大尺度连续泄漏航空煤油流淌火热辐射模型研究

刘全义, 吕志豪, 智茂永, 李志法, 孙中正

(中国民用航空飞行学院民航安全工程学院,四川广汉 618307)

流淌火灾是油气储运过程中常见的一种火灾事故,其本质是泄漏油品流淌过程遇火燃烧引发火灾爆炸从而造成严重灾害的过程。2005年12月11日,位于英国伦敦的邦斯菲尔德油库发生大规模溢油事故,并引发大面积火灾和连续爆炸[1]。2010年大连新港附近中石油输油管道起火爆炸,附近海域被原油污染[2],形成流淌火的过火面积至少50 km2。2017年中国石油天然气股份有限公司大连分公司140万t/a重油催化裂化装置原料油泵发生泄漏引发火灾,经济损失和社会危害巨大。因此,研究流淌火灾蔓延燃烧耦合机制特性,对确保油气储运安全乃至国民经济发展具有重要意义。国内外已经开展了大量有关水面上燃油泄漏、蔓延和燃烧过程的研究[3-6]。美国联邦航空管理局(FAA)[7-8]针对机场燃油流淌、池火开展了全尺寸试验,对倾斜表面流淌火、引擎舱流淌燃烧及灭火过程开展了研究。庄磊等[9]针对航空煤油池火研究了航空煤油池火的燃烧速率等特征参数的变化规律,并基于燃烧速率建立了池火火焰高度与油池直径之间的理论模型。孔得朋等[10]对小尺度溢油池火方面进行了试验,对不同直径及初始油层厚度对燃烧速率的影响进行了研究。Mealy等[11]对流淌火燃烧动力学过程进行了深入研究。刘全义等[12-16]研究了水平和变坡度下正庚烷和航空煤油流淌火试验,重点研究了火焰高度、燃烧速率、流淌面积等燃烧特性。在火灾热辐射方面,李玉等[17]依据相同的火焰宽度、燃烧速原则建立了火焰热辐射改进点源模型,在热辐射计算精度方面较之前有了改善。这些研究更多关注的是航空煤油池火的燃烧特征和小尺度蔓延燃烧试验的研究,对大尺度航空煤油的溢油流淌火燃烧尤其是热辐射规律的研究较少[18]。笔者为深入研究航空煤油在不同倾斜表面上的流淌燃烧机制,通过开展大尺度流淌火试验,研究不同流淌坡度对航空煤油热辐射模型的影响。

1 试验设置

1.1 试验平台搭建

所用试验平台为拼接型倾角可调式燃油流淌火燃烧试验平台[19],如图1所示。该试验平台包括油料供应装置、布流槽、流淌槽、数据收集及控制系统等。油料供应装置由支架、油料桶、蠕动装置和称重装置组成,蠕动装置采用直流无刷电机以便于速度调整,以确保泄漏速率相同。布流槽的功能是将油品溢流到流淌槽。流淌槽作为该试验平台的关键部件,主体框架尺寸为5.85 m×0.8 m×0.15 m,其底部设有6根支撑柱,每根支撑柱均设有一个万向调节器,用于保持流淌平面的水平。其中前、中部分的4个支撑柱内设有可调的插销,对流淌平面倾角进行调节。流淌面为通过高温胶粘接的防火玻璃,底部为不锈钢衬板。流淌槽为防止油品侧流而采用硅酸钙板进行防护。由于试验时会产生很多热量,所以采用岩棉和碳酸钙板作为隔热防护物固定在框架上和前端部分。试验前对试验平台所有组件进行安装、流淌槽表面和布流槽出油面进行调平、调试,完成之后即可开始正常试验。试验开始期间,在蠕动泵的作用下,航空煤油从油桶中流出,经软管流入布流槽中并逐渐从布流槽溢出。一旦发现油品进入流淌槽便立即点火试验。试验结束后,将回收未燃烧的油品。试验过程中数据采集及控制系统对燃油泄漏速率、泄漏时间、流淌槽倾斜角度和辐射热流密度等进行采集和测量,并通过视频录像记录流淌火试验过程。

在火灾试验研究中,常使用数字图像处理(digital image processing)手段对火焰图像进行分析,将火焰图像的形状信息转化为具体的数字坐标,以获得火焰高度和火焰前沿位置等火焰特征参数[20-22],用于后续热辐射模型的建立。图1(c)是某组试验的图像处理过程,左侧是数码摄像机拍摄的原始图像。通过分析该帧图像中各像素点的RGB值(火焰边缘为红色的大于 200, 蓝色的小于140, 绿色的小于150),将符合判断依据的像素点标记为红色,不符合判断依据的像素点标记为黑色。

