Способ комбинированного тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах - RU2608381C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники. Предлагаемый способ может быть использован для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах. В заявляемом техническом решении одновременно с продолжением тушения фонтана газоводяными струями дополнительно осуществляют подачу в импульсном режиме огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, в зону фонтана над газоводяными струями. Это позволяет значительно повысить ингибирующее действие порошков при объемном тушении отмеченных пожаров.

Тушение производят при одновременном перемещении газоводяных струй и огнетушащего порошкового вещества в виде нанопорошка вдоль оси горящего факела снизу вверх до полного подавления пламени.

До настоящего времени тушение пожаров газонефтяных фонтанов осуществляется одним из следующих способов: мощными водяными струями; струями огнетушащих порошков, подаваемых в факел сжатым газом; газоводяными струями, создаваемыми авиационными турбореактивными двигателями; взрывом мощного сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, подвешиваемого вблизи основания факела (Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов. Раздел: Методы тушения пожаров газовых фонтанов. Refbzd_ra.mht, с. 3). Эти способы пригодны для тушения пожаров фонтанов с расходом газа до 3-5 млн м³ в сутки, однако при тушении более мощных горящих фонтанов становятся малоэффективными. Применение этих методов требует привлечения большого количества людей и специальной техники, проведения сложных и дорогостоящих подготовительных работ, наличия больших запасов воды. Поэтому сроки ликвидации аварии на скважине нередко затягиваются на многие недели и месяцы, что приводит к истощению ресурсов месторождения и к угрозе гибели скважины.

Известно (Тушение газовых и нефтяных фонтанов. Учебные материалы и литература. Глава 6.6, http://www.agps-mipb.ru), что основным параметром фонтанирующей скважины, по которому определяют приемы тушения пожара и расходы огнетушащих средств, является дебит фонтана по нефти или газу. Эквивалентным коэффициентом для пересчета фонтана в чисто газовый или нефтяной принимают 1 м³ нефти=1000 м³ газа. Данные о дебите и составе фонтана устанавливает штаб по ликвидации аварии.

Процесс тушения пожара состоит из трех основных этапов, которые включают комплекс тактических действий:

первый этап - охлаждение устьевого оборудования, металлоконструкций вокруг скважин и прилегающей территории; орошение струи фонтана с целью снижения интенсивности теплоизлучения; тушение очагов горения нефти и конденсата вокруг устья скважины; уборка территории от металлоконструкций; создание необходимого запаса воды (2,5-5,0 тыс. м³) и др.;

второй этап - непосредственное тушение фонтана с одновременным продолжением операций первого этапа;

третий этап - охлаждение устья скважины и орошение струи фонтана после тушения.

Использование импульсных струй жидкости высокой скорости и газоводяных струй средств пожаротушения, обладающих высокими огнетушащими качествами, для ликвидации аварий на газонефтяных фонтанах путем охлаждения достаточно эффективно, доступно и довольно дешево.

Следует отметить (Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов. Раздел: Перспективные направления разработки устройств для тушения газовых фонтанов. Refbzd_ru.mht, с. 4-5), что для доставки воды к горящему факелу с безопасных дистанций необходимо обеспечить высокие скорости на выходе из устройства тушения. Эта скорость должна учитывать потери при полете струи и обеспечивать необходимую скорость непосредственно перед факелом для преодоления конвективных потоков, а также «срывного» воздействия на факел. Суть «срывного» действия заключается в том, что с увеличением скорости потока равновесное положение фронта пламени сдвигается по потоку. Свежая паровоздушная горючая смесь по мере удаления претерпевает все более сильное разбавление за счет взаимной диффузии со сносящим потоком. Скорость горения такой смеси уменьшается пропорционально степени ее разбавления и при некоторой критической скорости потока, превышающей скорость горения, струя на мгновение прерывается, а пламя отбрасывается вверх и отрывается от нее.

Скорость отрыва пламени факела можно оценить по эмпирической формуле:

Vотр=100 3√d,

где d - начальный диаметр струи фонтана в метрах.

Анализ конкретных данных по изменению характера пламени при увеличении скорости горящей струи показывает, что срыв диффузионных пламен происходит в диапазоне скоростей 80-100 м/с. Очевидно, что указанные значения срывных скоростей с расстояний безопасного удаления (110-130 м) могут быть обеспечены при использовании высокоскоростных струй жидкости, генерируемых устройствами, аналогом которых является импульсный водомет.

Однако использование этих средств пожаротушения без применения необходимых технических решений ограничено температурой окружающей среды, которая должна быть выше 0°С, что удорожает названые средства пожаротушения или практически исключает их использование в силу экономической целесообразности в условиях Арктики и других местах с продолжительным зимним периодом. Поэтому названные средства пожаротушения выбирают, как правило, от климатических условий расположения газонефтяных фонтанов.

