 40 мм.

Кривая 1 - «срыв факела» - расчет по формуле(2), кривая 2- «отрыв факела» - расчет по (3); кривая 3 - «посадка факела» - расчет по (4)

На представленном графике отчетливо выделяются четыре характерные области стабилизации диффузионного факела. I область существования только присопловых пламен; II - область присопловых и оторванных факелов; III - зона оторванных турбулентных диффузионных факелов; IV - область газодинамического срыва (тушения) пламени, которая расположена выше и левее линии отрыва присопловых факелов и кривой срыва, для соответствующего размера горелки. Левее точки пересечения кривых отрыва и срыва факела тушение пламени происходит в результате отрыва присоплового факела. Правее точки пересечения после отрыва факела пламя вновь стабилизируется на некотором удалении от среза горелки, и для его тушения необходимо сорвать оторванный факел.

Описанные выше результаты экспериментов были получены с использованием «классических» цилиндрических горелок с отношением длины к диаметру > 50. В то же время на практике выброс 1 газа может осуществляться из отверстий призвольной формы.

Результаты экспериментального исследования влияния формы проходного сечения горелки на предельные условия стабилизации оторванных турбулентных диффузионных факелов представлены на рис 6 на примере диффузионных факелов чистого метана и эквимолярной водородно-азотной смеси.

20 -л

Uob Мэ, 1 /с

15 H

-^F-t

ю -

-с££-—fo

5 -

0 I i I i i i i i | i i I i i i i i j

1 10 100

d3, мм

Рис. 6. Приведенные скорости истечения газа umld3 при срыве оторванных факелов в зависимости от (1Э. О, □, Д, tir - горелки круглой, квадратной, треугольной и прямоугольной формы.

Кривые - расчет по зависимости (11). Верхняя кривая - метан; нижняя - водородно-азотная смесь (Со=0,5 об. долей)

Расчетные кривые построены в соответствии с зависимостью (11), полученной на основе выражения (1) путем замены диаметра ^ на эквивалентный по площади диаметр йэ.

Из рис. 6 видно, что в пределах разброса экспериментальных данных скорость срыва оторванных факелов остается неизменной для горелок различной формы и одного эквивалентного диаметра, при этом наблюдается удовлетворительное согласие экспериментальных данных с расчетом. Такое поведение оторванных факелов достаточно хорошо согласуется с характером истечения неосесимметричных струй. Из теории турбулентных струй известно, что при сбросе газа через сопла некруглого сечения в ходе турбулентного перемешивания с окружающей средой происходит перестройка канального течения в практически осесимметр'Ичную струю Перестройка потока завершается на расстоянии (5 - 8) йэ, в то время как удаление основания факела от среза горелки в момент срыва составляет (10 -30) йэ Таким образом, параметры некруглой в начальном сечении струи на высоте, соответствующей срыву пламени, уже практически не будут отличаться от осесимметричной струи, при аналогичной площади начального сечения Поэтому вполне закономерно, что значения «,"в практически не зависят от конфигурации горелки.

Приведенные выше сведения о практической независимости пределов устойчивого горения диффузионных турбулентных факелов от формы проходного сечения сбросных устройств позволяют полагать, что данные, полученные на цилиндрических соплах, могут быть распространены и на горелки произвольной формы.

Вопросом, представляющим интерес для практики, в частности, для авиационно-космической техники, является влияние изменения содержания кислорода в окружающей среде на устойчивость диффузионных пламен. Проблема обусловлена тем, что аварийный выброс горючих газов из технологического оборудования может осуществляться не только в воздушную атмосферу, но и атмосферу, обедненную или обогащенную окислителем за счет возможного параллельного аварийного сброса или дренажа инертного газа или кислорода в ходе проведения технологических операций.

На рис 7 на примере одной из водородно-азотных смесей (Со = 0,7 об. долей) представлены результаты экспериментального изучения влияния изменения концентрации кислорода в окружающем воздухе на условия стабилизации диффузионных пламен. Обобщение опытных данных осуществлялось в соответствии с зависимостями (2) и (3). Возможность использования названных уравнений обусловлена тем, что они были получены для общего случая истечения горючего газа в атмосферу с произвольным содержанием кислорода (С«,).

(П)

1000 — 11д, м/с

750 —

500 —

250 —

0

01

02

03

Соо , об. доли

Рис. 7. Скорости истечения газа при отрыве и срыве водородно-азотного факела (Со=0,7 об. долей) в зависимости от концентрации кислорода в окружающей атмосфере С«,.

О - срыв оторванного факела. Кривая - расчет по зависимости (2).

■ - отрыв присоплового факела. Кривая - расчет по зависимости (3)

Горение диффузионного факела в условиях разрежения.

Еще одним вопросом, вытекающим из специфических условий эксплуатации авиационно-космической техники, является возможное гь аварийного истечения горючего газа и опасность возникновения диффузионного факела в условиях разрежения Поиск литературных источников, посвященных изучению диффузионного горения в условиях пониженного давления, не принес результатов, более того многие специалисты выражали сомнение в самой возможности устойчивого диффузионного горения в условиях разрежения В то же время в ряде исследований показано, что предварительно перемешанные смеси горючего газа с окислителем могут гореть в условиях пониженного атмосферного давления, в том числе при давлении менее одного мм рт. ст. Таким образом, есть основания полагать, что возможно и диффузионное горение аварийно истекающего газа Все вышесказанное и предопределило необходимость проведения названных исследований.

В экспериментах с водородом и кислородом было установлено, что диффузионные газовые факелы могут стабильно гореть в условиях разреженной атмосферы как минимум до 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.

Анализ экспериментальных данных показал, что в условиях разрежения имеет место специфический режим стабилизации, при котором основание пламени располагается ниже среза сбросного отверстия и имеет

полусферическую форму В данном случае, по-видимому, доминирующим фактором, оказывающим влияние на процессы смесеобразования и горения, является молекулярная диффузия, скорость которой значительно возрастает по мере снижения давления. При этом стабилизация пламени, вероятно, происходит в том месте, где в процессе молекулярной диффузии образуется стехиометрическая смесь горючего и окислителя

В экспериментах было также отмечено, что в условиях, когда пламя стабилизируется ниже среза сбросного отверстия, происходит существенный (более 800°С) прогрев в зоне истечения газа, что может приводить к эскалации аварийной ситуации (увеличению площади разгерметизации)

Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать важный для практики вывод о возможности стабильного горения и высокой пожарной опасности диффузионных факелов в условиях разрежения.

С научной точки зрения механизм стабилизации диффузионных пламен в условиях пониженного давления не до конца ясен и требует дальнейшего изучения.

Влияние ветра на стабилизацию пламени.

Важным для практики и недостаточно изученным вопросом является влияние ветра на параметры пожарной опасности аварийных выбросов газа.

На рис 8 представлены результаты экспериментального изучения устойчивости присопловых турбулентных факелов во встречном и спутном потоках воздуха в координатах ^п!ит и и„, на примере водородно-азотных факелов. Здесь и"п - скорость отрыва присоплового факела, развивающегося в потоке воздуха

1 2 -1

А

-12

О А^Я

08 — 0.6 04 — 02 — -е-е-

и°° /и*

" оп '" оп

О

п □ □ о

12

и

оо»

1 I 16 20

м/с

Рис. 8. Относительная скорость истечения газа и"п 1и'т при отрыве

присоплового водородно-азотного факела в зависимости от скорости соосного потока воздуха А, О, П - С0 ~ 0,4,0,6 и 0,8 об. долей

Следует отметить, что подобные данные были получены и в экспериментах по отрыву присопловых пламен в несоосном потоке воздуха при варьировании угла между направлением потока воздуха и направлением газосброса в диапазоне от 45 до 135° На основании проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что в потоке воздуха любого направления наблюдается незначительное уменьшение скоростей отрыва пламени, что позволяет для инженерных расчетов принимать и"п = и'т и осуществлять расчеты по зависимости (3).

Совсем иное воздействие оказывает ветер на стабилизацию оторванных факелов На рис. 9 представлены результаты экспериментов по определению скоростей срыва оторванных факелов во встречном и спутном потоках воздуха.

ига, м/с

Рис. 9. Скорости срыва оторванного водородно-азотного факела {Со - 0,6 об. дол ) в зависимости от скорости соосного потока воздуха ию . О - -4 мм; □ -10 мм; Д - 20 мм. Кривые - расчет по формуле (12)

Зона, лежащая слева от кривых, определяет область существования диффузионного факела, справа - срыва пламени. Расчетные кривые построены по уравнению (12), которое получено путем введения в зависимость (6) поправочного коэффициента позволяющего согласовать результаты расчетов и экспериментов:

= 0,25

1±,1

-{

•1 + 8,3-

(12)

Значения поправочного коэффициента для водорода, метана и их смесей с азотом были определены на основе статистической обработки

25

опытных данных. Найденные значения удовлетворительно описываются следующими зависимостями:

- для водородно-азотных смесей к^ = 4,8Со;

- для метана ка ~ 1.

Анализ представленных на рис 9 данных показывает, что во встречном потоке (отрицательные значения н«,) отмечается неограниченное возрастание скорости срыва факела и"в по мере увеличения абсолютного значения их.

Влияние спутного потока воздуха на устойчивость оторванного пламени носит более сложный характер. Каждому значению скорости •

спутного потока воздуха соответствуют два значения скорости срыва факела и"в. Это объясняется тем, что критические условия срыва могут • быть достигнуть! за счет доминирующего вклада в процесс срыва скорости *

струи газа - верхняя ветвь кривой, либо за счет преобладающего влияния внешнего потока - нижняя ветвь Точка перегиба соответствует равному вкладу обеих составляющих в процесс срыва пламени, при этом скорость

„кр

ветра достигает своего критического значения, выше которого стабилизация оторванного диффузионного факела становится невозможной.

Еще более сложным оказывается воздействие несоосного (сносящего) потока воздуха на стабилизацию оторванных факелов. С одной стороны, сносящий поток воздуха дополнительно турбулизирует струю горючего газа, что приводит к увеличению турбулентной скорости распространения пламени С другой - он вносит изменения непосредственно в распределение скорости в струе, то есть оказывает воздействие, подобное соосному потоку Кроме того, на устойчивость пламени в основном влияют процессы, происходящие непосредственно в зоне стабилизации, положение которой изменяется под воздействием обдувающего потока. В связи с этим при проведении экспериментов особое внимание уделялось обеспечению равномерности обдувающего потока в зоне стабилизации факела.

Экспериментально исследовалось влияние скорости и направления обдувающего потока на предельные условия стабилизации оторванных диффузионных факелов метана и водородно-азотных газовых смесей Диаметр горелок варьировался от 4 до 40 мм, скорости ветра от 1 до 20 м/с, *

направление ветра от спутного до встречного

На рис 10 приведены результаты экспериментального исследования устойчивости метановых факелов в поперечном потоке воздуха, а также данные экспериментов, полученные Г Калгатчи.

иот/(10,1/с

Рис. 10. Приведенные скорости истечения газа и0"в/г/0 при срыве оторванного метанового факела в зависимости от приведенной скорости поперечного потока воздуха

-к - ^о = 4-20 мм - настоящее исследование; А -10 мм; □ -12 мм, О -14 мм - данные Г Калгатчи. Кривая - расчет по формуле (12)

Зона, лежащая внутри кривой, определяет область существования диффузионного факела, снаружи - срыва пламени

Анализ представленных данных с учетом зависимости (12) позволяет выявить физическую картину влияния поперечного потока воздуха на предельные условия стабилизации оторванных диффузионных факелов. В частности, при высокой скорости сброса горючего газа и относительно . небольших значениях скорости ветра (восходящая часть верхней ветви

кривой), которые вызывают незначительное искривление факела, происходит повышение устойчивости пламени, обусловленное тем, что зона стабилизации находится практически в поперечном потоке воздуха, который, " турбулизируя струю газа, увеличивает скорость горения

По мере роста скорости ветра наклон факела увеличивается, и зона стабилизации оказывается в области доминирующего влияния спутного потока воздуха, что приводит к снижению устойчивости факела -нисходящая часть верхней ветви кривой. При дальнейшем увеличении скорости ветра происходит срыв факела по механизму, подобному срыву диффузионного оторванного пламени в спутном потоке воздуха.

Влияние потока воздуха различного направления на скорость срыва пламени показано на рис. 11 на примере одной из водородно-азотных смесей

(С„ = 0,5 об. долей, <10 = 20 мм) при фиксированной скорости ветра ( Чт = 5,5 м/с) Кривая на рисунке построена по уравнению (12).

Следует отметить, что значения а в выражении (12) определялись по зависимости (9), описывающей конфигурацию оси факела в боковом потоке воздуха, при этом учитывалась зависимость (8) для длины пламени в потоке воздуха и (5) для высоты отрыва основания факела.

а, град.

Рис. 11. Скорости истечения газа Иов ПРИ срыве оторванного водородно-азотного факела в зависимости от угла & между осью горелки и направлением сносящего потока воздуха (иш=5,5 м/с).

□ - d0 = 20 мм. Кривая-расчет по формуле (12)

Из рассмотрения представленных графиков (рис. 10 и 11) видно, что рассчитанные по формуле (12) и экспериментально определенные значения г

и*в достаточно хорошо согласуются. Таким образом, есть основания полагать, что принятые выше предположения достаточно корректны, а полученное выражение (12) позволяет с удовлетворительной для i

практического использования точностью определять скорости срыва оторванных диффузионных турбулентных факелов, развивающихся в потоке воздуха любого направления.

