Методология расчета и анализа параметров горения и тушения пожара газового фонтана

Когда скважина, изрыгающая миллионы кубометров газа в сутки, внезапно загорается, это не просто чрезвычайное происшествие — это апокалипсис на локальном уровне, требующий молниеносной реакции и безукоризненной аналитики. Ежегодно в мире фиксируются десятки, а порой и сотни таких инцидентов, каждый из которых ставит под угрозу человеческие жизни, экологическую стабильность и экономическую безопасность. Пожары газовых фонтанов — это одна из наиболее сложных и опасных категорий техногенных катастроф, требующая от специалистов по пожарной безопасности не только мужества, но и глубоких научных знаний. Без точного понимания физико-химических процессов, детальных расчетов параметров горения и эффективных методик тушения, любая попытка ликвидации может обернуться еще большей трагедией, наглядно демонстрируя, насколько критично обладать всесторонним знанием в этой области. Именно поэтому потребность в систематизированном и глубоком анализе этой проблемы является не просто актуальной, но и жизненно важной для подготовки высококвалифицированных кадров.

Целью настоящей работы является разработка исчерпывающей методологии и структурированного плана для выполнения курсовой работы, ориентированной на расчет параметров горения и тушения пожара газового фонтана. Мы стремимся предоставить студентам технического вуза не просто набор формул, а комплексный инструмент для понимания и анализа таких сложных явлений.

Структура данного документа логически выстроена для последовательного погружения в тему. Мы начнем с фундаментальных физико-химических основ горения, затем перейдем к методам расчета ключевых параметров газового фонтана, таких как дебит, теплота пожара и интенсивность теплового излучения. После этого будут рассмотрены теоретические и практические аспекты тушения, завершаясь блоком, посвященным организации работ и обеспечению безопасности. Каждый раздел не просто излагает факты, но и углубляет понимание через детализацию, примеры и логические выводы, что делает материал максимально полезным для академической и практической деятельности.

Теоретические основы горения газовых фонтанов

Физико-химические процессы горения углеводородных газов

В сердце каждого пожара газового фонтана лежит сложный, но удивительно предсказуемый процесс, известный как диффузионное горение. Представьте себе струйку газа, вырывающуюся под огромным давлением из скважины. Она стремится вверх, смешиваясь с окружающим воздухом, и именно на границе этого смешения, где топливо встречается с кислородом, и вспыхивает пламя. Это не мгновенное объемное сгорание, а постепенный процесс, зависящий от скорости, с которой компоненты (газ и воздух) могут диффундировать друг к другу.

В лабораторных условиях можно наблюдать изящный ламинарный факел, где потоки газа и воздуха движутся параллельно, а смешение происходит медленно и упорядоченно. Однако на реальных газовых фонтанах, где газ истекает из пласта или трубопровода под давлением, ламинарный режим — это лишь теоретическая абстракция; здесь безраздельно господствует турбулентный режим. Турбулентность, этот хаотичный, пульсирующий танец газовоздушных вихрей, многократно усиливает смешение компонентов, что приводит к значительному увеличению скорости горения по сравнению с ламинарным. Представьте, как сотни маленьких «мини-факелов» постоянно возникают и исчезают внутри общего пламени, делая его мощным и стойким.

Рассмотрим специфику горения основных углеводородных газов:

• Метан (CH₄): Наиболее распространенный компонент природного газа. Его горение описывается реакцией:
  CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Теплота
  Для сжигания 1 м³ метана требуется около 10 м³ воздуха. Жаропроизводительность метана составляет 2043°С. Концентрационные пределы распространения пламени для метана относительно узки: 5–15 % объёмных. Это означает, что для устойчивого горения или взрыва должна быть соблюдена строгая пропорция газа и воздуха, иначе реакция не пойдёт или затухнет.
• Пропан (C₃H₈): Более тяжелый углеводород, часто встречающийся в составе сжиженных углеводородных газов. Его реакция горения:
  C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + Теплота
  Пропан требует значительно больше воздуха для полного сгорания — около 24 м³ на 1 м³ газа. Его жаропроизводительность выше, чем у метана, достигая 2500°С.
• Сероводород (H₂S): Токсичный газ, который может присутствовать в «кислых» газах. Его горение протекает по реакции:
  2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O + Теплота
  Горение сероводорода выделяет диоксид серы (SO₂), который также является токсичным и коррозионным продуктом. Его жаропроизводительность обычно не указывается в типовых справочниках как для углеводородов, однако его горение сопряжено с выделением значительного количества теплоты. Присутствие сероводорода усложняет тушение не только из-за токсичности, но и из-за агрессивности продуктов горения, что требует дополнительных мер защиты.