В работе (Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов. Раздел: Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. Раздел: Современные способы тушения газовых фонтанов. Refbzd_ru.mht, с. 4) описаны пневматические порошковые пламеподавители ППП-200, которые применяются при тушении пожара фонтанов большой мощности. Тушение пожара осуществляется за счет воздействия на горящий факел распыленного порошка, выброс которого осуществляется за счет энергии сжатого воздуха. В зоне горения фонтана в течение короткого времени (1…2 с) импульсно создается огнетушащая концентрация порошка путем направленного залпового выброса установкой.

Подобный принцип реализуется и в установках на базе танковых шасси Т-62 Импульс-1, Импульс-2, Импульс-3, а также Импульс-Шторм. Машины имеют 50 стволов (Импульс-1 - 40 стволов), в каждый из которых заряжается по 30 кг порошка. Установка Импульс-Шторм способна доставить в очаг пожара за 4 секунды 1,5 тонны огнетушащего порошка. Это позволяет создать мощное огнетушащее воздействие сразу и одновременно по всей площади или объему. Основным отличием данной установки является мощное ударное воздействие на очаг пожара совместно с огнетушащими эффектами, производимыми специальными порошковыми составами.

Нередко используется метод подрыва заряда взрывчатого вещества, который генерирует ударную волну большой скорости (до 1000 м/с). Заряд взрывчатого вещества подается к устью скважины либо по стальному тросу, перекинутому через блоки, подвешенные на специальных опорах, либо на тележке с укосиной по рельсовым путям, проложенным к устью скважины. Главными недостатками этого метода является его высокая опасность, большой объем и сложность подготовительных работ, а также необходимость в большом количестве взрывчатого вещества (100-1000 кг).

Установлено (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю. [Место защиты: Акад. гос. противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), что для обеспечения эффективного функционирования систем порошкового пожаротушения дисперсный состав применяемых порошков должен быть специально подобран в зависимости от техники, в которой он будет применяться. В этом, возможно, имеется значительный резерв в повышении эффективности порошкового пожаротушения.

При тушении обширных очагов (Патент RU №2027452, кл. МПК A62C 2/00, опубл. 27.01.1995) в условиях ограниченного запаса огнетушащего состава наиболее эффективным будет являться способ тушения путем подачи состава по заранее заданному алгоритму, учитывающему форму, размеры очага и интенсивность горения, что значительно сократит непроизводительные потери огнетушащего состава при минимально необходимом его расходе. Значительный эффект также будет достигнут введением обратной связи в процесс тушения вышеуказанным способом, то есть оперативным изменением подачи огнетушащего состава (изменением плотности потока, изменением направлений подачи и т.д.) в зависимости от достигаемых результатов тушения.

Известен способ тушения пожаров (Патент RU №2008048, кл. A62C 3/02, A62C 19/00, опубл. 10.05.2002), заключающийся в подавлении процессов горения воздействием на очаг пожара направленной скоростной струей пожаротушащего аэрозоля, образующейся при метании, воспламенении и сгорании в полете по меньшей мере одной твердой, жидкой или загущенной аэрозольгенерирующей композиции, содержащей в своем составе горючее, окислитель и/или охладитель, при этом пожаротушащий аэрозоль, достигая очага пожара, обволакивает зону горения, вступает в контакт с пламенем, одновременно оказывая сдувающее (на пламя) и ингибирующее действие на физико-химические процессы горения, приводя к тушению или локализации пожара, причем применяются аэрозольгенерирующие композиции одного или различного составов, или смесь жидкой или загущенной аэрозольгенерирующей композиции или с пожаротушащими порошками, или с водой, или с водными растворами солей, или с объемно-детонирующей смесью, в том числе смесью компонентов различной плотности, или их смеси, при различном порядке их размещения при метании и воспламенении в полете, при этом воспламенение и горение композиции или композиций с образованием направленной аэрозольной струи происходит в полете, и/или над горящим объектом, и/или внутри горящего объекта.

Причем по указанным ранее способам предусмотрено проводить расчетное количество одновременных или последовательных метаний (пусков) средства, обеспечивая создание в объеме, где происходит пожар, или над горящим объектом необходимой тушащей концентрации пожаротушащего аэрозоля.

Однако, как было отмечено ранее, при тушении пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, срыв диффузионных пламен происходит в диапазоне скоростей 80-100 м/с. Для достижения таких скоростей необходимо создание мощных генераторов аэрозоля.

В то же время из уровня техники известно (Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. Раздел: Использование импульсных струй жидкости высокой скорости для тушения газовых факелов, www.refbzd.ru, с. 4) об экспериментальных исследованиях тушения газового факела при помощи импульсных струй жидкости высокой скорости, которые генерируются пороховым импульсным водометом. Скорость импульсной струи в зависимости от энергии заряда в экспериментах достигала 300-600 м/с.