Особое внимание следует обратить на тот факт (см. рис. 11), что

факелы, развивающиеся в потоке воздуха, направленном под углом <20 > 90° к оси сбросного устройства, являются даже более устойчивыми, чем факелы во встречном соосном потоке СХ0 = 180°. Максимальная устойчивость

пламени реализуется при направлениях выброса в диапазоне 120°<«0 <160° Повышение устойчивости оторванных факелов в названной области, объясняется мощным турбулизиругащим влиянием поперечной составляющей скорости ветра на газовый поток, приводящим к увеличению турбулентной скорости горения. При этом максимум устойчивости реализуется в ситуациях, когда угол между направлением сносящего потока воздуха и осью струи горючего газа в зоне стабилизации «"становится близким к 90°, что соответствует максимальному влиянию поперечного потока воздуха на скорость срыва.

Выявленное повышение устойчивости пламени при направлениях выброса горючего 'газа к потоку воздуха в диапазоне 120°<«0<160° необходимо учитывать при расчете предельных условий существования диффузионного факела и определении пожаробезопасных режимов сброса горючих газов. '

Размеры и конфигурация турбулентных диффузионных факелов Экспериментальные исследования геометрических параметров диффузионных пламен проводились на горелках различного размера и формы. В качестве горючих газов использовали метан, пропан, водород и его смеси с инертными газами Исследования проводили при различных скоростях и направлениях газосброса Изучались размеры и конфигурация турбулентных диффузионных пламен как в неподвижной атмосфере, так и в потоке воздуха различной скорости и направления.

За размеры пламени принимались размеры его светящейся части, которая фиксировалась с помощью фото- и видеосъемки на фоне координатной сетки.

Анализ результатов многочисленных экспериментов показал, что все они качественно согласуются с зависимостью (7), предложенной в разделе 2. При эгом для обеспечения количественного согласования экспериментальных и расчетных данных потребовалось для каждого горючего газа и газовой смеси вводить свои значения эмпирических коэффициентов а и Ь. Однако при замене в уравнении (7) скорости

истечения газа На приведенную скорость истечения М = и„ / акр , где

акр -4кЯТ - критическая (звуковая) скорость истечения для сбрасываемого газа, результаты экспериментов стали удовлетворительно коррелироваться с расчетными данными при постоянных значениях коэффициентов, а именно'

м

Характерные результаты экспериментального исследования размеров диффузионных факелов при различной скорости истечения горючих газов приведены на рис. 12 на примере водородно-азотных смесей с концентрацией

водорода от 0,65 до 1,0 объемных долей Экспериментальные данные на рисунке представлены в виде зависимости относительной длины пламени /¿0 от приведенной скорости истечения М

С, =1,0 об. доли

250 —

Ц/йо

200 —

150 —

0,85

*

100 —

0,75

0,65

50

0

00

02

04

06

08

1 0

М

Рис. 12. Изменение относительной длины £«,/</„ водородно-азотных факелов в зависимости от приведенной скорости сброса газа М и содержания водорода С„.

□ - ¿о = 6мм, 0 -10 мм; А - 20 мм; V - 40 мм.

Кривые - расчет по зависимости (13)

Из приведенного графика видно, что с увеличением числа М относительная длина факела растет. При этом градиент роста постепенно снижается по мере увеличения М. Размеры факелов, измеренные при постоянной приведенной скорости истечения газа М, увеличиваются по мере повышения концентрации водорода в смеси, при этом увеличение длины пламени пропорционально увеличению размеров стехиометрического контура Я, струи горючей газовой смеси Эта пропорциональность была отмечена на всех исследованных горючих газах, в том числе на водородно-гелиевых смесях.

В целях определения влияния формы проходного сечения сбросного отверстия на длину факела была проведена серия экспериментов с использованием горелок квадратной, треугольной и прямоугольной формы.

Результаты названных экспериментов показали, что размеры факелов практически не зависят от формы проходного сечения горелки и идентичны для горелок с одинаковой площадью проходного сечения, т е. с равными эквивалентными диаметрами </,.

Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований, а также данных, представленных в литературе, показал, что они удовлетворительно обобщаются с помощью зависимости (13). Результаты такого обобщения представлены на рис.13. Следует отметить, что при расчете размеров факелов по зависимости (13) для горелок некруглой формы в выражение для вместо ^ необходимо использовать <1Э - диаметр

эквивалентного по площади проходного сечения отверстия.

М

Рис. 13. Приведенные длины ЬФ1Н5 диффузионных турбулентных факелов в зависимости от относительной скорости сброса газа М О, А, □ - водородные смеси (^о =10 - 80 мм); О - метан (4 -20 мм); V -

пропан (= Ю - 20 мм); - данные Г Калгатчи ; А - данные Г Г Шевякова.

Кривая - расчет по зависимости (13)

Результаты экспериментальных исследований размеров факелов, представленные выше, были получены на «длинных» горелках с отношением длины к диаметру более 50, для которых обеспечивалось истечение из трубы с полностью развитым профилем скорости Однако в реальных условиях наиболее вероятным является истечение горючего газа из отверстий различной формы, разрывов, щелей, фланцевых соединений и т п.

Эксперименты с использованием «коротких», мембранных и щелевых горелок, имитирующих реальные разрывы, показали, что для всех исследуемых горючих газов и режимов газосброса размеры факелов оказались меньшими, чем для «длинных» горелок. Объяснение названного экспериментального факта нашлось при более детальном анализе теории турбулентного смешения газовых струй.

В отличие от «длинных» горелок с полностью развитым профилем скорости, для которых смешение в струях определялось турбулентностью, порождаемой градиентами скорости, при истечении газа из «коротких», мембранных и щелевых горелок, а также при звуковом истечении газа в виде «пересжатых» струй, имеет место начальная турбулентность в струе на срезе сопла, которая приводит к интенсификации смешения всей струи в целом, и, как следствие, уменьшению длины факела. На основе анализа результатов проведенных опытов, было получено уравнение, которое с удовлетворительной точностью (погрешность не превышает 10%) позволило описать все экспериментальные данные, полученные в условиях имитации реальных режимов аварийных выбросов газа:

1 +

0,074 М

(14)

Результаты экспериментального исследования влияния на длину факела поперечного потока воздуха, который также интенсифицирует смешение в газовой струе, представлены на рис. 14 на примере водородно-азотных смесей различного состава. Здесь - длина факела,

развивающегося в поперечном потоке воздуха, измеренная вдоль его оси.

и/и

00 02

Рис. 14. Изменение относительной длины факела 1ТФ / Ьф в зависимости от относительной скорости / и0 потока воздуха, ■¿г, □, А - водородно-азотные смеси (С„= 0,3 - 0,7 об. дол.;(/0= 4 - 40 мм). ♦ - метан (</0 = 6- 20 мм); О - пропан (</„=4- 20 мм). Кривая - расчет по (8)

Из рассмотрения графика видно, что в диапазоне изменения относительной скорости потока воздуха 0>ив1/и0<0,3 наблюдается

удовлетворительная корреляция экспериментальных и расчетных значении ¿я При ит/и0> 0,3 расхождения становятся существенными, что обусловлено ограничениями, наложенными на область применения выражения (8), в соответствии с которым обобщались опытные данные

Однако, несмотря на вынужденное сужение области применения предложенной зависимости, возможности ее практического использования не снижаются, так как при реальных скоростях сброса горючего газа (более 100 м/с) она позволяет с удовлетворительной точностью определять размеры факелов в диапазоне изменения скорости ветра от 0 до 35 м/с, т.е. перекрывающем эксплуатационный (0-25 м/с).

Важным параметром, определяющим зоны максимального теплового воздействия пламени, является его конфигурация.

Корреляция между геометрическими параметрами стехиометрического контура струи и факела, которая была отмечена во всех экспериментальных исследованиях, представленных выше и посвященных изучению размеров факелов, позволила сделать предположение о подобии формы факела и стехиометрического контура струи, и использовать для определения конфигурации пламени в качестве базовой известную зависимость (Б. Сполдинг), описывающую форму стехиометрического контура струи, и на ее основе, путем введения коэффициента пропорциональности кфу получить выражение, описывающее форму пламени:

(15)

ЬЁА£±. Ь 1Р.

-1

где гф - полуширипа факела на расстоянии £ от среза сбросного отверстия; кф - коэффициент пропорциональности.

Обработка результатов фотометрирования видеоматериалов экспериментов, проведенных в широком диапазоне изменения определяющих параметров, позволила определить значение коэффициента пропорциональности кф, при котором экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с расчетом по зависимости (15):

кф ~ кф • кф , (16)

где 1+83— - коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние

"о

на форму пламени скорости поперечного потока воздуха; коэффициент пропорциональности, учитывающий гип горючего газа.

В частности, для метана 1,4 - 1,5, для пропана кф= 1,5 - 1,6, для водорода и его смесей с инертными газами кф = 0,8 + С,.

На рис. 15 приведены характерные фотографии, иллюстрирующие изменение формы пламени при воздействии на него сносящего потока воздуха, и результаты расчета его конфигурации по зависимости (15).

!

0.2 -л

0.0^

-0.2

0.0

Направление ветра

0.2 —

0 4—,

0.6 -4\

0.4 -

0.2 - -

-<ф, м

-0.1 0.0 0.1

в«=15м/с = 8 м/с «», = 3 м/с и«, = 0м/с

Св= 0,3 об. дол.; <4=20 мм; щ - 54 м/с

Рис. 15. Фотографии факелов, развивающихся в поперечном потоке воздуха, и результаты расчетов их размеров и конфигурации

Анализ экспериментальных данных, полученных на различных горючих газах в широком диапазоне изменения скоростей сброса и обдувающего потока воздуха, в том числе представленных на рис 15, позволяет сделать вывод о том, что выражение (15) достаточно корректно описывает конфигурацию факелов различных газов, развивающихся как в неподвижной атмосфере, так и при воздействии ветра.

Пятая глава посвящена крупномасштабным полигонным экспериментальным исследованиям характеристик пожаровзрывоопасности аварийных выбросов природного газа в условиях, приближенных к реальным аварийным ситуациям.

Исследовались вертикальные, горизонтальные, настильные, образующиеся при сбросе горючего газа вдоль подстилающей поверхности, а также рассеянные факелы, возникающие при обрушении конструкций и загромождении места истечения газа.

Йредставлены результаты экспериментальных исследований размеров факелов, теплового излучения пламени, а также параметров волн сжатия, возникающих при воспламенении струи выбрасываемого природного газа с различной задержкой по времени, при различных режимах газосброса.

Размеры факелов природного газа.

На основе результатов проведенных экспериментальных исследований размеров вертикальных и горизонтальных факелов, а также анализа данных, представленных в литературе, была получена следующая зависимость, с удовлетворительной точностью описывающая размеры названных факелов: = Ю,5С0'4 (17)

где (г - объемный расход природного газа, м3/с.

В экспериментах по изучению настильных факелов было установлено, что их длина на 15-25 % больше, чем у свободных. Это связано с ухудшением условий смешения струи газа, развивающейся вдоль поверхности земли, и соответствующим увеличением размеров пламени Следует отметить, что аналогичное увеличение длины было отмечено и в менее масштабных лабораторных экспериментах, на горелках диаметром 20 - 40 мм, для водорода, метана и пропана.

Для определения максимальной длины настильных факелов предлагается следующая зависимость, удовлетворительно описывающая экспериментальные данные:

Цр = 13,К?0,4, (18)

Исследования рассеянных факелов показали, что в отличие от свободных (вертикальных и горизонтальных) и частично ограниченных (настильных) струйных выбросов горение в них происходит в условиях недостатка окислителя, при этом конвективные потоки, образующиеся из-за разности плотностей высокотемпературных продуктов сгорания и окружающего воздуха, становятся сравнимыми и даже преобладающими над кинетическими параметрами выбрасываемого газа. Такой режим горения

является как бы промежуточным между факельным горением струи газа и горением разлитии жидких топлив.

При поджигании рассеянной струи природного газа наблюдались две ярко выраженные стадии горения:

1 - начальная стадия длительностью 3 - 6 с, которая сопровождалась яркой вспышкой и образованием «огненного шара» с большим количеством сажи;

2 - стационарное горение, которое характеризовалось значительными пульсациями и также сопровождалось выделением сажи. Кроме того, на больших расходах газа (десятки м3/с) и при стационарном горении рассеянного факела периодически возникали «огненные шары» меньших размеров, чем в начальной стадии горения.

На основании обобщения результатов проведенных

экспериментальных исследований для определения длины рассеянного

факела Ьрф (м), те максимального расстояния по его оси, на котором визуально наблюдались языки пламени при стационарном режиме горения, предложена следующая зависимость:

= 10,5<7°'4 (19)

Следует отметить, что выражение (19) идентично зависимости (17), полученной для определения максимальной длины свободного диффузионного факела природного газа. Такое совпадение, по-видимому, случайно, тем не менее для оценки длины свободного и рассеянного факелов может быть использована одна и та же формула При этом следует учитывать, что ширина рассеянного факела А^, отмеченная в проведенных экспериментах, была значительно больше, чем у свободного, и составляла.

