持水冷却剂对油罐火灾高温罐壁冷却性能的研究

邢 志，董希琳，吕 鹏

(武警学院，河北 廊坊 065000)

●消防理论研究

持水冷却剂对油罐火灾高温罐壁冷却性能的研究

邢 志，董希琳，吕 鹏

(武警学院，河北 廊坊 065000)

设计并搭建了贴近火场实际的持水冷却剂冷却性能研究试验平台，通过与普通水对比，分别对不同流量及不同热辐射强度下持水冷却剂的冷却降温效果和节水能力进行了研究。研究结果表明，热辐射强度越大，持水冷却剂对受热板的冷却降温效果越好，节水效果越明显。但在热辐射强度不变的情况下，喷射流量越小，节水效果越明显。

油罐火灾；热辐射；持水冷却剂；冷却；节水效果

0 研究背景

中国是一个石油进口大国，国内石油储存的规模不断扩大。2003年后，10～15万立方米的大型油罐越来越多。近年来，国内外相继发生了多起大型油罐火灾爆炸事故，如表1所示。从表中可以看到，一旦发生油罐火灾，极易形成严重灾害，造成相当大的经济损失，甚至人员伤亡和环境破坏，同时也给扑救工作带来了极大的困难。

通过对国内外多个大型油罐火灾进行研究分析，可以发现大型油罐一旦发生火灾，具有燃烧速度快、爆炸危险性大、罐壁受热响应复杂、扑救难度大以及易造成环境污染等特点。油罐火灾中，火灾热辐射是造成油罐火灾蔓延的主要因素之一[1]。同时实践以及研究表明，大型油罐火灾的控制和扑救都离不开高强度的冷却用水[2]。但是，由于消防用水自身理化性质的特点，用于对罐体进行冷却时，很难在罐壁上保持较长时间，冷却作用尚未完全发挥就流散至地面，造成了现场水资源的极大浪费，降低了扑救效率。因此，我们研究开发了持水冷却剂，并通过与普通水的冷却效果进行对比，研究持水冷却剂的节水性能。研究结果可为大型油罐火灾的灭火救援行动提供技术支持和理论指导，有助于技战术方法的创新；同时，有助于提高水的冷却效果，节约水资源，减少环境污染，对于建设资源节约型﹑环境友好型社会有重大的现实意义。

1 试验装置及试验方法

本研究旨在模拟油罐火灾中，用持水冷却剂和普通水冷却罐壁的过程，并通过冷却降温的效果，对比持水冷却剂和普通水用量，得到使用持水冷却剂降温的节水率。为此，自主设计了一套试验装置，以测试各类数据。设计思路如下：用油盘模拟着火油罐，用受热板模拟邻近油罐，在受热板上找出一块高温且温度均匀的区域，作为试验对象，对比持水冷却剂和普通水冷却效果。经多次改进后，试验装置如图1所示。

该试验装置大致分为加热系统、冷却系统和数据测量及采集系统。本试验采用144B标准油盘作为辐射热源，受热板采用一块1.0 m×1.5 m的钢性平板，受热板处接受到的热辐射强度，通过调节受热板到油盘的距离来改变；冷却喷管装在受热板迎火面顶端支架上，一端封闭，一端通过软管连接在自吸泵上。管上均匀的布置了一排孔洞，用于喷射冷却剂；热辐射通量的采集与测量，采用圆箔式热流传感器和Fluke-Hydra SeriesⅡ测试仪；测量温度的仪器是黄屏VPR130-RY无纸记录仪。试验中使用的持水冷却剂为添加了表面活性剂的海藻酸钠水溶液，海藻酸钠质量分数在0.1%～0.4%之间。为获得比较合理的数据，在受热板背部竖直方向中心线上从上到下选取5个测温点(T1、T2、T3、T4、T5)，分别布置热电偶，其中，T3点在竖直和水平方向上均为中心点，相邻热电偶之间间距为0.1 m，如图2所示。