Известен способ тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах (Патент RU №2050865, кл. A62C 2/00, опубл. 27.12.1995). Сущность способа заключается в том, что при тушении пожаров фонтанов, возникающих при разработке газовых, нефтяных и газонефтяных скважин в процессе бурения или эксплуатации осуществляют подачу в факел пламени жидкого азота и порошкового состава, при этом жидкий азот подают под срез фронта пламени с расходом 1 кг/м³ газа до момента максимального подъема фронта, после чего вводят в вышеуказанную зону порошковый состав из расчета 4-12 кг/млн м³ дебита фонтана.

В результате действия механизма разбавления (азот-негорючий газ) и охлаждения скорость распространения пламени по газовоздушной смеси уменьшается, что приводит к дестабилизации горения, и пламя поднимается над устьем скважины на высоту 10-15 м. Пламя факела фонтана становится менее устойчивым к срыву, чем при свободном горении. Затем импульсно вводят (через 1-2 с после подачи азота) под нижнюю кромку фронта пламени огнетушащий порошок из расчета 4-12 кг порошка/млн м³/сут сгорающего газа.

Однако при эксплуатации скважин сохранение в дежурном режиме жидкого азота в охлажденном состоянии (с температурой 80-100° K) в течение длительного времени весьма проблематично и экономически нецелесообразно.

Известен способ тушения пожаров фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах (Патент RU №2456433, кл. E21B 35/00 (2006.01), A62C 3/00 (2006.01), опубл. 20.07.2012), принятый за прототип заявляемого способа.

Сущность данного технического решения заключается в тушении пожаров фонтанов на скважинах газоводяными струями, образованными подачей воды в струю выхлопных газов авиационного турбореактивного двигателя, смонтированного на передвижном средстве, включает первоначальное охлаждение фонтанной арматуры, отсечку горящего фонтана от основания скважины и дальнейшее тушение фонтана. При этом одновременно с продолжением тушения фонтана газоводяными струями дополнительно осуществляют подачу в импульсном режиме огнетушащего порошка в зону фонтана над газоводяными струями. Подачу огнетушащего порошка осуществляют с той же позиции передвижного средства и в том же направлении, что и подачу газоводяных струй.

Однако указанный способ не предусматривает применение огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

Известно (http://ru.wilkipedia.orl Порошковое пожаротушение - Википедия), что порошковыми составами тушат по поверхности и по объему зоны горения. При тушении по поверхности огнетушащее действие порошков заключается в основном в изоляции поверхности горения от доступа к ней воздуха, а при объемном тушении действие проявляется в ингибировании процесса горения (Евтюшкин M.Н., Повзик Я.С. Справочное пособие по пожарной тактике. - М., 1975, с. 100).

Установлено (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю. [Место защиты: Академия государственной противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), что для обеспечения эффективного функционирования систем порошкового пожаротушения дисперсный состав применяемых порошков должен быть специально подобран в зависимости от техники, в которой он будет применяться. В этом, возможно, имеется значительный резерв в повышении эффективности порошкового пожаротушения.

Среди существующих средств пожаротушения - водных, пенных, газовых, аэрозольных и порошковых, порошковые имеют ряд принципиально важных преимуществ (http://www.tungus.net / Преимущества порошковых средств пожаротушения). Они универсальны, имеют высокую эффективность и невысокую стоимость. В отличие от систем объемного пожаротушения (газового, аэрозольного) для них не требуется обеспечение условий герметичности защищаемых объектов и трубной разводки для подачи внутрь защищаемого объекта огнетушащего порошка, а в отличие от водных и пенных они имеют значительно более широкий диапазон температурного использования (особенно в области низких температур) и длительный срок эксплуатации. При этом они не причиняют значительного ущерба для окружающих предметов, не содержат в своем составе токсичных веществ и могут использоваться практически на любых объектах.

Однако дальнейшее повышение эффективности порошкового тушения пожаров газонефтяных фонтанов связано с повышением ингибирующего действия порошков, что напрямую связано с их дисперсностью (А.Н. Баратов, Ε.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 114).

Задача изобретения состоит в повышении эффективности средств борьбы с пожарами, возникшими при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах за счет применения огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка, обладающего повышенной ингибирующей способностью по сравнению с обычным огнетушащим порошком.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в способе комбинированного тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, включающем в себя одновременно с тушением фонтана газоводяными струями дополнительную подачу в импульсном режиме огнетушащего порошкового вещества в зону горящего фонтана над газоводяными струями, в качестве огнетушащего порошкового вещества используют нанопорошок, создают в контролируемой зоне концентрацию нанопорошка, достаточную для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени, при этом при тушении производят одновременное перемещение газоводяных струй и потока огнетушащего порошкового вещества вдоль оси горящего факела снизу вверх.

