使用丙烷模擬航空煤油燃燒特性

金海峰,宋子剛,董輝,李志奎

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

?

使用丙烷模擬航空煤油燃燒特性

金海峰,宋子剛,董輝,李志奎

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

針對(duì)航空器火災(zāi)模擬訓(xùn)練，分析航空煤油和丙烷的燃燒特性，提出使用丙烷在可控條件下模擬航空煤油燃燒狀態(tài)的方法，基于此方法設(shè)計(jì)一套使用丙烷模擬航空煤油燃燒的系統(tǒng)，效果理想。

航空煤油;丙烷熱釋放速率;燃燒速率;火焰高度

航空器發(fā)生的火災(zāi)形式主要有2種，一種是機(jī)載設(shè)備、結(jié)構(gòu)等固體物質(zhì)發(fā)生的火災(zāi)，主要發(fā)生在機(jī)艙、輪胎等處；另一種是燃油泄漏引起的火災(zāi)，主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口和出口、機(jī)翼油箱、起落架等處。航空煤油燃燒具有燃燒速度快、火勢(shì)兇猛、輻射熱強(qiáng)等特點(diǎn)，火災(zāi)危害性極大，常造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。燃油泄漏引起的火災(zāi)在航空器火災(zāi)中占有較大的比例，在各類(lèi)型的航空器火災(zāi)救援模擬訓(xùn)練設(shè)施中均將燃油火災(zāi)救援作為重要功能。

火災(zāi)模擬訓(xùn)練救援設(shè)施中使用煤油作為燃料，缺點(diǎn)是污染大，不可控，目前國(guó)內(nèi)外多使用丙烷作為燃料。丙烷具有污染小、燃燒可控、來(lái)源廣泛等特點(diǎn)。為此，針對(duì)航空煤油和丙烷的燃燒特性，使用丙烷在可控條件下模擬航空煤油的燃燒狀態(tài)，使得應(yīng)用丙烷作為燃料的火災(zāi)救援模擬訓(xùn)練設(shè)施可以更真實(shí)地體現(xiàn)航空煤油火災(zāi)的過(guò)程和火災(zāi)特性，提供更真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境。

1 使用丙烷模擬煤油燃燒狀態(tài)研究

利用丙烷模擬煤油火需要基于一定的等效原則來(lái)進(jìn)行，模擬等效原則主要分為以下三類(lèi)：熱釋放速率等效，燃燒速率等效，火焰高度等效。

熱釋放速率等效表現(xiàn)為燃燒過(guò)程中釋放的熱量相等。燃燒速率等效表現(xiàn)為燃料燃燒消耗量相等。火焰高的等效表現(xiàn)為燃燒火勢(shì)大小相似。

1.1 熱釋放速率等效法

熱釋放速率可描述火災(zāi)的強(qiáng)烈程度。熱釋放速率為丙烷量的函數(shù)。

(1)

表1 丙烷燃燒熱釋放速率與質(zhì)量流量關(guān)系

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得k值。k=46.45。

則可得

(2)

至此，可以根據(jù)燃燒的熱釋放速率(表征火勢(shì)大小的燃燒參數(shù))代入公式求取丙烷需求量。

1.2 燃燒速率等效法

假定丙烷模擬航空煤油燃燒過(guò)程中，丙烷充分燃燒，即丙烷燃燒速率為丙烷流量，則可根據(jù)航空煤油燃燒速率推到所需丙烷量。

根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，燃燒速率可近似為油池直徑的函數(shù)。

(3)

有風(fēng)條件下燃料燃燒速率的修正公式為

(4)

(5)

有風(fēng)條件下為

(6)

綜上，可根據(jù)丙烷燃燒區(qū)域的等效直徑求取所需丙烷最大質(zhì)量流量。

1.3 火焰高度等效法

Thomas湍流火焰平均高度計(jì)算公式為

(7)

分析上式發(fā)現(xiàn)，對(duì)于固定點(diǎn)火部位和固定風(fēng)速，火焰高度H為燃料燃燒速率m′的單值函數(shù)，而在假定丙烷完全燃燒不存在泄漏到空氣情況下，丙烷燃燒速率m′與丙烷流量存在簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而得到火焰高度與丙烷流量的關(guān)系公式。

(9)

(10)

式中：η為燃燒效率，考慮完全燃燒情況下η=1；Hc為燃料燃燒熱，丙烷燃燒熱為2 217.8 kJ/kg。

2 模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航空煤油燃燒狀態(tài)模擬系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、燃料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)、冷卻水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)、燃燒單元組成，實(shí)現(xiàn)燃燒狀態(tài)的模擬調(diào)節(jié)。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

