呂　鵬

(武警學(xué)院 科研部，河北 廊坊　065000)

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原油流淌火燃燒特性的試驗(yàn)研究

呂鵬

(武警學(xué)院 科研部，河北 廊坊065000)

利用自行設(shè)計(jì)的流淌燃燒試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)原油流淌火的燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了坡度對(duì)火焰高度、質(zhì)量損失速率、火焰溫度和熱輻射等火災(zāi)特性參數(shù)的影響。結(jié)果表明，原油在穩(wěn)定流淌燃燒時(shí)，在燃燒槽末端出現(xiàn)類似池火的燃燒現(xiàn)象，且火勢(shì)規(guī)模較大；原油流淌火的火焰高度、質(zhì)量損失速率、火焰溫度和熱輻射均小于同等規(guī)模的油池火，且坡度越大，火災(zāi)特性參數(shù)越??；坡度引起的油層運(yùn)動(dòng)破壞了油品表面穩(wěn)定的傳熱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致維持油品穩(wěn)定燃燒的熱平衡狀態(tài)發(fā)生變化是造成原油流淌火與池火在火災(zāi)特性參數(shù)上不同的主要原因。

流淌火；原油；坡度；燃燒特性

0　引言

隨著我國(guó)能源安全戰(zhàn)略的調(diào)整實(shí)施和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，石油已經(jīng)成為保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)與政治安全的重要戰(zhàn)略物資。隨著國(guó)家石油戰(zhàn)略基地的逐步建設(shè)，油罐區(qū)的規(guī)模和單罐的容積不斷擴(kuò)大，其潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增大。油品一般具有易揮發(fā)、易燃燒、易爆炸等性質(zhì)，一旦發(fā)生火災(zāi)極易形成大面積的油池火和流淌火，同時(shí)燃燒產(chǎn)生的熱輻射會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大火災(zāi)范圍，形成大面積火海，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，開展油品火災(zāi)理論研究、提高油罐區(qū)火災(zāi)防控能力已成為消防安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)油品火災(zāi)的研究主要集中在油池火方面，包括理論模型的建立[1-2]，冷卻條件下油罐火的燃燒特性研究[3]，火焰溫度與高度、火焰幾何形狀與脈動(dòng)頻率、熱釋放速率和火焰熱輻射等火災(zāi)特性參數(shù)在不同油罐尺寸條件下變化規(guī)律的研究[4-11]以及油罐火沸溢噴濺等方面的研究[12-13]。近年來(lái)，針對(duì)流淌火的研究已逐漸引起科研人員的關(guān)注，但主要集中在輕質(zhì)油品的流淌燃燒規(guī)律方面[14-15]，而針對(duì)原油流淌火燃燒規(guī)律的研究還鮮有報(bào)道。現(xiàn)實(shí)火災(zāi)案例中原油流淌火災(zāi)給我國(guó)石油化工企業(yè)帶來(lái)了巨大威脅和火災(zāi)損失，因此開展原油流淌火燃燒特性的研究對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)與掌握此類火災(zāi)燃燒規(guī)律和解決消防部隊(duì)滅火作戰(zhàn)的實(shí)際需要具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1　試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的流淌燃燒試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，如圖1所示。試驗(yàn)采用直徑0.6 m、高1.5 m的外層包裹隔熱材料的鋼制油桶模擬油罐，并在模擬油罐周圍固定填有巖棉的隔熱鋼板進(jìn)行熱防護(hù)；油桶高度通過(guò)固定式液壓升降平臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；油品通過(guò)閥門控制經(jīng)管路進(jìn)入水封布流槽從泄漏口流出，經(jīng)點(diǎn)燃在6 m長(zhǎng)、1.5 m寬的底部鋪設(shè)耐火磚和耐火水泥的流淌燃燒槽內(nèi)邊流淌邊燃燒；通過(guò)流淌燃燒槽下方的液壓橫桿來(lái)調(diào)節(jié)燃燒槽的坡度；燃燒油品流入噴有泡沫滅火劑的集流池內(nèi)能夠即刻熄滅，避免集流池內(nèi)火焰對(duì)流淌火的影響。

圖1　流淌燃燒試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

試驗(yàn)以原油流淌火為研究對(duì)象，設(shè)定坡度條件分別為0°、1°、2°和3°。采用數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行錄制，并利用視頻處理軟件UleadVideostudio99對(duì)流淌火穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下的火焰圖像進(jìn)行處理；通過(guò)置于模擬油罐和集流池下方的具有實(shí)時(shí)記錄功能的質(zhì)量傳感器來(lái)計(jì)算油品燃燒的質(zhì)量損失速率；采用架設(shè)在燃燒槽兩側(cè)的熱電偶靶對(duì)火焰溫度進(jìn)行測(cè)量，并利用Toprie-TP700多通道溫度記錄儀進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄；利用圓箔式熱流傳感器和FLUKE-2635A數(shù)據(jù)采集儀對(duì)平行原油流淌方向的火焰熱輻射進(jìn)行測(cè)量和記錄。

