原油流淌火燃燒特性的試驗研究

呂　鵬

(武警學院 科研部，河北 廊坊　065000)

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原油流淌火燃燒特性的試驗研究

呂鵬

(武警學院 科研部，河北 廊坊065000)

利用自行設計的流淌燃燒試驗平臺對原油流淌火的燃燒特性進行了試驗研究，分析了坡度對火焰高度、質量損失速率、火焰溫度和熱輻射等火災特性參數的影響。結果表明，原油在穩定流淌燃燒時，在燃燒槽末端出現類似池火的燃燒現象，且火勢規模較大；原油流淌火的火焰高度、質量損失速率、火焰溫度和熱輻射均小于同等規模的油池火，且坡度越大，火災特性參數越小；坡度引起的油層運動破壞了油品表面穩定的傳熱結構，導致維持油品穩定燃燒的熱平衡狀態發生變化是造成原油流淌火與池火在火災特性參數上不同的主要原因。

流淌火；原油；坡度；燃燒特性

0　引言

隨著我國能源安全戰略的調整實施和經濟社會的快速發展，石油已經成為保障國家經濟與政治安全的重要戰略物資。隨著國家石油戰略基地的逐步建設，油罐區的規模和單罐的容積不斷擴大，其潛在的火災風險也在不斷增大。油品一般具有易揮發、易燃燒、易爆炸等性質，一旦發生火災極易形成大面積的油池火和流淌火，同時燃燒產生的熱輻射會進一步擴大火災范圍，形成大面積火海，造成重大人員傷亡和財產損失。因此，開展油品火災理論研究、提高油罐區火災防控能力已成為消防安全領域的研究熱點。

目前國內外對油品火災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頻率、熱釋放速率和火焰熱輻射等火災特性參數在不同油罐尺寸條件下變化規律的研究[4-11]以及油罐火沸溢噴濺等方面的研究[12-13]。近年來，針對流淌火的研究已逐漸引起科研人員的關注，但主要集中在輕質油品的流淌燃燒規律方面[14-15]，而針對原油流淌火燃燒規律的研究還鮮有報道。現實火災案例中原油流淌火災給我國石油化工企業帶來了巨大威脅和火災損失，因此開展原油流淌火燃燒特性的研究對于進一步認識與掌握此類火災燃燒規律和解決消防部隊滅火作戰的實際需要具有重要的理論指導意義。

1　試驗裝置與方法

試驗在自行設計的流淌燃燒試驗平臺上進行，如圖1所示。試驗采用直徑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行熱防護；油桶高度通過固定式液壓升降平臺進行調節；油品通過閥門控制經管路進入水封布流槽從泄漏口流出，經點燃在6 m長、1.5 m寬的底部鋪設耐火磚和耐火水泥的流淌燃燒槽內邊流淌邊燃燒；通過流淌燃燒槽下方的液壓橫桿來調節燃燒槽的坡度；燃燒油品流入噴有泡沫滅火劑的集流池內能夠即刻熄滅，避免集流池內火焰對流淌火的影響。

圖1　流淌燃燒試驗平臺示意圖

試驗以原油流淌火為研究對象，設定坡度條件分別為0°、1°、2°和3°。采用數碼攝像機對試驗過程進行錄制，并利用視頻處理軟件UleadVideostudio99對流淌火穩定燃燒狀態下的火焰圖像進行處理；通過置于模擬油罐和集流池下方的具有實時記錄功能的質量傳感器來計算油品燃燒的質量損失速率；采用架設在燃燒槽兩側的熱電偶靶對火焰溫度進行測量，并利用Toprie-TP700多通道溫度記錄儀進行實時記錄；利用圓箔式熱流傳感器和FLUKE-2635A數據采集儀對平行原油流淌方向的火焰熱輻射進行測量和記錄。

2　結果與討論

2.1原油流淌火的燃燒現象

圖2是原油在坡度為3°條件下的流淌燃燒過程，其中(a)為初始階段，(b)為蔓延階段，(c)為穩定燃燒，(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迅速擴大，火焰高度、溫度和熱輻射持續增加(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形成動態平衡，燃燒達到穩定狀態(圖2c)；隨著原油泄漏量的不斷減少，其燃燒速率開始降低，火勢規模逐漸衰減，火焰長度逐漸向泄漏口處收縮，并最終在泄漏口處熄滅(圖2d)。試驗還發現，在原油流淌火穩定燃燒階段，流淌槽末端和中端的火焰高度差別較小，這是因為原油是多組分油品，在流淌燃燒過程中易揮發的輕質組分最先燃燒，未完全燃燒的重質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。

