孔得朋,劉鵬翔,王昌建,陳國(guó)明,王 克,平 平

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島266580;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥230009;3.中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島266580)

小尺度沸溢油池火災(zāi)燃燒速率特性試驗(yàn)研究

孔得朋1,劉鵬翔1,王昌建2,陳國(guó)明1,王 克1,平 平3

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島266580;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥230009;3.中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島266580)

使用勝利原油對(duì)小尺度沸溢火災(zāi)燃燒速率特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。分別記錄了直徑為0.1、0.15、0.2 m的原油沸溢油池火災(zāi)的燃燒過程,測(cè)量了燃燒速率和溫度隨時(shí)間的變化。根據(jù)燃燒速率和火焰高度變化對(duì)沸溢火災(zāi)燃燒進(jìn)行階段劃分。探討了不同直徑及初始油層厚度對(duì)沸溢火災(zāi)燃燒速率的影響,在燃燒速率基礎(chǔ)上建立沸溢強(qiáng)度模型。結(jié)果表明:沸溢火災(zāi)燃燒可以分為預(yù)燃、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒、沸溢燃燒、火焰熄滅4個(gè)典型燃燒階段;沸溢燃燒階段的燃燒速率和火焰高度顯著大于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段;沸溢火災(zāi)各階段燃燒速率均隨油池直徑的增大而增大,且沸溢燃燒階段的增幅明顯大于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段的增幅;準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段的穩(wěn)定燃燒速率與初始油層厚度無關(guān),隨油池直徑的增大而增大;沸溢強(qiáng)度隨初始油層厚度的增加及油池直徑的減小而增大,并與初始油層厚度和油池直徑間的比值成正比。

沸溢油池火災(zāi);燃燒速率;火焰高度;初始油層厚度;沸溢強(qiáng)度

火災(zāi)是原油儲(chǔ)存庫(kù)區(qū)面臨的重大安全事故。由于原油本身成分及儲(chǔ)存操作等原因,原油儲(chǔ)罐會(huì)在罐底存在一層水層。當(dāng)油罐發(fā)生火災(zāi),經(jīng)過一段時(shí)間穩(wěn)定燃燒后,底部水層發(fā)生沸騰現(xiàn)象,在巨大的壓力作用下,罐內(nèi)燃燒著的油品發(fā)生噴射或溢出,導(dǎo)致火焰突然增大,熱輻射增強(qiáng),瞬間擴(kuò)大火災(zāi)影響范圍,甚至?xí)枷噜徲凸?導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果,這種燃燒現(xiàn)象稱為沸溢[1]。由于沸溢火災(zāi)后果的嚴(yán)重性,關(guān)于沸溢火災(zāi)的研究已開展多年。Koseki等[2-4]先后利用阿拉伯輕質(zhì)原油、穆爾班原油等燃油證明沸溢發(fā)生的必要條件是燃料層在燃燒過程中產(chǎn)生一層溫度穩(wěn)定的“熱區(qū)”,并提出了沸溢強(qiáng)度的概念及計(jì)算方法[5];Hasegawa[6]對(duì)沸溢油池火中熱區(qū)的形成機(jī)制進(jìn)行了傳熱分析,發(fā)現(xiàn)熱區(qū)的溫度、密度在燃燒過程中保持相對(duì)恒定;Broeckmann等[7]分析了有熱區(qū)形成的沸溢池火和無熱區(qū)形成的薄油層沸溢池火的傳熱過程,發(fā)現(xiàn)油水界面層的水層發(fā)生核態(tài)沸騰是沸溢發(fā)生的必要條件;譚家磊[8]、梁志桐[9]、YANG等[10]通過可視化試驗(yàn)探究了界面層沸騰產(chǎn)生的氣泡運(yùn)動(dòng)全過程,證明氣泡在壓力作用下被拋出油池外,導(dǎo)致噴濺的發(fā)生;李自力[11]則通過理論分析得到原油和乳化原油的熱波速度計(jì)算模型。沸溢火災(zāi)燃燒特性參數(shù)研究中,Hua等[12]觀察了界面層氣泡的產(chǎn)生過程,指出沸溢階段燃燒速率遠(yuǎn)大于沸溢前燃燒速率;Chatris等[13]在大尺寸沸溢火災(zāi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過燃燒速率的變化將沸溢火災(zāi)劃分為不同燃燒階段;Ferrero等[14]對(duì)池火和沸溢火災(zāi)的火焰尺寸及間歇率進(jìn)行試驗(yàn)研究,改進(jìn)了沸溢強(qiáng)度計(jì)算方法[15];Laboureur等[16]則利用混合燃油對(duì)沸溢火災(zāi)不同階段的火焰特征進(jìn)行了分析;梁志桐[9]使用混合原油開展模擬試驗(yàn),建立沸溢發(fā)生時(shí)間預(yù)測(cè)模型。這些研究分別涉及沸溢油池火的發(fā)生機(jī)理,燃燒特性參數(shù)變化規(guī)律等內(nèi)容,但由于不同研究者使用的燃油種類以及試驗(yàn)環(huán)境各不相同,導(dǎo)致研究結(jié)果有所差別,甚至存在較大差異。大多數(shù)研究中[13-15]使用成品油或混合原油[9-10,16],其研究成果在原油庫(kù)區(qū)火災(zāi)事故中的工程實(shí)用性較小;關(guān)于沸溢火災(zāi)燃燒速率的研究更多的是停留在表面特征描述[9-10,13],而很少對(duì)燃燒速率變化過程進(jìn)行深入分析。筆者通過開展小尺度沸溢火災(zāi)試驗(yàn)研究,測(cè)量燃燒速率、油池內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化,對(duì)沸溢火災(zāi)不同階段的燃燒速率及火焰特征進(jìn)行分析,從溫度變化的角度分析沸溢燃燒的階段特征,探討油池尺寸、初始油層厚度對(duì)沸溢火災(zāi)燃燒速率的影響規(guī)律,利用燃燒速率特性參數(shù)建立沸溢強(qiáng)度模型。