表1 典型油罐火灾事故损失及救援情况

图1 试验装置

2 试验结果与分析

2.1 持水冷却剂降温效果试验

使用油盘对受热板进行加热，在相同的热辐射强度条件下，待受热板上测温点T5处的温度上升到200 ℃时，进行试验，分别使用持水冷却剂和普通水对受热板进行冷却，各个测温点的温度基本达到稳态时，记录该时刻各测温点的温度，对比分析两者的降温效果。

图2 受热板背部测温点分布

2.1.1 喷射流量对冷却降温效果的影响

试验开始前，按预定的距离、方位等摆设好油盘和受热板，在144B油盘中倒入等量(按稳定燃烧10 min计算)的原油。受热板处测得的辐射热强度平均值为19.52 kW·m-2，环境温度为10 ℃，持水冷却剂的海藻酸钠含量为0.3%(质量分数)，粒径为70目，初始的水温为8 ℃。

用汽油引燃油盘。在热辐射强度不变的情况下，待受热板处温度达到200 ℃时，启动喷射装置，以设定好的喷射流量(0.024、0.030 9、0.041、0.062 5 L·s-1)对受热板进行喷射，并且使喷射出的持水冷却剂或普通水往下流淌过程中完整覆盖受热板，不留空白点。试验过程中，实时通过黄屏无纸记录仪，观察受热板各点处温度变化情况，待受热板温度达到一个相对稳态的值时，记录各个测点的温度。试验数据如表2所示。

从表2的数据可以看出，以相同流量喷射的持水冷却剂和普通水对受热板的降温程度是不同的，使用持水冷却剂冷却比使用普通水冷却，受热板的平均温度要低。两者喷射流量较小时(0.024 L·s-1)，使用持水冷却剂比普通水对受热板冷却的平均温度低9.8 ℃，5个测点分别对比，T2点温差达到11 ℃。这是因为，第一，由于两者相比，持水冷却剂具有一定的黏性，在受热板上流动较慢，从顶端流动到底部需要的时间较长，在这个过程中，持水冷却剂蒸发汽化的水量较多，带走的热量比普通水多。第二，因为持水冷却剂流动较慢，所以在受热板上形成的水层比普通水在受热板上形成的水层要厚，从而对辐射热的阻隔作用较强。两个原因都使得相同喷射流量下，持水冷却剂比普通水对受热板的冷却降温效果要好。

但是，从以上试验可以分析得出，随喷射流量的增大，使用持水冷却剂和普通水对受热板进行冷却，达到稳态时平均温度的差别逐渐减小。尤其是第四组试验(喷射流量为0.062 5 L·s-1)，持水冷却剂和普通水分别冷却受热板到稳态温度时，温差仅为5.2 ℃，5个测温点中最高温差也仅有6 ℃。持水冷却剂的优势逐渐减弱。这是因为，在热辐射强度不变的情况下，喷射流量增大，两者在受热板上往下流动的速度加快，从顶端流动到底部需要的时间缩短，在这个过程中，蒸发的水量减少，冷却的主要方式变为对流换热，两者对流换热速率相同，所以对受热板的降温效果基本相同。

2.1.2 热辐射强度对冷却降温效果的影响

试验用持水冷却剂的海藻酸钠含量为0.3%(质量分数)。受热板处测得的辐射热强度平均值分别为16.80、19.52、36.20、45.68 kW·m-2，用汽油引燃油盘。在不同热辐射强度下，待受热板T5处温度达到200 ℃时，启动喷射装置，以设定好的喷射流量(0.041 L·s-1)对受热板进行喷射，并且使喷射出的持水冷却剂或普通水往下流淌过程中完整覆盖受热板，不留空白点。实时观察受热板各点处温度变化情况，待受热板温度达到一个相对稳态的值时，记录各个测点此时的温度。试验数据如表3所示。