к=( 0,25-0,5)££. (20)

Тепловое излучение пламени

Характерной особенностью факельного горения газовых фонтанов или аварийных выбросов из газопроводов является их продолжительность во времени. При этом стационарный поток теплового излучения может явиться источником вторичных пожаров, а также предъявляет жесткие требования к защите людей и оборудования и допустимому времени пребывания их в зоне повышенной тепловой радиации.

Расчет параметров теплового излучения реального факела является чрезвычайно сложным вопросом. Одним из возможных путей его решения является проведение экспериментов в широком диапазоне изменения условий газосброса, с последующим обобщением опытных данных.

При анализе видеоматериалов экспериментальных исследований горизонтальных и настильных пламен было установлено, что в горящем факеле можно выделить несколько характерных областей, представляющих интерес для изучения теплового излучения:

- стационарная область - это часть факела, которая не включает в себя конечный пульсирующий участок пламени, сгорающий в виде

отдельных языков. Как показала обработка кинограмм, длина стационарной области » 0,8 Ьф,

- начальная слабо светящаяся область факела, которая вместе с длиной отрыва пламени составляет примерно (0,2 - 0,3 ;

- интенсивно светящаяся область пламени - это часть стабильного факела, из которой исключена начальная слабосветящаяся зона пламени. Длина названной области соответственно равна (0,7 - 0,8) .

Выявленные области учитывались при проведении экспериментальных исследований теплового излучения, в частности, при выборе схемы расположения датчиков теплового потока относительно исследуемого факела (рис 16), а также при обобщении экспериментальных данных.

Рис. 16. Принципиальная схема размещения датчиков теплового потока

На рис. 17 и 18 представлены экспериментальные данные, полученные при исследовании настильных факелов природного газа, а также приведены результаты расчетов распределений теплового потока, выполненных по модели многоточечного источника и модели «твердого тела».

Многоточечный источник представляли в виде прямой линии, расположенной на оси факела, с размером, соответствующим интенсивно светящейся части пламени, т.е от Li - 0,3Lan до Lan Величину Lcm определяли из уравнения Lm = 0,8Ь"ф = 10,5 - G0'4

По второй модели настильный факел аппроксимировали полуцилиндром, лежащим на своем прямоугольном основании, со следующими параметрами: радиус полуцилиндра равен средней ширине факела гч=0,12£от, длина /,, = 0,7L„„ (от 0,3 Lcm до Le,) Видовой фактор определяли, используя известные методики

Z

L,

У

q, кВт/м2

OB 1 о

X/L_

Рис. 17. Распределение теплового потока С[ от настильного факела природного газа вдоль оси X = Х}ьап ((7= 15 м3/с, У = 0,34, ^ = 0). Кривая 1 - расчет по модели многоточечного источника. Кривая 2 - расчет по модели «твердого тела», О - эксперимент

q, кВт/м2

г-

1 1 I I I I I

00 02 04 06 08 10 12

Y/L„

Рис. 18. Распределение теплового потока q от настильного факела природного газа вдоль оси Y =Y/Lcm (С=15м3/с, X=0,62,Z=0).

Кривые 1 - расчет по модели многоточечного источника.

Кривая 2 - расчет по модели «твердого тела», О - эксперимент

Аппроксимация экспериментально измеренных значений q в диапазоне расходов газа от 5 до 50 м3/с позволила получить следующие зависимости для расчета плотности теплового излучения от пламени:

- для многоточечного источника Еj = 220G0'6, кВт/м;

- для «твердого тела» Е/ = SOG0'2, кВт/м2.

На рис. 19 представлены экспериментально измеренные значения теплового потока Ц в момент воспламенения и при стационарном горении рассеянного факела, а также результаты расчетов, выполненных по модели «твердого тела», в соответствии с которой факел аппроксимировался наклонным цилиндром длиной и радиусом /?ц=0,15/.ц.

X, и

X, м

Рис. 19. Зависимость теплового потока q от рассеянного факела на от расстояниях, (а - (7=5,8 м3/с, и„=5 м/с; б - С-52 м3/с, и„= 5 м/с). □ - в момент воспламенения; О - при стационарном горении. Сплошные кривые - расчет по модели «твердого тела» (наклонный цилиндр)

На основании обработки экспериментальных данных, полученных при различных расходах горючего газа, было получено выражение для расчета плотности теплового излучения на поверхности рассеянного факела в

зависимости от расхода природного газа =100(7 "'4,кВт/м2

Особо следует отметить, что для рассеянного факела характерным является тот факт, что на начальной стадии горения излучение в несколько раз превышает соответствующие величины при стационарном горении.

Параметры взрывоопасности.

Исследовались параметры волн сжатия, которые могут генерироваться при сгорании газовоздушных облаков, образующихся при выбросе природного газа в открытое пространство.

Природный газ в экспериментах выбрасывался в виде вертикальных, горизонтальных, настильных и рассеянных струй Расход газа варьировался от 6 до 52 м3/с Зажигание осуществлялось с задержкой от 5 до 300 с от момента выхода на заданный режим. Для воспламенения газового облака или струи горючего газа использовалось перемещающееся поджигающее устройство, позволяющее осуществлять воспламенение в любое заданное время и в любой точке струи или газового облака. Датчики давления размещали на различном расстоянии от места выброса газа.

Проведенные эксперименты показали, что при зажигании струи природного газа, истекающей в открытое пространство в виде свободной, настильной или рассеянной струи, волн сжатия значительной интенсивности не образуется. Даже при расходе газа 52 м3/с и задержке воспламенения 300 с, когда размеры горючего облака могли достигать сотен тысяч кубических метров, зарегистрированное дагчиками избыточное давление не превышало 2,5 кПа. Следовательно, можно сделать вывод о том, что при аварийном выбросе природного газа в открытое пространство в виде компактной или рассеянной струи при ее воспламенении не возникают воздушные ударные волны, способные привести к разрушениям технологического оборудования и поражению людей.

Шестая глава посвящена разработке инженерных методик расчета основных характеристик пожарной опасности аварийных выбросов горючего газа.

Представлены следующие расчетные методики, полученные на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

- методики расчета предельных условий стабилизации и 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 (различные горючие газы

и их смеси, произвольные форма и размеры сбросных отверстий, воздействие ветра различной скорости и направления и т. п.);

Названные методики разработаны на основе аналитических зависимостей полученных в настоящем исследовании и апробированных в многочисленных экспериментах (около 3000, в том числе более 200 крупномасштабных), а также расчетных зависимостей полученных на основе обобщения результатов экспериментальных исследований Они предназначены для проведения оценок пожарной опасности аварийных выбросов горючего газа, а также разработки компьютерных программ расчета Результаты использования одной из таких программ (программа расчета размеров и конфигурации диффузионных факелов), проиллюстрированы на рис. 15.

ВЫВОДЫ

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 оценивагь 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. Установлены закономерности стабилизации и газодинамического тушения турбулентных диффузионных пламен, позволяющие оценивать влияние на предельные условия стабилизации диффузионных факелов степени разбавления горючего газа инертным, размеров и формы сбросного отверстия, скорости и направления ветра, концентрации кислорода в окружающем пространстве и направления газосброса.

4 Выявлены качественные закономерности горения диффузионных факелов в условиях разреженной атмосферы, позволившие сделать важный для практики вывод о серьезной пожарной опасности диффузионных факелов при пониженном давлении. В экспериментах на водороде и кислороде было показано, что диффузионные газовые факелы могут стабильно гореть в условиях разреженной атмосферы, 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.

Установлено, что в условиях разрежения имеет место специфический режим стабилизации, при котором доминирующим фактором является молекулярная диффузия При этом основание пламени может стабилизироваться ниже среза сбросного отверстия (горелки), что приводит к существенному прогреву в зоне сбросного отверстия и, как следствие, к эскалации аварийной ситуации.

5. Получены новые экспериментальные данные и выявлены закономерности влияния на размеры и форму турбулентных диффузионных факелов условий истечения горючего газа (формы отверстия, направления газосброса, скорости и направления ветра, начальной турбулентности), позволяющие оценивать геометрические параметры, характеризующие зоны максимального теплового воздействия пламени на окружающие объекты, в широком диапазоне изменения условий выброса газов, характерном для реальных аварийных ситуаций на объектах, использующих горючие газы.

6. На основе обобщения результатов экспериментальных исследований характеристик пожаровзрывоопасности крупномасштабных выбросов природного газа, проведенных в широком диапазоне изменения условий газосброса, получены зависимости для определения максимальных размеров пламени для вертикальных, горизонтальных, настильных и рассеянных факелов.

7 Проведены экспериментальные исследования и выявлены закономерности изменения интенсивности теплового излучения горизонтальных, настильных и рассеянных факелов в зависимости от режимов газосброса в диапазоне изменения расходов природного газа от 5 до 50 м3/с.

8 Экспериментально установлено, что газовоздушные облака, образующиеся при выбросе в окружающее пространство природного газа в виде свободных, настильных и рассеянных струй с расходами до 50 м3/с, сгорают без образования интенсивных волн сжатия, представляющих опасность для людей и окружающих объектов.

9 На основании проведенных исследований разработаны инженерные методики и компьютерные программы расчета основных характеристик пожарной опасности аварийных выбросов горючих газов:

- предельных условий стабилизации и тушения турбулентных диффузионных факелов, образующихся при аварийных и регламентных выбросах горючих газов;

- размеров и конфигурации диффузионных факелов,

- оптимальных пожаробезопасных режимов сброса горючих газов.

Применение представленных практических методических разработок

позволяет осуществлять научно обоснованные оценки пожарной опасности аварийных выбросов горючих газов и определять оптимальные способы и направления снижения указанной опасности.

10. Результаты диссертационной работы использованы при разработке систем и средств обеспечения пожаровзрывобезопасности авиационной и

комической техники, внедрены на объектах нефтегазового комплекса, а также используются в научно-исследовательской деятельности.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Стабилизация и тушение турбулентного диффузионного факела / Карпов В Л., Голиневич Г.Е., Федотов А.П, Болодьян И А. // Средства и способы пожаротушения- Сб. науч тр - М • ВНИИПО МВД СССР, 1988 -С 98 - 105.

2. Карпов ВЛ, Голиневич ГЕ., Федотов А.П. Длина диффузионного турбулентного факела водорода и его смесей с инертными газами // Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства: Материалы IX Всесоюзной науч.-практ конф. - М ■ ВНИИПО МВД СССР, 1988.-С. 25

3 Карпов В Л, Голиневич Г Е , Федотов А.П. Пожаробезопасный дренаж смеси горючего и инертного газов // Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства: Материалы IX Всесоюзной науч.-пракг. конф - М ■ ВНИИПО МВД СССР, 1988 - С. 26-27

4 Экспериментальное изучение условий срыва висящих факелов водорода и метана / Карпов В Л., Голиневич Г Е, Федотов А.П. и др // Пожаровзрывоопасность сжиженных и газообразных горючих: Сб. тр - М • ВНИИПО МВД СССР, 1990 - С. 27-34.

5 Геометрические параметры диффузионного факела в поперечном потоке воздуха / Карпов В Л , Голиневич Г.Е., Болодьян И А , Макеев В И // Пожаровзрывоопасность сжиженных и газообразных горючих: Сб тр. - М: ВНИИПО МВД СССР, 1990. - С. 66-69.

6. Карпов В Л, Голиневич Г.Е., Федотов А П Естественная стабилизация и срыв оторванного турбулентного диффузионного газового факела // Физика горения и взрыва. -1991. - Т 27, № 5 - С 76-81

7. Макеев В.И, Голиневич Г Е, Карпов В Л.Определение пожаробезопасных режимов дренажа горючих газовых смесей // Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства: Материалы XI Всесоюзной науч. - практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1992. - С. 194.

8. Макеев В.И., Болодьян И А., Карпов В.Л. Размеры и конфигурация диффузионного факела в поперечном потоке воздуха // Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства Материалы XI Всесоюзной науч. - практ. конф. - М : ВНИИПО МВД СССР, 1992. - С. 74.

9. Макеев В.И., Карпов В.Л. Влияние формы проходного сечения горелки на устойчивость диффузионных факелов // Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение газов Материалы X Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву - Черноголовка: ИХФ РАН, 1992. - С. 67.

10. Макеев В И., Некрасов ВП, Карпов BJI Стабилизация кислородного и водородного диффузионного факела в условиях разрежения // Химическая физика процессов горения и взрыва Горение газов-Материалы X Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву -Черноголовка: ИХФ РАН, 1992 - С. 68.

11. Макеев В.И, Карпов B.JI Пределы устойчивого горения оторванного диффузионного факела в поперечном потоке воздуха // Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение газов- Материалы X Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. - Черноголовка- ИХФ РАН, 1992.-С. 71.

12 О размерах и конфигурации факелов, образующихся при аварийных разрывах газопроводов / Макеев В.И., Сафонов В П., Карпов B.JI. и др // Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение газов: Материалы X Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. - Черноголовка: ИХФ РАН, 1992. - С. 155.

13 The effect of low pressure on configuration of an oxygen/ hydrogen diffusion flame / Makeev V I., Karpov V.L., Ponomarev A.A. // Proceedings of the Russian - Japanese seminar on combustion. - Chernogolovka, 1993. - P 87-88.

14 Взрывопожароопасность цилиндрических горючих газовых облаков при различной ориентации их относительно земли / Макеев В И, Карпов В JI, Пономарев A.A. и др // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ: Материалы XII Всероссийской науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД России, 1993. - С 244.