1 試驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

現(xiàn)行原油儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒有關(guān)于尺寸設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),但根據(jù)大型原油儲(chǔ)罐尺寸設(shè)計(jì)慣例,油罐高徑比均小于1,且容積越大,高徑比越小,如10萬(wàn)立方米浮頂罐高徑比約為0.27[17]。本試驗(yàn)共使用3種高徑比的不銹鋼圓形油池來模擬原油儲(chǔ)罐,內(nèi)徑分別為0.1、0.15、0.2 m,油池內(nèi)高均為40 mm,油池壁厚為3 mm。為避免油池與電子天平之間的傳熱作用,在二者之間放置絕熱墊。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

燃燒過程中使用精度為0.01 g的電子天平每隔1 s記錄一次燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量數(shù)據(jù),從而可以得到系統(tǒng)的失重曲線,通過對(duì)失重曲線進(jìn)行微分得到油池的質(zhì)量損失速率,即燃油的質(zhì)量燃燒速率。文中的燃燒速率均指質(zhì)量燃燒速率。

在油池中心及四周布置5支直徑為1 mm、測(cè)溫范圍在-50～1200℃的K型鎧裝熱電偶,用以測(cè)量燃燒過程中水層及油層不同高度的溫度變化。根據(jù)距離油池底部高度,從下至上對(duì)熱電偶依次進(jìn)行編號(hào)為T1～T5,其中,T1熱電偶距離油池底部6 mm,相鄰熱電偶間的距離為2 mm。熱電偶布置方式見圖2(左:俯視圖;右:熱電偶高度位置示意圖)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of apparatus

另外,試驗(yàn)中還采用一臺(tái)CCD攝像機(jī)拍攝火焰圖像。通過圖像處理技術(shù)可以得到火焰高度的變化情況。如無特殊說明,下文中的火焰高度均指相對(duì)火焰高度L/D,即火焰長(zhǎng)度L與油池直徑D的比值。

