光纤光栅感温火灾报警系统探测器在外浮顶原油罐上敷设间距的研究

石 凯，姚 斌，江梦梦，舒 雅

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

光纤光栅感温火灾报警系统探测器在外浮顶原油罐上敷设间距的研究

石 凯，姚 斌＊，江梦梦，舒 雅

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

光纤光栅感温火灾报警系统在石油化工行业储罐区等易燃易爆场所得到应用，但目前尚没有相关的国家级设计规范，且安徽省和湖北省地方设计规范关于感温探测器敷设间距的要求存在较大差异，有必要开展深入研究。以外浮顶原油罐为例进行研究，获得了差温和定温两种探测方式在两种敷设高度下，其敷设间距与罐径之间的关系表达式，二者呈正相关。研究结果表明，初起阶段火源功率与罐径呈线性关系且火源功率较小，按照地方规范设置敷设间距时，难以对其进行及时探测，应加大敷设密度；差温探测比定温探测方式具有更为快速探测报警优势且可以设置较大的敷设间距。

光纤光栅感温；火灾探测；外浮顶原油罐；敷设间距；储罐直径

0 引言

随着我国经济的快速发展，原油罐的数量与日俱增，且多为外浮顶罐。原油罐区的火灾爆炸事故也随之增多。原油罐区占地面积大，所处区域多为人烟稀少的旷野地带，环境气候条件恶劣，原油罐受环境气候的影响较大，其它种类的火灾探测设施不仅无法在这种环境气候条件下有效的发挥作用，而且将电源引入易燃易爆危险区域，大大增加了原油罐区火灾爆炸事故发生的可能性。

在原油罐火灾中，起火部位大部分集中在油气浓度相对较大的浮顶边沿密封圈区域［1］，火灾起始阶段一般为密封圈上的局部火灾，着火面积小，火源功率较小，易于扑救，辐射强度不高［2］，并且此阶段火灾的燃料为原油蒸气，燃烧产物的烟气羽流不容易被发现，加之目前安装的原油罐的容量越来越大，从几万立方米到十几万立方米，储罐直径从几十米到一百米左右，罐高从十几米到二十几米或者更高，储罐在运行过程中浮顶与罐壁顶部边缘留有几米高的安全高度，形成一个无顶的圆柱体空间，如图1所示，此阶段火灾难以被原油罐区的工作人员发现。若小功率火灾没有被及时发现扑灭，失控发展成为大功率火灾或者发生爆炸，可能导致原油罐的沸溢火灾［3］，甚至引发罐区群罐火灾［4］，从而造成巨大的经济损失，因此在原油罐火灾初起阶段，能够及时报警扑救显得尤为重要。

光纤光栅感温火灾报警系统是基于光纤光栅布拉格波长随温度变化而发生线性变化［5］的机理探测环境温度，该系统具备多种探测报警功能，如定温探测报警，差温探测报警等。一个系统主机可以串联几千根光纤光栅感温探测器，采用光纤进行信号传输，传输距离可达几十千米，不会将电源引入易燃易爆危险区域，该监测系统逐渐被应用到石油化工行业中去。

目前关于光纤光栅感温火灾报警系统设计、施工及验收的要求，尚没有国家级设计规范，只有安徽省和湖北省地方规范［6，7］可供参考：

安徽省地方规范［6］第3.2.1条规定：在储罐区安装感温探测器，探测器应沿储罐呈圆形单圈分布。每个光纤光栅探测单元的间距（沿圆周测量的间距）应不大于3m。

湖北省地方规范［7］第4.2.1条规定：在储罐区的设计，探测器应验罐壁成圆形单圈分布，每个探测点的间距（沿圆周测量的间距）应符合以下规定：

a、5万m3及以下的储罐，间距为5m；

b、5～10万m3储罐，间距为6.6m；

c、15万m3以上储罐间距为8.2m。

地方规范关于敷设间距的要求存在较大差异，不仅不利于实际工程中参考应用，而且系统能否对火灾初起阶段小功率火源及时进行报警还有待研究。

光纤光栅感温火灾探测器在外浮顶原油罐上敷设间距的取值问题，国内尚缺乏相关科学研究。

1 研究对象及工况条件

1.1 研究对象

本文以某一地区的常用类型外浮顶原油罐为研究对象，常见储罐直径为30m～100m，故本文将罐径取值为30m，40m，50m，60m，70m，80m，90m，100m进行研究，密封圈采用带风雨挡的气托弹性填料进行一次密封，并且采用金属支撑板、油气隔膜和密封板进行二次密封，密封圈体积较大且总体高度超过1.5m，二次密封的高度超过750mm。