2.1 控制與安全監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和PLC組成，控制計(jì)算機(jī)為決策級(jí)，系統(tǒng)采用PROFIBUS總線作為通信總線，依據(jù)PLC采集到的信息，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算向PLC發(fā)送控制命令；PLC是底層執(zhí)行級(jí)，負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)底層聯(lián)鎖功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)控燃燒模擬系統(tǒng)的壓力和溫度及燃?xì)馐欠裥孤┑葼顟B(tài)，保護(hù)人員及系統(tǒng)安全。

2.2 燃料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)

燃料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需燃料的儲(chǔ)存、減壓、氣化、輸送和分配功能。該系統(tǒng)由丙烷儲(chǔ)罐、減壓器、安全閥、管路、丙烷泵、氣化器、阻火器、閥門(mén)、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等組成。控制系統(tǒng)可對(duì)燃料存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)的罐內(nèi)壓力、管路流量、燃料主管路壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和流量調(diào)節(jié)。

2.3 冷卻水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)

冷卻水存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)包括儲(chǔ)水罐、水泵、管路、閥門(mén)等。冷卻水經(jīng)過(guò)管道泵增壓后，分成2路，一路為燃燒區(qū)域供水，用于滿足模擬液態(tài)火的需求，同時(shí)為點(diǎn)火燃燒器提供冷卻水；另一路布置在燃料罐上部，超溫時(shí)，冷卻水閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，為儲(chǔ)罐降溫。水箱上布置液位傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)水箱內(nèi)部的裝水量，在燃燒區(qū)內(nèi)布置液位開(kāi)關(guān)，用于控制區(qū)域內(nèi)充水位置，見(jiàn)圖2。

2.4 燃燒單元

燃燒單元包括點(diǎn)火燃燒器和主燃燒器(燃燒池)。在系統(tǒng)給出點(diǎn)火燃燒器點(diǎn)燃信號(hào)后，火焰探測(cè)器檢測(cè)到火焰信號(hào)，證明點(diǎn)火燃燒器點(diǎn)火成功，此時(shí)按程序控制主燃燒器管路的閥門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，調(diào)節(jié)閥工作，產(chǎn)生所要模擬的火焰，見(jiàn)圖3。

3 結(jié)論

文中給出了3種使用丙烷模擬航空煤油燃燒的方法，設(shè)計(jì)了一套使用丙烷模擬航空煤油燃燒的系統(tǒng)。針對(duì)不同的應(yīng)用目的可以靈活選用等效原則作為設(shè)計(jì)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中火焰高度等效法能夠直觀的表現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火勢(shì)情況，在后期以火焰高度等效法為依據(jù)設(shè)計(jì)了航空器火災(zāi)模擬救援訓(xùn)練系統(tǒng)，取得了較好的模擬效果。

火焰高度模型關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式都是針對(duì)油火而建立的，且風(fēng)速對(duì)燃料燃燒速率的影響也是基于油火進(jìn)行的，丙烷氣體并不完全適用于經(jīng)驗(yàn)公式。實(shí)驗(yàn)亦證明基于經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)總結(jié)火焰高度與丙烷流量的關(guān)系特性雖然簡(jiǎn)單易行，但是精確性有待提高。故今后應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，以提高火焰高度模型的準(zhǔn)確性。

[1] 董琳，張瑞芳，謝啟源，等.有風(fēng)條件下航空煤油池火燃燒特性研究[J].火災(zāi)科學(xué)，2010，19(3):123-130.

[2] 莊磊，陸守香，孫志友，等.航空煤油池火焰高度特征研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39(7):763-768.

[3] 陳國(guó)慶,莊磊,周劼波,等.航空煤油火蔓延馳豫脈動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011(2):175-180.

[4] 張令品，謝洪勇，陳石.自定義標(biāo)量法模擬丙烷燃燒過(guò)程[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(增刊2):169-172.

[5] 黃毅.飛機(jī)機(jī)艙消防訓(xùn)練模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津：中國(guó)民航大學(xué)，2009.

[6] 肖霞，祝佳琰，張孝華.潛艇機(jī)艙艙底火災(zāi)模擬研究[J].船海工程，2013(4):31-34.

On Combustion Characteristics of Aviation Kerosene Simulated by Propane

JIN Hai-feng, SONG Zi-gang, DONG Hui, LI Zhi-kui

(No.703 Research Institute of CSIC, Harbin 150078, China)

The combustion characteristics of aviation kerosene and propane were studied. The method to simulate the combustion state of aviation kerosene by propane under controllable condition was set forth. A new system was designed to simulate the combustion of aviation kerosene by propane based on this method, which has achieved ideal results.

aviation kerosene; propane heat release rate; combustion rate; flame height

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.011

2017-01-18

金海峰(1961—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

研究方向：損管技術(shù)

U698.4

A

1671-7953(2017)03-0050-03

修回日期：2017-03-20