2　結(jié)果與討論

2.1原油流淌火的燃燒現(xiàn)象

圖2是原油在坡度為3°條件下的流淌燃燒過(guò)程，其中(a)為初始階段，(b)為蔓延階段，(c)為穩(wěn)定燃燒，(d)為火焰衰減。原油在泄漏口處被引燃后火焰沿燃燒槽迅速向下傳播(圖2a)；燃燒面積隨著油品的流動(dòng)迅速擴(kuò)大，火焰高度、溫度和熱輻射持續(xù)增加(圖2b)；原油的燃燒速率逐漸增加，與原油流淌引起的油層傳熱狀態(tài)形成動(dòng)態(tài)平衡，燃燒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(圖2c)；隨著原油泄漏量的不斷減少，其燃燒速率開始降低，火勢(shì)規(guī)模逐漸衰減，火焰長(zhǎng)度逐漸向泄漏口處收縮，并最終在泄漏口處熄滅(圖2d)。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在原油流淌火穩(wěn)定燃燒階段，流淌槽末端和中端的火焰高度差別較小，這是因?yàn)樵褪嵌嘟M分油品，在流淌燃燒過(guò)程中易揮發(fā)的輕質(zhì)組分最先燃燒，未完全燃燒的重質(zhì)組分由于黏度較大以致在流淌槽末端流速減慢并堆積，形成類似池火的燃燒狀態(tài)。

圖2　原油流淌火的燃燒過(guò)程

2.2坡度對(duì)火焰高度的影響

試驗(yàn)定義平均火焰高度為可見(jiàn)的不連續(xù)區(qū)火焰高度的80%，即連續(xù)區(qū)火焰高度與80%的不連續(xù)區(qū)火焰高度之和[9]。圖3是不同坡度條件下原油流淌火的火焰高度曲線。由圖可知，坡度為0°時(shí)，火焰燃燒處于油池火狀態(tài)，其火焰平均高度為2.21 m。隨著坡度的增加，原油流淌火的火焰高度逐漸降低，當(dāng)坡度為3°時(shí)，火焰高度降低至約1.52 m。這是因?yàn)殡S著坡度的增加，原油的流速逐漸增大，油層的運(yùn)動(dòng)破壞了油品表面穩(wěn)定的傳熱結(jié)構(gòu)，油品燃燒與外界環(huán)境之間的熱量損失增大，導(dǎo)致油層表面溫度較低，油層厚度的減小和熱量損失的增加使得油品的蒸發(fā)速率降低，以致火焰高度降低。坡度的變化導(dǎo)致油品的傳熱結(jié)構(gòu)和燃燒狀態(tài)的改變，流淌火火焰高度(H1)與油池火火焰高度的比值，即無(wú)量綱火焰高度(H0=H1/H)是關(guān)于油品流速v的函數(shù)f(v)，則流淌火與油池火火焰高度之間的關(guān)聯(lián)式為H1=H×f(v)，通過(guò)增加試驗(yàn)工況得到原油流速與無(wú)量綱火焰高度之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。利用數(shù)值擬合得出原油流淌火與油池火的火焰平均高度關(guān)聯(lián)式為H1=H×f(v)=(-2.2v2-0.33v+1)×H。

2.3坡度對(duì)質(zhì)量損失速率的影響

圖5是原油流淌火在不同坡度條件下的質(zhì)量損失速率。由圖可知，隨著坡度的增加，油品的流淌速度逐漸增加，質(zhì)量損失速率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。流淌火質(zhì)量損失速率與油池火相比分別下降了約15.5%、27.5%和41%。當(dāng)油品以非水平液面燃燒時(shí)，即以一定流速流淌燃燒時(shí)，油層間的熱量損失較大，同時(shí)油品的流動(dòng)導(dǎo)致火焰內(nèi)部空氣卷吸、燃燒產(chǎn)物及油蒸氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，油品的蒸發(fā)速率的降低導(dǎo)致流淌火的燃燒速率低于油池火。坡度的變化能夠引起油品流淌速度的改變，因此通過(guò)增加試驗(yàn)工況并利用數(shù)值擬合手段對(duì)油品流速與質(zhì)量損失速率的關(guān)系進(jìn)行表征，油品流速與質(zhì)量損失速率關(guān)系如圖6所示，原油流淌火的質(zhì)量損失速率(m)與油品流速(v)的擬合關(guān)系式為：m=-0.14v2-0.03v+0.057。

