СПОСОБ ГАШЕНИЯ ГОРЯЩЕГО ФАКЕЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК A62C3/00 A62C3/06 A62C27/00 E21B35/00 

Изобретение относится к пожарной технике, а именно к способам и устройствам гашения горящих фонтанов нефтяных, газовых и нефтегазовых скважин (горящих факелов).

Известные способы и устройства гашения горящих факелов базируются на двух принципиально разных подходах на подавлении горения или срыве пламени.

В первом случае в зону горения подают охлаждающие и огнегасящие средства специальные порошки, пену, воду, инертные газы, отработанные газы турбореактивного двигателя (см. например, патент Великобритании N 2085296, кл. А 62 С 3/00, 1980; авторские свидетельства СССР: N 3149995, кл. А 62 С 35/52, 1985; N 1430032, кл. А 62 С 1/12, 1986; N 1502811, кл. Е 21 В 35/00, 1985; N 751401, кл. А 62 С 3/00, 1977; [1] и [2] При этом воздействию подвергается значительная часть горящей массы вещества факела, а механизм гашения сводится к снижению концентрации окислителя в горящем факеле (кислорода воздуха, подмешиваемого из атмосферы), введению ингибиторов и снижению температуры в зоне горения, что приводит к подавлению реакции горения в факеле. Однако это связано с большими расходами гасящего вещества, сравнимыми с расходом вещества горящего факела, который более чем на порядок превышает исходный дебит скважины, т.е. механизм гашения имеет низкую эффективность.

При реализации второго подхода (срыв пламени) используется взрывной метод или метод увода фронта горения от устья скважины с помощью, например, водяных струй (см. указанную выше книгу "Открытые фонтаны и борьба с ними", стр. 87-90, авторское свидетельство СССР N 856464, кл. А 62 С 3/00, Е 21 В 35/00, 1979 г. и др.). В случае взрыва воздействие осуществляется на всю массу вещества факела (факел "срывается", что также требует больших расходов гасящего вещества и специальных средств-сооружений для их подачи. В случае подъема горящей части фонтана на высоту с помощью водяных струй воздействие осуществляется на значительную часть факела, расположенную по его периферии, что также требует больших расходов гасящего вещества, значительного количества лафетных стволов, установленных равномерно вокруг горящей скважины, и синхронности их работы.

В качестве прототипов изобретения выбран способ гашения струей турбореактивного двигателя [2] и пожарный автомобиль с турбореактивным двигателем на нем [1]
Выбранным прототипам, помимо указанных выше недостатков, присущи неоптимальная геометрия формирующего струю соплового аппарата (дозвуковое, осесимметричное сопло), в результате чего осуществляется воздействие лишь на часть горящего факела, а также отсутствие приспособлений компенсации реактивного воздействия струи на аппарат. Это приводит к необходимости усиления и утяжеления конструкции и необходимости воздействовать на факел после остановки и закрепления транспортного средства, что требует дополнительных мероприятий по защите от теплового воздействия горящего факела.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что формируют струю газа плоской и сверхзвуковой, ориентируют плоскость струи поперек оси факела и воздействуют на факел до отхода от струи нагретого облака вещества факела и продуктов сгорания и охлаждения указанного облака до температуры, исключающей воспламенение вещества факела; после отхода нагретого облака от струи и его охлаждения до температуры, исключающей воспламенение вещества факела, опускают струю на устье и продолжают гасящее воздействие до температур устья и окружающих его поверхностей, исключающих воспламенение вещества факела; ориентируют плоскость симметрии струи на ось факела. При этом для более простого решения поставленной задачи и достижения большей эффективности плоскую струю газа формируют из отдельных струй с эквивалентными плоской струе параметрами; отдельные струи формируют неплоскими; начальное сечение струи приближают по направлению ее истечения к факелу вплоть до его границы; расход газа струи по мере отхода от струи и охлаждения облака уменьшают в 1,2-1,5 раза и увеличивают его до исходного значения при опускании струи на устье факела; дополнительные охлаждающие и огнегасящие средства подают в зону факела ниже струи газа. Дополнительные охлаждающие и огнегасящие средства можно вводить в струю газа и соосно последней.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что сопловый аппарат основного рабочего вещества выполнен в виде установленных в ряд в горизонтальной плоскости (симметрично плоскости симметрии соплового аппарата) сверхзвуковых сопел, каждое из которых сообщено с общим ресивером и закреплено на нем, при этом ресивер снабжен по крайней мере двумя дополнительными соплами, расположенными симметрично по сторонам ресивера и направленными противоположно сопловому аппарату; критические сечения сопел в сопловом аппарате основного рабочего вещества уменьшаются по мере удаления от плоскости симметрии соплового аппарата; критические сечения дополнительных сопел увеличиваются по мере удаления от плоскости симметрии ресивера; сопловый аппарат дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств выполнен в виде ресивера с соплами, установленными симметрично плоскости его симметрии в ряд и горизонтальной плоскости. Ресивер и сопла соплового аппарата охлаждающих и огнегасящих средств могут быть расположены внутри ресивера соплового аппарата основного рабочего вещества, при этом сопла дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств установлены симметрично плоскости симметрии соплового аппарата и соосно соплам соплового аппарата основного рабочего вещества. Сопла основного рабочего вещества могут иметь круглое поперечное сечение. Подводящие рабочие вещества трубопроводы вместе с сопловыми аппаратами могут, например, представлять собой конструкцию типа пантографа, при этом ресиверы закрепляются на концах трубопроводов шарнирно в продольной плоскости. Предусматривается подсоединение к торцам каждого ресивера дополнительных секций с соплами, а сопла соплового аппарата основного рабочего вещества имеют с целью перестановки одинаковые посадочные места.

