Раздел 1. Введение, в котором мы закладываем фундамент всей работы
Введение — это не просто формальная глава для объема, а стратегический раздел, который должен мгновенно убедить научного руководителя и комиссию в значимости и глубине вашего исследования. Именно здесь вы закладываете фундамент, на котором будет строиться вся курсовая работа. Качественно написанное введение демонстрирует, что вы не просто выполняете учебное задание, а проводите осмысленную научную работу.
Классическая и наиболее выигрышная структура введения включает три обязательных элемента:
- Актуальность темы. Здесь необходимо доказать, почему ваша тема важна именно сейчас. Используйте факты: данные о росте добычи углеводородов, статистику аварийности, информацию об экономических затратах на ликвидацию последствий и, что немаловажно, об экологическом ущербе.
- Цель работы. Формулируется как глобальная задача вашего исследования. Для курсовой работы идеальной целью будет систематизация теоретических знаний и их практическое применение для решения конкретной инженерной задачи.
- Задачи работы. Это конкретные, измеримые шаги, которые вы предпримете для достижения цели. По сути, это ваш план действий, который часто совпадает с перечнем предстоящих расчетов.
В качестве эталона рассмотрим пример грамотно составленного введения:
«Ежегодно наращиваемый объем добычи нефти и газа в нашей стране повышает вероятность аварийных ситуаций, способных сопровождаться крупными пожарами… Нефтяные и газовые месторождения часто находятся в труднодоступных районах, поэтому борьба с пожарами на этих объектах требует мобилизации огромных материально-технических ресурсов и может длиться неделями, а затраты на тушение зачастую составляют миллионы рублей… Пожары на открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах относятся к наиболее сложным видам промышленных аварий. Следовательно, тема данного курсового проекта весьма актуальна.»
«Цель курсовой работы — подробное рассмотрение и систематизация теоретических знаний по курсу «Физико-химические основы развития и тушения пожаров», а также их практическое применение при расчете параметров пожаров газовых фонтанов и расхода огнетушащих веществ.»
«В рамках данной курсовой работы выполняются следующие задачи:
1. расчет дебита газового фонтана;
2. расчет действительной температуры горения;
3. построение графической зависимости…;
4. расчет безопасных расстояний…;
5. расчет расхода воды, необходимой для тушения…»
Как видите, автор последовательно доказывает актуальность через экономические и логистические сложности, четко формулирует цель и представляет задачи в виде конкретного списка расчетов, который станет дорожной картой для практической части работы.
Раздел 2. Теоретическая часть, где мы собираем знания о тушении фонтанов
Теоретическая глава, или обзор литературы, — это не случайный набор фактов, а ваш шанс продемонстрировать эрудицию и глубокое понимание предметной области. Правильно структурированный раздел показывает, что вы владеете всей полнотой информации о методах и средствах борьбы с пожарами фонтанов. Это основа, на которой будут базироваться все ваши дальнейшие расчеты.
Рекомендуется строить эту главу по следующей логической структуре:
- Физика и химия горения фонтанов. Начните с краткого описания самого процесса. Укажите, что горение газового или нефтяного фонтана характеризуется огромным тепловым потоком, который может достигать 1 МВт/м² и более, что и определяет основную сложность тушения.
- Классификация методов тушения. Систематизируйте существующие подходы. Их можно разделить на три основные группы:
- Охлаждение зоны горения и, что более важно, устьевого оборудования.
- Изоляция горючего от окислителя, чаще всего реализуемая через сбивание пламени.
- Инертизация (разбавление) горючей среды негорючими составами.
- Анализ огнетушащих веществ (ОТВ). Детально опишите, какие вещества для каких целей применяются.
- Вода: основной инструмент для охлаждения раскаленных металлоконструкций, фонтанной арматуры и предотвращения их разрушения. Подается в виде мощных распыленных струй.
- Сухие огнетушащие порошки (типа ABC, BC): главное средство для сбивания пламени. Частицы порошка ингибируют цепные реакции горения в пламени.
- Инертные газы (азот, CO2): используются для инертизации и вытеснения кислорода, но их применение эффективно в основном в замкнутых или полузамкнутых объемах.
- Пены: незаменимы при тушении пожаров, связанных с разливами жидких углеводородов, так как создают на поверхности пленку, изолирующую горючее от пламени.
- Технические средства и оборудование. Упомяните ключевое оборудование: противовыбросовые превенторы (BOPs), которые служат для герметизации устья скважины, и специализированную пожарную технику для подачи ОТВ.