Технический эффект, реализуемый заявляемым способом комбинированного тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, обуславливается следующим.

Подача при тушении пожара в импульсном режиме огнетушащего нанопорошка в зону фонтана над газоводяными струями позволяет значительно повысить ингибирующее действие порошков при объемном тушении при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

Известно (Нанопорошки.mht), что нанопорошки обладают огромной удельной поверхностью, а значит и избыточной поверхностной энергией. Атомы на поверхности частиц находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие. Поэтому применение нанопорошков в качестве огнетушащего порошка, по мнению автора, является наиболее перспективным ингибирующим средством при объемном тушении на пожароопасных объектах.

Одновременное перемещение при тушении газоводяных струй и огнетушащего порошкового вещества в виде нанопорошка вдоль оси горящего факела снизу вверх позволяет повысить эффективность тушения за счет одновременного тушения горящего факела газоводяными струями и потоком огнетушащего порошкового вещества в виде нанопорошка и смещения зоны горения факела к его вершине.

При создании настоящего изобретения было учтено то, что возможности повышения огнетушащей способности порошковых огнегасящих средств далеко не исчерпаны. Как показывает анализ научной литературы (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю. [Место защиты: Академия государственной противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), в настоящее время в достаточной степени не определены и научно не обоснованы требования к химическому и дисперсному составу огнетушащих порошков в зависимости от области их применения, в частности для использования их в импульсных порошковых модулях.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию «новизна».

При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства, относящиеся к противопожарной технике для тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, а также технические решения, связанные с пожаротушением с использованием наноразмерных огнетушащих порошков.

Известно (Патент RU, №2465027, A62D 1/00 (2006.01), опубл. 27.10.2012), что ингибирующая горение способность порошков на основе минеральных солей, содержащих в качестве катионов щелочные металлы, обусловлена наличием у этих катионов низких значений ионизационного потенциала. В таблице 1 приведены значения ионизационных потенциалов веществ, входящих в различные группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (см. Большая советская энциклопедия, т.27, с. 265 и далее).

Из этих данных видно, что наименьшим ионизационным потенциалом и, соответственно, наибольшей ингибирующей способностью обладают именно щелочные металлы, а из них - цезий (Cs).

В работе (Birchall. Y. Comb/ a Flame, 1970, v. 8, 257) приведены данные по исследованиям тушащего действия различных солей на диффузионное пламя городского газа. В результате чего было установлено, что наиболее эффективное действие из всех исследованных солей на диффузионное пламя оказывали соли щелочных металлов.

Высокая ингибирующая способность солей щелочных металлов иллюстрируется значениями коэффициентов гетерогенной рекомбинации атомов водорода (γ_н) и кислорода (γ_о) на поверхностях различных солей, приведенными в таблице 2. Эти данные получены экспериментально методом электронного парамагнитного резонанса (см. монографию А.Н. Баранова, А.П. Вогмана. Огнетушащие порошковые составы. - М., Стройиздат, 1982, с. 66).

Из таблицы видно, что в качестве конкретных огнегасящих веществ, которые можно использовать в виде нанопорошка, наиболее эффективными являются две последние соли щелочных металлов: сульфат калия (K₂SO₄) и сульфату цезия (Cs₂SO₄), обладающие наибольшим значением коэффициентов рекомбинации атомарных частиц водорода и кислорода, являющихся активными центрами цепных реакций при горении. При этом предпочтение должно быть отдано сульфату цезия (Cs₂SO₄). Несмотря на более высокую стоимость нанопорошка из солей цезия его применение компенсируется значительно меньшим, чем других нанопорошков из щелочных металлов, расходом этих солей при тушении пожаров.

Согласно опытным данным (Патент RU №2465027, A62D 1/00 (2006.01), опубл. 27.10.2012) огнетушащая способность сульфата цезия при тушении пожаров классов В1 и В2 составляет 0,24 кг/м², то есть он примерно в 5-6 раз более эффективен, чем порошок ПСБ-3 (1,5 кг/м²).

Однако приведенные ранее технические решения не предусматривают подачу при тушении пожара в импульсном режиме огнетушащего нанодисперсного порошка в зону фонтана над газоводяными струями.