На фиг. 1 представлена схема горящего факела (нефтяного, газового или нефтегазового); на фиг. 2 схема взаимодействия факела и гасящей струи газа; на фиг. 3 циклограмма воздействия струи на факел (изменение расхода газа в процессе воздействия струи на факел); на фиг. 4 схема формирования плоской струи из нескольких отдельных струй (плоских и неплоских, например, осесимметричных); на фиг. 5 общий вид устройства гашения; на фиг. 5 вид по стрелке А на фиг.5.

Обозначения на фигурах: 1 факел, 2 плоская сверхзвуковая гасящая струя; 3 и 4 соответственно оси струи и факела, 5 начальное сечение струи, 6 облако продуктов сгорания и вещества факела, 7 отдельные струи, из которых формируют плоскую струю.

Устройство гашения включает транспортное средство 8, сопловый аппарат 9, источник основного рабочего вещества 10, источник дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств 11, трубопроводы 12, запорно-регулирующую аппаратуру 13, сопла основного рабочего вещества 14, его ресивер 15, дополнительные сопла 16, ресивер 17 и сопловый аппарат (сопла) 18 дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Как правило, нефтяной, газовый или нефтегазовый потоки истекают из скважины под действием значительного перепада давления. При этом в случае нефтегазового потока в нем по мере подъема к поверхности возрастает газовая составляющая в потоке за счет выделения из нефти растворенного газа. В результате при выходе из устья нефтегазовый поток представляет собой затопленную газожидкостную струю. Скважинная струя смешивается с окружающим газообразным окислителем (воздухом) и воспламеняется за счет лучистого нагрева смеси до температуры самовоспламенения и за счет распространения фронта пламени в слое смешения, образуя горящий факел. На факел воздействуют сформированной плоской сверхзвуковой струей, плоскость которой ориентирована поперек оси факела (перпендикулярна оси факела или наклонена к ней на некоторый угол).

В результате воздействия струи горящий факел разделяется на две области: нижнюю (под струей), движущуюся под некоторым углом к горизонту, и верхнюю (над струей), движущуюся в т.ч. в вертикальном направлении. При этом в обоих областях может продолжаться горение. Верхняя область образует облако, которое под действием начальной скорости факела и архимедовых сил всплывает на большую высоту (50-100 м). Из-за неравномерности температуры в облаке образуется сложная структура, интенсивно подмешивающая окружающий воздух. По мере остывания облака за счет подмешивания больших масс воздуха и излучения, а также из-за аэродинамического сопротивления скорость его падает. Как показывают выполненные авторами расчеты, характерное время подъема и охлаждения облака составляет для факелов с большим дебитом (более 10⁴ т/сут) ≈10с. Если температура в облаке снизится ниже температуры самовоспламенения вещества факела, то при снятии воздействия струи повторного воспламенения в облаке не произойдет.

Продолжение горения или воспламенения горючей смеси возможно в нижней области под струей из-за наличия воспламенителей раскаленных поверхностей и арматуры скважины. Для подавления этих очагов горения и воспламенения опускают струю на устье факела после отхода нагретого облака и охлаждения его до температур, исключающих воспламенение вещества факела.

Для облегчения условий срыва и подавления пламени в струю вводят дополнительные охлаждающие и огнегасящие средства, ими воздействуют также на очаги горения и нагретые участки ниже газовой струи.

