船舶燃油火灾特性参数试验研究

张光辉，浦金云，杨占青，杨枫

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033)



船舶燃油火灾特性参数试验研究

张光辉，浦金云，杨占青，杨枫

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033)

摘要:针对舰船消防战术决策缺少大量定量理论数据问题，通过ISO9705试验平台、水浴油池和测试系统，采用氧消耗原理法，分别测量了0.1 m2和0.2 m2船舶燃油火灾的热释放速率、温度和热辐射强度值，研究燃油的初始温度与热释放率、燃烧时间、辐射强度及燃烧温度值之间的关系。试验发现，0.2 m2燃油火比0.1 m2燃油火的燃烧时间短450 s，平均热释放率增大140 kW，在1倍直径处的辐射强度增大约5 kW/m2，平均温度增加约70℃，根据已有数据可以测算10 m2油池的热释放速率约为20.2 MW。试验研究方法对于舰船消防战术中如何控制火灾蔓延及降低火灾危险度具有重要的理论参考价值。

关键词:船舶;燃油火灾;特性参数;热释放率

表征火灾特性的参数有热释放速率(Heat release rate，HRR)、温度、热辐射强度等，其中热释放速率是可燃物燃烧时单位时间内释放出的热量。大部分可燃物燃烧时，热释放速率随时间变化［1－2］。通过热释放速率可以定义火场的尺度，而火场的其他参数(如烟气和毒性物质的生成量)又可以通过热释放速率来描述，因此，一直以来，热释放速率都被视为反映火灾场景、表征火灾过程最重要的参数。采用氧消耗原理法，通过ISO9705试验平台研究小尺寸的船舶燃油火灾的热释放速率、温度、热辐射强度，可以为计算机仿真模拟船舶燃油火灾的蔓延特性及危险度评估等提供理论数据支撑。

1　热释放速率试验方法

当前，实验测量是获取可燃物热释放速率的基本手段。通过不同形式的试验，人们发展了多种测量热释放速率的方法。这些方法可以分为替换燃烧法、绝热箱法、失重法、氧消耗原理法。替换燃烧法和绝热箱法是基于系统热损失和能量平衡的研究，目前已经很少采用［3－5］。

1.1失重法

失重法又称为质量损失法，是实验测量热释放速率最简单的方法。如果知道火灾中可燃物的质量损失速率就能够依据可燃物的热值计算出热释放速率:

式中:Q可燃物燃烧热释放速率，kW;Φ燃烧效率因子，反应不完全燃烧的程度;m可燃物质量燃烧速率，kg/s;ΔH可燃物的热值，kJ/kg。

燃烧效率因子是失重法中难确定的因子，对于材料完全燃烧Φ=1。实际的火灾燃烧通常是不完全燃烧，随火灾场景的不同，会在较大的范围内变化，通常的范围为0.3～0.9。

1.2氧消耗原理法

早在1917年，Thorton做了大量的实验研究，发现大量的有机液体和气体在完全燃烧时，每消耗1 kg的氧气所释放出的净热量接近常数。后来Huggett测得了该常数的平均值为13.1 MJ/(kg of fuel)，准确度在±5％以内。因此只要能精确测量到燃烧系统中所耗用掉的氧气，就能计算得到燃烧的热释放速率。采用该原理测量燃烧热释放速率称为氧消耗原理法［5－6］。

2　试验装置

2.1ISO9705试验平台

小尺度ISO9705试验系统的构造及基本测量过程参照试验依据《表面材料ISO9705全尺度室火试验标准，ISO－1993版》的要求为可燃物的燃烧提供一个受限空间场所，如图1。

图1　ISO9705试验平台Fig.1　ISO9705 test platform

燃烧室内部净空间尺寸为:3.6 m(长)×2.4 m(宽)×2.4 m(高)，试验空间平面面积为:8.64 m2，试验空间的容积为:20.736 m3，燃烧室2.4 m×2.4 m墙的中间位置开门，尺寸为:0.8 m(宽)×2.0 m(高)，燃烧室为红砖砌筑，砖体厚250 mm，室内墙体为砂浆水泥抹灰，混凝土地面。