Ключевым аспектом диффузионного горения является то, что скорость реакции определяется не столько химической кинетикой, сколько скоростью диффузии кислорода к зоне горения. Это приводит к тому, что химические реакции протекают в тонком слое факела, где концентрации топлива и окислителя стремятся к нулю, а их диффузионные потоки находятся в стехиометрическом соотношении. Из-за этого скорость реакции горения примерно в 5·10⁴ раз меньше скорости горения в кинетическом режиме, что значительно снижает теплонапряженность (скорость выделения теплоты) по сравнению с идеальными условиями.

Влияние теплосодержания газов на калориметрическую температуру горения — это еще один важный нюанс. Для газов с высокой теплотой сгорания, таких как природный газ или пропан, теплосодержание самого газа до реакции относительно невелико по сравнению с теплом, выделяющимся при сгорании. Поэтому его часто не учитывают в расчетах калориметрической температуры. Однако для газов с низкой теплотой сгорания, например, генераторного или доменного газа, их собственное теплосодержание до начала горения становится существенным фактором, влияющим на итоговую температуру пламени. Это связано с тем, что в таких газах доля негорючих компонентов (например, азота) может быть очень высока, и их нагрев «отнимает» значительную часть энергии, выделяющейся при сгорании, что, в конечном итоге, приводит к более низким температурам горения.

Основные термины и теплофизические характеристики

Для глубокого понимания феномена пожаров газовых фонтанов и разработки эффективных стратегий их тушения необходимо оперировать точным понятийным аппаратом. Ниже представлены ключевые термины и их теплофизические характеристики, которые станут основой для дальнейших расчетов и анализов.

Термин	Определение	Примечание/Единицы измерения
Дебит	Количество жидкости или газа, добываемое скважиной за единицу времени. Является критическим параметром, определяющим масштаб аварии и требуемые ресурсы для ее ликвидации.	Измеряется в тыс. м³/час, тыс. м³/сутки или млн. м³/сутки.
Теплота сгорания (низшая)	Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы или объема вещества, без учета теплоты конденсации водяного пара, образующегося в процессе горения. Этот параметр является основой для расчета общей мощности тепловыделения пожара.	Измеряется в кДж/кг или кДж/м³.
Химический недожог	Потери тепла в результате неполного сгорания топлива, когда образуются продукты неполного горения (монооксид углерода (CO), сажа (C), не догоревшие углеводороды (CnHm) и др.) вместо полного окисления. Это снижает общую эффективность горения и увеличивает токсичность продуктов.	Представляется как безразмерный коэффициент (χхим), типовое значение 0,08–0,10.
Адиабатическая температура горения	Максимальная теоретически достижимая температура, при которой все тепло, выделившееся при сгорании, идет исключительно на нагрев продуктов реакции, без каких-либо потерь во внешнюю среду (излучение, теплопроводность, конвекция). Это идеализированный показатель, позволяющий оценить потенциальную тепловую мощность.	Измеряется в °С или К.
Интенсивность излучения (плотность лучистого потока, облучённость)	Величина лучистого потока от пламени, приходящегося на единицу площади поверхности окружающих тел. Критический параметр для оценки безопасных расстояний и планирования защитных мероприятий для персонала.	Измеряется в кВт/м².
Теплоёмкость	Количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы или объема вещества на 1°С (или 1 К). Является ключевым параметром для расчетов охлаждения при тушении водой.	Измеряется в кДж/(кг·К) или кДж/(м³·К).
Энтальпия	Термодинамическая характеристика, отражающая полную энергию системы, включающую внутреннюю энергию и энергию, связанную с давлением и объемом. Используется в более сложных термодинамических расчетах горения.	Измеряется в кДж/кг или кДж/моль.
Теплота парообразования воды	Количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды из жидкого состояния в пар при постоянной температуре и давлении. Высокое значение этого параметра делает воду исключительно эффективным огнетушащим средством.	Составляет 2260 кДж/кг.

Жаропроизводительность (адиабатическая температура горения) некоторых газов:

• Метан (CH₄): 2043°С
• Пропан (C₃H₈): 2500°С
• Бутан (C₄H₁₀): 2118°С
• Водород (H₂): 2235°С
• Ацетилен (C₂H₂): 2620°С

Эти значения демонстрируют значительные различия в потенциальной тепловой мощности различных газов, что напрямую влияет на масштаб пожара и сложность его тушения.

Объемы воздуха, необходимые для полного сгорания:

• Для сжигания 1 м³ метана необходимо 10 м³ воздуха.
• Для сжигания 1 м³ пропана необходимо 24 м³ воздуха.

Эти соотношения критически важны для понимания условий горения и оценки потребности в кислороде, что влияет на размеры и форму факела при диффузионном горении.

Расчётные параметры горения газового фонтана

Определение дебита и скорости истечения газового фонтана

Дебит газового фонтана — это не просто число; это пульс аварии, её масштаб и основной ключ к разработке эффективной стратегии тушения. От дебита зависит объем необходимых сил и средств, продолжительность операции, а также уровень опасности для личного состава. Без точной оценки этого параметра любое планирование будет лишь гаданием.