图1 拼接型倾角可调式燃油流淌火燃烧试验平台Fig.1 Assembling-type experimental platform with adjustable slope for liquid oil spill fire

1.2 试验工况

选用航空煤油(Jet A-1)作为试验油品,在试验过程中通过布流槽流淌在流淌槽表面。航空煤油是喷气式飞机发动机专用的航空燃油,其密度为790.6 kg/m3,闪点为38 ℃,自燃温度为425 ℃,露天燃烧温度为260～315 ℃,最大燃烧温度可达980 ℃。

在进行不同坡度航空煤油流淌火试验之前,首先调节蠕动泵转速,进行了坡度为0°即在水平流淌槽表面上开展不同泄漏速度的航空煤油泄漏流淌火试验,实时记录辐射热流密度。蠕动泵转速设置为50、100、200、250 r/min,与之对应的泄漏速度为0.93、2.05、4.39、5.39 L/min。在以上试验基础上,改变流淌槽的的坡度为0.5°、1°、3°。开展相同泄漏速度下不同坡度的航空煤油流淌火试验,并记录数据用于后续分析。

2 试验结果分析

2.1 溢油流淌火辐射模型

发生火灾时,辐射是最主要的传热方式之一。溢油流淌火的主要危害体现在不断变化的热辐射传热对周围罐体和设施产生的威胁,使其他设施破损或失效,造成新的泄漏,从而引发更大规模的火灾、爆炸或危化品泄漏事故。辐射热流密度与火焰表面发射功率(emissive power)以及视角系数(view factor)等因素有关。对放置在矩形油槽侧向的辐射热流计而言,视角系数主要由溢油流淌火的火焰形状以及火焰相对热流计的位置决定。在大尺度试验中测量了溢油流淌火侧面两个高度为1 m位置处的辐射热流密度。

根据视角系数定义,在t时刻,传感器Rsensor接收到的辐射热流密度R(t)可表示为

R(t)=τPSEP(ds)F(ds,Rsensor)ds.

(1)

式中,τ为火焰辐射穿透比,通常可近似认为其值为1,即不考虑穿透比的影响[23];ds为溢油流淌火火焰面上任意一个小的微元面,m2;F(ds,Rsensor)表示微元面ds对传感器接收面的视角系数;PSEP(ds)为微元面ds的火焰表面发射功率,kW/m2。

在火焰的辐射研究中,建立固体火焰模型是一种常见方法,即把火焰看作具有与火焰类似形状和发射功率的固体表面[24-26]。图2给出了流淌火固体火焰模型,观察图2(a)所示的试验图像,可将溢油流淌火的火焰近似看作长方体,其长宽高分别是燃烧油膜的长度L、矩形油槽宽度D及火焰高度H,如图2(b)所示。

在长方体形状的溢油流淌火中,燃烧产生的热量以辐射的形式向顶部和四周传递。假设溢油流淌火固体火焰模型每个表面的发生功率相等,且不随时间变化。表面发射功率(PSEP)估算值为

(2)

其中

M(t)=2H(t)L(t)+2D(t)+DL(t).

式中,M(t)为火焰对接受面的辐射热流密度,W/m2;Vt为泄漏后的某一时刻流淌油槽内液体燃料总体积,m3;ξ辐射分数,即火焰向四周的辐射热占燃烧释放总热量的百分比。

Mudan等[27]给出了ξ的经验值(约15%)。此处有效燃烧热值取Babrauska给出的经验值。航空煤油密度取790 kg/m3,质量燃烧速率取0.050 kg/m2s,有效燃烧热值为44 MJ/kg。

图2 流淌火固体火焰模型Fig.2 Solid flame model for continuous jet fuel spill fire

将所测各时刻的燃烧面积和火焰高度代入式(2)进行计算,得出各组航空煤油流淌火试验中所估算的表面发射功率为25.7 kW/m2,如图3所示。

其中A00、A05、A10和A30分别表示坡度为0°、0.5°、1°和3°的工况;F50、F100、F150、F200和F250表示蠕动泵转速为50、100、150、200和250 r/min的工况。

当溢油流淌火燃烧面积的长度L小于辐射热流计横坐标值XR时,式(1)中计算视角系数需考虑火焰前表面对热流计的辐射;而当L>XR之后,前表面对热流计的视角系数为零,此时仅需考虑侧表面辐射传热的影响。