Известен способ порошкового пожаротушения (Патент RU №2419471, кл. A62C 3/10 (2006.01), опубл. 27.05.2011), заключающийся в подаче огнетушащего порошка в очаг пожара, в котором тушение производят комбинацией нанодисперсного порошка минеральной соли цезия, например CS₂SO₄, и обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов, например NaHCO₃, причем в качестве рабочего газа при эжектировании используют не только газ, но и газовзвесь обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов, обеспечивая не только подсос нанопорошка, но и обволакивание частиц обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов нанопорошком. Причем нанодисперсный порошок минеральной соли цезия благодаря физико-химической специфике щелочных металлов имеет низкий потенциал ионизации и значительно (примерно в 10⁴-10⁵ раз) большую дисперсность по сравнению с обычными порошками и обладает очень сильным ингибирующим воздействием на пламя.

Для создания равномерной смеси нано- и обычного порошков можно использовать известное эжекторное устройство (А.Н. Баратов. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. Изд. ВНИИПО, 2003 г., с. 362), в котором к зоне смешения присоединяются два штуцера для подачи нано- и обычного порошка с расчетными их расходами.

Однако дальнейшее повышение эффективности этого способа порошкового пожаротушения ограничено тем, что процесс создания при эжектировании комбинации нанопорошка и обычного порошка путем обволакивания частицами обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов нанопорошком ограничен суммарной площадью поверхности обычного порошка - матрицы. В результате чего часть частиц нанопорошка при эжектировании будут «отскакивать от матрицы», не достигая при этом очага пожара при его подаче.

В случае если смесь нано- и обычного порошков не будут обладать достаточной кинетической энергией, она не сможет преодолеть барьер конвективных потоков горячих газов, генерируемых пламенем, и зону радиационно-кондуктивного нагрева, в результате названная смесь не сможет достигнуть поверхности горения и подавить этот процесс.

Известен способ порошкового пожаротушения нанопорошками (Заявка RU №2012142461 от 04.10.2012, опубл. 10.04.2014, кл. МПК A62D 1/00 (2006.01)), заключающийся в подаче огнетушащего порошка в очаг пожара, причем тушение производят путем подачи в контролируемую зону нанопорошка в виде микрокапсулированного огнегасящего агента.

Этот способ также нельзя использовать при тушении крупномасштабных пожаров по причине незначительной массы микрокапсул, которые будут резко менять свою траекторию при подлете их к зоне интенсивного выброса продуктов горения.

Известен способ тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах (Патент RU №895174, кл. E21B 35/00, опубл. 10.02.1996). Для осуществления этого способа заряд взрывчатого вещества размещают на поверхности земли, раскладывают несколько концентричных кольцевых зарядов, заряды взрывают с задержкой по времени, причем заряд меньшего радиуса взрывают первым, взрывчатое вещество обкладывают слоем огнетушащего порошка.

Согласно описанию изобретения тушение осуществляется за счет гидродинамического воздействия на пламя поднимающимся вдоль оси фонтана грибовидным воздушным облаком из огнетушащего порошка.

Однако указанный способ основан на создании и перемещении вдоль оси факела снизу вверх вихревого порошкового кольца с помощью энергии ударной волны и не предусматривает комбинированное тушение пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, например, с помощью газоводяных струй.

Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым способом.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», а само изобретение является новым.

Осуществление заявляемого технического решения может быть реализовано следующим образом.

Известно (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004, с. 216), что огнетушащая способность воды обуславливается охлаждающим действием, разбавлением горючей среды образующимися при испарении парами и механическим воздействием на горящее вещество, то есть срывом пламени. Разбавляющее действие, приводящее к снижению содержания кислорода в окружающем воздухе, объясняется тем, что объем пара в 1700 раз превышает объем испаряющейся воды.

В то же время вода практически не участвует в процессе ингибирования химических реакций в пламени как в газовой фазе, так и на поверхности частиц горящего вещества.

В работе (Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов. Раздел: Влияние различных факторов на скорость распространения пламени; www.refbzd.ru) отмечено, что наиболее сильное влияние на тушение пожаров газонефтяных фонтанов оказывает введение хладонов, так как они обладают еще и ингибирующим действием на реакцию горения.

В этой работе на рис. 5 показано, что введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4-10 раз эффективнее, чем нейтральных газов - разбавителей.

Однако в работе (А.Н. Баратов, Ε.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 117) отмечено, что огнетушащая эффективность некоторых порошков в ряде случае выше, чем бромхладонов.

Известно (Исавнин Н.В. Средства порошкового пожаротушения. М., Стройиздат, 1983, с. 141), что если порошковое облако полностью покрывает пламя, то оно практически подавляется мгновенно. В этом случае дополнительно повышается эффективность в способе тушения, в котором диспергированный поток одновременно формируется во всем объеме очага пожара.