В условиях горящего фонтана прямое измерение расхода газа, к сожалению, практически невозможно. Представьте попытку подобраться с измерительными приборами к мощному пламени, выбрасывающему мелкие и крупные камни — это не только опасно, но и технически неосуществимо. Эффективных дистанционных способов, позволяющих с высокой точностью измерить дебит горящей струи, на сегодняшний день не существует.

Однако, для оценки расхода мощных газовых фонтанов на практике применяется один из наиболее доступных и достаточно точных косвенных методов — по высоте факела (H_ф). Это эмпирическая зависимость, основанная на многолетних наблюдениях и экспериментах.

Эмпирическая формула для расчёта дебита фонтана (D, млн. м³/сутки) по высоте факела пламени (H_ф, м) при горении природного газа:

D = 0,0025 ⋅ Hф2

Пример расчёта:

Предположим, наблюдаемая высота факела составляет 28 м. Тогда дебит будет равен:
D = 0,0025 ⋅ 282 = 0,0025 ⋅ 784 = 1,96 млн. м³/сутки.

Также существует экспериментальная зависимость, позволяющая оценить высоту факела по дебиту: Hф = 23D0,4. Для более простых практических расчетов эту формулу можно упростить до Hф ≈ 20D0,5.

Методы измерения расхода газа в контролируемых условиях:

Важно отметить, что после ликвидации фонтана или в контролируемых условиях (например, при плановом освоении скважины) для измерения дебита используются другие, более точные методы. К ним относятся:

• ДИКТ (диафрагменный измеритель критического течения): Это высокоточные устройства, где расход газа определяется по давлению перед калиброванной диафрагмой.
• Метод сужения струи газа: Использует принцип Бернулли для расчёта расхода по перепаду давления.
• Пневмометрическая трубка: Позволяет измерять скорость потока газа по динамическому и статическому давлению.
• Шайбный измеритель, манометр, метод бокового статического давления: Все эти методы основаны на измерении давления или перепада давления, которое затем пересчитывается в расход газа.

Однако, повторимся, эти методы неприменимы для прямого измерения расхода горящего фонтана из-за экстремальных условий.

Расчёт дебита по ДИКту:

Для ДИКТа дебит газа (Q, тыс. м³/сут.) определяется по формуле:

Q = C ⋅ Pатм / (ρг ⋅ Z ⋅ T)0,5

Где:

• С – коэффициент, зависящий от диаметра диафрагмы ДИКТа.
• Р_атм – абсолютное давление перед диафрагмой, Па.
• ρ_г – относительная плотность газа по воздуху.
• Т – абсолютная температура газа перед диафрагмой, К.
• Z – коэффициент сверхсжимаемости, учитывающий отклонения свойств реального газа от идеального.

Определение режима истечения газовой струи:

Режим истечения газа из скважины имеет критическое значение для понимания динамики фонтана. Он может быть определен путём сравнения эффективной скорости движения газа (W_г) со скоростью звука в природном газе (W_звук):

• Если Wг > Wзвук, то режим истечения критический (сверхзвуковой). В этом случае скорость истечения не зависит от внешнего противодавления.
• Если Wг < Wзвук, то режим истечения некритический (дозвуковой). Скорость истечения зависит от противодавления.

Скорость звука (W_звук, м/с) в природном газе может быть рассчитана по формуле:

Wзвук = (k ⋅ R ⋅ Tг ⋅ Z)0,5

Где:

• k — показатель адиабаты газа (отношение теплоёмкостей при постоянном давлении и объёме).
• R — газовая постоянная (для природного газа может быть принята как 8314 Дж/(кмоль·К) / молекулярная масса).
• T_г — температура газа, К.
• Z — коэффициент сжимаемости газа.

Стабилизация пламени:

Пламя на струе стабилизируется в нижней части факела, где скорость истечения газа (W_г) становится равной скорости турбулентного горения (u_t). Точный расчёт u_t достаточно сложен, так как она зависит от множества факторов, включая турбулентность, состав газа и температуру. Однако известно, что u_t приблизительно равна пульсационным скоростям струи, которые, в свою очередь, пропорциональны осевой скорости истечения. Это означает, что чем выше скорость истечения, тем выше скорость турбулентного горения и тем выше может быть точка стабилизации пламени.

Расчёт теплоты пожара и интенсивности теплового излучения

Когда мы смотрим на огненный столб газового фонтана, нас поражает его мощь, выраженная в ослепительном свете и невероятном жаре. Но за этим зрелищем стоят строгие физические законы, позволяющие рассчитать теплоту пожара и интенсивность теплового излучения — параметры, критически важные для оценки опасности и планирования защитных мероприятий.