2.2 辐射模拟与试验结果对比

根据溢油流淌火火焰前沿位置、燃烧面积和火焰高度的测量值,计算出固体火焰模型的辐射热流密度。在流淌油槽水平表面不同泄漏速率下航空煤油流淌火试验和变坡度航空煤油流淌火试验中,热流计的辐射热流密度测量值与预测值对比见图4、5。对于3°倾角下的航空煤油流淌火,最大泄漏速率为3.51 L/min,故选择此组试验作为参考。

由图4可见,热辐射强度的测量值和预测值较为吻合,相对误差为6%～20%。而对于图5中水平表面航空煤油流淌火试验,在有限泄漏速率范围内,随着泄漏速率从0.93 L/min增加到5.39 L/min,测得的最大火焰热辐射强度也明显增加,从2 kW/m2增加到8.73 kW/m2。热辐射强度测量值和预测值更为吻合,偏差仅为6%,说明在估算溢油流淌火的辐射分布时,将流淌火假设作固体火焰是合理的,尤其是对于水平表面的溢油流淌火,且本文中估算的火焰表面发射功率适用于该固体火焰模型。在固体火焰模型基础上,即可计算燃烧过程中溢油流淌火周边任意一点的辐射热流密度。

溢油流淌火燃烧区域的长度和火焰高度均按试验测量值给出。试验中以最大火焰高度的稳定值替代了实时结果,故在火焰蔓延阶段辐射热流的经验值较实测值偏高。

2.3 流淌火热辐射伤害

根据以往对人体的热辐射耐受能力测试研究,人体经受热辐射的伤害程度取决于热辐射通量或辐射热强度、暴露面积和持续时间[28]。NFPA59A《液化天然气的生成、储运和运输标准》规定,液化天然气储存设施周围的最大安全辐射热通量为5 kW/m2。热辐射对人体的危害一般表现为灼伤(分为3级)及对应临界安全热辐射强度(5 kW/m2)的暴露时间,其中一度烧伤的暴露时间为35～60 s,二度烧伤的暴露时间为140 s,三度烧伤的阈值为125 s;三度烧伤致50%致死率的暴露时间为270 s。

图4 航空煤油流淌火热辐射测量值和计算值Fig.4 Comparison of measured values and calculated values of radiative heat flux of jet fuel spill fire

图5 水平表面不同泄漏速率下航空煤油流淌火热辐射的测量值和计算值对比Fig.5 Comparison of measured values and calculated values of radiative heat flux of jet fuel spill fire on horizontal surface at different leakage rates

针对流淌火燃烧蔓延过程中的热辐射伤害,选取热辐射通量5 kW/m2作为人体所能承受的热辐射判定标准,将热辐射强度为5 kW/m2的位置作为溢油流淌火的临界安全距离。以0°倾角泄漏速率为4.39 L/min的航空煤油溢油流淌火试验为例,由图5(c)可知,当航空煤油泄漏燃烧蔓延60 s即火焰前沿位置快速蔓延到2.34 m时,距离溢油口最近(3.04 m)的热辐射通量计测得的热辐射通量达到5 kW/m2,之后一直持续到204 s,即流淌火经历火焰收缩阶段和火焰稳定燃烧阶段以及部分熄灭阶段[17],该热辐射通量计所在位置的热辐射通量始终高于5 kW/m2。204 s以后,流淌火已经处于熄灭阶段,此处热辐射通量逐渐减弱。图6绘出了泄漏后各时刻溢油流淌火的临界安全距离曲线。泄漏口位于坐标(0, 0)处,溢油流淌火沿X轴正向蔓延。该曲线下方的区域为溢油流淌火燃烧过程中的危险区域,曲线上方为安全区域。

图6 不同时刻临界安全距离示意图Fig.6 Schematic diagram of critical safety distance at different times

3 结 论

(1)建立的矩形油槽内航空煤油溢油流淌火的固体火焰模型中估算所得固体火焰模型的表面发射功率约为25.7 kW/m2。

(2)由视角系数计算的溢油流淌火对周围的辐射传热经验值与试验测得的实测值吻合。

(3)根据固体火焰辐射模型的计算结果和人体受热辐射的伤害程度可以预测不同时刻溢油流淌火周围的安全距离。

(4)当前阶段主要研究了大尺度变坡度连续泄漏的航空煤油流淌火,将来应在现有试验条件的基础上,针对小尺度下航空煤油的溢油流淌火燃烧热辐射规律进行研究,并将其与大尺度流淌火热辐射规律进行对比。