本次試驗(yàn)中使用的燃料為勝利原油,其主要物性參數(shù)分別為初始溫度、平均凝固點(diǎn)、密度、黏度和平均含硫量,其數(shù)值分別為45℃、-6℃、0.94 kg·m-3、264 mPa·s和0.21%。為模擬原油儲(chǔ)罐操作過程存在的不同油水層厚度比,同時(shí)保證不同油層厚度條件下的模擬試驗(yàn)均能發(fā)生沸溢燃燒現(xiàn)象,試驗(yàn)過程中保持油池底部水層厚度hw=10 mm恒定不變,而改變初始油層厚度,具體試驗(yàn)工況如表1所示。為排除風(fēng)速的影響,本次試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,大氣壓力為1.013×105Pa。為減小誤差,每組試驗(yàn)完成后,在油盤溫度和環(huán)境條件恢復(fù)到初始條件后,進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)3次,對(duì)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值。

圖2 油池內(nèi)部熱電偶布置方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution of thermocouples

表1 小尺度沸溢火災(zāi)試驗(yàn)工況Table 2 Experimental conditions of small scale boiling fire

2 結(jié)果及其討論

2.1 小尺度沸溢油池火燃燒過程分析

燃料被引燃后,液面在持續(xù)接受火焰向下傳遞的熱量過程中,其中的輕質(zhì)組分由于沸點(diǎn)較低,受熱蒸發(fā)為可燃蒸氣進(jìn)入火焰參與燃燒,燃料質(zhì)量不斷下降。通過對(duì)試驗(yàn)中電子天平測(cè)量油池質(zhì)量變化得到的油池失重曲線進(jìn)行微分,可以得到燃料質(zhì)量燃燒速率隨時(shí)間t的變化曲線,如圖3(a)所示。

通過對(duì)試驗(yàn)中CCD攝像機(jī)拍攝到的火焰圖像進(jìn)行處理,可以得到燃燒瞬時(shí)火焰高度,對(duì)火焰高度隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行平滑處理,得到燃燒過程中火焰高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),如圖3(b)所示。

根據(jù)圖3中沸溢火災(zāi)燃燒速率和火焰高度隨時(shí)間的變化規(guī)律,可以將小尺度沸溢火災(zāi)燃燒分為4個(gè)階段,其不同時(shí)刻典型火焰形態(tài)見圖4。

(1)燃料層被點(diǎn)燃后,首先進(jìn)入短暫的預(yù)燃階段;該階段火焰迅速擴(kuò)展至整個(gè)液面,液面溫度持續(xù)升高,燃燒速率也快速增大,火焰高度不斷增大;典型火焰形態(tài)如圖4(a)、(b)所示。

圖3 沸溢火災(zāi)質(zhì)量燃燒速率和火焰高度隨時(shí)間變化曲線(D=0.15 m,h0=15 mm)Fig.3 Temporal evolution of crude oil boiling fire burning rate and flame height(D=0.15 m,h0=15 mm)

(2)在經(jīng)過短暫的預(yù)燃階段后,燃燒進(jìn)入類似純油池火穩(wěn)態(tài)燃燒的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段;這一階段的燃燒速率與火焰高度基本達(dá)到穩(wěn)定,火焰振動(dòng)幅度較小;其典型火焰形態(tài)如圖4(c)、(d)所示。

(3)經(jīng)過較長(zhǎng)一段時(shí)間準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段,燃燒進(jìn)入沸溢燃燒階段;燃燒速率出現(xiàn)突然增大現(xiàn)象,火焰出現(xiàn)大幅震蕩;大量油滴被拋到火焰與油池四周,燃燒的同時(shí)伴有氣泡破裂聲音;典型火焰形態(tài)如圖4(e)～(h)所示。

(4)短暫的沸溢燃燒階段后,燃燒速率快速回落,火焰也出現(xiàn)衰減現(xiàn)象,沸溢火災(zāi)燃燒進(jìn)入衰減熄滅階段;其典型火焰形態(tài)如圖4(i)～(k)所示。