Теплота пожара (q_п, кВт) — это полная мощность тепловыделения, которая определяется не только количеством горящего газа, но и эффективностью его сгорания. Она рассчитывается по формуле:

qп = νг ⋅ Qн ⋅ (1 − χхим) ⋅ (1 − φ)

Где:

• ν_г – секундный расход газа, м³/с. (Для перевода дебита D (млн. м³/сутки) в секундный расход, необходимо D ⋅ 106 / (24 ⋅ 3600)).
• Q_н – низшая теплота сгорания газа, кДж/м³.
• χ_хим – коэффициент химического недожога, который учитывает потери тепла из-за неполного сгорания. Типовое значение χ_хим для газовых фонтанов составляет 0,08–0,10, что означает, что 8–10% потенциальной энергии теряется из-за образования CO, сажи и других продуктов неполного горения.
• φ – коэффициент теплопотерь излучением, представляющий собой долю теплоты сгорания, которая рассеивается в окружающую среду в виде лучистой энергии.

Расчёт коэффициента теплопотерь излучением (φ или η_л):

Для газовых фонтанов этот коэффициент имеет особое значение, поскольку именно излучение является основным фактором поражения на расстоянии. φ может быть определен по эмпирической формуле, зависящей от молекулярной массы фонтанирующего газа (M_г):

φ = 0,048 ⋅ Mг

Молекулярная масса M_г для газовой смеси рассчитывается как сумма произведений молекулярных масс и объёмных долей каждого компонента:

Mг = Σ (Mi ⋅ φi)

Где:

• M_i — молекулярная масса i-го компонента газа.
• φ_i — объёмная доля i-го компонента газа.

Важно понимать, что действительная температура горения всегда ниже адиабатической. Это связано с двумя основными причинами:

1. Потери на излучение: Значительная часть теплоты рассеивается в окружающую среду в виде лучистой энергии (коэффициент φ).
2. Химический недожог: Как уже упоминалось, не все топливо сгорает полностью, образуя CO, C, C_nH_m, что также снижает итоговую температуру и выделяемую теплоту.

Мощность тепловыделения в факеле мощных газовых фонтанов может достигать колоссальных значений. Например, для крупных фонтанов расход 10–20 млн м³ газа в сутки и высота факела 80–100 м могут приводить к тепловыделению до 5,78 млн кВт (5777,545 МВт). Это сопоставимо с мощностью небольшой электростанции.

Интенсивность лучистого потока (E, кВт/м²), приходящегося на единицу площади поверхности окружающих тел, называется плотностью лучистого потока или облучённостью. Именно эта величина определяет, насколько опасным является пламя на определённом расстоянии.

Зоны теплового воздействия и допустимые величины облучённости:

Для обеспечения безопасности работающего персонала крайне важно чётко определить границы опасных зон. Эти зоны классифицируются по допустимой интенсивности теплового облучения:

1. Зона длительного безопасного пребывания:
   • Интенсивность лучистого потока: E = 1,6 кВт/м² (1600 Вт/м²).
   • Условия: За пределами этой зоны личный состав может находиться неопределенно долгое время без риска для здоровья при выполнении боевых действий.
2. Зона кратковременного безопасного пребывания без спецснаряжения:
   • Интенсивность лучистого потока: E = 4,2 кВт/м² (4200 Вт/м²).
   • Условия: Личный состав может работать без специального теплозащитного снаряжения, но с защитой кожных покровов, не более 15 минут. Это критический порог для обычного обмундирования.
3. Зона работы в спецснаряжении:
   • Интенсивность лучистого потока: E = 14 кВт/м² (14000 Вт/м²).
   • Условия: Боевая работа возможна только в специальном теплозащитном снаряжении и под защитой распылённых водяных струй, при этом продолжительность пребывания не должна превышать 5 минут. Это зона непосредственной близости к пламени, где высока вероятность получения тепловых ударов и ожогов даже через защитную одежду.

Допустимые величины интенсивности теплового облучения для работающих от источников излучения (пламени) не должны превышать 140 Вт/м² (0,14 кВт/м²) при облучении не более 25% поверхности тела и обязательном использовании средств индивидуальной защиты. Эта норма значительно строже, чем для зон безопасного пребывания при пожарах, поскольку она касается длительного воздействия в рабочих условиях, а не кратковременного нахождения в аварийной ситуации. Таким образом, даже в относительно безопасных зонах необходима адекватная защита.

Методология тушения газовых фонтанов

Теоретические основы тушения газовых фонтанов

Тушение газового фонтана — это не просто борьба с огнём, это сложная, многогранная операция, требующая тщательной подготовки, координации и привлечения значительных ресурсов. По сути, это процесс организации и осуществления ликвидации факела газа, вырывающегося из устья скважины. Масштабность и сложность таких аварий делают их одним из самых серьёзных вызовов для пожарно-спасательных служб и нефтегазовой отрасли.

