原油流淌火燃烧特性的试验研究

吕　鹏

(武警学院 科研部，河北 廊坊　065000)



原油流淌火燃烧特性的试验研究

吕鹏

(武警学院 科研部，河北 廊坊065000)

利用自行设计的流淌燃烧试验平台对原油流淌火的燃烧特性进行了试验研究，分析了坡度对火焰高度、质量损失速率、火焰温度和热辐射等火灾特性参数的影响。结果表明，原油在稳定流淌燃烧时，在燃烧槽末端出现类似池火的燃烧现象，且火势规模较大；原油流淌火的火焰高度、质量损失速率、火焰温度和热辐射均小于同等规模的油池火，且坡度越大，火灾特性参数越小；坡度引起的油层运动破坏了油品表面稳定的传热结构，导致维持油品稳定燃烧的热平衡状态发生变化是造成原油流淌火与池火在火灾特性参数上不同的主要原因。

流淌火；原油；坡度；燃烧特性

0　引言

随着我国能源安全战略的调整实施和经济社会的快速发展，石油已经成为保障国家经济与政治安全的重要战略物资。随着国家石油战略基地的逐步建设，油罐区的规模和单罐的容积不断扩大，其潜在的火灾风险也在不断增大。油品一般具有易挥发、易燃烧、易爆炸等性质，一旦发生火灾极易形成大面积的油池火和流淌火，同时燃烧产生的热辐射会进一步扩大火灾范围，形成大面积火海，造成重大人员伤亡和财产损失。因此，开展油品火灾理论研究、提高油罐区火灾防控能力已成为消防安全领域的研究热点。

目前国内外对油品火灾的研究主要集中在油池火方面，包括理论模型的建立[1-2]，冷却条件下油罐火的燃烧特性研究[3]，火焰温度与高度、火焰几何形状与脉动频率、热释放速率和火焰热辐射等火灾特性参数在不同油罐尺寸条件下变化规律的研究[4-11]以及油罐火沸溢喷溅等方面的研究[12-13]。近年来，针对流淌火的研究已逐渐引起科研人员的关注，但主要集中在轻质油品的流淌燃烧规律方面[14-15]，而针对原油流淌火燃烧规律的研究还鲜有报道。现实火灾案例中原油流淌火灾给我国石油化工企业带来了巨大威胁和火灾损失，因此开展原油流淌火燃烧特性的研究对于进一步认识与掌握此类火灾燃烧规律和解决消防部队灭火作战的实际需要具有重要的理论指导意义。

1　试验装置与方法

试验在自行设计的流淌燃烧试验平台上进行，如图1所示。试验采用直径0.6 m、高1.5 m的外层包裹隔热材料的钢制油桶模拟油罐，并在模拟油罐周围固定填有岩棉的隔热钢板进行热防护；油桶高度通过固定式液压升降平台进行调节；油品通过阀门控制经管路进入水封布流槽从泄漏口流出，经点燃在6 m长、1.5 m宽的底部铺设耐火砖和耐火水泥的流淌燃烧槽内边流淌边燃烧；通过流淌燃烧槽下方的液压横杆来调节燃烧槽的坡度；燃烧油品流入喷有泡沫灭火剂的集流池内能够即刻熄灭，避免集流池内火焰对流淌火的影响。

图1　流淌燃烧试验平台示意图

试验以原油流淌火为研究对象，设定坡度条件分别为0°、1°、2°和3°。采用数码摄像机对试验过程进行录制，并利用视频处理软件UleadVideostudio99对流淌火稳定燃烧状态下的火焰图像进行处理；通过置于模拟油罐和集流池下方的具有实时记录功能的质量传感器来计算油品燃烧的质量损失速率；采用架设在燃烧槽两侧的热电偶靶对火焰温度进行测量，并利用Toprie-TP700多通道温度记录仪进行实时记录；利用圆箔式热流传感器和FLUKE-2635A数据采集仪对平行原油流淌方向的火焰热辐射进行测量和记录。

2　结果与讨论

2.1原油流淌火的燃烧现象

图2是原油在坡度为3°条件下的流淌燃烧过程，其中(a)为初始阶段，(b)为蔓延阶段，(c)为稳定燃烧，(d)为火焰衰减。原油在泄漏口处被引燃后火焰沿燃烧槽迅速向下传播(图2a)；燃烧面积随着油品的流动迅速扩大，火焰高度、温度和热辐射持续增加(图2b)；原油的燃烧速率逐渐增加，与原油流淌引起的油层传热状态形成动态平衡，燃烧达到稳定状态(图2c)；随着原油泄漏量的不断减少，其燃烧速率开始降低，火势规模逐渐衰减，火焰长度逐渐向泄漏口处收缩，并最终在泄漏口处熄灭(图2d)。试验还发现，在原油流淌火稳定燃烧阶段，流淌槽末端和中端的火焰高度差别较小，这是因为原油是多组分油品，在流淌燃烧过程中易挥发的轻质组分最先燃烧，未完全燃烧的重质组分由于黏度较大以致在流淌槽末端流速减慢并堆积，形成类似池火的燃烧状态。