圖2　原油流淌火的燃燒過程

2.2坡度對火焰高度的影響

試驗定義平均火焰高度為可見的不連續區火焰高度的80%，即連續區火焰高度與80%的不連續區火焰高度之和[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，火焰燃燒處于油池火狀態，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，當坡度為3°時，火焰高度降低至約1.52 m。這是因為隨著坡度的增加，原油的流速逐漸增大，油層的運動破壞了油品表面穩定的傳熱結構，油品燃燒與外界環境之間的熱量損失增大，導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速率降低，以致火焰高度降低。坡度的變化導致油品的傳熱結構和燃燒狀態的改變，流淌火火焰高度(H1)與油池火火焰高度的比值，即無量綱火焰高度(H0=H1/H)是關于油品流速v的函數f(v)，則流淌火與油池火火焰高度之間的關聯式為H1=H×f(v)，通過增加試驗工況得到原油流速與無量綱火焰高度之間的關系曲線，如圖4所示。利用數值擬合得出原油流淌火與油池火的火焰平均高度關聯式為H1=H×f(v)=(-2.2v2-0.33v+1)×H。

2.3坡度對質量損失速率的影響

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，質量損失速率呈現遞減趨勢。流淌火質量損失速率與油池火相比分別下降了約15.5%、27.5%和41%。當油品以非水平液面燃燒時，即以一定流速流淌燃燒時，油層間的熱量損失較大，同時油品的流動導致火焰內部空氣卷吸、燃燒產物及油蒸氣的運動狀態發生變化，油品的蒸發速率的降低導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，因此通過增加試驗工況并利用數值擬合手段對油品流速與質量損失速率的關系進行表征，油品流速與質量損失速率關系如圖6所示，原油流淌火的質量損失速率(m)與油品流速(v)的擬合關系式為：m=-0.14v2-0.03v+0.057。

圖3　坡度對原油流淌火火焰高度的影響

圖4　原油流速與無量綱火焰高度的擬合關系

圖5　坡度對原油流淌火質量損失速率的影響

2.4坡度對火焰溫度的影響

圖7是原油流淌火穩定燃燒時燃燒槽中端部位的火焰溫度隨時間的變化。由圖可知，當坡度為0°時，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，達到穩定燃燒所需時間逐漸增加，且坡度越大，達到穩定燃燒所需的時間越長。與油池火相比，流淌火的溫度曲線有明顯波動，坡度越大，溫度越低，波動幅度越大。這是因為當油品以流淌狀態燃燒時，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定的傳熱結構，使得油層表面溫度和油品蒸發速率減小，導致火焰熱輻射的降低。同時，由于在流淌燃燒過程中油品的流動和油層間的相對運動使得油蒸氣向上運動產生擾動，使得火焰燃燒產生較大脈動，表現出較為明顯的火焰震蕩現象，導致火焰溫度曲線出現較多波動。

圖6　質量損失速率與油品流速的擬合關系

(a)坡度0°

(b)坡度3°

2.5坡度對火焰熱輻射的影響

圖8是坡度對沿原油流動方向上火焰熱輻射的影響。由圖可知，坡度為0°時，即在長方形原油池火條件下，火焰熱輻射在燃燒160 s后達到穩定，流淌燃燒槽中端部位的火焰熱輻射最高，最大值可達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，當坡度為3°時，火焰熱輻射最大值僅為13.65 kW·m-2(圖8b)，同時由于坡度的增加導致油品的流速增大，使得油品表面的混合氣體運動和空氣卷吸發生變化，因此火焰熱輻射變化曲線的波動逐漸增多。同時發現，當坡度為3°時，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象具有較好的一致性。因此，在實際滅火過程中，可以根據現場流淌火的蔓延態勢，對流淌火的著火區域進行劃分，并將熱輻射相對較小的區域作為滅火救援的突破口，進行滅火救援力量的部署，這對大型罐區滅火救援方案的制定與實施具有一定的指導意義。

(a)坡度0°

(b)坡度3°

3　結論

利用自行設計的流淌火燃燒試驗平臺，對原油火流淌狀態時的燃燒規律進行了試驗研究，分析了坡度對火焰高度、質量損失速率、火焰溫度和熱輻射等火災特性參數的影響，結論如下：(1)原油流淌火在穩定燃燒階段，由于原油中組分的燃燒速率和黏度的不同，導致火焰在燃燒槽末端形成類似池火的燃燒狀態，火勢規模較大。(2)原油流淌火的火焰高度、質量損失速率、火焰溫度和熱輻射均小于同等規模的原油池火。隨著坡度的增加，原油流速逐漸增加，其火災特性參數呈一定規律的遞減趨勢；但相同坡度條件下，在燃燒槽末端的火災特性參數仍然較大。(3)原油流淌火與油池火在火災特性參數上的不同，主要是因為坡度產生的油層運動破壞了油品表面穩定的傳熱結構，引起油層表面溫度和油品蒸發速率的變化，導致維持油品穩定燃燒的熱平衡狀態發生變化。

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(責任編輯、校對馬龍)

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”國家科技支撐計劃課題(2011BAK03B07)；公安部科技強警基礎工作專項項目(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