原油池火災(zāi)的火焰特性實(shí)驗(yàn)

張寶良 孫建剛 李?yuàn)檴?崔利富

1大慶油田設(shè)計(jì)院 2大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院

原油池火災(zāi)的火焰特性實(shí)驗(yàn)

張寶良1孫建剛2李?yuàn)檴?崔利富2

1大慶油田設(shè)計(jì)院 2大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院

對大慶油田原油池火災(zāi)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了池火災(zāi)火焰的動(dòng)態(tài)變化情況，得到池火災(zāi)火焰如下的變化規(guī)律：穩(wěn)定燃燒時(shí)，原油池火災(zāi)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(zāi)；火焰高度；火焰溫度；火災(zāi)實(shí)驗(yàn)

石油儲(chǔ)運(yùn)安全直接關(guān)系到我國能源戰(zhàn)略安全。在不同類型的火災(zāi)中，池火災(zāi)最為常見，雖然池火災(zāi)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(chǎn)設(shè)備的影響會(huì)引起危險(xiǎn)性物料的進(jìn)一步泄漏，并導(dǎo)致更為嚴(yán)重的事故；如果火焰直接接觸到設(shè)備表面，由于熱流量非常高，會(huì)使情況變得更加危險(xiǎn)。

由于火災(zāi)實(shí)驗(yàn)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(zāi)實(shí)驗(yàn)研究較少，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏。本文的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果將揭示池火災(zāi)火焰特性的變化規(guī)律，并將為后續(xù)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬池火災(zāi)燃燒過程提供所需的燃燒基本條件，還可驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致油層厚度不均以及模擬油罐真實(shí)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(gè)燃燒面積上油層厚度均可保持一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)將圓盤放于實(shí)驗(yàn)燃燒池中心，為確保安全，在實(shí)驗(yàn)燃燒池外圍設(shè)置保護(hù)網(wǎng)，保護(hù)網(wǎng)采用鋼骨架內(nèi)焊接2 mm厚沖孔鋼板網(wǎng)，鋼結(jié)構(gòu)骨架采用L70 mm×70 mm× 8 mm角鋼，焊接鏈接，柱下設(shè)置C15混凝土基礎(chǔ)，角鋼柱插入基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)記錄環(huán)境溫度、風(fēng)速和風(fēng)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(shè)具有刻度標(biāo)志的標(biāo)桿，并從原油液面起從上至下每2 cm布設(shè)一個(gè)高溫傳感器。實(shí)驗(yàn)方案詳見圖1。圖1中T1～T5為油品溫度測點(diǎn)。為測量池壁溫度，沿池壁豎向每2 cm布設(shè)一個(gè)高溫傳感器。圖1中T6～T10為池壁溫度測點(diǎn)，其分別與T1～T5測點(diǎn)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(jì)算豎向燃燒速度，該值作為后續(xù)數(shù)值模擬池火災(zāi)的輸入值。本實(shí)驗(yàn)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(zāi)實(shí)驗(yàn)示意

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)之一，火焰溫度的測量對了解原油池火燃燒過程、燃燒產(chǎn)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(diǎn)火后567 s時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)火后500～540 s時(shí)間內(nèi)火焰最高溫度的變化情況可見，在500～540 s時(shí)間內(nèi)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(nèi)的跳動(dòng)，表明直徑為1.5、2、3及5 m池火焰在點(diǎn)火后500～540 s時(shí)間內(nèi)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(shí)驗(yàn)同時(shí)利用高溫傳感器T1～T5測量油層溫度。在燃燒未開始時(shí)，T1～T5高溫傳感器全都在原油中，隨著燃燒的進(jìn)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(jié)果。由上述分析可知，直徑2 m原油池火焰在點(diǎn)火500～540 s內(nèi)為穩(wěn)定燃燒階段，各測點(diǎn)溫度也基本保持穩(wěn)定。因此在此選取各測點(diǎn)在點(diǎn)火后500～540 s內(nèi)平均溫度作為圖2縱坐標(biāo)，從結(jié)果可見，本實(shí)驗(yàn)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(gè)基本參數(shù)，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(zāi)的蔓延，因此池火焰高度一直是普遍關(guān)注的一個(gè)重要參量。根據(jù)SFPE中關(guān)于側(cè)向風(fēng)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(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，可研究原油池火焰高度與油池直徑之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度-4.6℃～-8.2℃，濕度36%～62%，由于本實(shí)驗(yàn)為室外開放實(shí)驗(yàn)，風(fēng)速不能人為控制，只能盡量在風(fēng)速相近的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，4組實(shí)驗(yàn)中最大風(fēng)速為1.3 m/s，平均風(fēng)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(nèi)火焰瞬時(shí)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(dòng)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(diǎn)火500～540 s內(nèi)為穩(wěn)定燃燒階段。因此同樣選取池火焰在點(diǎn)火500～540 s內(nèi)火焰瞬時(shí)高度的平均值進(jìn)行比較，如圖3中虛線所示，池直徑為1.5 m時(shí)火焰高度平均值為2.52 m，池直徑為2 m時(shí)火焰高度平均值為2.85 m，池直徑為3 m時(shí)火焰高度平均值為7.78 m，池直徑為5 m時(shí)火焰高度平均值為9 m。由此可見，池火災(zāi)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(jié)論

對大慶油田原油池火災(zāi)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了池火災(zāi)火焰的動(dòng)態(tài)變化情況，得到池火災(zāi)火焰如下的變化規(guī)律：穩(wěn)定燃燒時(shí)，原油池火災(zāi)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(shí)驗(yàn)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(shù)值模擬計(jì)算的輸入值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也將用于與后續(xù)理論計(jì)算值進(jìn)行比較，進(jìn)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(jí)工程師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系環(huán)境化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)任大慶油田設(shè)計(jì)院土建與防腐研究室主任。