15. Размеры кислородного и водородного диффузионных факелов в условиях разрежения / Макеев В И., Карпов В Л., Пономарев А А и др // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ: Материалы XII Всероссийской науч -практ конф - М.: ВНИИПО МВД России, 1993. - С. 246.

16. Карпов В.Л., Пономарев А.А, Строгонов В В Параметры пожаровзрывоопасности настильных факелов природного газа // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ-Материалы XII Всероссийской науч.-практ конф. - М,- ВНИИПО МВД России, 1993. - С. 247

17. Карпов В Л., Макеев В И. Предельные условия устойчивого горения и тушения факелов природного газа // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ- Материалы XII Всероссийской науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД России, 1993. - С 248.

18. Горение и переход к детонации газовых смесей в пространстве с частичным загромождением / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев A.A., Строгонов В В // Пожаровзрывобезопасность - 1993 - Т. 2, № 2. - С. 3 - 6.

19 Влияние разрежения на стабилизацию и размеры кислородного и водородного диффузионных факелов / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев

А.А и др // Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита' Материалы I Международного семинара - М.: ВНИИПО МВД России, 1995 - С 88 - 89

20 Пожаровзрывоопасность жидких водорода и метана Крупномасштабные эксперименты / Макеев В И , Карпов В JT, Пономарев

A.А и др // Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита' Материалы I Международного семинара. - М.' ВНИИПО МВД России, 1995 - С 130

21 Специфические виды газовых диффузионных пламен (рассеянные, настильные и направленные вниз факелы) / Макеев В И, Карпов В JI, Пономарев A.A. и др // Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита: Материалы I Международного семинара. - М.' ВНИИПО МВД России, 1995 -С. 132-133.

22 Процессы развития пожаров на кустах скважин в условиях вечной мерзлоты / Карпов В Л, Строганов В В , Шариков A.B., Клевенский О.Л // Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых и нефтяных месторождений в арктических регионах: Материалы II Международной науч.-практ. конф. - М : ИРЦ Газпром, 1995. - С 161 -163

23 Оценка опасности поражения личного состава и пожарной техники при воздействии ударных волн / Макеев В И , Карпов В Л., Пономарев А.А и др. // Пожарная безопасность' Материалы XIII Всероссийской науч -практ конф -М.: ВНИИПО МВД России, 1995 - С 144-146.

24 Оценка безопасных расстояний для личного состава и пожарной техники при воздействии теплового излучения пожаров разлитий высокоэнергетических топлив / Макеев В И., Карпов В Л., Пономарев А.А и др. // Пожарная безопасность: Материалы XIII Всероссийской науч.-практ. конф.-М.: ВНИИПО МВД России, 1995 - С 150-152

25 Пожаровзрывоопасность рассеянных факелов / Макеев В И , Карпов В Л., Пономарев А.А и др // Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология: Сб науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1996. - С 131-137

26 Пожаровзрывоопасность горизонтальных и настильных струйных выбросов горючих газов / Макеев В И, Карпов В Л , Пономарев А А. и др // Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 1996. - С. 138-151

27 Воспламенение зарядами ВВ неоднородного низко температурного облака, образованного при проливе жидкого водорода / Макеев В И., Карпов

B.Л., Пономарев A.A. и др. // Химическая физика процессов горения и взрыва- Материалы XI Всероссийского симпозиума по горению и взрыву. -Черноголовка, РАН, 1996 - Т. 2. - С. 163-164.

28. Горение аварийных выбросов природного газа / Макеев В И., Болодьян И. А., Карпов В Л и др // Химическая физика процессов горения и взрыва: Материалы XI Всероссийского симпозиума по горению и взрыву -Черноголовка, РАН, 1996. - Т. 2. - С. 138-140.

29. Пожаровзрывобезопасность летательных аппаратов, использующих криогенные топлива / Макеев В И, Болодьян И А, Карпов В Л и др // Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах'

Материалы III Всероссийской науч.-техн. конф. - М.: ВВИА им. Жуковского, 1996 -С. 6.

30 Параметры пожаровзрывоопасности струйных выбросов горючих газов / Карпов B.JI., Строганов В В., Макеев В И., Некрасов В П. // Пожаровзрывобезопасность - 1997. - № 1 - С. 40-46.

31 Использование водяных завес для борьбы с загазованностью и пожарами сжиженных газов / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев A.A. и др. // Пожарная безопасность' история, состояние, перспективы: Материалы XIV Всероссийской науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД России, 1997. -с. 171-173.

32 Пожаровзрывоопасность автозаправочных газоналивных станций г. Москвы, пути ее уменьшения / Макеев В.И., Карпов B.JI., Пономарев A.A. и др. // Безопасность больших городов: Материалы науч.-практ. конф. - М.: ВНИИГОЧС, 1997.-С. 155.

33. Карпов BJI. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 1. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в неподвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. - 1998. - № 3. - С. 36-43.

34. Карпов B.JI. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 2. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в подвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. - 1998. - №4. - С. 40-47.

35. Методические рекомендации по порядку осуществления замены озоноразрушающих огнетушащих веществ в установках пожаротушения особо важных объектов. - М.: ВНИИПО МВД России, 1998. - 36 с.

36 Тротиловый эквивалент взрыва газовых смесей Н2 + 02 + ßN2 в замкнутом пространстве / Некрасов В.П., Строганов В В , Карпов B.JI. и др // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков Материалы XV Всероссийской науч.-практ конф - М.: ВНИИПО МВД России, 1998. - С 181-183.

37. Оценка размеров зон воздействия высокотемпературных пламен струйных выбросов горючих газов / Болодьян И.А, Некрасов В.П., Карпов B.JI. и др // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы XV Всероссийской науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД России, 1998.-С. 186-188.

38. Установки азотного пожаротушения на базе технологического газового оборудования / Некрасов В П., Строганов В В , Карпов B.JI. и др. // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков- Материалы XV Всероссийской науч.-практ конф - М.: ВНИИПО МВД России, 1998. - С 102-104.

39 Метод оценки пожарной опасности технологического оборудования / Некрасов В.П., Строганов В.В , Карпов B.JI. и др. // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы XV Всероссийской науч-практ. конф. - М. ВНИИПО МВД России, 1998 - С. 105-106.

40. Карпов В JI Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 3. Размеры и конфигурация диффузионных турбулентных факелов // Пожаровзрывобезопасность - 1999 - № 5 - С 3844.

41 Карпов B.JI, Пономарев A.A. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 4. Пожаровзрывоопасность аварийных выбросов природного газа // Пожаровзрывобезопасность. - 1999 -№ 6. - С. 25-33.

42 Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Процессы испарения и формирования пожаровзрывоопасных облаков при проливе жидкого метана. Методики оценки параметров / Карпов B.JI, Болодьян И.А, Молчанов В П и др // Пожарная безопасность. - 2000. - № 1. - С. 108-121.

43 Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа Расчет поражающих факторов при авариях на изотермическом резервуаре / Карпов B.JI., Болодьян И А, Молчанов В.П. и др. // Пожарная безопасность. - 2001. - № 1 - С. 59-66

44. Особенности противопожарной защиты предприятий по добыче нефти и газа в районах Сибири и Крайнего севера / Карпов В.Л., Свыдына Ю.В , Лагозин А Ю и др. // Крупные пожары: предупреждение и тушение: Материалы XVI науч.-пракг. конф. - 4.1. - M : ВНИИПО МВД России, 2001 -С. 174-175.

45 Принципы разработки компенсирующих противопожарных мероприятий при вынужденных отступлениях от действующих норм / Карпов BJT., Свыдына Ю.В., Некрасов В.П. и др. // Крупные пожары: предупреждение и тушение- Материалы XVI науч-практ. конф - 4.1 - М.: ВНИИПО МВД России, 2001. - С. 246-248.

46 Карпов В.Л., Свыдына Ю В., Пономарев A.A. Принципы разработки противопожарных мероприятий на объектах нефтедобычи при вынужденных отступлениях от норм, обусловленных требованиями экологической безопасности // Пожары и окружающая среда: Материалы XVII Международной науч.-практ конф - М.: ВНИИПО МЧС России, 2002 -С. 146-148.

47. Карпов В.Л., Свыдына Ю В., Пономарев A.A. Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов добычи нефти, проектируемых в соответствии с экологическими требованиями // Пожары и окружающая среда: Материалы XVII Международной науч.-практ. конф. -М.: ВНИИПО МЧС России, 2002. - С. 148-149.

48. Карпов B.JI., Сенчишак ТИ., Пономарев A.A. Устройство и применение водяных завес для борьбы с загазованностью и пожарами горючих газов // Пожары и окружающая среда' Материалы XVII Международной науч -практ. конф. - М ■ ВНИИПО МЧС России, 2002 - С. 153-154.

49. Карпов В Л Пожарная опасность выбросов горючих газов из технологического оборудования // Снижение риска гибели людей при

пожарах: Материалы XVIII науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МЧС России, 2003.-С. 129-130.

50 Комбинированный способ огнезащиты пожароопасного технологического оборудования / Карпов В.Л., Страхов В.Л., Кругов А М., Болодьян И.А. // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МЧС России, 2003. - С. 164-166.

51. Карпов В Л., Светушенко С.Г. Пожарная безопасность установок комплексной подготовки газа Заполярного газонефтеконденсатного месторождения // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч.-практ. конф. - М: ВНИИПО МЧС России, 2003. - С. 185-187.

Подписано в печать 19.08. 2004 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,02. Уч.-изд. л. 2,62. Т. - 100 экз. Заказ № 76.

Типография ФГУ ВНИИПО МЧС России. Мкр. ВНИИПО, д. 12, г Балашиха, Московская обл., 143903

05.2^-05.26

РНБ Русский фонд

2006-4 5721

> - * \ Ч\ ' ?

S % V * !

V ^ \ % i

ч, % ^

17 СЕН 2004

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Характерные особенности аварийных ситуаций, связанных с выбросами горючих газов, на различных объектах.

1.1.1. Объекты газодобывающих предприятий.

1.1.2. Объекты подготовки и транспортировки газа.

1.1.3. Объекты переработки газа (газоперерабатывающие заводы).

1.1.4. Авиационно-космические объекты.

1.1.5. Пожарная опасность выбросов горючих газов из технологического оборудования.

1.2. Закономерности горения турбулентных диффузионных пламен.

1.3. Предельные условия стабилизации турбулентного диффузионного пламени.

1.3.1. Присопловой факел.

1.3.2. Оторванный факел.

1.4. Размеры диффузионных факелов.

1.5. Выводы и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ СТАБИЛИЗАЦИИ, РАЗМЕРОВ И КОНФИГУРАЦИИ

ТУРБУЛЕНТНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ ФАКЕЛОВ.

2.1. Предельные условия устойчивого горения турбулентных диффузионных факелов в неподвижной атмосфере.

2.1.1. Оторванный факел.

2.1.2. Присопловой факел.

2.1.3. Посадка факела на срез сбросного отверстия.

2.1.4. Диаграмма характерных областей устойчивости 97 диффузионного пламени.

2.2. Предельные условия устойчивого горения и газодинамического тушения диффузионных факелов в подвижной атмосфере.

2.2.1. Присопловой факел.

2.2.2. Оторванный факел.

2.2.2.1. Оторванный факел в соосном потоке воздуха.

2.2.2.2. Оторванный факел в потоке воздуха произвольного направления.

2.3. Размеры и конфигурация диффузионных факелов.

2.3.1. Длина факела в неподвижной атмосфере.

2.3.2. Размеры факела в поперечном потоке воздуха.

2.3.3. Конфигурация факела в поперечном потоке воздуха.

2.4. Стабилизация оторванного факела в сносящем потоке воздуха. 121 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СТЕНДОВ И

МЕТОДИК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований.

3.2. Многофункциональный экспериментальный комплекс для изучения характеристик пожарной опасности выбросов горючих.

3.2.1. Стенд для изучения параметров диффузионных факелов (экспериментальная установка «Факел»).

3.2.2. Установка для изучение предельных условий стабилизации и тушения диффузионных факелов при изменении концентрации кислорода в окружающем пространстве (экспериментальная установка «Кислород»).

3.2.3. Установка для изучение геометрических параметров диффузионных факелов при выбросах горючего газа в непосредственной близости от технологического оборудования (экспериментальная установка «Технология»).

3.2.4. Установка для исследования параметров диффузионных факелов в условиях разреженной атмосферы (экспериментальная установка «Вакуум»).

3.2.5. Методика измерения основных параметров.

3.3. Полигонный экспериментальный стенд для проведения крупномасштабных экспериментальных исследований характеристик пожарной опасности аварийных выбросов природного газа.

3.3.1. Методика проведения крупномасштабных экспериментальных исследований характеристик пожаровзрывоопасности аварийных выбросов природного 149 газа.

3.3.1.1. Методика проведения экспериментальных исследований геометрических параметров и интенсивности теплового излучения факелов природного газа.

3.3.1.2. Методика проведения экспериментальных исследований параметров волн сжатия.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ТУРБУЛЕНТНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ ФАКЕЛОВ.

4.1. Предельные условий стабилизации и тушения диффузионных факелов в неподвижной атмосфере.

4.1.1. Оторванный факел.

4.1.1. Присопловой факел.

4.1.3. Высота отрыва основания факела от среза сбросного устройства.