图2　原油流淌火的燃烧过程

2.2坡度对火焰高度的影响

试验定义平均火焰高度为可见的不连续区火焰高度的80%，即连续区火焰高度与80%的不连续区火焰高度之和[9]。图3是不同坡度条件下原油流淌火的火焰高度曲线。由图可知，坡度为0°时，火焰燃烧处于油池火状态，其火焰平均高度为2.21 m。随着坡度的增加，原油流淌火的火焰高度逐渐降低，当坡度为3°时，火焰高度降低至约1.52 m。这是因为随着坡度的增加，原油的流速逐渐增大，油层的运动破坏了油品表面稳定的传热结构，油品燃烧与外界环境之间的热量损失增大，导致油层表面温度较低，油层厚度的减小和热量损失的增加使得油品的蒸发速率降低，以致火焰高度降低。坡度的变化导致油品的传热结构和燃烧状态的改变，流淌火火焰高度(H1)与油池火火焰高度的比值，即无量纲火焰高度(H0=H1/H)是关于油品流速v的函数f(v)，则流淌火与油池火火焰高度之间的关联式为H1=H×f(v)，通过增加试验工况得到原油流速与无量纲火焰高度之间的关系曲线，如图4所示。利用数值拟合得出原油流淌火与油池火的火焰平均高度关联式为H1=H×f(v)=(-2.2v2-0.33v+1)×H。

2.3坡度对质量损失速率的影响

图5是原油流淌火在不同坡度条件下的质量损失速率。由图可知，随着坡度的增加，油品的流淌速度逐渐增加，质量损失速率呈现递减趋势。流淌火质量损失速率与油池火相比分别下降了约15.5%、27.5%和41%。当油品以非水平液面燃烧时，即以一定流速流淌燃烧时，油层间的热量损失较大，同时油品的流动导致火焰内部空气卷吸、燃烧产物及油蒸气的运动状态发生变化，油品的蒸发速率的降低导致流淌火的燃烧速率低于油池火。坡度的变化能够引起油品流淌速度的改变，因此通过增加试验工况并利用数值拟合手段对油品流速与质量损失速率的关系进行表征，油品流速与质量损失速率关系如图6所示，原油流淌火的质量损失速率(m)与油品流速(v)的拟合关系式为：m=-0.14v2-0.03v+0.057。

图3　坡度对原油流淌火火焰高度的影响

图4　原油流速与无量纲火焰高度的拟合关系

图5　坡度对原油流淌火质量损失速率的影响

2.4坡度对火焰温度的影响

图7是原油流淌火稳定燃烧时燃烧槽中端部位的火焰温度随时间的变化。由图可知，当坡度为0°时，即原油池火的火焰温度范围约为170～840 ℃。随着坡度的增加，火焰温度范围逐渐变窄，达到稳定燃烧所需时间逐渐增加，且坡度越大，达到稳定燃烧所需的时间越长。与油池火相比，流淌火的温度曲线有明显波动，坡度越大，温度越低，波动幅度越大。这是因为当油品以流淌状态燃烧时，油品沿着坡面向前流淌，冷热油层的不断混合破坏了油品表面稳定的传热结构，使得油层表面温度和油品蒸发速率减小，导致火焰热辐射的降低。同时，由于在流淌燃烧过程中油品的流动和油层间的相对运动使得油蒸气向上运动产生扰动，使得火焰燃烧产生较大脉动，表现出较为明显的火焰震荡现象，导致火焰温度曲线出现较多波动。

