張寶良 孫建剛 李姍姍 崔利富

1大慶油田設計院 2大連民族學院土木建筑工程學院

原油池火災的火焰特性實驗

張寶良1孫建剛2李姍姍2崔利富2

1大慶油田設計院 2大連民族學院土木建筑工程學院

對大慶油田原油池火災在不同池直徑下火焰高度、火焰最高溫度、油層溫度及池壁溫度等火焰特性進行了實驗測試，實驗結果反映了池火災火焰的動態(tài)變化情況，得到池火災火焰如下的變化規(guī)律：穩(wěn)定燃燒時，原油池火災火焰高度及火焰最高溫度均隨著池直徑的增加而增加，原油池池中心的最高溫度高于池壁最高溫度，原油池池壁溫度隨著池直徑增加而減小。

原油池火災；火焰高度；火焰溫度；火災實驗

石油儲運安全直接關系到我國能源戰(zhàn)略安全。在不同類型的火災中，池火災最為常見，雖然池火災的直接影響面積比其他的大型事故（例如沸騰液體膨脹性蒸汽爆炸或氣云爆炸）小，但火焰對生產設備的影響會引起危險性物料的進一步泄漏，并導致更為嚴重的事故；如果火焰直接接觸到設備表面，由于熱流量非常高，會使情況變得更加危險。

由于火災實驗研究受資金、安全、環(huán)保等因素的限制，我國目前開展的火災實驗研究較少，相應的實驗數據較為缺乏。本文的實驗研究結果將揭示池火災火焰特性的變化規(guī)律，并將為后續(xù)計算機數值模擬池火災燃燒過程提供所需的燃燒基本條件，還可驗證理論計算的準確性。

1 實驗系統(tǒng)

實驗采用大慶油田原油，池直徑分別為1.5、2.0、3.0和5.0 m，深度為0.15 m，為了解決油罐罐底在加工和安裝過程中出現(xiàn)的變形而導致油層厚度不均以及模擬油罐真實情況，在罐底加50 mm的水墊層，油層漂浮在水面高度100 mm，這樣在整個燃燒面積上油層厚度均可保持一致。實驗時將圓盤放于實驗燃燒池中心，為確保安全，在實驗燃燒池外圍設置保護網，保護網采用鋼骨架內焊接2 mm厚沖孔鋼板網，鋼結構骨架采用L70 mm×70 mm× 8 mm角鋼，焊接鏈接，柱下設置C15混凝土基礎，角鋼柱插入基礎。

實驗記錄環(huán)境溫度、風速和風向、油層溫度、池壁溫度、火焰高度與沿高度的火焰最高溫度等。為測量油層溫度，沿圓盤中心布設具有刻度標志的標桿，并從原油液面起從上至下每2 cm布設一個高溫傳感器。實驗方案詳見圖1。圖1中T1～T5為油品溫度測點。為測量池壁溫度，沿池壁豎向每2 cm布設一個高溫傳感器。圖1中T6～T10為池壁溫度測點，其分別與T1～T5測點等高。在底部引出一U型管，在U型管上刻上刻度，并由攝像系統(tǒng)記錄U型管的刻度，由此來計算豎向燃燒速度，該值作為后續(xù)數值模擬池火災的輸入值。本實驗利用紅外成像系統(tǒng)記錄火焰圖像、火焰高度及火焰溫度等。

圖1 圓盤池火災實驗示意

2 實驗結果及分析

2.1 池火溫度

火焰溫度是油池燃燒的基本熱力參數之一，火焰溫度的測量對了解原油池火燃燒過程、燃燒產物特性，建立合理的熱輻射模型具有重要意義。

利用紅外成像系統(tǒng)測試火焰高度及沿高度上的火焰溫度，從直徑為3 m原油池點火后567 s時攝像系統(tǒng)及紅外成像系統(tǒng)測試圖像可看出，可見光圖像及紅外圖像此時火焰高度為7.693 m，火焰的最高溫度為1 138.038℃。通過上述攝像系統(tǒng)及紅外成像系統(tǒng)可得燃燒過程中火焰的瞬時高度及最高溫度的變化。從池直徑分別為1.5、2、3及5 m原油池火焰在點火后500～540 s時間內火焰最高溫度的變化情況可見，在500～540 s時間內上述4種池直徑下火焰最高溫度均基本穩(wěn)定，只有較小范圍內的跳動，表明直徑為1.5、2、3及5 m池火焰在點火后500～540 s時間內均為穩(wěn)定燃燒。直徑1.5 m池火焰最高溫度830℃左右，直徑2 m池火焰最高溫度920℃左右，直徑3m池火焰最高溫度1 155℃左右，直徑5 m池火焰最高溫度1 238℃左右，原油池火焰最高溫度隨著池直徑的增加而增加。