При тушении обширных очагов (Патент RU №2027452, кл. МПК A62C 2/00, опубл. 27.01.1995) в условиях ограниченного запаса огнетушащего состава наиболее эффективным будет являться способ тушения путем подачи состава по заранее заданному алгоритму, учитывающему форму, размеры очага и интенсивность горения, что значительно сократит непроизводительные потери огнетушащего состава при минимально необходимом его расходе. Значительный эффект также будет достигнут введением обратной связи в процесс тушения вышеуказанным способом, то есть оперативным изменением подачи огнетушащего состава (изменением плотности потока, изменением направлений подачи и т.д.) в зависимости от достигаемых результатов тушения.

Известно (ru.m.wikipedia.org>Порошковое пожаротушение), что огнетушащая способность порошков общего назначения зависит не только от химической природы порошков, но и степени их измельчения. Возможность подачи очень мелких порошков в зону горения затруднена, поэтому промышленные огнетушащие порошки общего назначения содержат фракцию 40-80 мкм, обеспечивающую доставку мелких фракций в зону горения.

В работе (Сабинин О.Ю. Обоснование зависимости огнетушащей способности порошковых составов от их характеристик и параметров подачи импульсными модулями // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2006. - №6, с. 126-132) отмечено, что при импульсной подаче огнетушащего состава в очаг горения, помимо обычного тушащего воздействия, масса огнетушащего состава оказывает дополнительное воздействие за счет своих кинетических параметров. Только посредством увеличения скорости порошковой струи можно в 2-3 раза повысить эффективность применения огнетушащего порошкового состава для тушения пожаров, что и наблюдается в механизме действия импульсных модулей.

В работе (M.Е. Краснянский. Порошковое пожаротушение.mht) отмечено, что ряд авторов предлагают получить порошковый аэрозоль непосредственно в очаге горения за счет терморазложения специальных неорганических смесей. Преимущество такого способа - малый размер образующихся частиц и «свежая» (ювинальная) их поверхность, имеющая высокую химическую активность. Недостатки - сложная технология, очень высокая стоимость.

Анализ результатов испытаний и теоретические исследования, проводимые во ВНИИПО в 1993-1996 годах (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю. [Место защиты: Академия государственной противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008.- 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), позволили установить некоторые новые аспекты, связанные с газодинамикой тушения, в особенности важные для автоматического тушения локальных очагов, когда распылители установлены стационарно и, как правило, сверху. Так, в процессе исследований выяснилось, что тушение горящего очага следует рассматривать через призму взаимодействия двух струй. Одна струя формируется восходящими над очагом потоками и скорости в ней зависят от энергетики очага (его размера, вида горючего), другая, на нее воздействующая - газопорошковая. Было установлено, что при одних и тех же параметрах подачи порошка на очаг, например, сверху, при увеличении размера очага (росте скоростей восходящих потоков) тушение затруднялось и даже не достигалось из-за уноса (выдувания) частиц порошка.

Однако такая закономерность будет справедлива до определенного, критического размера частиц порошка, то есть минимального диаметра частицы порошка, при котором она за счет своих показателей инерции не будет отбрасываться восходящими конвективными потоками и проникнет в зону горения. Можно предположить, что при увеличении в составе полидисперсного порошка доли частиц порошка, имеющих диаметр ниже критического, большая их часть не проникнет в зону горения, следовательно огнетушащая способность такого порошка должна снижаться, поскольку расчетный критический диаметр частицы порошка, согласно расчету (2 глава), равен 12,8 мкм (Диссертации в Техносфере: http://tekhnosfera.com/optimalnye-harakteristiki-ognetushaschih-poroshkov-i-parametry-ih-podachi-dlya-impulsnyh-moduley-poroshkovogo-pozharotush#ixzz3WMK166Dy).

В работе (А.Н. Баратов, Ε.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 110-121) описан широкий круг порошковых огнетушащих составов. Дисперсность частиц этих составов колеблется по данным (А.Н. Баратов, и др. Пожарная опасность строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1988, глава 9, табл. 9.20) в диапазоне от 50 до 160 мкм.

В настоящее время все отмеченные ранее порошковые огнетушащие составы могут быть выполнены в виде нанодисперсного порошка минеральной соли (Русские нанопорошки.mht; http://nano-info.ru/post/439/Нанопорошки. Назначение, свойства, производство).

Однако в работе (Birchall. Y. Comb/ a Flame, 1970, v. 8, 257) приведены данные по исследованиям тушащего действия различных солей на диффузионное пламя городского газа. В результате было установлено, что наиболее эффективное действие из всех исследованных солей на диффузионное пламя оказывали соли щелочных металлов.

Известен метод Дюфресса (http://www.dslib.net/pozharn-bezopasnost/optimalnye-harakteristiki-ognetushawih-poroshkov-i-parametrv-ih-podachi-dlja.html), основанный на проверке огнетушащей эффективности порошков. Она определялась по минимальному количеству порошка, достаточному для одного тушения. Эксперименты показали, что самыми эффективными оказались соединения калия, проверенные этим методом.