Основные способы тушения фонтанов разнообразны и выбираются в зависимости от конкретной ситуации, дебита фонтана, доступности оборудования и местности:

1. Закачка воды в скважину через устьевое оборудование: Этот метод направлен на подавление давления в пласте или уменьшение дебита фонтана. Он эффективен при относительно небольших дебитах и наличии исправного устьевого оборудования или возможности его быстрого восстановления.
2. Тушение струями автомобилей газоводяного тушения (АГВТ): АГВТ представляют собой специализированные пожарные машины, способные генерировать мощные струи воды, насыщенные газом (обычно продуктами сгорания), что увеличивает их пробивную способность и охлаждающий эффект.
3. Водяными струями из лафетных стволов: Наиболее распространённый и универсальный способ. Мощные стационарные или передвижные лафетные стволы подают компактные или распылённые струи воды непосредственно в основание факела. Для тушения компактных газовых и нефтяных фонтанов обычно используются лафетные стволы с насадками диаметром 25–28 мм, обеспечивающие достаточную дальность и пробивную способность струи.
4. Взрывом заряда взрывчатых веществ: Этот метод применяется для самых мощных и труднодоступных фонтанов. Заряд взрывчатки, помещённый вблизи устья скважины, создаёт ударную волну, которая на мгновение отрывает пламя от источника, прерывая подачу топлива и окислителя. В этот короткий промежуток времени необходимо подать огнетушащее средство.
5. Огнетушащими порошками: Порошковые составы могут быть эффективны для относительно небольших фонтанов или в качестве дополнительного средства. Механизм тушения основан на ингибировании химических реакций горения.
6. Комбинированный способ: Часто наиболее эффективным является сочетание нескольких методов, например, предварительная закачка воды в скважину с последующим тушением факела лафетными стволами или АГВТ.

Среди всех перечисленных средств вода является одним из наиболее эффективных и безопасных огнетушащих веществ. Её уникальные свойства делают её незаменимой в борьбе с фонтанными пожарами.

Механизм тушения водой основан на следующих принципах:

• Высокая теплоёмкость: Вода обладает аномально высокой удельной теплоёмкостью. Это означает, что для нагрева определённой массы воды требуется значительно больше энергии, чем для большинства других веществ. При контакте с горящим газом или зоной горения вода активно поглощает тепло, снижая температуру пламени до критического уровня, при котором горение становится невозможным.
• Высокая температура кипения: При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100°С. Это позволяет ей эффективно поглощать тепло, не испаряясь мгновенно, и доставлять охлаждающий агент вглубь факела.
• Большая теплота парообразования: Это, пожалуй, самый значимый фактор. Теплота парообразования воды составляет 2260 кДж/кг. Это в 3-10 раз превосходит теплоту парообразования большинства других жидкостей. При испарении 1 кг воды поглощается огромное количество энергии, что приводит к мощному охлаждающему эффекту. Когда вода подаётся в зону горения в распылённом состоянии, каждая капля мгновенно испаряется, поглощая тепло и преобразуясь в пар. Этот пар также разбавляет концентрацию кислорода в зоне горения, дополнительно способствуя прекращению процесса.

При подаче воды она частично испаряется ещё в струе раскалённого газа, попадая в зону горения уже в распылённом состоянии, что обеспечивает максимально высокий охлаждающий эффект за счёт увеличения площади контакта с горячими продуктами и турбулентного смешения.

Адиабатическая температура горения — это теоретический максимум, который может быть достигнут, если всё тепло, выделяемое при сгорании, полностью идёт на нагрев продуктов реакции. Однако в реальных условиях, особенно при высоких температурах, вступает в действие диссоциация продуктов горения. Например, молекулы воды (H₂O) могут распадаться на атомарный водород (H), кислород (O) и гидроксильные группы (OH). Этот процесс является эндотермическим, то есть требует затрат энергии, что, в свою очередь, снижает действительную температуру горения по сравнению с адиабатической. Понимание этого механизма важно при анализе эффективности тушения, так как вода, помимо охлаждения, может также способствовать диссоциации, усиливая эффект подавления пламени.

Расчёт параметров водяного тушения газовых фонтанов

Эффективное тушение газового фонтана невозможно без точных расчётов. Эти расчёты касаются не только потребного количества воды, но и оптимальных параметров её подачи, а также классификации фонтанов по их мощности.

Классификация фонтанов по дебиту:

Для планирования тушения фонтаны удобно классифицировать по их мощности, что позволяет предварительно оценить масштаб бедствия и необходимые ресурсы:

Тип фонтана	Компактный дебит (млн м³/сутки)	Распылённый/Комбинированный дебит (млн м³/сутки)
Слабый	До 2	До 1
Средний	2–5	1–2
Мощный	Свыше 5	Свыше 2

Эта классификация помогает определить, какие методы тушения будут наиболее эффективны и сколько воды потребуется.

Расчёт требуемых расходов воды:

Основная задача при тушении — обеспечить подачу достаточного количества воды для прекращения горения. Расход воды, необходимый для тушения водяными струями, зависит как от способа тушения, так и от дебита фонтана.

Методика расчёта секундного (g_в) и удельного (q_уд) расходов воды:

Эти параметры являются ключевыми для проектирования системы водоснабжения и определения количества необходимых пожарных стволов.