该地区及储罐的具体参数如下［8］：平均风速为3.8m／s，平均大气压为747mmHg；原油雷特蒸汽压PR＝360mmHg，密度为890kg／m3，储存温度为30℃，P30y＝46.5kPa，密封系数Ks＝0.9，与密封相关的风速指数n＝2.2，通气阀控制压力为1.96kPa和－245.15Pa，原油蒸气摩尔质量为μy＝50kg／kmol，环境温度为27℃。

1.2 工况条件

1.2.1 火源功率

美国石油协会API对外浮顶原油罐进行了大量风洞实验研究，得出了储罐油品静止损耗的经验公式［9］。外浮顶油罐静止储存损耗为：式中：

La—外浮顶油罐静止储存损耗量，kg／a；

Ks—密封系数；

v—油罐所在地平均风速，m／s；

n—与密封相关的风速指数；

P＊—蒸汽压函数，无量纲，

D—储罐直径，m；

Py—油品平均温度下的真实蒸汽压，kPa；

Pa—油罐所在地的平均大气压，kPa；

μy—石油蒸汽的摩尔质量；

Kc—油品系数，汽油Kc＝1，原油Kc＝0.4；Ef—二次密封系数，石油及其产品Ef＝1；

根据美国API实验研究结果，可以计算出各个直径储罐单位时间的原油蒸气损耗量，如表1所示。

表1 各个罐径的原油蒸气损耗量Table 1 Wastage of crude oil steam of each crude oil storage tank

根据原油挥发分构成以及含量百分比［10］，结合表1中计算出来的原有蒸气损耗量，经过计算可以得到各个罐径外浮顶原油罐火灾初起阶段的火源功率，如表2所示：

表2 各个罐径对应的火灾初起阶段火源功率Table 2 Fire power of each crude oil storage tank

根据表2中罐径与火灾初起阶段火源功率对应关系，建立起火灾初起阶段火源功率与原油罐直径之间的关系表达式：

曲线拟合相关系数为R2＝0.9997，关系表达式对应的曲线图，如图2所示：

图2 原油罐直径与火源功率关系图Fig.2 Relations between diameters of crude oil storage tank and fire powers

外浮顶原油罐原油蒸气静止损耗量与罐径呈线性关系；外浮顶原油罐火灾初起阶段的火源功率较小；火灾初起阶段火源功率与罐径呈线性关系。

1.2.2 报警方式和敷设高度

光纤光栅感温火灾报警系统的定温报警方式的预报警温度定为70℃，差温报警方式的报警温升速率定为10℃／min。

设定储罐的浮顶为0.00m标高，考虑到二次密封的高度为0.75m，且为研究敷设高度对敷设间距的影响，将探测线路沿密封圈圆周方向分别在浮顶上方0.75m和1.50m两种高度进行敷设。根据外浮顶原油罐常见火灾事故发生位置，设定火灾发生位置为二次密封与浮顶接口处。

1.2.3 敷设间距判定标准

定温报警方式情况下，当火焰周围空间区域的温度场稳定后，温度达到70℃以上的区域，可以视为光纤光栅感温探测器的有效敷设间距。差温报警方式情况下，当火焰周围空间区域的温度在1min内温升超过10℃，则差温报警系统会发出火灾报警，此时温升超过10℃的区域可视为光纤光栅感温探测器有效敷设间距。

2 模拟计算场景设置

影响探测报警系统敷设间距的因素有很多，本文主要研究了差温和定温报警方式，储罐直径，探测线路敷设高度以及火源功率等因素对敷设间距的影响，故根据美国石油协会API的研究结果，按照罐径对应的火灾初起阶段对应的火源功率设置了数值模拟场景Case1～Case8，为了研究火源功率对敷设间距的影响，将Case4～Case8的火源功率增加1倍，设置了Case9～Case13等5个火源功率如表3所示，设置数值模拟场景如表3所示：

表3 数值模拟场景方案Table 3 Case scheme of numerical simulation

3 数值模拟工具

由于在发生射流燃烧之前，混合可燃挥发气各个组分之间已经混合完毕并且各个组分的含量百分比已经基本决定，在发生射流燃烧之后，混合挥发气中的各个组分分别与空气发生化学反应，因此，运用计算流体动力学软件Fluent软件中的混合分数模型PDF模型对外浮顶罐火灾初起燃烧阶段进行数值模拟，从而得到火灾初起燃阶段空间温度场分布。可燃蒸气在发生射流之后进行湍流燃烧，采用k-ε两方程模型［11］进行模拟计算。

4 数值模拟结果与分析

原油蒸气泄漏燃烧的数值模拟结果如表4所示。在计算过程中，火焰周围空间的温度场一直不停的脉动，火焰燃烧过程中不断加热并卷吸其周围的空气，燃烧产物温度高，在浮力作用下不断向上运动。燃烧产物和被加热的空气在向上运动过程中不断卷吸周围的空气，并与之发生热量交换，尽管随着高度的增加，温度有所降低，但是被加热升温的区域范围有所增大。

