原油池火灾的火焰特性实验

张宝良 孙建刚 李姗姗 崔利富

1大庆油田设计院 2大连民族学院土木建筑工程学院

原油池火灾的火焰特性实验

张宝良1孙建刚2李姗姗2崔利富2

1大庆油田设计院 2大连民族学院土木建筑工程学院

对大庆油田原油池火灾在不同池直径下火焰高度、火焰最高温度、油层温度及池壁温度等火焰特性进行了实验测试，实验结果反映了池火灾火焰的动态变化情况，得到池火灾火焰如下的变化规律：稳定燃烧时，原油池火灾火焰高度及火焰最高温度均随着池直径的增加而增加，原油池池中心的最高温度高于池壁最高温度，原油池池壁温度随着池直径增加而减小。

原油池火灾；火焰高度；火焰温度；火灾实验

石油储运安全直接关系到我国能源战略安全。在不同类型的火灾中，池火灾最为常见，虽然池火灾的直接影响面积比其他的大型事故（例如沸腾液体膨胀性蒸汽爆炸或气云爆炸）小，但火焰对生产设备的影响会引起危险性物料的进一步泄漏，并导致更为严重的事故；如果火焰直接接触到设备表面，由于热流量非常高，会使情况变得更加危险。

由于火灾实验研究受资金、安全、环保等因素的限制，我国目前开展的火灾实验研究较少，相应的实验数据较为缺乏。本文的实验研究结果将揭示池火灾火焰特性的变化规律，并将为后续计算机数值模拟池火灾燃烧过程提供所需的燃烧基本条件，还可验证理论计算的准确性。

1 实验系统

实验采用大庆油田原油，池直径分别为1.5、2.0、3.0和5.0 m，深度为0.15 m，为了解决油罐罐底在加工和安装过程中出现的变形而导致油层厚度不均以及模拟油罐真实情况，在罐底加50 mm的水垫层，油层漂浮在水面高度100 mm，这样在整个燃烧面积上油层厚度均可保持一致。实验时将圆盘放于实验燃烧池中心，为确保安全，在实验燃烧池外围设置保护网，保护网采用钢骨架内焊接2 mm厚冲孔钢板网，钢结构骨架采用L70 mm×70 mm× 8 mm角钢，焊接链接，柱下设置C15混凝土基础，角钢柱插入基础。

实验记录环境温度、风速和风向、油层温度、池壁温度、火焰高度与沿高度的火焰最高温度等。为测量油层温度，沿圆盘中心布设具有刻度标志的标杆，并从原油液面起从上至下每2 cm布设一个高温传感器。实验方案详见图1。图1中T1～T5为油品温度测点。为测量池壁温度，沿池壁竖向每2 cm布设一个高温传感器。图1中T6～T10为池壁温度测点，其分别与T1～T5测点等高。在底部引出一U型管，在U型管上刻上刻度，并由摄像系统记录U型管的刻度，由此来计算竖向燃烧速度，该值作为后续数值模拟池火灾的输入值。本实验利用红外成像系统记录火焰图像、火焰高度及火焰温度等。

图1 圆盘池火灾实验示意

2 实验结果及分析

2.1 池火温度

火焰温度是油池燃烧的基本热力参数之一，火焰温度的测量对了解原油池火燃烧过程、燃烧产物特性，建立合理的热辐射模型具有重要意义。

利用红外成像系统测试火焰高度及沿高度上的火焰温度，从直径为3 m原油池点火后567 s时摄像系统及红外成像系统测试图像可看出，可见光图像及红外图像此时火焰高度为7.693 m，火焰的最高温度为1 138.038℃。通过上述摄像系统及红外成像系统可得燃烧过程中火焰的瞬时高度及最高温度的变化。从池直径分别为1.5、2、3及5 m原油池火焰在点火后500～540 s时间内火焰最高温度的变化情况可见，在500～540 s时间内上述4种池直径下火焰最高温度均基本稳定，只有较小范围内的跳动，表明直径为1.5、2、3及5 m池火焰在点火后500～540 s时间内均为稳定燃烧。直径1.5 m池火焰最高温度830℃左右，直径2 m池火焰最高温度920℃左右，直径3m池火焰最高温度1 155℃左右，直径5 m池火焰最高温度1 238℃左右，原油池火焰最高温度随着池直径的增加而增加。

本实验同时利用高温传感器T1～T5测量油层温度。在燃烧未开始时，T1～T5高温传感器全都在原油中，随着燃烧的进行，露出油面的高温传感器将测量火焰底部的温度，高温传感器T6～T10用于测量池壁的温度。图2为直径2 m的原油池油层温度与池壁温度的比较结果。由上述分析可知，直径2 m原油池火焰在点火500～540 s内为稳定燃烧阶段，各测点温度也基本保持稳定。因此在此选取各测点在点火后500～540 s内平均温度作为图2纵坐标，从结果可见，本实验所测直径2 m原油池池中心温度从上至下逐渐降低，池中心最高温度高于池壁最高温度。从不同原油池直径池壁温度T6～T10的温度比较可发现，在同一高度处，池直径越大，池壁温度越小。

图22 m原油池油层温度与池壁温度的比较

2.2 火焰高度

火焰高度是描述油池火的一个基本参数，由于火焰高度直接影响池火焰对相邻物体的热辐射，从而影响火灾的蔓延，因此池火焰高度一直是普遍关注的一个重要参量。根据SFPE中关于侧向风作用条件下火焰高度的定义，火焰高度定义为火焰锋线与燃烧表面之间的垂直距离。利用实验测量数据，可研究原油池火焰高度与油池直径之间的关系。

实验条件为：环境温度-4.6℃～-8.2℃，湿度36%～62%，由于本实验为室外开放实验，风速不能人为控制，只能尽量在风速相近的时间内进行实验，4组实验中最大风速为1.3 m/s，平均风速相对较为接近。图3是池直径分别为1.5、2、3和5 m原油池火焰在燃烧后500～540 s内火焰瞬时高度变化情况，从图中可以清楚地看出，原油池火燃烧过程中火焰脉动和跳跃现象。由上述分析可知，池直径分别为1.5、2、3及5 m原油池火焰在点火500～540 s内为稳定燃烧阶段。因此同样选取池火焰在点火500～540 s内火焰瞬时高度的平均值进行比较，如图3中虚线所示，池直径为1.5 m时火焰高度平均值为2.52 m，池直径为2 m时火焰高度平均值为2.85 m，池直径为3 m时火焰高度平均值为7.78 m，池直径为5 m时火焰高度平均值为9 m。由此可见，池火灾火焰高度随着池直径的增加而增加。

图3 不同池直径下原油池火焰高度的变化

3 结论

对大庆油田原油池火灾在不同池直径下火焰高度、火焰最高温度、油层温度及池壁温度等火焰特性进行了实验测试，实验结果反映了池火灾火焰的动态变化情况，得到池火灾火焰如下的变化规律：稳定燃烧时，原油池火灾火焰高度及火焰最高温度均随着池直径的增加而增加，原油池池中心的最高温度高于池壁最高温度，原油池池壁温度随着池直径增加而减小。

本实验系统还可测试火焰的燃烧速度，其测试值将作为后续数值模拟计算的输入值。实验结果也将用于与后续理论计算值进行比较，进一步修正理论模型。

13359603696、zhangbaoliang@petrochina.com.cn

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.014

张宝良：高级工程师，哈尔滨工业大学应用化学系环境化学工程专业，现任大庆油田设计院土建与防腐研究室主任。