• Суммарный расход воды на различных этапах боевых действий определяется в зависимости от дебита фонтана. Общий объём воды для тушения мощных газовых фонтанов может составлять 2,5–5 тыс. м³.

При дебите фонтана 1 млн м³/сут. газа ориентировочный расход воды на охлаждение оборудования и территории составляет 40 л/с, а на орошение самого фонтана – ещё 40 л/с. Эти цифры являются базой для планирования.

• Для тушения струями автомобилей газоводяного тушения (АГВТ) эффективность тушения имеет оптимальное значение, когда содержание воды в струе находится в пределах 55–60 л/с. Отклонение от этого диапазона может снизить эффективность.

Формула для расчёта количества воды, подаваемой на охлаждение (Q_в, л/с):

Qв = I ⋅ F

Где:

• I — интенсивность орошения, л/(с ⋅ м²). Это нормативный или расчётный показатель, указывающий, сколько воды необходимо подавать на единицу площади для эффективного охлаждения.
• F — площадь орошения, м². Это площадь, которую необходимо защищать от теплового воздействия или охлаждать (например, устье скважины, соседнее оборудование).

Коэффициент использования воды (К_и):

Этот коэффициент отражает, какая часть поданной воды действительно участвует в процессе тушения или охлаждения. Не вся вода достигает цели, часть её испаряется в воздухе, рассеивается ветром или стекает, не оказав должного эффекта.

• В общих практических расчётах для пожаров газовых фонтанов значение К_и может составлять около 0,1. Это подчёркивает, насколько неэффективным может быть использование воды без точного прицеливания и учёта множества факторов.
• При комбинированном способе тушения с использованием АГВТ и лафетных стволов коэффициент использования стволов может быть принят более высоким, например, 0,7. Это объясняется высокой пробивной способностью и направленностью струй АГВТ, а также их способностью формировать оптимальные водогазовые потоки.

Таким образом, детальный расчёт каждого из этих параметров позволяет создать научно обоснованный план тушения, минимизировать риски и оптимизировать использование ресурсов, а также обеспечить эффективную организацию ликвидации фонтана.

Организация работ и обеспечение безопасности при тушении

Организация ликвидации фонтана и подготовительные работы

Ликвидация пожара газового фонтана — это не просто тушение огня, а комплексная операция, требующая тщательного планирования и беспрекословной координации. В условиях такого масштаба и опасности хаос недопустим. Поэтому первым и важнейшим шагом является создание оперативного штаба по ликвидации аварии. Возглавляет его, как правило, один из руководителей высшего звена соответствующего ведомства (нефтедобычи, геологии, газовой промышленности, НПУ или конторы бурения), что подчёркивает высокий уровень ответственности и необходимость принятия решений на стратегическом уровне.

В состав штаба ликвидации аварии обязательно включаются представители пожарной охраны, что позволяет интегрировать пожарно-тактический опыт с отраслевыми знаниями.

Задачами пожарной службы в рамках такого штаба являются:

• Обеспечение водяной защиты людей, работающих непосредственно на устье скважины, от теплового излучения и выбрасываемой породы.
• Орошение самого фонтана и близлежащих металлоконструкций для их охлаждения и предотвращения распространения пожара.
• Непосредственная организация и тушение факела.

Подготовительные работы представляют собой длительный и трудоёмкий процесс, который может занять от нескольких дней до нескольких недель, прежде чем станет возможным приступить к активному тушению. Эти работы включают:

1. Создание расчётных запасов воды: Для тушения мощных фонтанов требуются огромные объёмы воды, которые часто приходится подвозить из удалённых источников или создавать временные водоёмы. Расчёты, о которых говорилось ранее, здесь критически важны.
2. Расчистка места пожара от оборудования и металлоконструкций: После взрыва или аварии вокруг устья скважины обычно находится множество обломков, которые затрудняют доступ и представляют опасность. Эти обломки необходимо удалить с помощью специальной техники, часто работающей под прикрытием водяных струй.
3. Развёртывание средств тушения и подготовка площадок для боевых позиций сил и средств: Это включает прокладку магистральных линий, установку лафетных стволов, размещение АГВТ и другой специализированной техники на безопасных, но эффективных позициях.
4. Осуществление мероприятий, связанных с отводом и сбором нефти после тушения (если фонтан газонефтяной): Если фонтан является газонефтяным, то после тушения пламени возникает угроза разлива нефти и повторного воспламенения. Необходимо заранее предусмотреть системы отвода и сбора углеводородного сырья.
5. Защита ближайших объектов и населённых пунктов: Это может включать эвакуацию, создание защитных барьеров, постоянный мониторинг атмосферы и обеспечение противопожарной безопасности на прилегающих территориях.

Комплексное обеспечение безопасности личного состава и техники

Безопасность личного состава и техники при тушении газовых фонтанов — это не просто пункт в инструкции, это приоритет №1. Условия работы на таких пожарах экстремальны, и малейшее упущение может стоить жизни.