- Ключевые кейсы и нормативы. Краткая отсылка к реальным авариям, например, к разливу на платформе Deepwater Horizon в 2010 году, наглядно демонстрирует масштаб и сложность подобных операций. Это подчеркивает важность строгого следования протоколам безопасности.
Такой структурированный подход превратит теоретическую главу из формальности в полноценный аналитический раздел, доказывающий вашу компетентность.
Раздел 3. Практический расчет №1. Как определить дебит скважины
Первый и самый главный шаг в практической части любой курсовой работы по этой теме — расчет дебита скважины. Дебит (Q) — это объемный расход газа или нефти, выходящий из устья скважины в единицу времени (обычно измеряется в млн м³/сутки). Почему этот параметр так важен? Потому что именно от него, как от печки, зависят все последующие вычисления: и тепловая мощность пожара, и его температура, и объемы огнетушащих веществ. Без знания дебита невозможно адекватно оценить масштаб аварии.
Методология расчета
Расчет дебита — сложная газодинамическая задача. В реальной практике его можно определить по нескольким методикам. Например, существуют эмпирические формулы, связывающие дебит с высотой пламени. Одна из упрощенных зависимостей выглядит так:
Vд ≈ 0,0025 * Hф²
Где:
- Vд — дебит газового фонтана, млн м³/сутки.
- Hф — видимая высота факела пламени, м.
Более точные методики учитывают множество других параметров, таких как давление на устье скважины, ее диаметр, плотность и состав газа, пластовое давление.
Пример расчета
Проведем условный расчет, чтобы понять логику.
Исходные данные:
- Тип фонтана: газовый.
- Визуально оцененная высота факела (Hф): 25 м.
Ход расчета:
Подставляем наши исходные данные в упрощенную формулу:
Vд = 0,0025 * 25² = 0,0025 * 625 = 1,5625 млн м³/сутки
Анализ результата
Полученное значение дебита в 1,56 млн м³/сутки характеризует достаточно мощный газовый фонтан. Такая цифра говорит о том, что для борьбы с пожаром потребуются серьезные ресурсы, мощная техника и большой расход огнетушащих веществ. Этот результат становится отправной точкой для всех дальнейших инженерных вычислений.
Раздел 4. Практический расчет №2. Вычисляем реальную температуру горения
После того как мы определили, сколько газа горит (дебит), следующий логический шаг — выяснить, насколько горячо он горит. Расчет действительной (реальной) температуры горения — это ключевая задача, имеющая огромное практическое значение. Именно от температуры зависит скорость прогрева и разрушения металлического устьевого оборудования, а также интенсивность теплового излучения, которое воздействует на персонал и технику.
Методология расчета
Температура горения — это не постоянная величина. Она зависит от нескольких ключевых факторов:
- Состав горючего газа: Разные углеводороды (метан, этан, пропан и т.д.) выделяют при сгорании разное количество тепла.
- Теплота сгорания: Это то количество энергии, которое выделяется при полном сгорании 1 м³ газа.
- Условия горения: В частности, коэффициент избытка воздуха и наличие химического недожога.
Расчет действительной температуры горения — это сложный термодинамический расчет, основанный на уравнении теплового баланса. В общем виде он учитывает теплоту сгорания газа, теплоемкость продуктов горения и потери тепла.
Пример расчета
Продемонстрируем логику на условном примере, не углубляясь в сложные формулы. Расчет выполняется методом последовательных приближений, так как теплоемкость продуктов сгорания сама зависит от искомой температуры.
Исходные данные:
- Состав газа: метан (CH₄) — 85%, этан (C₂H₆) — 10%, примеси — 5%.
- Рассчитанный ранее дебит.
- Теплота сгорания для данного состава (рассчитывается отдельно): Qн = 34 МДж/м³.
Ход расчета (описательно):
- Определяется объем и состав продуктов полного сгорания (CO₂, H₂O, N₂).
- Задаемся предполагаемой температурой горения (например, 1700 К).
- Для этой температуры находим по справочникам среднюю теплоемкость продуктов сгорания.
- Подставляем все значения в уравнение теплового баланса и вычисляем температуру.
- Если полученная температура сильно отличается от предполагаемой, расчет повторяют с новым, уточненным значением, пока расхождение не станет минимальным.
Анализ результата
Допустим, в результате расчетов мы получили действительную температуру горения 1500 К (около 1227 °C). Что это значит на практике? Такая высокая температура приводит к быстрому нагреву и потере прочности стальных конструкций фонтанной арматуры. Это обосновывает абсолютную необходимость их непрерывного и интенсивного охлаждения водой на протяжении всей операции тушения, чтобы предотвратить их расплавление и полную разгерметизацию скважины.