По определению наночастицы должны иметь диаметр менее 100 нм. Почти половина нанопорошков имеет диаметр менее 30 нм. Девять процентов порошков, относящихся к группе «нано», имеют диаметр более 100 нм. Большинство производителей предлагают порошки диаметром от 5 до 100 нм. При определении цены не столь важен размер частиц, сколько важна чистота и однородность (http://nano-info.ru/post/439/Нанопорошки. Назначение, свойства, производство).

Поэтому, по мнению автора, оптимальным размер частиц нанопорошка должен быть от 5 до 30 нм с учетом существующего уровня производства названных материалов. В дальнейшем с учетом развития производства нанопорошков следует переходить на применение нанопорошков размером частиц менее 5 нм.

Известно (Нанопорошки.mht), что нанопорошки отличаются тем, что составляющие их наночастицы "слипаются" и формируют агрегаты, а агрегаты, в свою очередь, собираются в еще более крупные образования - агломераты. И уже агрегаты и агломераты ведут себя как отдельные частицы. Объединение (агрегация) наночастиц порошка происходит в результате стремления системы (порошка) уменьшить избыточную поверхностную энергию, которая присуща веществу в раздробленном, в том числе и в наноразмерном, состоянии. Все это должно учитываться при создании способа тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах.

Отличительным свойством названных порошков является возможность манипулирования с ними: нанопорошки можно сыпать, уплотнять, разрыхлять, склеивать и даже заставить течь. Отдельную наночастицу можно сравнивать с отдельной личностью, а нанопорошок - с толпой. Сама по себе частица - интересная, уникальная, особенная. Она характеризуется определенным химическим составом, твердостью, плотностью, электропроводностью, магнитными свойствами, гигроскопичностью и т.п. Наряду со свойствами вещества при описании частицы говорят о размере, форме, шероховатости поверхности, химическом составе поверхностного слоя, химическом составе слоев адсорбированных веществ, смачиваемости, диэлектрической проницаемости и растворимости поверхностного слоя (Нанопорошки.mht).

Известно (Тушение газовых и нефтяных фонтанов. Учебные материалы и литература. Глава 6.6., http://www.agps-mipb.ru), что газоводяные струи применяют для тушения пожаров всех видов фонтанов. Для этого используют автомобили с турбореактивными установками (АГВТ). Предельный дебит фонтана, который может быть потушен одним автомобилем газоводяного тушения, приведен в табл. 6.18. В тех случаях, когда АГВТ недостаточно, фонтан тушат комбинированно, газоводяными струями от АГВТ и водяными струями из лафетных стволов. При этом коэффициент эффективности лафетных стволов принимают равным 0,7. При тушении лафетные стволы устанавливают вокруг скважины так, чтобы газоводяные струи не могли сбить их с выбранных позиций. Стволы вводят до включения в работу и закрепляют на позициях.

Комбинированный прием тушения компактных фонтанов используют при дебите, превышающем предельный дебит фонтана, тушение которого возможно имеющимися АГВТ. В этом случае из фактического дебита вычитывают предельный дебит, который тушится АГВТ (см. табл. 6.18) и по полученной разности определяют требуемое число лафетных стволов, пользуясь табл. 6.17 и формулой (2.12).

Газоводяные струи, создаваемые этими установками, представляют собой смесь отработанных газов турбореактивного двигателя и распыленной воды. В газоводяной струе содержится около 60% воды и 40% газа, а концентрация кислорода не более 14%. По мере удаления от сопла содержание кислорода увеличивается и на рабочем расстоянии 12-15 м составляет 17-18%. Вода частично испаряется в струе раскаленного газа и в зону горения вода попадает в распыленном состоянии Экспериментально установлено, что газоводяная струя обладает высоким охлаждающим эффектом, например: при подаче 60 л/с воды (АГВТ-100) в течение 5 мин снижает температуру фонтанной арматуры, с 950 до 100-150°C. Эффективность тушения зависит от содержания воды в струе и имеет оптимальное значение в пределах 55-60 л/с.

Исходя из приведенных научных данных и исследованного уровня техники, связанных с практическим применением огнетушащих порошков, можно сделать следующие предположения.

1. Наиболее перспективным и универсальным огнетушащим средством, применяемым для ликвидации пожара на пожаро- и взрывоопасных объектах при температуре воздуха от +50°С до -60°С на безопасном для человека расстоянии, являются огнетушащие порошки.

2. Используя огромную удельную поверхность нанопорошков, можно значительно повысить эффективность объемного пожаротушения за счет того, что нанопорошки самым активным образом влияют на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения. При этом чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.

