SCI-SPACE || социальная сеть для проведения мероприятий

Горение предельных углеводородов в замкнутом объёме газокомпрессорных станций

Combustion limit hydrocarbons in a closed volume of gas compressor stations

Аннотация: Проведён анализ веществ, участвующих в пожарах на газокомпрессорных станциях. Описаны процессы горения предельных углеводородов в свете теории разветвленно-цепных процессов горения. Предложены наиболее эффективные средства пожаротушения данных веществ.

Ключевые слова: газокомпрессорные станцииобъемное тушениепредельные углеводородызамкнутые пространстватемпературно-активированная вода (ТАВ)

Автор:Халиков Ринат Валерьевич |

Введение

Национальная безопасность Российской Федерации неразрывно связана с устойчивым развитием нефтегазового комплекса. Среди объектов нефтегазового комплекса особое место занимают газокомпрессорные станции, это связано с тем, что данные объекты напрямую связаны с не только объектами промышленности, но и с объектами социальной инфраструктуры [1, 2]. Так, например, при пожаре на курской газокомпрессорной станции в 2018 году в период начала отопительного сезона город Железногорск с населением более 80 тыс. чел. остался без газо-теплоснабжения, более 5 промышленных объектов города перестали функционировать. Согласно проведенному анализу статистических данных [1] в период с 2014 по 2019 гг. более 70 % пожаров газокомпрессорных станций происходило в замкнутых объемах, а эффективность их тушения не превышала 57 %. Для понимания электрохимической структуры пламени проанализировать вещества, участвующие в пожарах в замкнутых объемах газокомпрессорных станций. В объеме помещений газокомпрессорных станций обращается комплекс различных горючих веществ и материалов, однако наибольшую опасность представляю предельные углеводороды (рис.1).

Рисунок 1 – Диаграмма вида горючего материала в замкнутых объёмах газокомпрессорных станций (%)

Вывод: Анализ рисунка 2 показал, что целесообразно рассмотреть электрохимическую природу горения предельных углеводородов.

Модели, описывающие горение предельных углеводородов

Последовательная совокупность физико-химических процессов горения может быть описана вероятностная моделью горения в замкнутых объемах, которая представляет собой формализованное представление горение веществ в газовой фазе, основанное на представлении горения в виде разветвленно-цепного процесса (далее – РЦП) [3] и теплотехнической модели горения в замкнутом пространстве [4].

Теплотехническая модель позволяет установить, количественные параметры пожара в конкретный промежуток времени используя уравнение 1:

$d (ρ, V) = G_{в} X_{1 в} d t + G_{в} X_{2 в} d t - G_{г} X_{1} n_{1} d t - G_{г} X_{2} n_{2} d t - L_{1} ψ η d t + L_{2} ψ η d t$

(1)

где $G_{в} X_{1 в} d t$ – количество кислорода в воздухе, поступающее в замкнутый объем со свежим воздухом; $G_{в} X_{2 в} d t$ – количество продуктов горения, поступающее в замкнутый объем со свежим воздухом; $G_{г} X_{1} n_{1} d t$ – количество кислорода, выходящее наружу с газами; $G_{г} X_{2} n_{2} d t$ – количество продуктов горения в выходящих наружу с газах; $L_{1} ψ η d t$ – количество кислорода, поступающее в зону горения; $L_{2} ψ η d t$ – продукты горения, образующиеся при горении.

С другой стороны, горение предельных углеводородов в замкнутом объеме газокомпрессорных станций может быть описано с точки зрения РЦП горения [3]. Схематично разветвлённо-цепная реакция горения предельных углеводородов в замкнутом объеме может быть описана протеканием следующих стадий:

	$A + B \to x + y$	(1)
	$y + B \to x + z$	(2)
	$x + A \to P + y$	(3)
	$z + A \to x + y$	(4)
	$x + A \to P + y$	(5)

где А и В – горючая нагрузка и окислитель; x, y, z – монорадикалы и бирадикал соответственно Таким образом, в замкнутом объеме при горении сначала (1) происходит образование атомов и радикалов, носителей цепей (далее – НЦ) далее они вступают в быстрые реакции (2-5), таким образом происходит образование лавинообразной цепной реакция горения. Кроме процессов генерации носителей цепей происходят и процессы их гибели, однако их молярная скорость много раз меньше, поэтому для торможения данных процессов вводятся химически активные вещества – ингибиторы. Механизм их действия основан на захвате НЦ и снижении их концентрации до критической, при которой скорость обрезания НЦ будет меньше скорости их захвата, реакционные способности ингибиторов различны, однако условная скорость ингибирования процесса горения в замкнутом объеме может быть записана уравнением 6:

$W = \frac{n (x, y, z) / i] \times [(v_{р а з} - v_{с в я з}) - v_{о б р}]}{4 \times h} \times К_{1} \times К_{2}$

(6)

где $n x, y, z, i]$ – отношение концентраций монорадикалов, бирадикала и ингибитора соответственно; $v_{р а з}$ – скорость разветвления НЦ, моль/с; $v_{с в я з}$ – скорость связывания частиц ингибитора и НЦ, моль/с; скорость обрыва цепей НЦ, моль/с; h – высота пламенного, в котором происходит горение, м; К₁ – безразмерный коэффициент учитывающий скорость гибели НЦ в данной среде помещения; К₂ – безразмерный коэффициент, учитывающий степень негерметичности помещения.