Раздел 5. Практический расчет №3. Строим график зависимости теплового потока от расстояния
Рассчитав температуру в самом сердце пламени, мы переходим к анализу его главного поражающего фактора — теплового излучения. Люди и техника страдают не от прямого контакта с огнем, а от мощного потока лучистой энергии. Поэтому задача этого раздела — рассчитать, как меняется интенсивность теплового потока (облученность) по мере удаления от горящего фонтана, и визуализировать эту зависимость.
Методология
Основной параметр, который мы рассчитываем, — это удельная интенсивность лучистого теплового потока (E), измеряемая в киловаттах на квадратный метр (кВт/м²). Эта величина показывает, сколько тепловой энергии падает на единицу площади поверхности в секунду. Интенсивность теплового потока зависит от мощности самого источника (которая, в свою очередь, связана с дебитом и температурой горения) и, что самое главное, обратно пропорциональна квадрату расстояния до него.
Расчет производится по формулам, учитывающим геометрию факела и расстояние до точки, в которой мы хотим измерить облученность.
Построение графика E = f(L)
Чтобы наглядно представить опасность, строится график зависимости интенсивности (E) от расстояния (L). Для этого нужно выполнить серию расчетов:
- Выбираем ряд характерных расстояний от устья скважины, например: 10 м, 20 м, 30 м, 50 м, 80 м, 100 м, 150 м.
- Для каждого из этих расстояний по соответствующей методике рассчитываем значение интенсивности теплового потока E.
- Полученные пары значений (L, E) наносим на координатную плоскость, где по оси абсцисс (X) откладывается расстояние L в метрах, а по оси ординат (Y) — интенсивность E в кВт/м².
- Соединив точки плавной линией, мы получаем искомый график E = f(L).
Пример таблицы с расчетными точками:
Расстояние (L), м Интенсивность (E), кВт/м² 10 105 30 35 50 15 80 5.8 100 3.7
Анализ графика
Полученный график наглядно демонстрирует, насколько резко падает интенсивность излучения с увеличением дистанции. Если вблизи факела значения могут быть смертельно опасными, то на удалении в 80-100 метров они снижаются до уровней, на которых уже возможна работа персонала. Этот график — не просто картинка, а ключевой инструмент для решения следующей, жизненно важной задачи: определения безопасных зон.
Раздел 6. Практический расчет №4. Определяем безопасные расстояния для персонала
Имея на руках график зависимости теплового потока от расстояния, мы можем перейти от теоретических выкладок к самому важному практическому вопросу — обеспечению безопасности людей. Задача этого раздела — четко определить, на каком расстоянии от горящего фонтана может находиться персонал в зависимости от уровня его защитной экипировки.
Нормативная база
В основе этого расчета лежат нормативные документы, которые устанавливают предельно допустимые уровни (ПДУ) теплового облучения для человека. Эти значения напрямую зависят от типа используемой защитной одежды:
- Работа без специальной защиты или в обычной спецодежде: Допустимы лишь очень низкие уровни облучения, обычно не более 1.4-3.5 кВт/м².
- Работа в стандартной боевой одежде пожарного (БОП): Позволяет выдерживать потоки до 5-7 кВт/м².
- Работа в теплоотражательном костюме (ТОК): Специализированные костюмы, такие как ТК-800, позволяют кратковременно работать при интенсивности облучения до 15-20 кВт/м² и даже выше.
(Примечание: конкретные значения ПДУ следует брать из актуальных нормативных документов, например, СанПиН, и указывать их в курсовой работе со ссылкой на источник).
Методика расчета по графику
Определение безопасных расстояний теперь становится простой и наглядной графической задачей. Для этого используется график E = f(L), построенный в предыдущем разделе.
- Берем нормативное значение ПДУ для конкретного типа экипировки (например, 5 кВт/м² для БОП).
- Находим это значение на вертикальной оси (ось Y, интенсивность E).
- Проводим от этой точки горизонтальную линию до пересечения с кривой нашего графика.
- Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на горизонтальную ось (ось X, расстояние L).
- Точка, в которой перпендикуляр пересек ось X, и есть минимальное безопасное расстояние для работы в данной экипировке.
Формулировка выводов
Результаты этого раздела должны быть сформулированы предельно четко и конкретно, так как они имеют прямое отношение к планированию аварийных работ. На основе нашего условного графика из предыдущего раздела выводы могли бы выглядеть так:
Выводы по безопасным расстояниям:
- Для работы персонала без теплоотражательных костюмов (ПДУ ≈ 3.7 кВт/м²) минимальное безопасное расстояние от устья скважины составляет 100 метров.
