Научная статья на тему 'Методика оценки термодинамических характеристик тлеющего горения в пористых почвенных системах на нефтегазовых объектах'

Методика оценки термодинамических характеристик тлеющего горения в пористых почвенных системах на нефтегазовых объектах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
59
17
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЛЕЮЩЕЕ ГОРЕНИЕ / ПОРИСТЫЕ СИСТЕМЫ / НЕФТЕПРОДУКТЫ / ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ / SMOLDERING COMBUSTION / POROUS SYSTEMS / OIL PRODUCTS / FIRE HAZARD

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Зайкина М. И., Решетов А. П., Трофимец В. Я.

Предложена методика экспериментальной оценки термодинамических характеристик состояния пористой почвенной системы при внешнем тепловом нагреве, и проведены эксперименты по изучению динамики роста температуры в пористых системах при внешнем тепловом воздействии. На поверхности всех изученных образцов рост температуры происходил по экспоненциальному закону. На глубине 5 см во всех образцах зависимость роста температуры от времени описывалась сигмоидальной функцией Больцмана. Предложенная методика может использоваться для оценки пожароопасных свойств пористых материалов, в частности, систем почва-нефтепродукты на объектах нефтегазового комплекса.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TECHNIQUE OF ASSESSMENT OF THERMODYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE SMOLDERING COMBUSTION IN POROUS SOIL SYSTEMS ON OIL AND GAS OBJECTS

In work the technique of the experimental assessment of thermodynamic characteristics of a condition of porous soil system at external thermal heating is offered. On a surface of all studied exemplars body height of temperature happened under the exponential law. At a depth of 5 cm in all exemplars dependence of body height of temperature on time was described by sigmoidal function of Boltzmann. The offered technique can be used for assessment of fire-dangerous properties of sponges, in particular systems the soil oil products on objects of an oil and gas complex.

Текст научной работы на тему «Методика оценки термодинамических характеристик тлеющего горения в пористых почвенных системах на нефтегазовых объектах»

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЛЕЮЩЕГО ГОРЕНИЯ В ПОРИСТЫХ ПОЧВЕННЫХ СИСТЕМАХ НА НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТАХ

М.И. Зайкина;

A.П. Решетов, кандидат технических наук, профессор;

B.Я. Трофимец, доктор технических наук, профессор. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Предложена методика экспериментальной оценки термодинамических характеристик состояния пористой почвенной системы при внешнем тепловом нагреве, и проведены эксперименты по изучению динамики роста температуры в пористых системах при внешнем тепловом воздействии. На поверхности всех изученных образцов рост температуры происходил по экспоненциальному закону. На глубине 5 см во всех образцах зависимость роста температуры от времени описывалась сигмоидальной функцией Больцмана. Предложенная методика может использоваться для оценки пожароопасных свойств пористых материалов, в частности, систем почва-нефтепродукты на объектах нефтегазового комплекса.

Ключевые слова: тлеющее горение, пористые системы, нефтепродукты, пожарная опасность

TECHNIQUE OF ASSESSMENT OF THERMODYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE SMOLDERING COMBUSTION IN POROUS SOIL SYSTEMS ON OIL AND GAS OBJECTS

M.I. Zaykina; A.P. Reshetov; V.Ya. Trofimets.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

In work the technique of the experimental assessment of thermodynamic characteristics of a condition of porous soil system at external thermal heating is offered. On a surface of all studied exemplars body height of temperature happened under the exponential law. At a depth of 5 cm in all exemplars dependence of body height of temperature on time was described by sigmoidal function of Boltzmann. The offered technique can be used for assessment of fire-dangerous properties of sponges, in particular systems the soil - oil products on objects of an oil and gas complex.

Keywords: smoldering combustion, porous systems, oil products, fire hazard

Попадая в природную среду, нефтепродукты далеко не всегда оказываются выделенными в отдельную фазу, а могут образовывать единую систему с вмещающей средой, в частности, с почвой [1, 2]. Почва сама по себе представляет собой сложную органоминеральную гетерогенную пористую систему, находящуюся в состоянии постоянного обмена веществом и энергией с контактирующими с ними объектами живой и неживой природы. Еще более сложной системой становится почва, содержащая инородные нефтепродукты [3]. Почва, содержащая определенное количество нефти или нефтепродукта, может представлять пожарную опасность. Такая ситуация часто складывается на объектах нефтегазового комплекса. В работах [4, 5] рассмотрена возможность возникновения пожароопасных ситуаций при разлитии нефтепродуктов в почвенный слой и экспериментально установлены концентрации нефтепродуктов в почвах, при которых системы почва-нефтепродукт способны к зажиганию. Важной пожароопасной

характеристикой систем почва-нефтепродукты на объектах нефтегазового комплекса является скорость роста температуры в данных системах под воздействием внешнего излучения. Выяснению динамики роста температуры на поверхности и в глубине почвенного слоя посвящена данная работа.