Общие меры защиты включают:

• Защиту людей от теплоизлучения пламени: Это основной поражающий фактор, требующий многоуровневой защиты.
• Защиту органов слуха от шума фонтана: Мощный газовый фонтан создаёт оглушительный шум, который может вызвать необратимые повреждения.
• Защиту людей от поражения выбрасываемой породой и внезапных выбросов нефти и газа: Фонтан может выбрасывать камни, трубы и другие предметы, а негорящий фонтан — токсичные газы.
• Защиту людей от отравления токсичными газами: Особенно актуально при наличии сероводорода или при негорящем фонтане.

Конкретные средства защиты от теплоизлучения:

• Соответствующая экипировка личного состава: Специальные теплоотражающие костюмы, способные выдерживать высокие температуры.
• Орошение распылёнными струями воды: Водяная завеса служит тепловым экраном, поглощая часть излучения и охлаждая воздух.
• Акклиматизация и своевременная замена личного состава: Работа в условиях высоких температур крайне изнурительна, необходимы регулярные перерывы и ротация бригад.

Описание необходимой экипировки:
В зоне высоких температур одежда личного состава должна быть многослойной и включать:

• Кирзовые или яловые сапоги.
• Тёплые портянки.
• Ватные брюки и телогрейку (для обеспечения воздушной прослойки).
• Шапку-ушанку и подшлемник.
• Каску для защиты головы.
• Брезентовый костюм или плащ.
• Рукавицы с крагами для защиты кистей и предплечий.
• Для защиты лица применяются каски со щитком из оргстекла или термостойкие визоры.

Защита органов слуха и проблемы коммуникации:
Шум от мощного газового фонтана может достигать 120–140 дБ, что сопоставимо со звуком взлетающего самолёта. Зона потери слышимости разговорной речи человека может простираться на расстояние до 500 м и более. В таких условиях обычные средства связи (громкоговорящие установки, рации) становятся бесполезными. Для защиты органов слуха применяются:

• Специальные заглушки-антифоны.
• Противошумные наушники.
• Ватные тампоны и марлевые повязки.

Боевые распоряжения в этих условиях передаются в письменном виде или с помощью немых сигналов, требующих предварительной отработки и чёткого понимания всеми участниками опер��ции.

Пожаровзрывоопасная зона вокруг негорящих газовых фонтанов:
Если фонтан не горит, опасность не исчезает, а трансформируется. Вокруг скважины образуется пожаровзрывоопасная зона, которая может распространяться на расстояние более 1–2 км. Эта зона представляет серьёзную угрозу из-за:

• Опасности отравления: Выброс токсичных газов (например, сероводорода).
• Взрыва газовоздушной среды: Накопление газа в определённых концентрациях создаёт взрывоопасную смесь.
• Воспламенения фонтана: Любой источник искры или огня может привести к воспламенению.
• Получения травм и профессиональных заболеваний: В результате высокого уровня шума, теплового излучения (от горящих элементов), ограниченной видимости, выброса породы и труб, а также психологического стресса.

Трёхэтапная хронология процесса тушения:

Процесс тушения фонтанов строго регламентирован и состоит из трёх основных этапов, каждый из которых имеет свои задачи и временные рамки:

1. Подготовка к тушению:
   • Продолжительность: около 1 часа.
   • Задачи: Охлаждение оборудования, орошение факела (для снижения теплового воздействия и обеспечения доступа).
2. Тушение фонтана:
   • Продолжительность: определяется сложностью фонтана.
   • Задачи: Непосредственное подавление пламени с одновременным продолжением операций первого этапа (охлаждение и орошение).
3. Охлаждение устья скважины и орошение фонтана после тушения:
   • Продолжительность: около 1 часа.
   • Задачи: Предотвращение повторного воспламенения, охлаждение металлических конструкций, стабилизация ситуации.

Чёткое следование этой хронологии, в сочетании с точными расчётами и строгим соблюдением мер безопасности, является залогом успешной ликвидации пожара газового фонтана.

Заключение

Анализ и расчёт параметров горения и тушения пожара газового фонтана, представленные в данной методологии, охватывают широкий спектр вопросов – от фундаментальных физико-химических основ до тонкостей организационных мероприятий и обеспечения безопасности. Мы увидели, что пожар газового фонтана — это не просто стихийное бедствие, а сложный инженерный и химический процесс, требующий глубокого, междисциплинарного подхода.

Мы детально рассмотрели суть диффузионного горения, подчеркнув доминирование турбулентного режима в реальных условиях и его влияние на скорость распространения пламени. Были представлены химические реакции и термодинамические характеристики горения ключевых углеводородных газов, а также их концентрационные пределы. Освоение этих основ позволяет не просто «знать», но «понимать», почему факел ведёт себя именно так.