表3 不同热辐射强度下持水冷却剂与普通水的冷却降温效果

从表3数据可以看出，在不同的热辐射强度下，以相同流量喷射的持水冷却剂和普通水对受热板的冷却效果不同，使用持水冷却剂冷却比使用普通水冷却，受热板的平均温度要低。在热辐射强度较低的情况下(16.80 kW·m-2)，使用持水冷却剂对受热板进行冷却，与使用普通水冷却相比，差别不大，平均温度差仅有5.8 ℃，5个测点中的最高温差也仅有7 ℃。随着热辐射强度的增加(45.68 kW·m-2)，使用持水冷却剂对受热板进行冷却，比使用普通水冷却，效果明显变好。平均温度差有12.2 ℃，5个测点中的最高温差达到14 ℃。这是因为，热辐射强度较小情况下，持水冷却剂和普通水在往下流动过程中，两者都主要通过对流换热对受热板进行冷却，而蒸发汽化的水量都很小；随着热辐射强度的增大，持水冷却剂因为黏性较大、流动较慢，在往下流动过程中蒸发汽化的水量增多，而普通水因为流动比较快，在往下流动过程中吸收的热量相对较少，达不到蒸发汽化的温度就流走了。因此，随着热辐射强度的增加，与普通水相比，持水冷却剂对受热板的冷却降温效果要好。

2.2 持水冷却剂节水效果试验

在与上述试验相同的条件下，分别使用持水冷却剂和普通水将受热板冷却至相同的稳态温度，记录各测温点的温度、与受热板到油盘相同距离处热辐射强度、持水冷却剂和普通水的喷射流量，并计算出持水冷却剂的节水率。持水冷却剂的节水效果用节水率η表示，通过下式计算：

式中，Q1——普通水的喷射流量，L·s-1；

Q2——持水冷却剂的喷射流量，L·s-1。

试验选取海藻酸钠浓度为0.3%(质量分数)的持水冷却剂与普通水对比，环境温度为12 ℃，冷却剂初始温度为9 ℃。热辐射强度分别为16.80、19.52、36.20、45.68kW·m-2，待受热板T5处的温度达到200 ℃时，启动喷射装置对受热板进行喷射，并且使喷射出的持水冷却剂或普通水往下流淌过程中完整覆盖受热板，不留空白点。调整流量，实时观察受热板各点处温度变化情况，待受热板温度达到一个相同的稳态值时，记录持水冷却剂和普通水的喷射流量。试验数据如表4所示。

表4 不同热辐射强度下持水冷却剂节水对比

从表4的数据可以看出，在不同热辐射强度下，用持水冷却剂和普通水分别对受热板进行冷却，当受热板达到相同的稳态温度时，两者所用的流量是不同的。在热辐射强度较低的情况下(16.80kW·m-2)，与普通水相比，持水冷却剂的节水率约为39.1%；随着热辐射强度的增加，节水效果逐渐增强，当热辐射强度达到45.68kW·m-2，持水冷却剂的节水率达到50.5%。这与前述试验中，随着热辐射强度的增加，持水冷却剂相比普通水，对受热板的冷却降温效果越明显的结论是一致的。

3 结论

通过试验研究，可得出如下结论：(1)在热辐射强度相同和喷射流量都相同的情况下，持水冷却剂对受热板的冷却降温效果优于普通水，但随着喷射流量的增大，持水冷却剂冷却效果的优势逐渐减弱；(2)与普通水相比，在喷射流量相同的情况下，随着热辐射强度的增大，持水冷却剂对受热板的冷却降温效果逐渐增强；(3)与普通水相比，在将受热板冷却至相同的稳态温度的前提条件下，持水冷却剂的用量较少，且热辐射强度越大，节水效果越明显。

[1] 石中玉,孟甜.大型浮顶原油储罐消防系统的设计与运行管理[J].油气田地面工程,2009,28(5):40-41.

[2] 杨素芳.油罐火灾中邻近罐罐壁冷却温度变化规律研究[J].消防科学与技术,2010，(3):187-189.

(责任编辑 马 龙)

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，河北沧州人，副教授； 董希琳(1960— )，男，陕西周至人，教授； 吕鹏(1982— )，男，河南林州人，讲师，博士。

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1008-2077(2015)08-0005-04