Для оценки термодинамических характеристик тлеющего горения в пористых системах была сконструирована лабораторная установка [6]. В данной установке внешний тепловой нагрев образца осуществляется от электрических нагревателей, расположенных над поверхностью образца. Первоначально эксперименты проводились с различными типами почв без нефтепродуктов. Затем эксперименты повторялись с почвами, пропитанными нефтепродуктом в соотношении 2 см3 нефтепродукта на 200 г почвы каждого типа. Температура нагревателей устанавливалась 240 оС. Температура почвы измеряется при помощи двух термопар (на глубине 5 см и на поверхности) помещенных непосредственно в почву. Испытывались два типа почв - песчанистая супесь и суглинок. На рис. 1, 2 показаны примеры регрессионных зависимостей роста температуры на поверхности и в глубине образцов.

На поверхности всех изученных образцов рост температуры происходил по экспоненциальному закону. Так, в чистом песчанистом образце функция имела вид (рис. 1):

у =164:- 14?акр<-0^

при достоверности аппроксимации Я =0,98.

Максимальное расчетное значение температуры на поверхности песчаного образца равно 164 оС. Максимальное экспериментально зафиксированное значение составило 169 оС. К 21 мин эксперимента температура поверхности образца достигает значений близких к максимальной, то есть температура поверхности практически стабилизируется.

Рис. 1. Динамика изменения температуры на поверхности песчанистого образца

без привнесения нефтепродукта

На глубине 5 см во всех образцах зависимость роста температуры от времени описывалась сигмоидальной функцией Больцмана:

61 -и

7= +--?->

! |

где 11 и 1 - соответственно нижняя и верхняя асимптоты, оС; А1=11—12 - амплитуда, оС; Тк - точка перегиба функции (критическое состояние системы), мин.

г = ? —

В точке перегиба значение функции & ~ °С.

Так в чистом песчанистом образце функция имела вид, представленный на рис. 2, со следующими коэффициентами регрессионной зависимости: 1^=20 оС; 1;2=79 оС; тк=14,6 мин; при достоверности аппроксимации Я2=0,99.

Значение функции в точке перегиба равно ук=49,5 °С.

время, мин

Рис. 2. Динамика изменения температуры в песчанистом образце на глубине 5 см

без привнесения нефтепродукта

Физический смысл точки перегиба функции заключается в смене динамики подъема температуры. До точки перегиба рост температуры идет по возрастающей положительной экспоненте, после точки перегиба - по возрастающей отрицательной экспоненте. На глубине 5 см в песчаном образце температура близкая к максимальной достигается примерно к 24 мин эксперимента.

На рис. 3 показана зависимость изменения разницы температур между поверхностным слоем чистого песчанистого образца и слоем на глубине 5 см в ходе эксперимента:

А? = ?пеЕ. — ^рл.

100 80 60 40 20 0

0 5 10 15 20 25 30 35

время, мин

Рис. 3. Динамика изменения разницы температур между поверхностным слоем чистого песчанистого образца и слоем на глубине 5 см

Темп роста температуры на поверхности чистого песчанистого образца опережает скорость роста температуры этого образца на глубине 5 см. Это особенно проявляется на начальном этапе прогрева. Примерно от 7 и до 12 мин прогрева разница между указанными температурами составляет около 110 оС. Затем эта разница немного снижается и после 20 мин стабилизируется на уровне около 90 оС.

В настоящей работе предложена методика экспериментальной оценки термодинамических характеристик состояния пористой почвенной системы при внешнем тепловом нагреве. Методика включает определение следующих характеристик:

- максимальная температура на поверхности образца;

- время достижения максимальной температуры поверхности образца;

- функциональный закон, по которому меняется температура поверхности образца;

- максимальная температура в глубине образца;

- время достижения максимальной температуры в глубине образца;

- функциональный закон, по которому меняется температура в глубине образца;

- критическая температура в глубине образца, при которой изменяются динамические характеристики роста температуры;

- время, соответствующее критической температуре в глубине образца;

- динамика изменения разницы температур между поверхностью образца и в глубине образца.