Максимальный эффект воздействия струи достигается при расположении начального сечения струи в непосредственной близости к границе факела. Однако сделать это с самого начала воздействия не всегда представляется возможным. Поэтому воздействие на факел начинают, как правило, с некоторого (допустимого, например, по температурным условиям) удаления от него и в процессе воздействия надвигают струю на факел.

По мере приближения к факелу и удаления всплывающего облака от струи в целях экономии целесообразно и, как показали экспериментальные исследования, вполне допустимо снизить расход газа в струе в 1,2-1,5 раза. При опускании гасящей струи на устье факела для гашения остаточных очагов горения следует увеличить расход газа в струе до исходного значения, что обеспечивает гарантированное гашение очагов горения. Пример такого изменения расхода приведен на фиг. 3.

В целях повышения эффективности гашения наряду с воздействием газовой струи целесообразно воздействовать на факел дополнительными охлаждающими и огнегасящими средствами.

Учитывая значительные поперечные размеры факела (до нескольких метров), сформировать плоскую струю таких размеров с заданными параметрами технически достаточно сложно. Поэтому более простым и надежным является способ, когда струю с эквивалентными плоской струе параметрами формируют из отдельных струй (см. фиг.4). При этом отдельные струи могут быть и не плоскими.

Устройство гашения горящего факела (см.фиг.5) работает следующим образом.

Транспортное средство 8 начинает движение по направлению к факелу. В процессе движения транспортное средство, расположенная на нем аппаратура могут защищаться от воздействия горящего факела с помощью известных способов и устройств (например, орошением транспортного средства и его систем, окружающего пространства водой через специальные сопла). Положение (высота Н и угол наклона) соплового аппарата 9 с сопловым аппаратом дополнительных средств 18 может регулироваться как заранее, так и в процессе движения транспортного средства с помощью, например, гидравлических систем 20 и 21. На исходном расстоянии от факела с помощью запорно-регулирующей аппаратуры 13 обеспечивается по выбранной циклограмме расход основного гасящего рабочего вещества и расход дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств.

Сопловый аппарат 9 устройства может быть выполнен в виде одного плоского профилированного сверхзвукового сопла. Однако технологически более приемлемым является выполнение соплового аппарата, как отмечалось выше, в виде отдельных, расположенных в ряд в горизонтальной плоскости сопел, закрепленных на ресивере и сообщенных с ним (см. фиг.6). Для гашения факела конкретного размера размер соплового аппарата можно легко изменить пристыковкой к торцам ресивера дополнительных секций с соплами (или снятием секций).

Реактивное воздействие газовой струи на устройство может достигать нескольких тонн. Это воздействие компенсируется с помощью дополнительных сопел 16, направленных противоположно соплам 14 основного соплового аппарата 9. Суммарная площадь критических сечений дополнительных сопел 16 выбирается равной произведению суммарной площади критических сечений сопел 14 на cosγ где γ угол между осью дополнительных сопел 16 и осью 19.

Ресивер и сопловый аппарат дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств могут располагаться так, как это показано на фиг. 5 или 6.

Выполнение трубопроводов по типу пантографа и расположение ресивера (ресиверов) на концах труб (см. фиг.5) позволяет упростить конструкцию и управление установкой.

При этом изменение углового положения струи в горизонтальной плоскости обеспечивается за счет поворота относительно продольной оси ресивера с помощью, например, гидроцилиндров 20.

Расчеты авторов и проведенные эксперименты показывают, что с помощью рассмотренного выше способа и установки можно гасить горящие газовые факелы (фонтаны) с дебитом ≈2 ·10⁶ нм³/сут и нефтяные (нефтегазовые) факелы с дебитом ≈10⁴ т/сут.

