持水冷卻劑對油罐火災高溫罐壁冷卻性能的研究

邢 志，董希琳，呂 鵬

(武警學院，河北 廊坊 065000)

●消防理論研究

持水冷卻劑對油罐火災高溫罐壁冷卻性能的研究

邢 志，董希琳，呂 鵬

(武警學院，河北 廊坊 065000)

設計并搭建了貼近火場實際的持水冷卻劑冷卻性能研究試驗平臺，通過與普通水對比，分別對不同流量及不同熱輻射強度下持水冷卻劑的冷卻降溫效果和節水能力進行了研究。研究結果表明，熱輻射強度越大，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果越好，節水效果越明顯。但在熱輻射強度不變的情況下，噴射流量越小，節水效果越明顯。

油罐火災；熱輻射；持水冷卻劑；冷卻；節水效果

0 研究背景

中國是一個石油進口大國，國內石油儲存的規模不斷擴大。2003年后，10～15萬立方米的大型油罐越來越多。近年來，國內外相繼發生了多起大型油罐火災爆炸事故，如表1所示。從表中可以看到，一旦發生油罐火災，極易形成嚴重災害，造成相當大的經濟損失，甚至人員傷亡和環境破壞，同時也給撲救工作帶來了極大的困難。

通過對國內外多個大型油罐火災進行研究分析，可以發現大型油罐一旦發生火災，具有燃燒速度快、爆炸危險性大、罐壁受熱響應復雜、撲救難度大以及易造成環境污染等特點。油罐火災中，火災熱輻射是造成油罐火災蔓延的主要因素之一[1]。同時實踐以及研究表明，大型油罐火災的控制和撲救都離不開高強度的冷卻用水[2]。但是，由于消防用水自身理化性質的特點，用于對罐體進行冷卻時，很難在罐壁上保持較長時間，冷卻作用尚未完全發揮就流散至地面，造成了現場水資源的極大浪費，降低了撲救效率。因此，我們研究開發了持水冷卻劑，并通過與普通水的冷卻效果進行對比，研究持水冷卻劑的節水性能。研究結果可為大型油罐火災的滅火救援行動提供技術支持和理論指導，有助于技戰術方法的創新；同時，有助于提高水的冷卻效果，節約水資源，減少環境污染，對于建設資源節約型﹑環境友好型社會有重大的現實意義。

1 試驗裝置及試驗方法

本研究旨在模擬油罐火災中，用持水冷卻劑和普通水冷卻罐壁的過程，并通過冷卻降溫的效果，對比持水冷卻劑和普通水用量，得到使用持水冷卻劑降溫的節水率。為此，自主設計了一套試驗裝置，以測試各類數據。設計思路如下：用油盤模擬著火油罐，用受熱板模擬鄰近油罐，在受熱板上找出一塊高溫且溫度均勻的區域，作為試驗對象，對比持水冷卻劑和普通水冷卻效果。經多次改進后，試驗裝置如圖1所示。

該試驗裝置大致分為加熱系統、冷卻系統和數據測量及采集系統。本試驗采用144B標準油盤作為輻射熱源，受熱板采用一塊1.0 m×1.5 m的鋼性平板，受熱板處接受到的熱輻射強度，通過調節受熱板到油盤的距離來改變；冷卻噴管裝在受熱板迎火面頂端支架上，一端封閉，一端通過軟管連接在自吸泵上。管上均勻的布置了一排孔洞，用于噴射冷卻劑；熱輻射通量的采集與測量，采用圓箔式熱流傳感器和Fluke-Hydra SeriesⅡ測試儀；測量溫度的儀器是黃屏VPR130-RY無紙記錄儀。試驗中使用的持水冷卻劑為添加了表面活性劑的海藻酸鈉水溶液，海藻酸鈉質量分數在0.1%～0.4%之間。為獲得比較合理的數據，在受熱板背部豎直方向中心線上從上到下選取5個測溫點(T1、T2、T3、T4、T5)，分別布置熱電偶，其中，T3點在豎直和水平方向上均為中心點，相鄰熱電偶之間間距為0.1 m，如圖2所示。

表1 典型油罐火災事故損失及救援情況

圖1 試驗裝置

2 試驗結果與分析

2.1 持水冷卻劑降溫效果試驗

使用油盤對受熱板進行加熱，在相同的熱輻射強度條件下，待受熱板上測溫點T5處的溫度上升到200 ℃時，進行試驗，分別使用持水冷卻劑和普通水對受熱板進行冷卻，各個測溫點的溫度基本達到穩態時，記錄該時刻各測溫點的溫度，對比分析兩者的降溫效果。

