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.

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.