由分析可知,燃燒油池的火焰形態(tài)變化與燃燒速率變化是同步的,而燃燒速率變化的實(shí)質(zhì)是燃油內(nèi)部輕質(zhì)組分受熱產(chǎn)生可燃蒸氣的速率發(fā)生變化。由此可見,沸溢油池火災(zāi)燃燒的不同發(fā)展階段及其特征,與油池內(nèi)部燃油可燃蒸氣的產(chǎn)生速率密切相關(guān)。為了更深入地研究沸溢油池火災(zāi)的燃燒過程,須對(duì)油層內(nèi)部的溫度變化進(jìn)行分析。

圖4 沸溢火災(zāi)不同時(shí)刻典型火焰形態(tài)Fig.4 Evolutions of flame shape during combustion process

圖5 不同液位高度溫度變化曲線Fig.5 Temporal evolutions of vertical temperature at different locations

圖5為直徑0.2 m,初始油層厚度10 mm的油池內(nèi)部不同液位高度溫度變化曲線。從圖5中可以看出,油池被點(diǎn)燃后的一段時(shí)間內(nèi),油層底部區(qū)域溫度幾乎維持不變,但燃料層上部高溫區(qū)域厚度不斷增大,單位時(shí)間內(nèi)輕質(zhì)組分產(chǎn)生的可燃蒸氣量增大,燃燒處于預(yù)燃階段;在燃燒75 s后,各液位點(diǎn)(從上至下)溫度依次開始升高,但增長(zhǎng)速率依次減緩,此階段輕質(zhì)組分的蒸發(fā)速率到達(dá)穩(wěn)定,但由于燃油內(nèi)重質(zhì)組分沸點(diǎn)較高,燃油溫度繼續(xù)升高;320 s左右,界面層溫度達(dá)到100℃,附近水層開始發(fā)生沸騰,產(chǎn)生少量氣泡,但油層的存在使這些氣泡很難向上運(yùn)動(dòng)逃離油池,水層在壓力作用下繼續(xù)升溫至沸點(diǎn)之上;在燃燒340 s左右時(shí),所有液位溫度同時(shí)出現(xiàn)陡增,油水界面產(chǎn)生大量氣泡,在活塞效應(yīng)下攜帶大量燃油被拋入火焰,燃燒速率大幅度增大,燃燒進(jìn)入沸溢階段;由于沸溢燃燒使界面層大量高溫氣泡被拋出油池,界面層下方溫度較低的水向上移動(dòng),導(dǎo)致界面層溫度迅速減小,同時(shí)大量油品被拋出使剩余油品中的輕組分含量減少,不足以繼續(xù)維持燃燒,火焰迅速進(jìn)入衰減熄滅過程。

沸溢油池火災(zāi)燃燒階段的劃分及每一階段特征都與內(nèi)部油層溫度及界面層溫度的變化相關(guān)。油層溫度的變化決定著預(yù)燃階段與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段的發(fā)生、燃燒速率及火焰尺寸的變化,而界面層水層的溫度變化則決定著沸溢燃燒的開始時(shí)間。

2.2 小尺度沸溢油池火燃燒速率特性分析

燃燒速率是油池火災(zāi)重要特性參數(shù),決定著火焰形態(tài)與變化過程,進(jìn)一步影響油池火災(zāi)溫度、熱輻射等災(zāi)害特征參數(shù),因此,有必要對(duì)沸溢油池火災(zāi)燃燒速率的變化規(guī)律及其內(nèi)在影響機(jī)制進(jìn)行研究。

圖6為不同直徑沸溢火災(zāi)燃燒速率隨時(shí)間變化曲線(h0=10 mm)。從圖6中可以看出,不同直徑油池的燃燒速率經(jīng)歷了預(yù)燃階段、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段、沸溢燃燒階段和火焰熄滅階段四個(gè)過程;對(duì)于不同直徑的油池,其從點(diǎn)燃至達(dá)到穩(wěn)定燃燒所經(jīng)歷的時(shí)間差別較小,但隨著直徑的增大,從被引燃至發(fā)生沸溢燃燒所需的時(shí)間減小。同時(shí)從圖6中還可以發(fā)現(xiàn),在各個(gè)燃燒階段,沸溢火災(zāi)的燃燒速率均隨著油池直徑的增大而增大,且沸溢階段燃燒速率的增大幅度更大。為對(duì)比準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段與沸溢階段的燃燒速率隨油池直徑的變化情況,將不同直徑的穩(wěn)定燃燒速與沸溢階段平均燃燒速率及其比值在同一坐標(biāo)中表示,如圖7所示(h0=7.5 mm)。沸溢階段燃燒速率隨直徑的增大速率明顯大于穩(wěn)定燃燒速的增大速率,但兩者的比值隨直徑增大迅速減小。