圖2 受熱板背部測溫點分布

2.1.1 噴射流量對冷卻降溫效果的影響

試驗開始前，按預定的距離、方位等擺設好油盤和受熱板，在144B油盤中倒入等量(按穩定燃燒10 min計算)的原油。受熱板處測得的輻射熱強度平均值為19.52 kW·m-2，環境溫度為10 ℃，持水冷卻劑的海藻酸鈉含量為0.3%(質量分數)，粒徑為70目，初始的水溫為8 ℃。

用汽油引燃油盤。在熱輻射強度不變的情況下，待受熱板處溫度達到200 ℃時，啟動噴射裝置，以設定好的噴射流量(0.024、0.030 9、0.041、0.062 5 L·s-1)對受熱板進行噴射，并且使噴射出的持水冷卻劑或普通水往下流淌過程中完整覆蓋受熱板，不留空白點。試驗過程中，實時通過黃屏無紙記錄儀，觀察受熱板各點處溫度變化情況，待受熱板溫度達到一個相對穩態的值時，記錄各個測點的溫度。試驗數據如表2所示。

從表2的數據可以看出，以相同流量噴射的持水冷卻劑和普通水對受熱板的降溫程度是不同的，使用持水冷卻劑冷卻比使用普通水冷卻，受熱板的平均溫度要低。兩者噴射流量較小時(0.024 L·s-1)，使用持水冷卻劑比普通水對受熱板冷卻的平均溫度低9.8 ℃，5個測點分別對比，T2點溫差達到11 ℃。這是因為，第一，由于兩者相比，持水冷卻劑具有一定的黏性，在受熱板上流動較慢，從頂端流動到底部需要的時間較長，在這個過程中，持水冷卻劑蒸發汽化的水量較多，帶走的熱量比普通水多。第二，因為持水冷卻劑流動較慢，所以在受熱板上形成的水層比普通水在受熱板上形成的水層要厚，從而對輻射熱的阻隔作用較強。兩個原因都使得相同噴射流量下，持水冷卻劑比普通水對受熱板的冷卻降溫效果要好。

但是，從以上試驗可以分析得出，隨噴射流量的增大，使用持水冷卻劑和普通水對受熱板進行冷卻，達到穩態時平均溫度的差別逐漸減小。尤其是第四組試驗(噴射流量為0.062 5 L·s-1)，持水冷卻劑和普通水分別冷卻受熱板到穩態溫度時，溫差僅為5.2 ℃，5個測溫點中最高溫差也僅有6 ℃。持水冷卻劑的優勢逐漸減弱。這是因為，在熱輻射強度不變的情況下，噴射流量增大，兩者在受熱板上往下流動的速度加快，從頂端流動到底部需要的時間縮短，在這個過程中，蒸發的水量減少，冷卻的主要方式變為對流換熱，兩者對流換熱速率相同，所以對受熱板的降溫效果基本相同。

2.1.2 熱輻射強度對冷卻降溫效果的影響

試驗用持水冷卻劑的海藻酸鈉含量為0.3%(質量分數)。受熱板處測得的輻射熱強度平均值分別為16.80、19.52、36.20、45.68 kW·m-2，用汽油引燃油盤。在不同熱輻射強度下，待受熱板T5處溫度達到200 ℃時，啟動噴射裝置，以設定好的噴射流量(0.041 L·s-1)對受熱板進行噴射，并且使噴射出的持水冷卻劑或普通水往下流淌過程中完整覆蓋受熱板，不留空白點。實時觀察受熱板各點處溫度變化情況，待受熱板溫度達到一個相對穩態的值時，記錄各個測點此時的溫度。試驗數據如表3所示。