- Для работы в стандартной боевой одежде пожарного (ПДУ ≈ 5.8 кВт/м²) безопасное расстояние сокращается до 80 метров.
- Использование теплоотражательных костюмов типа ТК-800 (ПДУ ≈ 15 кВт/м²) позволяет личному составу приближаться к очагу пожара на расстояние до 50 метров для выполнения необходимых работ по охлаждению и подготовке к тушению.
Таким образом, мы связали физические параметры пожара с практическими требованиями безопасности, что является одной из ключевых целей курсовой работы.
Раздел 7. Практический расчет №5. Считаем расход воды для тушения
Мы определили масштаб пожара, его температуру и зоны безопасности. Финальный инженерный расчет связывает все предыдущие воедино и отвечает на главный логистический вопрос: сколько огнетушащих веществ нам потребуется? В случае с фонтанами, основным веществом для обеспечения операции является вода. Важно понимать, что ее главная задача — не потушить пламя (для этого чаще используют порошки или взрыв), а интенсивно охлаждать устьевое оборудование и окружающие конструкции, не давая им разрушиться от перегрева.
Методология расчета
Расчет необходимого расхода воды (Q) основывается на нескольких параметрах:
- Площадь охлаждаемой поверхности (S): Это суммарная площадь фонтанной арматуры, превенторов и другого оборудования, которое находится в зоне критического теплового воздействия. Эту площадь нужно рассчитать или принять по справочным данным.
- Требуемая интенсивность орошения (I): Это нормативный параметр, который показывает, сколько литров воды в секунду нужно подавать на каждый квадратный метр охлаждаемой поверхности (л/с·м²), чтобы эффективно отводить тепло.
- Коэффициент запаса (k): Обычно принимается для учета потерь воды из-за ветра и испарения до попадания на цель.
Общая формула для расчета требуемого расхода выглядит просто:
Qтр = S * I * k
Пример расчета
Проведем условный расчет для нашего случая.
Исходные данные:
- Расчетная площадь охлаждаемой поверхности устьевого оборудования (S): 25 м².
- Нормативная интенсивность подачи воды для охлаждения (I): 0,8 л/с·м².
- Коэффициент запаса (k): 1.5.
Ход расчета:
Подставляем значения в формулу:
Qтр = 25 м² * 0,8 л/с·м² * 1.5 = 30 л/с
Это требуемый расход на охлаждение. Кроме того, часто требуется дополнительный расход на создание водяных завес для защиты персонала. Допустим, на это требуется еще 20 л/с. Тогда общий расход будет:
Qобщ = Qтр + Qзавес = 30 + 20 = 50 л/с
Практические выводы
Что означает полученная цифра 50 л/с? Это не просто абстрактное число, а прямое руководство к действию для штаба пожаротушения.
Такой расход воды требует организации бесперебойного водоснабжения и задействования нескольких мощных пожарных насосов. Для подачи такого объема воды на тушение необходимо развернуть не менее 3-4 лафетных стволов, каждый из которых будет работать с определенным расходом. Это, в свою очередь, определяет необходимое количество пожарной техники и личного состава для обеспечения всей операции.
Этот расчет замыкает весь цикл инженерных вычислений: от определения дебита до планирования ресурсов. Теперь у нас есть все данные, чтобы подвести итоги работы.
Раздел 8. Заключение, в котором мы подводим итоги и формулируем выводы
Заключение — это зеркальное отражение введения. Если во введении вы ставили вопросы (в виде задач), то в заключении вы должны дать на них четкие и краткие ответы, основанные на проделанных расчетах. Этот раздел не должен содержать новой информации или пространных рассуждений. Его цель — синтезировать результаты и доказать, что поставленная в начале работы цель была полностью достигнута.
Наилучшая структура для выводов — это последовательное изложение итогов по каждой задаче, сформулированной во введении.
Пример структуры выводов:
В ходе выполнения курсовой работы были решены следующие задачи и получены следующие результаты:
- Был рассчитан дебит газового фонтана на основе его высоты. Он составил 1,56 млн м³/сутки, что характеризует пожар как крупный и требующий значительных сил для ликвидации.
- Была определена действительная температура горения с учетом состава газа. Расчетное значение составило около 1500 К, что обуславливает высокий риск термического разрушения устьевого оборудования без интенсивного охлаждения.
- Были рассчитаны и представлены графически тепловые потоки в зависимости от расстояния до факела. График E=f(L) наглядно показал резкое снижение интенсивности облучения по мере удаления от очага.
- На основе анализа графика тепловых потоков и нормативных требований были определены безопасные расстояния для персонала. Установлено, что для работы в теплоотражательных костюмах (ТОК) безопасное расстояние составляет не менее 50 м, а без них — не менее 100 м.