3. Доставка нанопорошков в импульсном режиме в зону фонтана над газоводяными струями позволяет избежать процесс отбрасывания восходящими конвективными потоками сверхлегких частиц, выполненных в виде нанопорошка, и облегчить их доступ к активным центрам горения.

В дальнейшем изобретение поясняется примерами его реализации, однако, не ограничивающим возможностей его осуществления.

На фиг. 1 представлена схема реализации заявляемого способа комбинированного тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах в момент дополнительной подачи в импульсном режиме огнетушащего порошкового вещества, выполненного в виде нанопорошка, в зону фонтана над газоводяными струями на первой (начальной) стадии тушения, на фиг. 2 – то же в момент поворота турбореактивного двигателя вокруг оси совместно с модулями газоводяного и порошкового пожаротушения на заключительной стадии тушения.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

При аварийном фонтанировании скважины струя 1 нефти и газа истекает из ее устья 2 с последующим воспламенении фонтана в виде горящего факела 3.

Перед началом тушения на поверхности земли размещают турбореактивный двигатель 4 на передвижной платформе 5, над которым смонтированы два модуля: газоводяного 6 и порошкового 7 пожаротушения. Модули 6 и 7 имеют возможность перемещаться совместно вокруг оси 8, что позволяет изменять траекторию движения газоводяных струй 9 и струи 10 огнетушащего порошкового вещества из нанопорошка в направлении горящего факела 3.

Согласно заявляемому способу тушение пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, осуществляется следующим образом.

После выхода турбореактивного двигателя 4 на рабочий режим оператор тушения производит тушение горящего факела 3, осуществляя следующие действия:

- подачу на первой (начальной) стадии (фиг. 1) тушения газоводяных струй 9 и струи 10 огнетушащего порошкового вещества из нанопорошка в зону горящего фонтана 11 горящего факела 3 из соответствующих модулей пожаротушения 6 и 7. Причем подачу огнетушащего порошкового вещества, выполненного в виде нанопорошка, в виде порошковой струи 10 осуществляют из порошкового модуля 7 в импульсном режиме в зону 11 горящего факела 3 над газоводяными струями 9;

- поворот модулей 6 и 7 вокруг оси 8 с целью изменения траектории движения газоводяных струй 9 и струи 10 огнетушащего порошкового вещества из нанопорошка в импульсном режиме в направлении зоны 11 горящего факела 3. Тем самым производят одновременное перемещение газоводяных струй 9 и струи 10 огнетушащего порошкового вещества из нанопорошка вдоль оси факела 3 снизу вверх фонтана. Это позволяет повысить эффективность тушения горящего факела 3.

По мере продвижения газоводяных струй 9 и струи 10 огнетушащего порошкового вещества из нанопорошка вдоль оси горящего факела 3 снизу вверх фонтана в направлении вершины факела 12 (фиг. 2) происходит:

- тушение в зоне 11 горящего факела 3 и смещение этой зоны к вершине факела 12;

- увеличение негорючего участка 13 струи 1.

В результате указанного взаимодействия достигается полное тушение горящего факела 3.

В заявляемом способе в качестве огнетушащего порошкового вещества используют нанопорошок, создают в контролируемой зоне концентрацию нанопорошка, достаточную для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени.

Используя огромную удельную поверхность нанопорошка, значительно повышается эффективность объемного пожаротушения за счет того, что нанопорошок самым активным образом влияет на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения факела 3. При этом чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.

Анализ современных теоретических представлений о механизмах порошкового тушения пожаров, возникших при авариях на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах, и общеизвестные сведения из уровня техники показал большую перспективу применения нанопорошков. Одним из путей этого применение является дальнейшее развитие комбинированного способа пожаротушения на особо важных объектах при тушении крупных пожаров в зонах неконтролируемого распространения огня при отсутствии в этих зонах людей с использованием предлагаемого способа тушения.

Заявляемое техническое решение просто в эксплуатации и может быть использовано для доставки при пожаре нанопорошка с помощью энергии ударной волны в контролируемую зону для создания концентрации нанопорошка, достаточной для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени.

Реферат

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники. Способ комбинированного тушения горящих фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах включает в себя одновременно с тушением фонтана газоводяными струями дополнительную подачу в импульсном режиме огнетушащего порошкового вещества в зону горящего фонтана над газоводяными струями. При этом в качестве огнетушащего порошкового вещества используют нанопорошок. Создают в контролируемой зоне концентрацию нанопорошка, достаточную для ингибирования пожаровзрывоопасной среды в течение времени, необходимого для подавления пламени. При этом при тушении производят одновременное перемещение газоводяных струй и потока огнетушащего порошкового вещества вдоль оси горящего факела снизу вверх. Техническим результатом является повышение ингибирующего действия порошков при объемном тушении отмеченных пожаров. 2 ил., 2 табл.

Формула