4.1.4. Обобщенный график характерных областей устойчивости диффузионного факела.

4.1.5. Влияние концентрации кислорода в окружающем пространстве на стабилизацию диффузионных факелов.

4.1.6. Влияние формы проходного сечения горелки на условия стабилизации диффузионного факела.

4.1.7. Влияние формы проходного сечения горелки на условия стабилизации диффузионного факела.

4.1.8. Горение диффузионных факелов в условиях разреженной атмосферы.

4.2. Пределы устойчивого горения диффузионных факелов в подвижной атмосфере.

4.2.1. Присопловой факел.

4.2.2. Оторванный факел в соосном потоке воздуха.

4.2.3. Оторванный факел в сносящем потоке воздуха.

4.3. Размеры и конфигурация турбулентных диффузионных факелов.

4.3.1. Длина факела в неподвижной атмосфере.

4.3.2. Длина факела при имитации реальных аварийных выбросов горючего газа.

4.3.3. Влияние направления газосброса на размеры факела.

4.3.4. Размеры факела, развивающегося в поперечном потоке воздуха.

4.3.5. Конфигурация факела, развивающегося в потоке воздуха.

4.3.5.1. Координаты оси факела, развивающегося в потоке воздуха.

4.3.5.2. Форма турбулентного диффузионного факела.

5. КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ВЫБРОСОВ

ПРИРОДНОГО ГАЗА.

5.1. Геометрические параметры диффузионных факелов природного газа.

5.1.1. Размеры и конфигурация «свободных» факелов.

5.1.2. Размеры настильных факелов.

5.1.3. Геометрические параметры рассеянных факелов

5.2. Тепловое излучение факелов природного газа.

5.2.1. Горизонтальные и настильные факелы.

5.2.2. Рассеянные факелы.

5.3. Параметры взрывоопасное™ струйных выбросов природного газа.

6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСОВ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫХ РЕЖИМОВ ГАЗОСБРОСА.

6.1. Методика расчета предельных условий стабилизации и газодинамического тушения турбулентных диффузионных факелов.

6.2. Методика расчета размеров и конфигурации диффузионных факелов.

6.3. Методика определения оптимальных пожаробезопасных режимов сброса горючих газов.

Современные тенденции развития промышленности характеризуются увеличением масштабов и расширением области использования горючих газов. Этот естественный и, по-видимому, необратимый процесс, охвативший в настоящее время все передовые индустриальные страны, обусловлен, прежде всего, технологическими достоинствами горючих газов, рациональное использование которых, позволяет получить значительный экономический эффект. Немаловажным фактором, стимулирующим расширение масштабов и области применения горючих газов, являются экологические проблемы, решение которых также во многом связано с эффективным применением газообразных топлив.

Однако наряду с очевидными преимуществами использования горючих газов, процессы их добычи, производства, транспортировки, хранения, переработки и использования связаны с чрезвычайно высокой опасностью пожара и взрыва при аварийных ситуациях.

Логика развития современного производства такова, что новые технологии, как правило, оказываются и более пожароопасными.

Высокая энергонасыщенность современных объектов, 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.

Вопросы обеспечения пожарной безопасности представляют ту область техники, которая неразрывно связана с теорией горения. Поэтому, встречающиеся на практике проблемы зачастую опережают состояние теории и требуют решения новых задач. Это, в свою очередь, обуславливает возрастающую актуальность исследований, направленных на обеспечение безопасного использования горючих газов. Расширение исследований в области пожарной безопасности, поиск новых подходов к построению безопасных технологических систем представляют собой важную научно-техническую и народно-хозяйственную проблему, решение которой направлено на обеспечение дальнейшего технического развития с уменьшенным риском.

Важность названной проблемы обусловлена тем, что аварийные и регламентные выбросы горючих газов представляют крайне высокую опасность для людей и технологического оборудования, и в тоже время, являются весьма распространенным явлением. В частности, в ходе проведения технологических операций по добыче, переработке и хранению горючих газов неизбежно возникает необходимость в осуществлении регламентных выбросов (дренажа), в том числе больших объемов, газа в окружающую атмосферу. При этом существенное значение приобретают вопросы безопасного размещения дренажных и дожигающих устройств, безопасность воспламенения, устойчивость факельного горения и т.п.

Особую опасность представляют аварийные выбросы горючих газов, которые являются весьма распространенными, а для многих объектов, использующих горючие газы (добыча, подготовка и транспортировка природного газа и т.п.), наиболее вероятными аварийными ситуациями. Интенсивность аварийного истечения газа может варьироваться в широких пределах от небольших утечек, например, при разгерметизации фланцевых соединений до крупномасштабных выбросов при аварийных газопроявлениях и разрушениях газопроводов. Вероятность воспламенения выбрасываемого газа, особенно для крупномасштабных аварийных выбросов, достаточно велика и может достигать значений 0,5 - 0,8. При этом возникает опасность каскадного развития аварии, связанная с потерей конструктивной устойчивости и разрушением окружающего оборудования, а также с воспламенением горючих материалов за счет интенсивного радиационного излучения или прямого огневого воздействия пламени.

Пожарная опасность газовых выбросов определяется, прежде всего, высокой вероятностью воспламенения и устойчивого горения выбрасываемого газа и характеризуется теплофизическими параметрами самого пламени, его размерами и формой, температурой и тепловыми потоками, а также длительностью воздействия на окружающие объекты.

Проблема обеспечения пожарной безопасности объектов, использующих горючие газы, неразрывно связана с необходимостью детального исследования 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.

Сложность поставленной задачи обусловлена тем, что указанные параметры должны определяться с учетом реальных условий эксплуатации технологического газового оборудования, которые характеризуются весьма широким диапазоном возможного изменения условий газосброса, обусловленного тем, что горючие газы применяются в самых различных отраслях техники. Это и космические исследования - водород является самым эффективным горючим ракетных двигателей, и авиация, для которой в качестве перспективных видов топлива рассматриваются водород и метан. Топливная промышленность, транспорт, ядерная техника, химическая промышленность, добыча и транспортировка природного газа, энергетика, газоснабжение - это лишь краткое перечисление областей использования горючих газов. Даже в подводных исследованиях горючие газы нашли свое применение: водород является одним из компонентов дыхательных смесей для глубоководных погружений.

Широкая область применения горючих газов предопределяет и весьма широкий диапазон возможного изменения условий аварийного выброса газов, а именно:

- скорости и направления газосброса могут варьироваться в широких пределах;

- используются различные горючие газы и газовые смеси, в том числе с инертными газами;

- выброс газа может происходить в условиях воздействия ветра различной скорости и направления;

- сбросные отверстия, образующиеся при аварийной разгерметизации технологического оборудования, могут иметь различную форму и размеры;

- выброс газа может осуществляться как в свободное, так и в загроможденное пространство и т.д. и т.п.

Особую актуальность данная проблема приобретает в связи с развитием современных подходов к обеспечению пожарной безопасности, базирующихся на концепции «приемлемого риска», ставящей во главу угла задачу снижения вероятности гибели людей [1-3]. 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. Более того, до сих пор недостаточно изучено влияние на стабилизацию и размеры пламени целого ряда факторов, таких как направление и скорость ветра, форма сбросного отверстия, давление окружающей среды и т.д. Методики оценки основных опасных факторов, динамики развития и прогноза последствий аварийных ситуаций, связанных с выбросами горючих газов, разработаны для достаточно узкого круга задач.

Все это делает крайне затруднительным реализацию научно-обоснованных подходов при решении вопросов обеспечения пожарной безопасности объектов, на которых используются горючие газы, и требует проведения новых исследований.

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 характеристик 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 (состав и скорости истечения газа, размеры и форма сбросного отверстия, направление газосброса, скорость и направление 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 газов.

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 1200 < 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 (d0> 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 ашосфере 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 линейными размерами пламени и 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 факела Ьф и расходом газа G (1Ф~С0,4) 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.

Изучено горение факелов, образующихся при обрушении конструкций и загромождении места истечения газа (так называемый «рассеянный» факел).

Показано, что горение рассеянного факела в значительной степени отличается от струйных вертикальных факелов. В частности, при поджигании газа наблюдаются две ярко выраженные стадии горения:

- начальная стадия продолжительностью 3 - 6 с, которая сопровождается яркой вспышкой и образованием «огненного шара» с большим количеством сажи;

- стационарное горение, напоминающее по внешнему виду горение разливов горючих жидкостей, которое также сопровождалось выделением сажи, а на больших расходах газа (несколько десятков м /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 пространство 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, в том числе при крупномасштабных испытаниях, а также с результатами других авторов.

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.

Диссертационная работа обобщает результаты исследований, которые проводились под руководством и при непосредственном участии автора в Федеральном государственном учреждении «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» (ФГУ ВНИИПО) МЧС России с 1985 года при выполнении ряда Государственных программ (в том числе программы по обеспечению безопасности космической системы «Энергия-Буран», самолета на жидком водороде и метане Ту-155, комплексной программы по противопожарной защите объектов добычи и транспортировки газа полуострова Ямал, программы обеспечения деятельности МВД на 1990 - 2000 гг.) и планов НИР ФГУ ВНИИПО МЧС России.

Данная работа является логическим продолжением исследований, направленных на обеспечение пожаровзрывобезопасности объектов, использующих горючие газы, проводимых в ФГУ ВНИИПО МЧС России на протяжении многих лет.

Среди основоположников данного направления исследований следует отметить профессора А.Н. Баратова. В дальнейшем названные работы были продолжены профессором В.И. Макеевым. В частности он являлся руководителем большинства исследований пожарной опасности процессов, связанных с выбросами горючих газов, в том числе направленных . на обеспечение пожарной безопасности таких уникальных объектов как космическая система «Энергия-Буран», самолет на сжиженном водороде Ту-155 и т.п. В настоящее время, данное направление работ не потеряло своей актуальности и продолжается, в основном, в области обеспечения пожарной безопасности современных объектов добычи, транспортировки, переработки и использования природного газа, под руководством профессора И.А. Болодьяна.

Следует также отметить исследования, внесшие большой вклад в развитие отдельных технологических и методических проблем обеспечения пожарной безопасности объектов использующих горючие газы, в частности, исследования пожарной опасности объектов газовой промышленности профессора Г.Е. Одишария, доктора технических наук B.C. Сафонова и др., проведенные в Научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ, исследования в области обеспечения водородной безопасности, проводимые под руководством профессора Г.С.Потехина в Государственном институте прикладной химии - ГИПХ, работы кандидатов технических наук Г.Г. Шевякова, Ю.А. Кондрашкова и др. в области обеспечения безопасности эксплуатации криогенного оборудования, выполненные в НПО криогенного машиностроения и многие другие.

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: 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, позволяющие определять геометрические параметры горящих факелов в широком диапазоне изменения условий газосброса;

- методика определения оптимальных пожаробезопасных режимов сброса горючих газов; компьютерные программы расчета основных характеристик пожарной опасности и оптимальных пожаробезопасных режимов сброса горючих газов.

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.).

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 (Chernogolovka, 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).

По материалам выполненных диссертационных исследований опубликовано 57 печатных работ.

На защиту выносятся: результаты теоретического 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.

Автор выражает глубокую благодарность за большое внимание, ценные советы и оказание практической помощи при выполнении данной работы докторам технических наук Н.П. Копылову, И.А. Болодьяну, А.Н. Баратову, В.И. Макееву, Ю.Н. Шебеко, кандидатам технических наук А.А. Пономареву, Г.Е. Голиневичу, В.П. Некрасову, В.В. Строганову, А.П. Чугуеву, И.Н. Валееву, Н.И. Рябову, научным сотрудникам А.П. Пермякову, В.А.Орлову, А.Ю. Лагозину, И.В. Истомину, а также всем сотрудникам

ВНИИПО, принимавшим участие в экспериментальных исследованиях и сотрудникам пожарной охраны г. Новый Уренгой за оказание помощи в организации и проведении крупномасштабных полигонных экспериментов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованной литературы. Материалы изложены на 325 страницах машинописного текста, включающего 71 рисунок, 11 таблиц и 245 наименований литературы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ возможных аварийных ситуаций на объектах добычи, подготовки, транспортировки, переработки и использования горючих газов, на авиационных и космических объектах и т.п., показал, что аварийные выбросы горючих газов 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.

Пожарная опасность газовых выбросов определяется высокой вероятностью воспламенения и устойчивого горения выбрасываемого газа и характеризуется теплофизическими параметрами самого пламени.

Проблема обеспечения пожарной безопасности объектов, использующих горючие газы, неразрывно связана с необходимостью детального исследования 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.

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.

Все это делает крайне затруднительным реализацию научно-обоснованных подходов при решении вопросов обеспечения пожарной безопасности объектов, на которых используются горючие газы, и требует проведения новых исследований.

Целью настоящей работы являлось развитие научных основ и совершенствование методов расчета, направленных на прогнозирование и снижение пожарной опасности объектов.

2. 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.

3. Разработаны и созданы многофункциональный экспериментальный комплекс и полигонный экспериментальный стенд, позволяющие проводить исследования характеристик пожарной опасности выбросов горючих газов в широком диапазоне изменения условий газосброса, в том числе в условиях приближенных к реальным аварийным ситуациям.

4. 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.

5. 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 (d 0 > 40 мм) диаметра.

6. 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).

7. 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.