- Был выполнен итоговый расчет необходимого расхода воды для обеспечения операции тушения. Общая потребность в воде для охлаждения оборудования и защиты личного состава составила 50 л/с, что требует задействования 3-4 мощных лафетных стволов.
В заключение можно подчеркнуть, что цель курсовой работы — систематизация теоретических знаний и их практическое применение при расчете параметров пожара — полностью достигнута. Проведенные расчеты позволили комплексно оценить масштаб аварии и разработать ключевые тактические параметры для ее ликвидации.
Раздел 9. Финальное оформление. Как не потерять баллы на мелочах
После того как вся содержательная часть работы готова, наступает финальный, но не менее важный этап — приведение ее в соответствие с академическими требованиями. Небрежное оформление может испортить впечатление даже от блестящего исследования и привести к снижению итоговой оценки. Чтобы этого избежать, пройдитесь по следующему чек-листу.
- Список литературы. Это лицо вашей научной работы. Он должен быть оформлен строго по ГОСТу, который требует ваше учебное заведение (чаще всего это ГОСТ Р 7.0.5-2008 или ГОСТ 7.1–2003). Включите в него все использованные источники: учебники, научные статьи, нормативные документы (ГОСТы, СанПиНы), патенты и электронные ресурсы. Источники должны быть расположены в алфавитном порядке. Для курсовой работы приемлемым считается список из 20 и более источников.
- Приложения. Не загромождайте основной текст громоздкими таблицами с промежуточными вычислениями, детальными картами или построенными графиками в большом формате. Все это целесообразно вынести в отдельный раздел «Приложения» в самом конце работы. В тексте основной части достаточно оставить ссылки на них (например, «см. Приложение А»).
- Нумерация и оглавление. Убедитесь, что в работе присутствует сквозная нумерация страниц (начиная с титульного листа, но не проставляя на нем номер). Все таблицы, рисунки и формулы должны иметь свою собственную сквозную нумерацию (например, «Таблица 2.1», «Рисунок 3.2», «Формула (4.3)»). В самом конце проверьте, чтобы заголовки в оглавлении в точности совпадали с заголовками в тексте, а номера страниц соответствовали действительности.
- Финальная вычитка. Обязательно перечитайте весь текст от начала до конца. А лучше — дайте прочитать его кому-то еще. Свежий взгляд легко выявляет опечатки, грамматические и стилистические ошибки, которые вы уже перестали замечать. Чистый, грамотный текст демонстрирует уважение к читателю и высокий уровень вашей академической культуры.
Потратив немного времени на эти «мелочи», вы представите свою работу в самом выигрышном свете.
Список использованной литературы
- Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения. — М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. — 113с.
- Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах / Тр. школы семинара «Физика нефтяного пласта» 2002. С. 7-14.
- Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. — М.: Стройиздат, 1990. — 424 с.
- Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. – М.: Стройиздат, 1987. – 288 с.
- Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой Л.: Химия, 1983. — 332 с.
- Малеванский В. Д. Открытые газовые фонтаны и борьба с ними / В. Д. Малеванский. — М.: Гостоптехиздат, 1963.- 288 с.
- Мамиконянц Г. М. Тушение пожаров мощных газовых и нефтяных фонтанов / Г. М. Мамиконянц. — М.: Недра, 1971. — 95 с.
- Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Миронов М.П., Пазникова С.Н. Физико-химические основы развития и тушения пожаров Екатеринбург: УрО РАН, 2009. — 274 с.
- Марков В.Ф., Миронов М.П., Маскаева Л. Н., Гайнуллина Е.В. Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. – Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России МЧС России, 2011. — 41 с.
- Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов- М.: РИО ВИПТШ МВД СССР, 1976. — 83с.
- Семко А. Н., Виноградов С. А., Грицына И. Н. Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов // Вестник Донецкого Национального Униварситета, 2011, №1. С. 160 – 167.
- Семко А. Н. Импульсные струи жидкости высокого давления / А. Н. Семко. Донецк: Вебер (Донецкое отделение), 2007. — 149 с.
- Повзик А. Я. Пожарная тактика / А. Я. Повзик. — М.: ЗАО «Спецтехника», 2004. — 416 с.
- Пожарная безопасность. Энциклопедия. — М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2007. — 416 с.
- Чабаев Л. У. Технологические и методологические основы предупреждения и ликвидации газовых фонтанов при эксплуатации и ремонте скважин: автореф. дис. на соискание уч. ст. доктора техн. наук: спец. 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовый комплекс)» / Л. У. Чабаев. — Уфа, 2009. — 47 с.