Анализ формулы 6 показывает, что условная скорость ингибирования обратно пропорциональна геометрической высоте помещения и прямо пропорциональна скоростным характеристикам НЦ и частиц ингибитора, это показывает, что для достижения максимальной эффективности применения ингибиторов необходимо доставлять активные частицы в зону пламенного горения, преодолев турбулентные потоки образующихся продуктов горения.

Таким образом, используя данные модели в совокупности позволяет описать процессы, происходящие при горении предельных углеводородов, а также при химическом торможении. Более того используя данные модели можно предложить огнетушащее вещество, обладающее эффективным подавлением горения как с точки зрения теплотехникой модели так и химической.

Высокодисперсная водяная система с ингибирующими свойствами

Согласно сделанным выводам можно предположить возможность использование температурно-активированной воды с растворенным в ней ингибитором для тушения пожаров предельных углеводородов в замкнутых пространствах газокомпрессорных станций. Температурно-активированная вода представляет собой двухфазную систему, состоящую из паровой и капельной фаз [5] размеры капель воды от 0,01 до 10 мкм эффективное охлаждение зоны горения, а ингибирующие вещества повышают эффективность торможения химической реакции горения паровой фазы. Разрыв связей предельных углеводородов происходит по дифференциальному принципу позволяет сместить энергетическую группу на 2-ой порядок ниже. Это позволит уменьшить интенсивность тепловых потоков [4, 5].

Рассмотрим изменение тепловых потоков в случае применения предложенной технологии. Максимально возможный защищаемый объем температурно-активированной средой при подаче 1-ой установкой подачи составляет 5000 м³. Согласно технической документации типовых газокомпрессорных станций объем помещений компрессорных не превышает указанный выше максимально возможный защищаемый объем помещения. При полном заполнении помещения компрессорной температурно-активированной водой с растворенным ингибитором происходит снижение активности энергетической группы до 2-го порядка, что вызовет снижение в 1,5 раза снижение плотности теплового потока от продуктов горения предельных углеводородов.

Таким образом применения совокупных моделей горения предельных углеводородов в замкнутом объеме газокомпрессорных станций позволяет предположить, что использование технологии температурно-активированной воды и растворенного ингибитора для объемного тушения позволит снизить интенсивность тепловых потоков более чем 1,5 раза, однако для доказательства данного утверждения необходимо провести экспериментальное исследования.

Исследование проводится при поддержке Фонда содействия инновациям по договору №15204ГУ/2020 от 05.06.2020

Литература

Пожары и пожарная безопасность в 2018 году: Статистический сборник. Под общей редакцией Д.М. Гордиенко. - М.: ВНИИПО, 2019, - 125 с.: ил. 42.
В.В. Роенко, Р.В. Халиков Пожаровзрывобезопасность замкнутых пространств объектов газокомпрессорных станций. [Электронный ресурс] // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2020. № 1. С. 30-35. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=42722653 (дата обращения 13.07.2020).
В.В. Азатян, И.А Болодьян., В.Ю. Навценья, Ю.Н Шебеко., А.Ю. Шебеко Роль реакционых цепей в критических условиях распространения пламени в разах [Электронный ресурс] // Горение и взрыв. 2012. № 5 Т.5 С. 53-60. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=21796931 (дата обращения 01.01.2020)
Кошмаров, Юрий Антонович. Теплотехника: учебник для высших образовательных учреждений МЧС России / Ю. А. Кошмаров; М-во Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, Акад. Гос. противопожарной службы. - Москва: Академкнига, 2006. - 501 с.
В.В. Роенко, А.В. Пряничников, Е.Б. Бондарев Применение температурно-активированной воды для тушения пожаров турбинных масел на объектах теплоэнергетики. [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2015. №4 (62). С. 84-93. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=25846407 (дата обращения 01.07.2020)

Горение предельных углеводородов в замкнутом объёме газокомпрессорных станций Combustion limit hydrocarbons in a closed volume of gas compressor stations

Горение предельных углеводородов в замкнутом объёме газокомпрессорных станций

Combustion limit hydrocarbons in a closed volume of gas compressor stations