圖6 不同直徑沸溢火災(zāi)燃燒速率隨時(shí)間變化Fig.6 Evolution of burning rate for different diameters

圖7 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段與沸溢階段平均燃燒速率對(duì)比Fig.7 Mean burning rate comparison of quasi-steady and boilover period for different diameters

圖8為不同直徑油盤在不同初始油層厚度條件穩(wěn)定燃燒速率變化趨勢(shì)。從圖8中可以看出,相同直徑油池在不同初始油層厚度條件的穩(wěn)定燃燒速率保持基本穩(wěn)定,不隨初始油層厚度的改變而變化;但隨著油池直徑的增大,穩(wěn)定燃燒速率也越大。這一規(guī)律可以通過火焰與油池之間的熱傳遞作用機(jī)制解釋。對(duì)于沸溢油池火災(zāi),在預(yù)燃階段與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段液面主要通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射3種傳熱方式接受火焰?zhèn)鬟f的熱量,3種方式接收的總熱量[18-19]可表示為

式中,Q為燃料接收的總熱量,W;TF和Tf分別為火焰溫度和燃料表面溫度,K;c1為熱傳導(dǎo)傳熱系數(shù),W/(m·K);c2為熱對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K);c3為熱輻射傳熱系數(shù),W/(m2·K4);k為火焰吸收衰減系數(shù),m-1。

有研究表明,不同傳熱方式在燃燒過程中對(duì)燃燒起到的作用隨油池尺寸而變化[16]。一般來說,D＜0.03 m時(shí),油池表面熱傳導(dǎo)機(jī)制占主要作用;D＞1 m時(shí),火焰熱輻射決定油池接受熱量的大小;而當(dāng)0.03 m＜D＜1 m時(shí),傳熱過程處于一種過渡階段,即三種傳熱方式同時(shí)起控制作用,但熱輻射傳熱作用要明顯大于熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳熱方式。

圖8 不同初始油層厚度條件下穩(wěn)定燃燒速率對(duì)比Fig.8 Steady burning rate comparison of different initial thickness of fuel-layer

對(duì)于試驗(yàn)中使用的直徑為0.1、0.15、0.2 m的油池,在其準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段,可忽略熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳熱作用,而只考慮火焰熱輻射作用。其準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段的質(zhì)量燃燒速率可表示為

式中,ΔHv為燃料有效燃燒熱,kJ/kg;為大尺寸油池火災(zāi)的穩(wěn)定燃燒速率,kg·m-2·s-1。

同時(shí),依據(jù)式(2)利用試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),可以得到小尺度勝利原油沸溢油池火災(zāi)穩(wěn)定燃燒速率的計(jì)算公式:

對(duì)比表2中不同燃油穩(wěn)定燃燒速率相關(guān)系數(shù)取值,可以發(fā)現(xiàn)汽油池火相關(guān)系數(shù)與k的取值明顯大于多組分混合燃油類別的柴油與勝利原油。k由燃油自身物料特性決定,一般而言,密度越大,k值越小;而隨著燃油內(nèi)部輕組分燃油比例減小,大尺寸池火燃燒時(shí)可燃蒸氣的產(chǎn)生量和速率隨之減小,相應(yīng)的也越小。

表2 不同燃油準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒速率相關(guān)系數(shù)取值Table 2 Correlation coefficient value for different fuels

2.3 小尺度沸溢油池火沸溢強(qiáng)度模型

Koseki等[5]將沸溢強(qiáng)度定義為沸溢燃燒階段的平均燃燒速率與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段穩(wěn)定燃燒速率的比值。Ferrero等[15]則在此定義的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了修正,其沸溢強(qiáng)度定義的表達(dá)式為