圖3　坡度對(duì)原油流淌火火焰高度的影響

圖4　原油流速與無(wú)量綱火焰高度的擬合關(guān)系

圖5　坡度對(duì)原油流淌火質(zhì)量損失速率的影響

2.4坡度對(duì)火焰溫度的影響

圖7是原油流淌火穩(wěn)定燃燒時(shí)燃燒槽中端部位的火焰溫度隨時(shí)間的變化。由圖可知，當(dāng)坡度為0°時(shí)，即原油池火的火焰溫度范圍約為170～840 ℃。隨著坡度的增加，火焰溫度范圍逐漸變窄，達(dá)到穩(wěn)定燃燒所需時(shí)間逐漸增加，且坡度越大，達(dá)到穩(wěn)定燃燒所需的時(shí)間越長(zhǎng)。與油池火相比，流淌火的溫度曲線有明顯波動(dòng)，坡度越大，溫度越低，波動(dòng)幅度越大。這是因?yàn)楫?dāng)油品以流淌狀態(tài)燃燒時(shí)，油品沿著坡面向前流淌，冷熱油層的不斷混合破壞了油品表面穩(wěn)定的傳熱結(jié)構(gòu)，使得油層表面溫度和油品蒸發(fā)速率減小，導(dǎo)致火焰熱輻射的降低。同時(shí)，由于在流淌燃燒過(guò)程中油品的流動(dòng)和油層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得油蒸氣向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，使得火焰燃燒產(chǎn)生較大脈動(dòng)，表現(xiàn)出較為明顯的火焰震蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致火焰溫度曲線出現(xiàn)較多波動(dòng)。

圖6　質(zhì)量損失速率與油品流速的擬合關(guān)系

(a)坡度0°

(b)坡度3°

2.5坡度對(duì)火焰熱輻射的影響

圖8是坡度對(duì)沿原油流動(dòng)方向上火焰熱輻射的影響。由圖可知，坡度為0°時(shí)，即在長(zhǎng)方形原油池火條件下，火焰熱輻射在燃燒160 s后達(dá)到穩(wěn)定，流淌燃燒槽中端部位的火焰熱輻射最高，最大值可達(dá)29.78 kW·m-2，前端和末端部位的火焰熱輻射與中段相比較小(圖8a)。隨著坡度的增加，火焰熱輻射逐漸降低，當(dāng)坡度為3°時(shí)，火焰熱輻射最大值僅為13.65 kW·m-2(圖8b)，同時(shí)由于坡度的增加導(dǎo)致油品的流速增大，使得油品表面的混合氣體運(yùn)動(dòng)和空氣卷吸發(fā)生變化，因此火焰熱輻射變化曲線的波動(dòng)逐漸增多。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度為3°時(shí)，燃燒槽末端與中端的火焰熱輻射最大值極為接近，這與原油流淌火的燃燒現(xiàn)象具有較好的一致性。因此，在實(shí)際滅火過(guò)程中，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流淌火的蔓延態(tài)勢(shì)，對(duì)流淌火的著火區(qū)域進(jìn)行劃分，并將熱輻射相對(duì)較小的區(qū)域作為滅火救援的突破口，進(jìn)行滅火救援力量的部署，這對(duì)大型罐區(qū)滅火救援方案的制定與實(shí)施具有一定的指導(dǎo)意義。

(a)坡度0°

(b)坡度3°

3　結(jié)論

利用自行設(shè)計(jì)的流淌火燃燒試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)原油火流淌狀態(tài)時(shí)的燃燒規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了坡度對(duì)火焰高度、質(zhì)量損失速率、火焰溫度和熱輻射等火災(zāi)特性參數(shù)的影響，結(jié)論如下：(1)原油流淌火在穩(wěn)定燃燒階段，由于原油中組分的燃燒速率和黏度的不同，導(dǎo)致火焰在燃燒槽末端形成類似池火的燃燒狀態(tài)，火勢(shì)規(guī)模較大。(2)原油流淌火的火焰高度、質(zhì)量損失速率、火焰溫度和熱輻射均小于同等規(guī)模的原油池火。隨著坡度的增加，原油流速逐漸增加，其火災(zāi)特性參數(shù)呈一定規(guī)律的遞減趨勢(shì)；但相同坡度條件下，在燃燒槽末端的火災(zāi)特性參數(shù)仍然較大。(3)原油流淌火與油池火在火災(zāi)特性參數(shù)上的不同，主要是因?yàn)槠露犬a(chǎn)生的油層運(yùn)動(dòng)破壞了油品表面穩(wěn)定的傳熱結(jié)構(gòu)，引起油層表面溫度和油品蒸發(fā)速率的變化，導(dǎo)致維持油品穩(wěn)定燃燒的熱平衡狀態(tài)發(fā)生變化。

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(責(zé)任編輯、校對(duì)馬龍)

Experimental Study on the Combustion Characteristics of the Crude Oil Flowing Fire

LV Peng

(DepartmentofScientificResearch,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The combustion characteristics of the crude oil flowing fire was studied by using self-designed experimental platform, and the effect of slope on the flame height, mass loss rate, flame temperature and thermal radiation of crude oil flowing fire were analyzed. The results show that the combustion behavior similar to the pool fire was found at the bottom of the burning tank during stable combustion. And the flame height, mass loss rate, flame temperature and thermal radiation decrease with the increase of slope. It was found that the difference fire characteristic parameters between the flowing fire and the pool fire is mainly resulted from the change of the heat transfer structure on crude oil surface and the thermal equilibrium state of the stable combustion caused by the oil reservoir movement.

flowing fire; crude oil; slope; combustion characteristic

2016-02-20

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAK03B07)；公安部科技強(qiáng)警基礎(chǔ)工作專項(xiàng)項(xiàng)目(2015GABJC04)

呂鵬(1982—)，男，河南林州人，講師，博士。

●消防理論研究

D631.6

A

1008-2077(2016)04-0005-05