图6　质量损失速率与油品流速的拟合关系

(a)坡度0°

(b)坡度3°

2.5坡度对火焰热辐射的影响

图8是坡度对沿原油流动方向上火焰热辐射的影响。由图可知，坡度为0°时，即在长方形原油池火条件下，火焰热辐射在燃烧160 s后达到稳定，流淌燃烧槽中端部位的火焰热辐射最高，最大值可达29.78 kW·m-2，前端和末端部位的火焰热辐射与中段相比较小(图8a)。随着坡度的增加，火焰热辐射逐渐降低，当坡度为3°时，火焰热辐射最大值仅为13.65 kW·m-2(图8b)，同时由于坡度的增加导致油品的流速增大，使得油品表面的混合气体运动和空气卷吸发生变化，因此火焰热辐射变化曲线的波动逐渐增多。同时发现，当坡度为3°时，燃烧槽末端与中端的火焰热辐射最大值极为接近，这与原油流淌火的燃烧现象具有较好的一致性。因此，在实际灭火过程中，可以根据现场流淌火的蔓延态势，对流淌火的着火区域进行划分，并将热辐射相对较小的区域作为灭火救援的突破口，进行灭火救援力量的部署，这对大型罐区灭火救援方案的制定与实施具有一定的指导意义。

(a)坡度0°

(b)坡度3°

3　结论

利用自行设计的流淌火燃烧试验平台，对原油火流淌状态时的燃烧规律进行了试验研究，分析了坡度对火焰高度、质量损失速率、火焰温度和热辐射等火灾特性参数的影响，结论如下：(1)原油流淌火在稳定燃烧阶段，由于原油中组分的燃烧速率和黏度的不同，导致火焰在燃烧槽末端形成类似池火的燃烧状态，火势规模较大。(2)原油流淌火的火焰高度、质量损失速率、火焰温度和热辐射均小于同等规模的原油池火。随着坡度的增加，原油流速逐渐增加，其火灾特性参数呈一定规律的递减趋势；但相同坡度条件下，在燃烧槽末端的火灾特性参数仍然较大。(3)原油流淌火与油池火在火灾特性参数上的不同，主要是因为坡度产生的油层运动破坏了油品表面稳定的传热结构，引起油层表面温度和油品蒸发速率的变化，导致维持油品稳定燃烧的热平衡状态发生变化。

[1] Vytenis Babrauskas.Estimating Large Pool Fire Burning Rates[J].Fire Technology,1983,19(4):251-261.

[2] Vytenis Babrauskas.Free Burning Fires[J].Fire Safety Journal,1986,11(1-2):33-51.

[3] 万象明.冷却对油罐火灾燃烧特性的影响研究[D].天津：天津商业大学,2011.

[4] MUNOZ M,ARNALDOS J,CASAL J,et al.Analysis of the Geometric and Radiative Characteristics of Hydrocarbon Pool Fires[J].Combustion and Flame,2004,139(3):263-277.

[5] KOSEKI H.Combustion Properties of Large Liquid Pool Fires[J].Fire Technology,1989,25(3):241-255.

[6] Hiroshi Koseki,Yumoto Taro.Air Entrainment and Thermal Radiation from Heptane Pool Fires[J].Fire Technology,1988,24(1):33-47.

[7] Hiroshi Koseki,MULHOLLAND G W.Effect of Diameter on the Burning of Crude Oil Pool Fires[J].Fire Technology,1991,27(1):54-65.

[8] HAMINS A,KLASSEN M,GORE J,et al.Estimate of Flame Radiance Via a Single Location Measurement in Liquid Pool Fires[J].Combust and Flame,1991,86(3):223-228.

[9] 赵大林,魏东,田亮,等.汽油储罐火灾燃烧特性的实验研究[J].工程热物理学报,2004,25(2):342-344.

[10] 魏东,杨君涛,董希琳.着火油罐稳定燃烧时的辐射热分布[J].热科学与技术,2005,4(3):241-245.

[11] 刘万福,田亮,薛岗,等.着火油罐辐射热传递过程实验研究[J].工程热物理学报,2004,25(2):271-274.

[12] Hiroshi Koseki,Yasutada Natsume,Yusaku Iwata,et al.Large-scale Boilover Experiments Using Crude Oil[J].Fire Safety Journal,2006,41(7):529-535.

[13] 谭家磊,汪彤,宗若雯.原油储罐火灾扬沸形成时间预测模型研究[J].中国安全生产科学技术,2009,5(5):37-41.

[14] 吕鹏，舒中俊，董希琳，等.坡度对柴油流淌火燃烧特性的影响[J].消防科学与技术,2014,33(2):117-120.

[15] 蔡宾斌.流淌火与油池火燃烧特性对比实验研究[J].消防科学与技术,2013,32(8):829-831.

(责任编辑、校对马龙)

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”国家科技支撑计划课题(2011BAK03B07)；公安部科技强警基础工作专项项目(2015GABJC04)

吕鹏(1982—)，男，河南林州人，讲师，博士。

●消防理论研究

D631.6

A

1008-2077(2016)04-0005-05