原油池火災的火焰特性實驗

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變化情況，得到池火災火焰如下的變化規律：穩定燃燒時，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律，并將為后續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

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，該值作為后續數值模擬池火災的輸入值。本實驗利用紅外成像系統記錄火焰圖像、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時攝像系統及紅外成像系統測試圖像可看出，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℃。通過上述攝像系統及紅外成像系統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內為穩定燃燒階段，各測點溫度也基本保持穩定。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的溫度比較可發現，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變化情況，得到池火災火焰如下的變化規律：穩定燃燒時，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。

本實驗系統還可測試火焰的燃燒速度，其測試值將作為后續數值模擬計算的輸入值。實驗結果也將用于與后續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，哈爾濱工業大學應用化學系環境化學工程專業，現任大慶油田設計院土建與防腐研究室主任。