Использование: в пожарной технике, в частности в процессе пожаротушения горящих фонтанов нефтяных и/или газовых скважин. Сущность изобретения: тушение ведут воздействием на горящий факел 1 газовой плоской сверхзвуковой струей 2 в условиях непроницаемости газовой струи 2. Плоскость струи 2 ориентируют поперек оси 4 факела, отсекают горящую часть факела и оказывают гасящее воздействия на факел до отхода от струи 2 нагретого облака 6 вещества и продуктов сгорания и охлаждения этого облака до температуры ниже температуры воспламенения вещества факела. Затем струю опускают на устье факела, подавляют очаги горения ниже гасящей струи и охлаждают нагретые конструкции и поверхности вокруг устья до температур, исключающих воспламенение вещества факела. Наряду с газовой струей 2 на горящий факел воздействуют огнегасящим и охлаждающим веществами. Сопловый аппарат для формирования плоской струи выполнен в виде установленных в ряд в горизонтальной плоскости сверхзвуковых сопел. Каждое сопло может выполняться неплоским. Площади критических сечений сопел уменьшаются по мере удаления от плоскости симметрии соплового аппарата. Для компенсации реактивной тяги и защиты устройства от воздествия горящего факела по краям ресивера установлены, по крайней мере, два дополнительных сопла, направленных противоположно соплам, формирующим гасящую струю. Площади критического сечения дополнительных сопел увеличиваются по мере удаления от плоскости симметрии ресивера. Сопловый аппарат с ресивером закреплен шарнирно на концах подводящих рабочее и дополнительные вещества трубопроводов, выполненных по типу пантографа. 17 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ гашения горящего факела, заключающийся в том, что формируют струю газа, воздействуют на факел выше его устья, дополнительно со струей газа воздействуют на факел дополнительными охлаждающими и огнегасящими средствами, отличающийся тем, что струю газа формируют плоской и сверхзвуковой, с возможностью изменения профиля плотности расхода в струе ориентируют плоскость струи поперек оси факела и воздействуют на факел до отхода струи нагретого облака вещества факела и продуктов сгорания и охлаждения облака до температуры, исключающей воспламенение вещества факела. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после отхода нагретого облака от струи и его охлаждения до температуры, исключающей воспламенение вещества факела, опускают струю на устье и продолжают гасящее воздействие до температур устья и окружающих его поверхностей, исключающих воспламенение вещества факела. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ориентируют плоскость симметрии струи на ось факела и задают распределение плотности расхода в плоскости струи с максимумом на ее оси. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что плоскую струю газа формируют из отдельных струй с эквивалентными плоской струе параметрами. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что отдельные струи плоской струи формируют неплоскими. 6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что начальное сечение струи приближают по направлению ее истечения к факелу вплоть до его границ. 7. Способ по пп.2 - 6, отличающийся тем, что по мере отхода от струи и охлаждения нагретого облака расход газа уменьшают в 1,2 - 1,5 раза и увеличивают его до исходного значения при опускании струи на устье факела. 8. Способ по пп.1 - 7, отличающийся тем, что дополнительные охлаждающие и огнегасящие средства подают в зону факела ниже струи газа. 9. Способ по пп.1 - 7, отличающийся тем, что дополнительные охлаждающие и огнегасящие средства вводят в струю газа соосно с последней. 10. Устройство для гашения горящего факела, содержащее транспортное средство, установленный на транспортном средстве с возможностью изменения положения сопловый аппарат, источник основного рабочего вещества, источник дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств, трубопроводы и пуско-регулирующую аппаратуру для сообщения соответствующего источника с сопловым аппаратом, отличающееся тем, что сопловый аппарат основного рабочего вещества выполнен в виде установленных в ряд в горизонтальной плоскости симметрично плоскости симметрии соплового аппарата сверхзвуковых сопл, каждое из которых сообщено с общим ресивером и закреплено на нем, при этом ресивер снабжен по крайней мере двумя дополнительными соплами, расположенными симметрично по сторонам ресивера и направленными противоположно сопловому аппарату. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что критические сечения сопл в сопловом аппарате основного рабочего вещества уменьшаются по мере удаления от плоскости симметрии соплового аппарата. 12. Устройство по пп.10 и 11, отличающееся тем, что критические сечения дополнительных сопл увеличиваются по мере удаления от плоскости симметрии ресивера. 13. Устройство по пп. 10 - 12, отличающееся тем, что сопловый аппарат дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств выполнен в виде ресивера с соплами, установленными симметрично плоскости его симметрии в ряд горизонтальной плоскости. 14. Устройство по пп.10 - 13, отличающееся тем, что сопла основного рабочего вещества имеют круглое поперечное сечение. 15. Устройство по пп.10 - 14, отличающееся тем, что ресивер и сопла соплового аппарата дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств расположены внутри ресивера соплового аппарата основного рабочего вещества, при этом сопла дополнительных охлаждающих и огнегасящих средств установлены симметрично плоскости симметрии соплового аппарата и соосно с соплами соплового аппарата основного рабочего вещества. 16. Устройство по пп.10 - 14, отличающееся тем, что подводящие рабочие вещества трубопроводы выполнены в виде пантографа, при этом ресиверы закреплены на концах трубопроводов шарнирно в продольной плоскости. 17. Устройство по пп.10 - 16, отличающееся тем, что каждый ресивер выполнен с возможностью подсоединения к его концам дополнительных секций с соплами. 18. Устройство по пп.10 - 17, отличающееся тем, что сопла соплового аппарата основного рабочего вещества имеют одинаковые посадочные места.