8. 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 факелаЬф и расходом газа G (L0~g°'a) 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:

- начальная стадия продолжительностью 3 - 6 с, которая сопровождается яркой вспышкой и образованием «огненного шара» с большим количеством сажи;

- 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 пространство в виде свободных, настильных и рассеянных струй с расходами до 50 м3/с, сгорают без образования интенсивных волн сжатия, представляющих опасность для людей и окружающих объектов.

9. На основании проведенных исследований разработаны инженерные методики и компьютерные программы расчета направленные на прогнозирование пожарной опасности аварийных выбросов горючих газов и определение оптимальных способов и направлений снижения указанной опасности. В частности, разработаны: 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; 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.).

10. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе подтверждена положительным опытом внедрения ее результатов в авиационной и космической технике, газовой промышленности и других отраслях.

302

1. Федеральный закон РФ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» // Госгортехнадзор России, «Промышленная безопасность, 1998, - 32 с.

2. ГОСТ Р 12.3.047-98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. М.: Изд. Стандартов, 1998.-85 с.

3. Специальный технический регламент «Требования пожарной безопасности для нефтегазового комплекса». (Проект) М.: ВНИИПО МЧС России, 2004. - 59 с.

4. Шеберстов Е.В. Прогнозное математическое моделирование аварийных фонтанов на скважинах Бованенковского ГКМ // В кн.: Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология. М.: ВНИНГАЗ, 1996. -С. 208-215.

5. Шеберстов Е.В. Особенности оценки риска аварийного фонтанирования скважин северных месторождений // В кн.: Проблемы экологии при освоении газовых и нефтяных месторождений Крайнего Севера. Ч. 2. М.: ВНИИГАЗ, 1995. - с.98-106.

6. Сафонов B.C. Разработка научно-методических основ и практического анализа риска эксплуатации объектов газовой промышленности: Дис. . д-ра техн. наук / ВНИИГАЗ. М.: 1997. - 676 с.

7. Абдурагимов И.М. Тушение пожаров горючих газов и жидкостей. Обзорная информ. Сер. Техника безопасности и охрана труда. М.: ВНИИЭгазпром, 1987. - Вып. 6. - 32 с.

8. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев А.А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. М.: НУМЦ Минприроды России, 1996-208с.

9. Bell R.P. Isopleth calculations for ruptures in sour gas pipeline // Energy Processing Canada, 1978. - July-August. - P. 36-39.

10. Декларация промышленной безопасности ГП-ЗС Заполярного ГНКМ.- Новый Уренгой: ООО «ЯМБУРГГАЗДОБЫЧА», 2003. 89 с.

11. Раечетно-пояснительная записка к декларации промышленной безопасности ГП-ЗС Заполярного ГНКМ. Саратов: ООО «ЯМБУРГГАЗДОБЫЧА», 2003. - 147 с.

12. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. -824 с.

13. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1984. -716 с.

14. Методика оценки последствий аварий на пожаровзрывоопасных объектах: Сборник методик по прогнозированию возможных аварий, катастроф, стихийных бедствий в РФ (книга 2). М.: МЧС России, 1994. - 156• с.

15. Моуди К. Эксперименты и моделирование. Обзор работ по оценке поведения резервуаров, охваченных пламенем / ВЦП. № Т-11361. - М., 1990. -45 с.

16. Смирнов В.А. Наполнение и опорожнение сосудов ограниченной емкости сжимаемым газом при постоянном и переменном объеме сосуда // Инженерно-физический журнал. 1965. - Т. 8. - № 3. - С. 349-357.

17. Гидаспов Б.В., Сиволодский Е.А., Потехин Г.С. Жидкий водород как компонент топлива для энергоустановок специального назначения. JL: ГИПХ, 1981.-269 с.

18. Каверзнев И.М. 0 безопасности работ с водородными ЖРД и ступенями США. М.: ГИАП, 1967. - 87 с.

19. Легасов В.А. Водородная энергетика // Природа. 1977. - № 3. - С. 312.

20. Brever G.D. The case for hydrogen fuelled transport air craft // Astronaunica and Aeronautie. - 1974. - Vol. 12, № 5. - P. 40-51.

21. Hord J. Cryogenics hydrogen and national energy needs // Advanc. Cryogen. Engin. 1974. 19. .p. 1-Ц.

22. Hydrogen fuel for automobiles // Cryogenics. 1974. - Vol. 14, № 8. - P. 472-481.

23. Investigation of S-IV all system vehicle explosions NASA //TNO, 1954. -553 p.

24. Scott R.B. Liquid hydrogen for chemical and nuclear rocket // Discovery.1980,-Vol. 21,№2.-P. 79-77.

25. Некоторые проблемы применения в авиации водорода и других альтернативных топлив: Обзорная информ. М.: ЦАГИ, 1983. - № 2. -135 с.

26. Шляхтенко С.Н. Основные проблемы применения водорода в авиации // Двигатели и самолеты: Сб. тр. М.: ЦИАМ, 1981. - с. 9-14.

27. Esher W.J. Future availability of liquid hydrogen // Astronaunica and Aeronautie 1974. - Vol. 12, № 5. - P. 55-59.

28. Brever G.D., Wittlin C., Versaw E.F. Final Report NASA // CR-165525.1981.-82 p.29. NASA TMX 71565. - 1974.

29. Bulloch C. Alternative aeronaut fuels // Interavia Review of AAA. 1981. -Vol. 36, №7.-P. 715-717.

30. Cartsin L.U., Pavis G.W. Study of Methane Fuel for Subsonic Transport Aircraft NASA // CR-159320. 1980. - 48 p.

31. Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Исследование диффузионных пламен // Прикладная теплофизика: Сб. науч. тр. Казань: Изд. АН Каз. СССР, 1964. -С. 101-139.

32. Andrews G.E. Turbulence and turbulent flame propagation. A critical appraisal // Combustion and Flame. 1975. - Vol. 24, № 3. - P. 285-305.

33. Liew S.K., Bray K.N.C., Moss J.B. A stretched laminar flamelet model of turbulent non-premixed combustion // Comb. Flame. 1984. - Vol. 56. - P. 199212.

34. Peters N. Laminar flamelet concepts in turbulent combustion //21st Symp. (Inti.) Comb., The Combustion Institute. Pittsburgh, 1987. - P. 1231-1245.

35. Liu Y., Lenze B. The influence of turbulence on the burning velocity of premixed CH4-Ha flames with different laminar burning velocities // 22nd Symp. (Inti.) Comb., The Combustion Institute. Pittsburgh, 1988. - P. 747-751.

36. Pope S.B. Computations of turbulent combustion: Progress and challenges1.123rd Symp. (Inti.) Comb., The Combustion Institute. Pittsburgh, 1991. - P. 591604.

37. Libby P.A., Williams F.A. Turbulent reacting flows // Academic Press. -N.Y., 1994. 176 p.

38. Takeno T. Transition .and structure of jet diffusion flames // 25th Symp. (Inti.) Comb., The Combustion Institute. Pittsburgh, 1995. - P. 1061-1079.

39. Gutheil E., Sirignano W.A. Counterflow spray combustion modeling with detailed transport and detailed chemistry // Combustion and Flame. 1998. - Vol. 113.-P. 92-105.

40. Грум-Гржимайло B.E. Собрание трудов, под ред. акад. И. П. Бардина.- М.: Изд. АН СССР, 1949. 256 с.

41. Зельдович Я.Б. К теории горения неперемешанных газов. ЖТФ, 1949.-Т. 19. -С. 1199-1210.

42. Зельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. М.: Наука, 1984. - 374 с.

43. Burke S.P., Schumann T.E.W. Diffusion flames // Ind. Eng. Chem. 1928. -Vol. 20, № 10.-P. 998-1004.

44. Вулис Л.А., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основы теории газового факела.- Л.: Энергия, 1968. 204 с.

45. Воль К., Капп И., Газлей К. Устойчивость открытых пламен // В кн.: Вопросы горения. М.: Иностранная литература, 1953. - С. 5-30.

46. Хоттел Г., Гауссорн В. Диффузия пламени в ламинарном потоке // В кн.: Вопросы горения. М.: Иностранная литература, 1953. - С. 124-145.

47. Шваб В.А. Связь между температурными и скоростными полями газового факела // В кн.: Исследование процессов горения натурального топлива. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1948. - С. 231-248.

48. Clarke J.F. The diffusion flame as a singular perturbation problem // J. Eng. Math. -1971. Vol. 5, № 3. - P. 179-185.

49. Potter A. E., Heimel S., Butler J. N. Apparent flame strength // 8th Symp. Combust. Baltimore: Williams and Wilkins, 1962. - P. 1027-1034.

50. Anagnostou E., Potter A.E. Flame strength of propane-oxygen flames atlow pressures in turbulent flow // 9th Symp. Combust. N. Y.: Acad. Press, 1963. -P. 1-6.

51. Pandya T.P., Weinberg F.J. The structure of flat, counter flow diffusion flames //Proc. Roy. Soc. L. 1964. - Vol. A279, № 1379. - P. 544-561.

52. Tsuji H., Yamaoka I. The structure of counter-flow diffusion flames in the forward stagnation region of a porous cylinder // h Symp. Combust. Pittsburgh: Combust. Inst., 1969. - P. 174-176.

53. Otsuka Y., Niioka T. The one-dimensional diffusion flame in a two-dimensional counterflow burner// Combustion and Flame. 1973. - Vol. 21, № 2. -P. 163-176.

54. Pandya T.P., Srivastava N.K. Structure of counterflow diffusion flame of ethan // Combust. Sci. Techn. 1975. - Vol. II, № 516. - P. 165-181.

55. Chevaleyce J., Jamin J. Determination de la temperature d'une flamme de diffusion methane-fluor au mogen du spectre de vibration-rotation de la molecule HF // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1973. - Vol. 13, № 4. - P. 377381.

56. Шолфильд Д., Гарсайд Д.В. Структура и устойчивость диффузионных пламен // В кн.: Вопросы горения. М.: Иностранная литература. - 1953. - С. 124-145.

57. Karman Т. Forth Symposium (International) on Combustion // Baltimore. -1953.-P. 924-934.

58. Hawthore V.R. Selected combustion problems, fundamental and aeronautical application. London.: Butterworhs, 1954. - 267 p.

59. Dixon-Lewis. G., Sutton, M.M., Williams A. Experimental investigations of a fuel-rich hydrogen-oxygen-nitrogen flame at atmospheric pressure. Flame structure and flame reaction kinetics // Proc. Roy. Soc. 1970. - № 317. - P. 227236.

60. Dixon-Lewis. G., Isles. G. L., and Wairnsley, R. Structure, properties and mechanism of a rich hydrogen-nitrogen-oxygen flame at low pressure. Flame structure and flame reaction kinetics // Proc. Roy. Soc. 1973. - № 331. - P. 571584.

61. Dixon-Lewis G., Simpson R.I. Sixteenth Symposium (International) on Combustion //The Combustion Institute. Pittsburgh, 1977. - P. 1111-1123.

62. Зимонт В.JI., Мещеряков Е.А. Расчет диффузионного турбулентного горения затопленной и спутной струи с учетом пульсаций концентраций в рамках интегральных методов // Физика горения и взрыва. 1974. - № 2. - С. 20-23.

63. Карелин В.Е. Применение метода эквивалентной задачи теории теплопроводности к расчету неизотермической осесимметричной турбулентной струи в спутном потоке // В кн.: Прикладная теплофизика. -Алма-Ата: Изд-во АН КазССР, 1964. С. 6-17.

64. Прудников А.Г., Волынский М.С., Сагалович В.Н. Процессы смесеобразования и горения в воздушно-реактивных двигателях. -М.:«Машиностроение», 1971. 355 с.

65. Рутовский В.Б. Газодинамический расчет диффузионного факела в спутном потоке // «Изв. вузов. Авиационная техника». 1967. - № 1. - С. 7886.

66. Струминский В.В. О возможности применения динамических методов для описания турбулентных течений // В кн.: Турбулентные течения. -М.: «Наука», 1974.-С. 19-33.

67. Andrews G.E. Turbulence and Turbulent Flame Propagation. Critical Appraisal // Combustion and Flame. 1975. - Vol. 9, № 2. - P. 105-154.

68. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П. А. Власова. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003.-352 с.

69. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 712 с.

70. Taylor G.I. Statistical theory of turbulence // Proc. Roy. Soc. London. -1935.-№151.-P. 421-478.

71. Taylor G.I. Correlation measurements in a turbulent flow through a pipe // Proc. Roy. Soc. London. 1936. - № 157. - P. 537-546.

72. Darnkohler G. Der Einfluss der Turbulenz auf die

73. Flammengeschwindigkeit in Gasgemischen // Z. Elektrochem. 1940. - № 46. - p. 601.

74. Щелкин К.И., Трошин Я.Н. Газодинамика горения. М., Изд-во АН СССР, 1963.-255 с.

75. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: «Наука», 1967. - 491 с.

76. Karlovitz, В. Selected Combustion Problems. London: Butterworths, 1954.-248 p.

77. Spalding D. B. Mixing and chemical reaction in steady confined turbulent flames // Thirteenth Symposium on Combustion. Pittsburgh: The Combustion Institute, 1971.-P. 649.

78. Spalding D.B. Concentration fluctuations in a round turbulent free jet // Chemical Engineering Science. -1971. Vol. 26. - P. 95-107.