Особое внимание было уделено расчётным параметрам. Методики определения дебита газового фонтана по высоте факела, а также более точные методы для контролируемых условий, были изложены с примерами, что даёт студенту практический инструмент для количественной оценки масштаба аварии. Расчёт теплоты пожара и интенсивности теплового излучения с учётом химического недожога и коэффициента теплопотерь излучением позволяет не только оценить общую мощность факела, но и, что критически важно, определить границы опасных зон для личного состава. Это знание является основой для принятия решений о безопасном расстоянии и необходимой экипировке.

Раздел по методологии тушения раскрыл теоретические основы использования воды как наиболее эффективного огнетушащего средства, объяснив её уникальные теплофизические свойства. Были представлены классификация фонтанов по дебиту и алгоритмы расчёта требуемых расходов воды, включая понятие коэффициента использования, что позволяет оптимизировать ресурсы и повысить эффективность операции.

Наконец, блок по организации работ и обеспечению безопасности подчеркнул первостепенную важность командной работы, детальной подготовки и неукоснительного соблюдения протоколов безопасности. От создания оперативного штаба до выбора правильной экипировки, от защиты органов слуха до понимания рисков негорящих фонтанов – каждый аспект имеет решающее значение для сохранения жизней.

Разработанная методология призвана стать надёжным ориентиром для студентов технических вузов, выполняющих курсовые работы по данной тематике. Она не только предоставляет исчерпывающую теоретическую и расчётную базу, но и формирует системное мышление, необходимое будущим специалистам в области пожарной и техносферной безопасности.

В качестве направлений для дальнейших исследований можно предложить:

• Разработку более совершенных моделей прогнозирования поведения турбулентных газовых фонтанов с учётом изменяющихся метеорологических условий.
• Изучение новых огнетушащих составов, способных более эффективно подавлять горение при экстремально высоких температурах.
• Создание виртуальных тренажёров для отработки тактики тушения газовых фонтанов с использованием реалистичных моделей физических процессов.

Эти направления позволят углубить понимание проблемы и разработать инновационные решения для ещё более эффективной и безопасной ликвидации одной из самых грозных техногенных угроз.

Список использованной литературы

1. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Москва: ВИНИТИ, 1980. 256 с.
2. Баратов А.Н. Горение – пожар – взрыв – безопасность. Москва: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. 363 с.
3. Иванников В.П., Клюс П.П. Справочник руководителя тушения пожара. Москва: Стройиздат, 1987. 288 с.
4. Корольченко А.Я., Корольченко Д.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник: в 2 ч. Москва: Асс. «Пожнаука», 2004. Ч.1. 713 с; Ч.2. 774 с.
5. Физико-химические основы развития и тушения пожара. URL: https://elib.ugatu.ac.ru/pdf/Uch_posob/fiz-him_razv_tush_poj.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
6. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. URL: https://academygps.ru/upload/iblock/c53/c53c44c5b3d6396f4b360ecb3941440f.pdf (дата обращения: 11.10.2025).
7. Методы тушения пожаров газовых фонтанов. URL: https://studbooks.net/1429402/bzhd/metody_tusheniya_pozharov_gazovyh_fontanov (дата обращения: 11.10.2025).
8. Особенности тушения газовых и нефтяных фонтанов. URL: https://fire-consulting.ru/articles/osobennosti-tusheniya-gazovyh-i-neftyanyh-fontanov/ (дата обращения: 11.10.2025).
9. Годовников А.И. Организация тушения газовых фонтанов на терр. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=1744 (дата обращения: 11.10.2025).
10. Иновационные способы тушения газовых фонтанов. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/inovatsionnye-sposoby-tusheniya-gazovyh-fontanov (дата обращения: 11.10.2025).
11. Термодинамические характеристики газа. URL: https://neftegaz.ru/tech_library/burenie/141979-termodinamicheskie-kharakteristiki-gaza/ (дата обращения: 11.10.2025).
12. Что такое Дебит нефти или газа? URL: https://neftegaz.ru/tech_library/dobycha-nefti-i-gaza/141872-debit-nefti-ili-gaza/ (дата обращения: 11.10.2025).
13. Что такое дебит скважины и как его рассчитать – важные параметры и методы измерения. URL: https://barrier.ru/blog/chto-takoe-debit-skvazhiny-i-kak-ego-rasschitat-vazhnye-parametry-i-metody-izmereniya (дата обращения: 11.10.2025).
14. Формула дебита газовой скважины. URL: https://petroleumengineers.ru/formula-debita-gazovoy-skvazhiny (дата обращения: 11.10.2025).
15. Термодинамические свойства продуктов сгорания газообразных топлив ГТУ. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/termodinamicheskie-svoystva-produktov-sgoraniya-gazoobraznyh-topliv-gtu (дата обращения: 11.10.2025).
16. Температура горения. URL: https://gas-systems.ru/teoriya-goreniya/temperatura-goreniya/ (дата обращения: 11.10.2025).
17. Свойства и характеристики горючих газов. URL: https://svarpost.ru/svoystva-i-harakteristiki-goryuchih-gazov (дата обращения: 11.10.2025).