為了更好地研究沸溢強(qiáng)度特性,分別分析平均沸溢強(qiáng)度Ibav與最大沸溢強(qiáng)度Ibmax的變化規(guī)律。平均沸溢強(qiáng)度Ibav是利用沸溢階段平均燃燒速率與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段的穩(wěn)定燃燒速率依據(jù)式(4)計(jì)算得到的沸溢強(qiáng)度;而最大沸溢強(qiáng)度Ibmax則是依據(jù)式(4)中平均沸溢強(qiáng)度的計(jì)算方法,使用沸溢燃燒階段最大燃燒速率計(jì)算得到的,最大沸溢強(qiáng)度能夠反映沸溢燃燒的危害最大性。

圖9為不同初始油層厚度條件下平均沸溢強(qiáng)度Ibav隨油池直徑變化規(guī)律。從圖9中可以發(fā)現(xiàn),在同一初始油層厚度條件下Ibav隨油池直徑的增大而減小,但隨著直徑增大,減小的幅度變小,Ibav逐漸趨于穩(wěn)定;同時(shí)當(dāng)油層尺寸相同時(shí),油層厚度越大,Ibav越大。由圖7分析已經(jīng)得知,沸溢燃燒速率隨直徑增加而增大的幅度雖大于穩(wěn)定燃燒速率增大幅度,但隨直徑的增大卻大幅減小,因此,沸溢強(qiáng)度隨直徑的增大而減小。

圖9 平均沸溢強(qiáng)度隨油池直徑變化曲線Fig.9 Ibavas a function of diameter for different initial fuel-layer thickness

圖10 沸溢強(qiáng)度隨初始油層厚度變化曲線Fig.10 Boilover intensity as a function of fuel-layer thickness for different pool diameters

從圖9中可知,對(duì)于固定尺寸的沸溢油池火災(zāi),其平均沸溢強(qiáng)度隨初始油層厚度的增大而增大。圖10為平均沸溢強(qiáng)度、最大沸溢強(qiáng)度隨初始油層厚度的變化規(guī)律,從圖10中可以看出,盡管最大沸溢強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于平均沸溢強(qiáng)度,但兩者隨h0的變化趨勢(shì)相似:隨h0的增大而增大,但當(dāng)h0＞12.5 mm時(shí),其增速變小,沸溢強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。所不同的是,對(duì)于最大沸溢強(qiáng)度而言,當(dāng)初始油層厚度相同時(shí),其大小隨油池尺寸的變化較為隨機(jī)。這主要是由于沸溢本身即是一種突發(fā)性燃燒現(xiàn)象,表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性,而最大沸溢強(qiáng)度受到燃油層內(nèi)部雜質(zhì)等多種因素的影響,變化更為復(fù)雜。

當(dāng)油池尺寸一定時(shí),隨著初始油層厚度的增大,界面層發(fā)生核態(tài)沸騰時(shí),剩余燃料層的厚度也越大,界面層的壓力隨之增大,水層沸騰產(chǎn)生的氣泡在活塞效應(yīng)作用下,將更多的燃料拋出油池,增大了沸溢燃燒階段的燃燒速率;而油池直徑相同時(shí)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段燃燒速率與初始油層厚度無關(guān),因此,沸溢燃燒速率的增大導(dǎo)致了沸溢強(qiáng)度隨著初始油層厚度增大而增大。

為同時(shí)將初始油層厚度h0與油池直徑D兩個(gè)因素考慮在內(nèi)研究沸溢強(qiáng)度的變化規(guī)律,忽略實(shí)際沸溢火災(zāi)事故中不同直徑、初始油層厚度的差異,定義新的變量λ=h0/D,即λ等于初始油層厚度與油池直徑的比值。經(jīng)計(jì)算后,將各λ取值對(duì)應(yīng)的最大沸溢強(qiáng)度與平均沸溢強(qiáng)度在同一坐標(biāo)內(nèi)標(biāo)出,如圖11所示。