表3 不同熱輻射強度下持水冷卻劑與普通水的冷卻降溫效果

從表3數據可以看出，在不同的熱輻射強度下，以相同流量噴射的持水冷卻劑和普通水對受熱板的冷卻效果不同，使用持水冷卻劑冷卻比使用普通水冷卻，受熱板的平均溫度要低。在熱輻射強度較低的情況下(16.80 kW·m-2)，使用持水冷卻劑對受熱板進行冷卻，與使用普通水冷卻相比，差別不大，平均溫度差僅有5.8 ℃，5個測點中的最高溫差也僅有7 ℃。隨著熱輻射強度的增加(45.68 kW·m-2)，使用持水冷卻劑對受熱板進行冷卻，比使用普通水冷卻，效果明顯變好。平均溫度差有12.2 ℃，5個測點中的最高溫差達到14 ℃。這是因為，熱輻射強度較小情況下，持水冷卻劑和普通水在往下流動過程中，兩者都主要通過對流換熱對受熱板進行冷卻，而蒸發汽化的水量都很小；隨著熱輻射強度的增大，持水冷卻劑因為黏性較大、流動較慢，在往下流動過程中蒸發汽化的水量增多，而普通水因為流動比較快，在往下流動過程中吸收的熱量相對較少，達不到蒸發汽化的溫度就流走了。因此，隨著熱輻射強度的增加，與普通水相比，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果要好。

2.2 持水冷卻劑節水效果試驗

在與上述試驗相同的條件下，分別使用持水冷卻劑和普通水將受熱板冷卻至相同的穩態溫度，記錄各測溫點的溫度、與受熱板到油盤相同距離處熱輻射強度、持水冷卻劑和普通水的噴射流量，并計算出持水冷卻劑的節水率。持水冷卻劑的節水效果用節水率η表示，通過下式計算：

式中，Q1——普通水的噴射流量，L·s-1；

Q2——持水冷卻劑的噴射流量，L·s-1。

試驗選取海藻酸鈉濃度為0.3%(質量分數)的持水冷卻劑與普通水對比，環境溫度為12 ℃，冷卻劑初始溫度為9 ℃。熱輻射強度分別為16.80、19.52、36.20、45.68kW·m-2，待受熱板T5處的溫度達到200 ℃時，啟動噴射裝置對受熱板進行噴射，并且使噴射出的持水冷卻劑或普通水往下流淌過程中完整覆蓋受熱板，不留空白點。調整流量，實時觀察受熱板各點處溫度變化情況，待受熱板溫度達到一個相同的穩態值時，記錄持水冷卻劑和普通水的噴射流量。試驗數據如表4所示。

表4 不同熱輻射強度下持水冷卻劑節水對比

從表4的數據可以看出，在不同熱輻射強度下，用持水冷卻劑和普通水分別對受熱板進行冷卻，當受熱板達到相同的穩態溫度時，兩者所用的流量是不同的。在熱輻射強度較低的情況下(16.80kW·m-2)，與普通水相比，持水冷卻劑的節水率約為39.1%；隨著熱輻射強度的增加，節水效果逐漸增強，當熱輻射強度達到45.68kW·m-2，持水冷卻劑的節水率達到50.5%。這與前述試驗中，隨著熱輻射強度的增加，持水冷卻劑相比普通水，對受熱板的冷卻降溫效果越明顯的結論是一致的。

3 結論

通過試驗研究，可得出如下結論：(1)在熱輻射強度相同和噴射流量都相同的情況下，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果優于普通水，但隨著噴射流量的增大，持水冷卻劑冷卻效果的優勢逐漸減弱；(2)與普通水相比，在噴射流量相同的情況下，隨著熱輻射強度的增大，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果逐漸增強；(3)與普通水相比，在將受熱板冷卻至相同的穩態溫度的前提條件下，持水冷卻劑的用量較少，且熱輻射強度越大，節水效果越明顯。

[1] 石中玉,孟甜.大型浮頂原油儲罐消防系統的設計與運行管理[J].油氣田地面工程,2009,28(5):40-41.

[2] 楊素芳.油罐火災中鄰近罐罐壁冷卻溫度變化規律研究[J].消防科學與技術,2010，(3):187-189.

(責任編輯 馬 龍)

A Study on Cooling Performance of the Water-holding Coolant in a Tank Fire

XING Zhi, DONG Xilin, LV Peng

(TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

An experimental platform, designed and built close to the actual the water coolant properties, is used to contrast with water without any additives in putting out a fire, and the research for the water coolant cooling effect and the ability with different flow and thermal radiation intensities is done. The results show that the greater the intensity of thermal radiation, the better for cooling effect of a water coolant heat plate, and the water-saving effect is more obvious. But when the heat radiation intensity remains unchanged, the smaller the injection flow rate, the more obvious the water-saving effect is.

the oil tanks fire; thermal radiation; water-holding coolant; cooling; water-saving effect

2015-06-16

邢志(1976— )，女，河北滄州人，副教授； 董希琳(1960— )，男，陜西周至人，教授； 呂鵬(1982— )，男，河南林州人，講師，博士。

X932

A

1008-2077(2015)08-0005-04