79. Щетинков E.C. Физика горения газов. M.: Наука, 1973. - 740 с.

80. Вулис Л.А., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л.: Энергия, 1978. -216 с.

81. Clarke J.F., Moss J.B. The effect of the large hydrogen dissociation activation energy on equilibrium-broadened hydro-igen-oxygen diffusion flame // Proc.Roy.Soc., 1969. Vol. A-313. - P. 433-443.

82. Kee R.J., Miller J.A. A split-operator, finite-difference solution for axisymmetric laminar-jet diffusion flames. AIAA J., 1978. - Vol. 16, № 2. - P. 169-176.

83. Allison R.A., Clarke J.E. Theory of a H2-02 diffusion flame. Profiles from a large Darnkohler number model // Combustion. Science and Technology. 1980. -Vol. 23, №3-4.-P. 113-123.

84. Heskestad G. Turbulent jet diffusion flames: consolidation of flame height data // Combustion and Flame. 1999. - Vol. 118, № 1-2. - P. 51-60.

85. Frankel S.H., Desjardin P.E. Two-dimensional large eddy simulation of soot formation in the near-field of a strongly radiating nonpremixed acetylene-air turbulent jet flame // Combustion and Flame. 1999. - Vol. 119, № 1-2. - P. 121132.

86. Agrawal A.K., Albers B.W. Schlieren analysis of an oscillating gas-jet diffusion flame // Combustion and Flame. 1999. - Vol. 119, № 1-2. - P. 84-94.

87. Finite-rate chemistry in modelling of two-dimensional jet premixed CH4/air flame / Weber Т., Brenner G., Zhou X., F. Durst. // International Journal of Heat and Mass Transfer. -1999. Vol. 42, № 10. - P. 1757-1773.

88. Stroomer P.P.J., Vries J.E., Meer Т.Н. Effects of Small- and Large-Scale Structures in a Piloted Jet Diffusion Flame // Flow / Turbulence and Combustion. -1999. Vol. 62, №1.-P. 53-68.

89. Spalding D.B. Analogue for High-Intensity Steady-Flow Combustion Phenomena // Proceedings of Institution of Mechanical Engineers. 1957. - Vol. 171,№. 10.-P. 383-411.

90. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. М.: Госэнэргоиздат, 1959. -320 с.

91. Spalding D.B. The Art of Partial Modelling // Ninth (International) Symposium on Combustion. Academic Press, New York, 1963. - P. 833-843.

92. Spalding D.B. Mathematische Modelle turbulenter Flammen // Vortrage der VDI-Tagung Karlsruhe Verbrennung und Feuerungen VDI-Berichte. 1970. -№146. -P. 25-30.

93. Spalding D.B. GENMIX A General Computer Program for Two-Dimensional Parabolic Phenomena. HTS Series. - Oxford: Pergamon Press, 1978. -128 p.

94. Сполдинг Д.Б. Горение и массообмен. М.: Машиностроение, 1985. -236 с.

95. Ершин Ш.А. Экспериментальное исследование аэродинамики турбулентного факела при горении однородной смеси газов // В кн.: Прикладная теплофизика. Алма-Ата: Изд-во АН КазСССР, 1964. - С. 92-100.

96. Вулис Л.А., Кашнаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. М.: Наука, 1965,431 с.

97. Ершин Ш.А., Войчак В.Н. Аэродинамика турбулентного диффузионного факела, развивающегося в спутных коаксиальных струях // Вкн. Теория и практика сжигания газа. Д.: «Недра», 1968. - С. 73-87.

98. Derksen M.A.F., Kok J.B.W., van der Meer Th.H. Modeling of turbulent combustion with reaction progress variables and CSP // European Combustion Meeting. Orleans: The French Section of Combustion Institute, 2003. - P. 133.

99. A Study of Partial Premixing in Flames by Direct Numerical Simulation. Luo K.H. // European Combustion Meeting. Orleans: The French Section of Combustion Institute, 2003. - P. 137.

100. Characteristics of H2-air turbulent flames at elevated pressure / Sai-li В., Belaradh N., Leon-Escalante S., Blanchard J.N. // European Combustion Meeting. -Orleans: The French Section of Combustion Institute, 2003. P. 147.

101. Riesmeier F., Peters N. Investigation of Pollutant Formation and Stability Effects in MILD Combustion Using the Fulerian Particle Flamelet Model // European Combustion Meeting. Orleans: The French Section of Combustion Institute, 2003.-P. 162.

102. Dynamic and scalar turbulent fluctuation in a diffusion flame of an-axisymmetric methane jet into air / Hidouri A., Gazzah M.H., Ben Ticha H., Sassi M. // Computational Mechanics. 2003. - № 3-4. - P. 253-261.

103. Phuoc T.X., White C.M., McNeill D.H. Laser spark ignition of a jet diffusion flame // Optics and Lasers in Engineering. 2002. - № 5. - P. 217-232.

104. Thirifay F., Winckelmans G. Development of a Lagrangian method for combustion and application to the planar methane-air jet diffusion flame // Journal of Turbulence, 2002. № 3. - P. 50 - 59.

105. Wang Y., Trome A. Direct numerical simulation of non-premixed combustion IN A turbulent wall boundary layer // 30-ts International Symposium on Combustion. Chicago: The Combustion Institute, 2004. - P. 76.

106. Gordon R. L., Masri A. R., Pope S. B. A numerical study of auto-ignition IN turbulent lifted flames issuing INTO A vitiated coflow // 30-ts International

107. Symposium on Combustion. Chicago: The Combustion Institute, 2004. - P. 82.

108. Holl L., Horch K., Guuther R. Dicstabilitat von freist- rahl-diffusions flammen // Warme-Kraft. 1980. - Vol. 32, № 1. - P. 26-31.

109. Kalghatgy G.T. Blow-out stability of gaseous jet diffusion flame II Combustion Science and Technology. -1981. Vol. 26. - P. 233-244.

110. Kalghatgy G.T. Lift-off heights and visible lengths of vertical turbulent jet diffusion flame in still air // Combustion science and Technology. 1984. - Vol. 41.-P. 17-25.

111. Van Seifritz W. Die Wasserstoffwirtsohaft eine lag-fristige Antwort out das Energieprobbiru // Chimia. 1975. - Vol. 28, № 7. - P. 323-340.

112. Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Исследование диффузионных пламен // Прикладная теплофизика: Сб. науч. тр. Казань: Изд. АН КазСССР. - 1964. -С. 101-139.

113. Зельдович Я.Б., Баренблат Г.И., Либревич В.Б. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. - 380 с.

114. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968. - 592 с.

115. Шевяков Г.Г. Экспериментальное исследование размеров и пределов устойчивого горения турбулентных диффузионных пламен водорода и метана. Дис. канд. техн. наук - М.: МИХМ, 1974. - 168 с.

116. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М.: Изд. МГУ, 1957. - 450 с.

117. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. - 320 с.

118. Алексеева Т.Н., Новиков Л.М. Новые закономерности стабилизации пламени // Физика горения и взрыва. 1979. - Т. 15, № 4. - С. 135-137.

119. Баев В.К. Критериальное описание геометрии пламени гомогенной смеси // Изв. Сибирского отд. АН СССР. Сер. техн. наук. 1969. - Вып. 1, № 3.-С. 145-149.

120. Баев В.К., Третьяков П.К. Характерные времена горения топливно-воздушных смесей // Физика горения и взрыва. 1969. - Т.4, № 3. - С. 367-377.

121. Баев В.К., Ясаков В.А. Исследование устойчивости диффузионногопламени // Изв. Сибирского отд. АН СССР, Сер. техн. наук. 1969. - Вып. 1, . № 3. - С. 38-42.

122. Капитонов Р.В. Исследование горения газа в тоннельной горелке с охлаждаемой камерой сгорания // Газовая промышленность. 1976. - № 9. - С. 31-33.

123. Патнэм А., Джексон Р. Применение безразмерных критериев к явлениям проскока и другим явлениям горения // В кн. Вопросы горения. -М.: Иностранная литература, 1953. С. 72-90.

124. Kremer Н. Kennzahlen zur Beurteilung der Stabilitat von vormischflammen// Inst.Gas warme International. -1971. Vol. 20, № 3. - P. 101105.

125. Kremer H. Prizipielle Kfoglichkeiten der rationellen Gas- verwendung. -GWF-GAS, 1981. Vol. 122, № 3. - P. 127-135.

126. Longwell I.P., Frost E.F., Weis M.A. Flame stability in bluff body recirculation zones // Ind. End. Chem. 1953. - Vol № 8. - P. 1629-1633.

127. Левин A.M. Принципы рационального сжигания газа. Л.: Недра, 1977.-246 с.

128. Gunther R. Turbulence properties and their measurement // Progress in energy and Combustion Science. 1983. - Vol. 9, № 2. - P. 105-154.

129. Day M.F., Stamp O.V., Thompson K., Dixon-Levis G. Thirteenth Symposium (International) on Combustion // The Combustion Institute. -Pittsburgh, 1971.-P. 705-719.

130. Прудников А.Г., Сагалович З.Н. Статистическая модель струи и диффузионного факела //В кн.: Кинематика и аэродинамика горения. М.: Наука, 1969. - С. 7-25.

131. Турбулентное смешение газовых струй / Абрамович Г.П., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П. М.: Наука, 1974. - 272 с.

132. Аннушкин Ю.М. Диффузионное горение газообразных топлив в неограниченном пространстве. М.: Труды ЦИАМ, 1979. - № 857. - 45 с.

133. Абрамович Т.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов.- М. JI.: Госэнергоиздат, 1948. - 288 с.

134. Janichka J., Peters N. Prediction of turbulent jet diffusion flame lift-off using PDF transport equation // Nineteenth Symposium (International) on Combustion. Pittsburgh, 1982. - P. 367-374.

135. Peters N. Local quenching due to flame stretch and non- premixed turbulent combustion // Combustion science and Technology. 1983. - Vol. 30, № l.-P. 1-17.

136. Peters N., Williams F.A. Lift-off characteristics of turbulent jet diffusion flame // AIAA Journal. 1983. - Vol. 21, № 3. - P. 423-429.

137. Chakravarty A., Lockwood F.C., Sinicropi G. The prediction of burner stability limits // Combustion Science and Technology. 1984. - Vol. 42, № 3. - P.• 67-86.

138. Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Исследование диффузионных пламен // Прикладная теплофизика: Сб. науч. тр.- Изд. АН Каз. СССР, 1964. С. 101139.

139. Gunther R. Turbulence properties and their measurement // Progress in energy and Combustion Science. 1983. - Vol. 9, № 2. - P. 105-154.

140. Zakkay V., Krause E. Woo S.D.L. Turbulent transport properties for axissymmetric heterogeneous mixing // AIAA. 1964. - Vol. 2, № 11. - P. 19391947.

141. Гаусорн В., Уиделл Д., Хоттел Г. Смешение и горение в турбулентных газовых струях //В кн.: Вопросы горения. М.: Иностранная литература, 1953. С. 147-193.

142. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов. М.: Изд. АН СССР, 1944. - 71 с.

143. Замятина Н.А., Прудников А.Г., Сагалович Г.А. О диффузионных параметрах турбулентной струи // Изв. ВУЗов. Серия: Авиационная техника. -1966.-№ 2.-С. 59-68.

144. Китаев Б.И. Расчет длины горящего факела // Труды научно-технической конференции по промышленным печам. М.: 1959. - С. 45-57.

145. Аверин С.И., Семикин И.Д. Влияние различных факторов на длинутурбулентного газового факела // Изв. ВУЗов. Сер. Черная металлургия. -1965.-№10.-С. 39-52.

146. Шорин С.Н., Ермолаев О.Н. Характеристика горения и радиации турбулентного газового факела //Теплоэнергетика. 1959. - № 2. - С. 57-62.

147. Steward F. R. of the height of turbulent diffusion flames // Combustion Science and Technology. -1970. Vol. 2, № 2. - P. 203-212.

148. Sunavala P.O. Dynamics of the buoyant diffusion flame // Journal of the Institute of Fuel. 1967. -№ 11. - P. 31-39.

149. Баев B.K. Критериальное описание геометрии пламени гомогенной смеси // Изв. Сибирского отд. АН СССР. Сер. техн. наук. 1969. - Вып. 1, № 3. - С. 145-149.

150. Баев В.К., Ясаков В.А. 0 характере влияния подъемных сил на длину диффузионных пламен // Физика горения и взрыва. 1974. - Т. 10, № 6. - С. 835-843.

151. Комов В.Ф., Шевяков Г.Г. Определение безопасных расстояний при выбросе в атмосферу газообразного водорода // Проблемы горения и тушения: Сб. научн. тр. М.: ВНИИПО, 1973. - С. 180-191.

152. Волков Э.П. Исследование подъема факела над устьем газоотводящих труб // Инженерно-физический журнал. 1979. - Т. 36, № 4. -С. 700-707.

153. Волков Э.П., Грибков A.M. Натурные исследования траектории подъема дымового факела от труб тепловых электростанций // Энергетика. -1977.-№11.-С. 53-60.

154. Кинк А., Иванов Ю.В. Глубина проникновения и границы круглого турбулентного диффузионного фазового факела в поперечном потоке // Изв. АН ЭССР. Серия: физика математика, 1967. - Т. 16, № 1. - С. 94-99.