2.2燃烧油池

试验采用圆形油池，油池面积分别为0.1、0.2 m2;油池深度为150 mm;油池壁厚为5 mm;油池内水基深度为30 mm。试验中，采用水浴加热的方式改变燃油初始温度和船舶钢结构表面初始温度。水浴池按照最大油池直径进行设计，0.2 m2油池直径为0.505 m，周边留间隙0.2 m，则得到水浴池的直径为0.705 m。考虑到当水浴池的直径取0.944 m时，面积为0.7 m2，因此取水浴池的直径为0.944 m。水浴池深度0.30 m，水浴池用壁厚5 mm的钢板焊接而成，如图2。

图2　0.2 m2的水浴油池结构Fig.2 0.2 m2bath oil tank structure

3　试验测试系统设计

考虑到主要关注敞开环境下燃油的燃烧特性，因此热释放速率测试实验置于ISO 9705的集烟罩下进行。

另外，为了方便与敞开环境下的试验相比较，试验中温度测点和辐射测点的布置尽量与敞开环境下的试验相对应，测点的布置见图3。

图3　传感器布置图Fig.3 Sensor layout

3.1温度测点布置

热电偶的布置见图3。水平热电偶树A:距油池上沿0.2 m，以油池中心为轴线呈径向布置，测量径向上的温度分布，共8个测点，各测点编号为TA1、TA2、…、TA8。竖直热电偶树C:位于油池中心线上，距离油池上沿0.2 m，测量竖向上的温度分布，共8个测点，各测点编号为TC1、TC2、…、TC8。温度测量使用K型铠装热电偶，数据采集使用DAQ数据采集系统。

3.2热辐射测点

辐射测点的布置见图3。热辐射的测量采用水冷式辐射热流密度计R1、R1.5。水冷式辐射热流密度计符合ASTM E 622－83、ISO 5658、ISO 5560和ISO 17554标准。

4　试验工况

4.1试验工况

热释放速率测试在ISO 9705火灾试验平台上进行，试验中改变油温，具体试验工况见表1。

表1　试验工况Table 1 Test conditions

4.2试验编号

Y0.1－00－I中，Y为油温;油池面积为0.1、0.2 m2;环境温度为0、40、60℃;试验重复次数为2次。各试验条次的编号见表2，各试验的引燃剂种类为93#汽油，引燃剂量100 mL。

表2　试验编码Table 2 Test codes

5　试验结果与分析

5.1热释放速率结果与分析

如图4所示，Y01:常温，40℃，60℃，每种情况2次，共计6次实验。热释放率最大值基本变化不大，约118 kW(只有一次Y01－00－2发生时间550 s)，发生时间在500 s附近。热释放率平均值约为100 kW，平均值约为2 700 s(只有一次Y01－00－2热释放率平均为70 kW，总燃烧时间为3 170 s)。Y01－00，Y01－40和Y01－60没有明显差别。

Y02:常温，40℃，60℃，每种情况二次，共计6次实验。热释放率最大值基本没有变化，约285 kW。热释放率最大值发生时间几乎相同，约在420 s。总燃烧时间也基本相同，约为2 250 s。热释放率平均值也基本相同，约240 kW。Y02－00，Y02－40和Y02－60没有明显差别。

试验结果推导［6－9］，理论依据为所有不同面积油池燃烧的燃料品质相同，而且假设在所有不同面积油池内燃烧时的燃料燃烧效率近似，由此可以根据已有的油池平均热释放率试验结果及其燃料平均质量消耗速率算出相应燃料燃烧所产生的热值，以此来推算其余面积油池的热释放率。对于0.1 m2的油池，燃烧掉的燃料质量为5.74 kg，燃烧耗时平均约为2 750 s，所测得的平均释放率约为90 kW，由此可算出燃料的燃烧热值约为90×2750÷5.74=43 118.47 J/kg，以此热值作为基础进行相应面积油池的热释放速率的推算，所得结果如表3所示。

图4　两次试验的热释放速率Fig.4 Heat release rates of two experiments

表3　不同油池面积下的热释放速率计算值Table 3 The heat release rate calculate values of different fire areas