表4 数值模拟结果汇总表Table 4 Results of numerical simulation

4.1 差温和定温报警方式对敷设间距的影响

整理表4中Case 1～Case8数值模拟结果数据，同时进行数据拟合，获得差温和定温报警方式下，在敷设高度0.75m和1.50m处的探测线路敷设间距与罐径之间的关系表达式，如表5所示。差温和定温报警方式下的敷设间距与罐径之间的关系图，如图3所示。

由图3可以得知敷设间距随着罐径的增大而增大，呈正相关，主要是由于罐径越大，原油蒸气损耗量越大，火灾发生时火源功率越大，进而探测线路可以敷设较大的敷设间距。

图3 敷设间距与罐径关系图Fig.3 Relationship between laying spacing and diameter of crude oil storage tank

在同一敷设高度，差温探测报警比定温探测报警方式可以采用较大的敷设间距，主要由于原油蒸气泄漏发生火灾为快速火，火源周围空气的温升速率较快，在相对来说较短的时间内就可以使火焰周围空间温度以一定的温升速率增长，然而周围空气要加热到预报警温度还需要一定的时间积累过程，故差温探测报警方式比定温探测报警方式具有快速探测报警的优势，而且在同一敷设高度下，差温探测报警可以采用较大的敷设间距。

表5 敷设间距与罐径的关系表达式Table 5 Correlations between laying spacing and diameter of crude oil storage tank

4.2 敷设高度和火源功率对敷设间距的影响

根据图3所示，在同一罐径条件下，敷设高度在1.50m处的敷设间距比0.75m处的敷设间距要大，所以在实际工程中可以根据实际情况可适当调整探测线路的敷设高度。根据图4所示，敷设间距与火源功率存在正相关关系，敷设间距随着火源功率的增大而增大；根据曲线的走势，大概估算出当敷设间距为3m的时候，火源功率应该大于700kW。

图4 火源功率与敷设间距的关系图Fig.4 Relationship between laying spacing and fire power

5 结论

本文主要研究了光纤光栅感温探测器在外浮顶原油罐上的应用，其差温和定温报警方式，储罐直径，探测线路敷设高度以及火源功率等因素对敷设间距的影响，比较分析了差温和定温报警方式，距浮顶0.75m的敷设高度与1.50m的敷设高度对敷设间距的影响，得到以下结论：

（1）原油蒸气静止损耗量与罐径呈线性关系；外浮顶原油罐火灾初起阶段的火源功率较小；火灾初起阶段火源功率与罐径呈线性关系。

（2）外浮顶原油罐火灾中，采用差温探测报警方式比采用定温探测报警方式更具有快速探测报警优势，且光纤光栅感温探测器可以采用较大的敷设间距。

（3）敷设间距与储罐直径呈正相关，本文通过曲线拟合获得了敷设间距与罐径的关系表达式。敷设高度对探测间距有明显影响。

（4）按照有关光纤光栅感温火灾报警系统设计、施工及验收的地方规范要求的敷设间距设置时，可以在火灾发展较大时进行探测报警，初步估算按照敷设间距3m敷设时，可以探测到的火源功率应大于700kW，但是难以在火灾初起阶段进行及时探测报警，所以应加大敷设密度。

本文的研究成果可为相关规范制定修改，产品的性能改良和敷设应用提供参考。但本文研究目前工作尚处于初级阶段，还需要通过实验进行进一步研究。

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Laying spacing of detectors of fiber Bragg grating temperature sensitive fire alarm system on external floating roof crude oil

SHI Kai，YAO Bin，JIANG Meng-meng，SHU Ya

（State Key Laboratory of Fire Science，USTC，Hefei Anhui，230026，China）

Fiber Bragg grating temperature sensitive fire alarm system is applied in petrochemical storage area and other inflammable and explosive fields，however there is still no relevant national design standard.There are also significant differences in local design specifications of provinces of Anhui and Hubei as for the requirements on laying spacing.Taking external floating roof crude oil storage tank as an example，this paper studies the relationship between laying spacing and diameter of storage tank，by difference temperature or constant temperature detection methods，at two different installation heights.The results show that there is a positive correlation between laying spacing and diameter of storage tank.The fire power is indicated to have a linear relationship with the diameter of storage tank in the beginning stages when the fire power is small.In this stage the laying density should be strengthen to guarantee timely detection when the laying spacing is determined in terms of local standards.As compared to the constant temperature detection method，the difference temperature method has the advantage in rapid detection of fires，and a relative longer laying spacing can be used.

Fiber Bragg grating temperature sensitive fire alarm system；Fire detection；External floating roof crude oil storage tank；Laying spacing；Diameter of storage tank

TE88；TM76；X915.5

A

1004-5309（2012）-0098-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.02.08

2012-03-12；修改日期：2012-04-02

石 凯，男，河北唐山人，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生，研究方向为工业火灾。

姚 斌，binyao＠ustc.edu.cn