155. Кинк А., Иванов Ю.В. Форма оси турбулентного диффузионного газового факела в поперечном потоке // Там же. С. 196-200.

156. Исследование влияния скорости ветра на длину водородного пламени: Отчет о НИР / ВНИИПО; Руководитель В.И.Макеев. -С.6.1.Н007.88; Инв. № 549. М., 1989. - 42 с.

157. Kalghatgi G. The visible shape and size of a turbulent hydrocarbon jet diffusion flame in a cross-wind // Combustion and Flame. 1983. - № 52. - P.91-106.

158. Wu Y., AI-Rahbi I.S., Kalghatgi G.T. Effect of carbon dioxide and propane on the stability of turbulent hydrogen flames // European Combustion Meeting. Orleans: The French Section of Combustion Institute, 2003. - P. 159.

159. Chamberlain G. Developments in design methods for predicting thermal radiation from flares // Chem. Eng. Res. Des. 1987. - № 65. - P. 299-309.

160. Becker H., Liang D. Visible Length of Vertical Free Turbulent Diffusion Flames // Combustion and Flame. 1978. - № 32. - P. 115-137.

161. Brzustowski T. Turbulent Combustion (Prog. Astro, and Airo) // AIAA. -1978.-№58.-P. 407-416.

162. Donnerhack S., Peters N. Stabilisation heights in lifted methane-air jet diffusion flame diluted with Nitrogen // Combustion Science and Technology. -1984.-Vol.41,№1-2.-P. 101-108.

163. Иванов Ю.В. Экспериментальное исследование струй, развивающихся в потоке //В кн.: Теория и расчет вентиляционных струй. -М.: Строй-издат, 1965. С. 216-223.

164. Патрашев А.Н. Гидромеханика. М.: Военно-морское издательство, 1953.-720 с.

165. Ярин Л.П. Некоторые вопросы аэродинамики газового факела // Физика горения и взрыва. 1969. - № 2. - С. 155 - 162.

166. Иванов Ю.В. Эффективное сжигание надслойных горючих газов в топке. Таллин: Эстгиз, 1959. - 173 с.

167. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоиздат, 1985. - 247 с.

168. Стабилизация и тушение турбулентного диффузионного факела / В.Л., Голиневич Г.Е., Федотов А.П., Болодьян И.А. // Средства и способы пожаротушения: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1988. - С. 98-105.

169. Экспериментальное изучение условий срыва висящих факелов водорода и метана / Карпов В.Л., Голиневич Г.Е., Федотов А.П. и др. // Пожаровзрывоопасность сжиженных и газообразных горючих: Сб. тр. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1990. - С. 27-34.

170. Карпов В.Л., Голиневич Г.Е., Федотов А.П. Естественная стабилизация и срыв оторванного турбулентного диффузионного газового факела // Физика горения и взрыва. -1991. Т. 27, № 5. - С. 76 - 81. .

171. Теплофизические свойства веществ: Справочник / Под. Ред. Варгафтика Н.Б.- Л.: ГЭИ, 1956.- 367 с.

172. Рид Р., Праусниц Д., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982. - 591 с.

173. Сомов В.П. Исследование возможности самопроизвольного тушения факела метана // Пожарная защита судов: Сб. научн. тр. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1975.-С. 95-101.

174. Peters N., Williams F.A. Lift-off characteristics of turbulent jet diffusion flame // AIAA Journal. 1983. - Vol. 21, № 3. - P. 423-429.

175. Tomson J.D., Enloe J.D. Flammability limits of hydrogen-oxygen-nitrogen mixture at low pressure // Combustion and Flame. 1966. - Vol. 10, № 3-4.-P. 393-394.

176. Предельное давление распространения пламени водородно-кислородных смесей / Голиневич Г.Е., Левин Ю.В., Макеев В.И., Баратов А.Н. // Пожарная профилактика: Сб. начн. Тр. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1982.- С. 160-165.

177. Каршенский Б.В., Ксандопуло Г.И., Потехин Г.С. Взрывной сосуд для изучения пределов воспламенения газовых смесей. // Проблемы горения и тушения пожаров: Материалы III всесоюзной науч.-техн. конф. М.: ВНИИПО, 1973.-С. 143-149.

178. The effect of low pressure on configuration of an oxygen/ hydrogen diffusion flame / Makeev V.I., Karpov V.L., Ponomarev A. A. // Proceedings of the Russian Japanese seminar on combustion. - Chernogolovka, 1993. - P. 87-88.

179. Карпов В.Л., Макеев В.И. Предельные условия устойчивого горения и тушения факелов природного газа // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ: Материалы XII

180. Всероссийской науч.-пракг. конф. М.: ВНИИПО МВД России, 1993. - С. 248.

181. Параметры пожаровзрывоопасности струйных выбросов горючих газов / Карпов B.JL, Строгонов В.В., Макеев В.И., Некрасов В.П. // Пожаровзрывобезопасность. 1997. - № 1. - С. 40-46.

182. Карпов В .Л. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 2. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в подвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. 1998. - № 4. - С. 40-47.

183. Геометрические параметры диффузионного факела в поперечном потоке воздуха / Карпов В.Л., Голиневич Г.Е., Болодьян И.А., Макеев В.И. // Пожаровзрывоопасность сжиженных и газообразных горючих: Сб. тр. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1990. - С. 66-69.

184. Щербина Ю.А. О влиянии начальной турбулентности на границы и дальнобойность затопленной струи // Труды МФТИ.- Оборонгиз, 1971. Вып. 7.-С. 19-27.

185. Гиневский А. С., Почкина К. А., Влияние начальной турбулентности на характеристики осесимметричной затопленной струи // Инж.-физ. Журнал. 1967. - Т12, № 1. - С. 47 -56.

186. Вулис Л. А., Михасенко Ю. И., Хитриков В.А. Об эффективном управлении распространением свободной турбулентной струи // Изв. АН СССР, МЖГ. 1966. - № 6. - С. 12-21.

187. Пожаровзрывоопасность рассеянных факелов / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев А.А. и др. // Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология: Сб. науч. тр. М.: ВНИИГАЗ, 1996. - С. 131-137.

188. Пожаровзрывоопасность горизонтальных и настильных струйных выбросов горючих газов / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев А.А. и др. // Морские и арктические нефтегазовые месторождения и экология: Сб. науч. тр. М.: ВНИИГАЗ, 1996. - С. 138-151.

189. Горение аварийных выбросов природного газа / Макеев В.И., Болодьян И.А., Карпов В.Л. и др. // Химическая физика процессов горения и взрыва: Материалы XI Всероссийского симпозиума по горению и взрыву.

190. Черноголовка, РАН, 1996. Т. 2. - С. 138-140.

191. Параметры пожаровзрывоопасности струйных выбросов горючих газов / Карпов B.JL, Строгонов В.В., Макеев В.И., Некрасов В.П. // Пожаровзрывобезопасность. 1997. - № 1. - С. 40-46.

192. Карпов В.Л., Пономарев А.А. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 4. Пожаровзрывоопасность аварийных выбросов природного газа. Пожаровзрывобезопасность. - 1999. -№6.-С. 25-33.

193. Исследование горения и способов тушения газовых фонтанов: Отчет о НИР / ВНИИПО. Инв. № 1175. - М., 1983. - 68 с.

194. Crocker W.P., Napier D.H. Assesment of mathematical models for fire and explosion hazards of liquified petroleum gases // J. of Hazar-dous materials. -1988.-Vol. 20. -P.109-135.

195. Mudan K.S. Thermal radiation hazards from hydrocarbon pool fires // Prog. Energy Combust. Sci. 1984. - Vol. 10. - P.59-80.

196. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989. - 671 с.

197. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением. -М., Энергоатомиздат, 1991. 432 с.

198. Карпов В.Л. Пожарная опасность выбросов горючих газов из технологического оборудования // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч.-практ. конф. М.: ВНИИПО МЧС России, 2003.- С. 129-130.

199. Lannoy A. Estimation des consequences d'un rejet accidentel dans 1'atmosphere d'un produit toxique on inflammable //R.G.S.- 1989.- № 81.- P. 54-66.

200. Горев В.А., Мирошников C.H., Трошин Я.К. Взрывные волны газовых взрывов // Материалы 6 Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Секция: Детонация.- Алма-Ата, 1980.- С.110-113.

201. Горев В.А., Федотов В.Н. Экспериментальное изучение влияния загроможденности пространства на скорость горения газов// Физика горения и взрыва.- 1986,- №6,- С. 79-83.

202. Горение и переход к детонации газовых смесей в пространстве с частичным загромождением / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев А.А., Строгонов В.В. //Пожаровзрывобезопасность. 1993. - Т. 2, № 2. - С. 3-6.

203. Пожаровзрывоопасность жидких водорода и метана. Крупномасштабные эксперименты / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев

204. A.А. и др. // Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита: Материалы I Международного семинара. М.: ВНИИПО МВД России, 1995. - С. 130.

205. Воспламенение зарядами ВВ неоднородного низко температурного облака, образованного при проливе жидкого водорода / Макеев В.И., Карпов

206. B.Л., Пономарев А.А. и др. // Химическая физика процессов горения и взрыва: Материалы XI Всероссийского симпозиума по горению и взрыву. -Черноголовка, РАН, 1996. Т. 2. - С. 163-164.

207. Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Расчет 'поражающих факторов при авариях на изотермическом резервуаре / Карпов В.Л., Болодьян И.А., Молчанов В.П. и др. // Пожарная безопасность. 2001. - № 1. - С. 59-66.

208. Пожаровзрывоопасность автозаправочных газоналивных станций г. Москвы, пути ее уменьшения / Макеев В.И., Карпов В.Л., Пономарев А.А. и др. // Безопасность больших городов: Материалы науч.-практ. конф. М.: ВНИИГОЧС, 1997.-с. 155.

209. Карпов В.Л. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 1. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в неподвижной атмосфере //

210. Пожаровзрывобезопасность. 1998. - № 3. - С. 36-43.

211. Карпов B.JI. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 2. Предельные условия устойчивого горения и тушения диффузионных факелов в подвижной атмосфере // Пожаровзрывобезопасность. 1998. - № 4. - С. 40-47.

212. Методические рекомендации по порядку осуществления замены озоноразрушающих огнетушащих веществ в установках пожаротушения особо важных объектов. М.: ВНИИПО МВД России, 1998. - 36 с.

213. Карпов B.JI. Пожаробезопасность регламентных и аварийных выбросов горючих газов. Часть 3. Размеры и конфигурация диффузионных турбулентных факелов. Пожаровзрывобезопасность. - 1999. - № 5. - С. 3844.

214. Принципы разработки компенсирующих противопожарных мероприятий при вынужденных отступлениях от действующих норм / Карпов

215. B.Л., Свыдына Ю.В., Некрасов В.П. и др. // Крупные пожары: предупреждение и тушение: Материалы XVI науч.-практ. конф. 4.1. - М.: ВНИИПО МВД России, 2001. - С. 246-248.

216. Карпов В.Л., Сенчишак Т.И., Пономарев А.А. Использование водяных завес для борьбы с парогазовоздушными облаками токсичных веществ // Пожары и окружающая среда: Материалы XVII международной науч.-практ. конф. М.: ВНИИПО МЧС России, 2002. - С. 152-153.

217. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВОГ1. УТВЕРЖДАЮ

218. Заместитель главного конструктора1. Малышев В.В.

219. Федеральное государственное унитарное предприятие

220. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР имени М.В. ХРУНИЧЕВА"

221. КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО "САЛЮТ"121087, Москва, Новозаводская, 18.1. Телефон1. ТелефаксиУТВЕРЖДАЮ1. На №

222. Заместитель Генерального конструктора ФГУП р03Щ^МЗ.Хруничева1. В.П. Молочев1.f 2004г.•S ; . , з1. АКТ

223. О внедрении результатов диссертации ВЛ. Карпова «Пожарная опасность аварийных выбросов горючих газов»

224. Открытое акционерное общество "ГАЗПРОМ"

225. Общество с ограниченной ответственностью1. ТАЗОБЕЗОПАСЬЮСТЬ"ул. Наметкина, я 16, Москва, В420, ГСП-7,117997 телефон 719-25-54, факс 719-3345 E-mail: g.rybanova@gazbez.gazprom.ru

226. Зачальник производственного отдела ю противопожарной безопасности I новой теники1. Н.Н.Клепоносов

227. Директор Инстшута проблем механики РАН академик РАН Ф.Л; Черноусько1. УТВЕРЖДАЮ"1. АКТо внедрении результатов докторской диссертационной работы В.Л. Карпова на тему «Пожарная опасность аварийных выбросов горючих газов»

228. Заведующий лабораторией д.ф.-м.н., проф.1. С.Т. Суржиков)

229. Старший научный сотрудник, д.ф.-м.н.1. С.Е. Якуш)

230. УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор и главный конструктор1. АКТо внедрении результатов диссертации В. JI. Карпова «Пожарная опасность аварийных выбросов горючих газов»

231. Начальник отдела, д. т. н., профессор Ведущий научный сотрудник, к. т. н.о ? d у Страхов В. JI.1. Слитков М. Н.

232. УТВЕРЖДАЮ Начальник центра пожарной безопасности1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы на соискание ученой степени доктора технических наук В.Л. Карпова "Пожарная опасность аварийных выбросов горючих газов"

233. Начальник отдела ЦПБ и АСР1. ООО "ЮКОС-Москва"