圖11 沸溢強(qiáng)度隨λ變化規(guī)律Fig.11 Boilover intensity evolution with λ

從圖11中可以看出,最大沸溢強(qiáng)度與平均沸溢強(qiáng)度均隨著λ的增大而增大,且最大沸溢強(qiáng)度的隨λ變化的增速更大。同時(shí),從圖11中可以發(fā)現(xiàn),兩者隨λ的變化近似于線性增大。通過數(shù)據(jù)擬合,可以得到Ibav、Ibmax與λ之間的關(guān)系式為

對(duì)于小尺寸勝利原油沸溢火災(zāi),可以根據(jù)式(5)、(6)大致推算出沸溢火災(zāi)的平均沸溢強(qiáng)度、最大沸溢強(qiáng)度,對(duì)于沸溢火災(zāi)救援工作具有重要指導(dǎo)作用。

3 結(jié) 論

(1)小尺度沸溢油池火災(zāi)燃燒包括預(yù)燃、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒、沸溢燃燒、火焰熄滅4個(gè)典型階段,沸溢燃燒階段燃燒速率和火焰高度明顯大于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段。

(2)沸溢火災(zāi)的燃燒速率變化主要由油層內(nèi)部溫度分布及界面層的水層溫度變化決定;油層溫度分布主要控制預(yù)燃及準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段的燃燒速率變化,界面層附近水層溫度則決定沸溢燃燒發(fā)生的起始時(shí)間。

(3)小尺度沸溢油池燃燒過程中,穩(wěn)定燃燒速率和沸溢燃燒速率均隨直徑的增大而增大,且沸溢燃燒速率的增幅更大;對(duì)于小尺度(0.03 m＜D＜1 m)沸溢油池火災(zāi),其穩(wěn)定燃燒速率主要由液面接受火焰熱輻射能量決定,并與(1-exp(kD))成正比。

(4)沸溢油池火災(zāi)沸溢強(qiáng)度隨初始油層厚度的增大而增大,隨油池直徑的增大而減小;沸溢強(qiáng)度與初始油層厚度和油池直徑間的比值呈正比關(guān)系。

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(編輯 沈玉英)

Small scale experiment study on burning rate characteristics of boilovers

KONG Depeng1,LIU Pengxiang1,WANG Changjian2,CHEN Guoming1,WANG Ke1,PING Ping3
(1.Center for Offshore Engineering and Safety Technology,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;3.College of Chemical Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

The small scale experiment on the the burning rate has been performed in use of Shengli crude oil.Three diameters in the burning process were considered:0.1 m,0.15 m,and 0.2 m.During the experiment,the combustion process was observed,and the change of the burning rate and temperature with respect to time was recorded.The combustion period of boiling fire was divided according to the burning phenomenon,i.e.the burning rate and the height of the flame.In addition,the influences of different diameters and initial fuel-layer thickness on the burning rate were discussed,and the boilover intensity model was built according to the burning rate.The result shows that the boilover includes four typical periods,i.e.pre-combustion,quasi-steady,boilover and flame extinguishing periods.The burning rate and flame height during the boilover period are significantly greater than those in the quasi-steady period.Moreover,the burning rate increases with the pool diameter during all the combustion process,and the increased amplitude in the boilover period is greater than other periods.The steady burning rate in the quasi-steady period increases with the increase of the diameter,and has little to do with the initial fuel-layer thickness.The boilover intensity increases with the increase of the initial fuel-layer thickness and the decrease of the diameter,and as well,itis proportional to the rate between the initial fuel-layer thickness and the pool diameter.

boilover;burning rate;flame height;initial fuel-layer thickness;boilover intensity

X 937

:A

孔得朋,劉鵬翔,王昌建,等.小尺度沸溢油池火災(zāi)燃燒速率特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(3):136-143.

KONG Depeng,LIU Pengxiang,WANG Changjian,et al.Small scale experiment study on burning rate characteristics of boilovers[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(3):136-143.

1673-5005(2017)03-0136-08doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2017.03.017

2016-06-11

國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目(51504282);博士后面上項(xiàng)目(2014M560592);中央高校基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(16CX02045A);中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(YCXJ2016064)

孔得朋(1985-),男,副教授,博士,研究方向?yàn)榛馂?zāi)動(dòng)力學(xué)與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。E-mail:kongdepeng@upc.edu.cn。