Аналогичные термодинамические характеристики состояния системы при внешнем тепловом нагреве были определены для чистого глинистого образца, а также для образцов, пропитанных нефтепродуктом (НП) (табл. 1, 2).

Таблица 1. Термодинамические характеристики на поверхности пористой почвенной системы

при внешнем тепловом нагреве

Тип почвы Поверхность

. ОС ^ 10 мин, ^ . ос ^ 20 мин, ^ г оС ^ тах расч, ^ г оС ^ тах, ^ Т тах, мин

Песчанистая Чистый 142 157 164 169 й21 ехр

С НП 169 188 193 198 к21 ехр

Глинистая Чистый 127 134 134 138 ^17 ехр

С НП 161 168 169 172 ^16 ехр

Таблица 2. Термодинамические характеристики в глубине пористой почвенной системы

при внешнем тепловом нагреве

Тип почвы Глубина 5 см

г оС ^ крит., ^ Т крит., мин г оС ^ тах, ^ Т тах, мин

Песчанистая Чистый 49,5 14,6 79 ^24 ВоИгтап

С НП 38,5 17 95 ^29 ВоИгтап

Глинистая Чистый 43,5 6,7 73 «19 ВоИгтап

С НП 44 7 77 ^24 ВоИгтап

Таким образом, в глубине чистого глинистого образца также, как и в песчанистом образце, время наступления критического значения температуры близко ко времени выравнивания температуры на поверхности данного образца.

Динамика изменения разницы температур между поверхностью образца и слоем на глубине 5 см в глинистом образце приведена на рис. 4. Здесь максимальная разница между температурами поверхности и в глубине образца достигается на 7 мин и составляет примерно 90 оС. К 12 мин эта разница выравнивается и составляет примерно 55-60 оС.

Л*, 'С 100

80

60 40 20 О

О

Рис. 4. Динамика изменения разницы температур между поверхностным слоем глинистого

образца и слоем на глубине 5 см

Во второй серии экспериментов определялись термодинамические характеристики почвенных систем с занесенными в них нефтепродуктами при внешнем тепловом нагреве. В качестве нефтепродукта использовалось дизельное топливо. Термодинамические характеристики, полученные в результате данных экспериментов, приведены в табл. 1, 2.

Максимальное расчетное значение температуры на поверхности песчаного образца равно 193 оС. Максимальное экспериментально зафиксированное значение составило 198 оС. Выравнивание температуры на поверхности песчаного образца, загрязненного дизельным топливом, происходит примерно к 21 мин эксперимента. Максимальная температура при этом выше, чем в чистом песке примерно на 30 градусов. Видимо это происходит из-за разогрева нефтепродукта за счет термоокислительных процессов.

Скорость нарастания температуры в глубине песчаного образца с дизельным топливом заметно ниже, чем в образце чистого песка. Максимальная температура

время, мин

достигается только к 29-30 мин, однако к концу эксперимента максимальная температура на глубине 5 см достигает значения 95 оС, что выше, чем в образце чистого песка примерно на 15 градусов.

Максимальная разница между температурами на поверхности и в глубине образца песка с дизельным топливом достигается на 12 мин и составляет 145 градусов. После этого разница между температурами поверхности и глубинным слоем в данном образце постепенно уменьшается, стабилизируясь только к концу эксперимента на уровне 100 оС.

Аналогичные данные получены для образцов глинистой почвы, загрязненной нефтепродуктом. В табл. 3 приведены сводные данные по динамике изменения разницы температур между поверхностным слоем изученных образцов и слоем на глубине 5 см.

Таблица 3. Динамика изменения разницы температур между поверхностным слоем и слоем на глубине 5 см изученных образцов

Тип грунта М оС Т & тах, мин д* ос стабэ Т & стаб, мин

Песок 110 7 90 20

Песок с НП 145 12 100 30

Глина 90 7 55 12

Глина с НП 103 5 97 8

Рис. 5. Динамика роста температуры на поверхности образцов

На рис. 5, 6 данные по динамике роста температуры на поверхности и в глубине изученных образцов приведены в графическом виде. Эксперименты показали, что содержание в почвенном слое нефтепродукта увеличивает динамику разогрева образцов. Скорость подъема температуры на поверхности образцов, содержащих дизельное топливо, примерно в 1,2^1,3 раза выше, чем на поверхности чистых образцов.