本實驗同時利用高溫傳感器T1～T5測量油層溫度。在燃燒未開始時，T1～T5高溫傳感器全都在原油中，隨著燃燒的進行，露出油面的高溫傳感器將測量火焰底部的溫度，高溫傳感器T6～T10用于測量池壁的溫度。圖2為直徑2 m的原油池油層溫度與池壁溫度的比較結果。由上述分析可知，直徑2 m原油池火焰在點火500～540 s內為穩(wěn)定燃燒階段，各測點溫度也基本保持穩(wěn)定。因此在此選取各測點在點火后500～540 s內平均溫度作為圖2縱坐標，從結果可見，本實驗所測直徑2 m原油池池中心溫度從上至下逐漸降低，池中心最高溫度高于池壁最高溫度。從不同原油池直徑池壁溫度T6～T10的溫度比較可發(fā)現(xiàn)，在同一高度處，池直徑越大，池壁溫度越小。

圖22 m原油池油層溫度與池壁溫度的比較

2.2 火焰高度

火焰高度是描述油池火的一個基本參數，由于火焰高度直接影響池火焰對相鄰物體的熱輻射，從而影響火災的蔓延，因此池火焰高度一直是普遍關注的一個重要參量。根據SFPE中關于側向風作用條件下火焰高度的定義，火焰高度定義為火焰鋒線與燃燒表面之間的垂直距離。利用實驗測量數據，可研究原油池火焰高度與油池直徑之間的關系。

實驗條件為：環(huán)境溫度-4.6℃～-8.2℃，濕度36%～62%，由于本實驗為室外開放實驗，風速不能人為控制，只能盡量在風速相近的時間內進行實驗，4組實驗中最大風速為1.3 m/s，平均風速相對較為接近。圖3是池直徑分別為1.5、2、3和5 m原油池火焰在燃燒后500～540 s內火焰瞬時高度變化情況，從圖中可以清楚地看出，原油池火燃燒過程中火焰脈動和跳躍現(xiàn)象。由上述分析可知，池直徑分別為1.5、2、3及5 m原油池火焰在點火500～540 s內為穩(wěn)定燃燒階段。因此同樣選取池火焰在點火500～540 s內火焰瞬時高度的平均值進行比較，如圖3中虛線所示，池直徑為1.5 m時火焰高度平均值為2.52 m，池直徑為2 m時火焰高度平均值為2.85 m，池直徑為3 m時火焰高度平均值為7.78 m，池直徑為5 m時火焰高度平均值為9 m。由此可見，池火災火焰高度隨著池直徑的增加而增加。

圖3 不同池直徑下原油池火焰高度的變化

3 結論

對大慶油田原油池火災在不同池直徑下火焰高度、火焰最高溫度、油層溫度及池壁溫度等火焰特性進行了實驗測試，實驗結果反映了池火災火焰的動態(tài)變化情況，得到池火災火焰如下的變化規(guī)律：穩(wěn)定燃燒時，原油池火災火焰高度及火焰最高溫度均隨著池直徑的增加而增加，原油池池中心的最高溫度高于池壁最高溫度，原油池池壁溫度隨著池直徑增加而減小。

本實驗系統(tǒng)還可測試火焰的燃燒速度，其測試值將作為后續(xù)數值模擬計算的輸入值。實驗結果也將用于與后續(xù)理論計算值進行比較，進一步修正理論模型。

13359603696、zhangbaoliang@petrochina.com.cn

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.014

張寶良：高級工程師，哈爾濱工業(yè)大學應用化學系環(huán)境化學工程專業(yè)，現(xiàn)任大慶油田設計院土建與防腐研究室主任。