5.2辐射结果与分析

如图5所示:Y－0.1从常温至40℃再至60℃，热辐射温度重复性很好，燃油初始温度改变未影响辐射强度值。在1倍直径和1.5倍直径距离处，平均热辐射强度为10 kW/m2，燃烧时间均相同。Y02从常温至40℃再至60℃，热辐射强度重复性很好。燃油初始温度改变未影响辐射强度值。在1倍直径和1.5倍直径平均热辐射强度为15 kW/m2和7.5 kW/m2，燃烧时间均相同。Y02和Y01相比，燃烧时间缩短了约500 s，辐射强度在1倍直径处增大5 kW/m2和2.5 kW/m2。

图5　不同距离的热辐射强度Fig.5 Thermal radiation intensities of different distances

5.3温度结果与分析

由图6所示:Y01火焰中心线上温度TC1至TC8有较好重复性。最大值TC1平均温度为550℃，TC1最大值都在750℃附近。测温点最高处温度平均值约在40℃。侧向测温靠近火焰附近测点TA1平均温度在250℃附近，TA2平均温度在130℃附近。可以看出，由于燃油初温的变化从常温升高到60℃，测试结果有良好重复性，燃料初温条件对火灾燃烧温度场状态的影响不大。

图6　竖向和横向温度Fig.6 Vertical and transverse temperatures

Y02火焰中心线上温度TC1至TC8重复性较好，最大值TC1平均温度为650℃和620℃，TC1最大值都在830℃附近。测温点最高处温度平均值约在60℃。侧向测量平均温度最大值TA1为425℃，TC和TA二条热电偶树的其他测量值也均有良好一致性，燃油初温从常温升至60℃过程中对燃烧温度场基本不产生影响。

6　结论

油池周围水浴加温基本不影响热释放率、燃烧时间、辐射强度及燃烧温度。

1)Y02比Y01油池面积增大1倍，燃烧时间缩短，从平均2 700 s降至2 250 s;平均热释放率增大，从100 kW增大至240 kW;辐射强度在1倍直径增大5 kW/m2和2.5 kW/m2;

2)平均温度和最高温度值均增加，平均温度增加约70℃，最高温度增加约80℃。

在舰船上存在大量的不确定因素，这些因素往往会对消防决策产生重大影响，本试验结果可以用于大面积油池燃烧所产生的热释放率理论推算，后期还需对温度、辐射强度进一步进行理论分析，用于修正现有舰船消防决策中的不足之处。

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The characteristic parameters of ship oil fires

ZHANG Guanghui，PU Jinyun，YANG Zhanqing，YANG Feng
(Power Engineering College，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Abstract:Little quantitative data is available to assist in warship firefighting tactics.An experiment was carried out on an ISO9705 test platform using a bath oil sump and test system，and based on the oxygen consumption method.the heat release rates of 0.1 m2and 0.2 m2fuel fires，and the thermal radiation intensity values were measured.The relationships between the initial temperature，heat release rate，burn time，radiation intensity，and combustion temperature were analyzed.It was found that the burning time of 0.2 m2fuel oil was 450 s shorter than that of 0.1 m2fuel oil，while the average heat release rate increased by 140 kW，the radiation intensity increased by approximately 5 kW/m2at a position equal to the diameter，and the average temperature increased by approximately 70℃.We calculated a heat release rate of 20.2 MW for the 10 m2oil sump.The test results establish theoretical reference values for use in the control of fire spreading，and will help to reduce fire risks in warship firefighting.

Keywords:ship;oil fire;characteristic parameter;heat release rate

通信作者:浦金云，E－mail:zghshining@ sina.com.

作者简介:张光辉(1979－)，男，讲师，博士;浦金云(1961－)，男，教授，博士生导师.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50806071).

收稿日期:2015－02－06.网络出版时间:2015－12－21.

中图分类号:X928.1;TK121

文献标志码:A

文章编号:1006－7043(2016)01－0065－06

doi:10.11990/jheu.201502013

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1555.026.html