Разогрев поверхностного слоя почвы происходит по экспоненциальной зависимости. Время достижения максимальной температуры не зависит от наличия в образцах нефтепродукта и составляет для песчанистых образцов около 21 мин, для глинистых образцов - 16-17 мин.

50

100

150

200

I, оС

0

Рис. 6. Динамика роста температуры в образцах на глубине 5 см

На глубине 5 см динамика роста температуры в глинистом образце, содержащем нефтепродукт, очень незначительно превышает таковую в чистом глинистом образце. В песчанистом образце, содержащем дизельное топливо, разогрев на глубине 5 см происходит заметно интенсивнее, чем в чистом образце.

Разогрев слоя почвы на глубине 5 см происходит по сигмоидальной зависимости. Время достижения максимальной температуры в песчанистом образце больше, чем в глинистом. Рост температуры в образцах с дизельным топливом происходит дольше, чем в чистых образцах и достигает больших значений.

В целом предлагаемая методика позволяет изучать динамику температурных изменений в пористых материалах, в том числе в материалах, содержащих инородные нефтепродукты. Полученные результаты могут служить основой для оценки пожароопасных свойств пористых материалов, в частности, систем почва-нефтепродукты на объектах нефтегазового комплекса.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Литература

1. Джиошвили О. А., Рубилов С.Н., Галишев М.А. Экспериментальное исследование влияния физических свойств почвенных отложений на их нефтенасыщение при анализе чрезвычайных ситуаций в северных регионах // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2012. № 1. С. 16-24.

2. Рубилов С.Н., Галишев М.А., Моторыгин Ю.Д. Системное описание нефтяного загрязнения почвенных отложений с использованием перколяционных моделей // Технологии техносферной безопасности. 2013. Вып. 6 (52).

3. Ожегов Э.А., Дементьев Ф.А., Ловчиков В. А. Люминесцентные характеристики экстрактов полиядерных ароматических углеводородов для идентификации нефти // Технологии техносферной безопасности. 2013. № 5.

4. Нерубенко А.С., Галишев М.А., Ловчиков В.А. О пожарной опасности аварийных разливов нефти и нефтепродуктов // Технологии техносферной безопасности. 2016. Вып. 3 (67).

5. Галишев М.А. Исследование пожарной опасности почвенных систем при разлитии в них нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25. № 9. С. 38-45.

6. Зайкина М.И., Дементьев Ф.А., Алексеев А.С. Экспериментальная установка для изучения динамики роста температуры при различных режимах горения пористых материалов // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России. 2016. № 1. С.37-44.

References

1. Dzhioshvili O.A., Rubilov S.N., Galishev M.A. Ehksperimental'noe issledovanie vliyaniya fizicheskih svojstv pochvennyh otlozhenij na ih neftenasyshchenie pri analize chrezvychajnyh situacij v severnyh regionah // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2012. № 1. S. 16-24.

2. Rubilov S.N., Galishev M.A., Motorygin Yu.D. Sistemnoe opisanie neftyanogo zagryazneniya pochvennyh otlozhenij s ispol'zovaniem perkolyacionnyh modelej // Tekhnologii tekhnosfernoj bezopasnosti. 2013. Vyp. 6 (52).

3. Ozhegov Eh.A., Dement'ev F.A., Lovchikov V.A. Lyuminescentnye harakteristiki ehkstraktov poliyadernyh aromaticheskih uglevodorodov dlya identifikacii nefti // Tekhnologii tekhnosfernoj bezopasnosti. 2013. № 5.

4. Nerubenko A.S., Galishev M.A., Lovchikov V.A. O pozharnoj opasnosti avarijnyh razlivov nefti i nefteproduktov // Tekhnologii tekhnosfernoj bezopasnosti. 2016. Vyp. 3 (67).

5. Galishev M.A. Issledovanie pozharnoj opasnosti pochvennyh sistem pri razlitii v nih nefteproduktov // Pozharovzryvobezopasnost'. 2016. T. 25. № 9. S. 38-45.

6. Zajkina M.I., Dement'ev F.A., Alekseev A.S. Ehksperimental'naya ustanovka dlya izucheniya dinamiki rosta temperatury pri razlichnyh rezhimah goreniya poristyh materialov // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2016. № 1. S. 37-44.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.