就地燃烧法处理海上溢油教学实验平台的开发

孔得朋， 刘鹏翔， 平平， 文若曦

(中国石油大学(华东) a. 机电工程学院; b. 化学工程学院， 山东 青岛 266580)

就地燃烧法处理海上溢油教学实验平台的开发

孔得朋a， 刘鹏翔a， 平平b， 文若曦a

(中国石油大学(华东) a. 机电工程学院; b. 化学工程学院， 山东 青岛 266580)

为满足海洋石油工程、燃烧学等课程的教学实验需要，开发了就地燃烧法处理海上溢油教学实验平台。该平台包括环境风模拟系统、宽阔水面油池火模拟系统、液面稳定系统和数据采集系统。该平台能模拟就地燃烧法处理海上溢油的燃烧环境与过程，同时可以对燃烧速率、燃烧效率、火焰高度等燃烧特征参数的数据进行采集。其中，环境风模拟系统可以产生均匀一致的风速，宽阔睡眠油池火迷你系统可以准确模拟溢油在海面的燃烧过程，根据连通器原理设计的液面稳定系统则可以保证在燃烧过程中液面的稳定，最大程度保证与实际海面溢油燃烧的相似性。采用该实验平台，学生可以了解就地燃烧法处理海上溢油的流程，掌握相关燃烧特征参数的数据采集方法，加深学生对就地燃烧在实际海上溢油处理中认识和理解，提高学生的实践动手能力。

实验平台； 教学实验； 海上溢油； 就地燃烧

0 引 言

在海上油气生产过程中，溢油是一类常见且危害巨大的事故。海上溢油往往会给当地海洋环境、生物多样性以及渔业造成了灾难性的影响[1-2]。因此，快速有效地处理海上溢油对于降低溢油造成的水体污染，保障生态环境和生物多样性具有重要意义。就地燃烧法作为常见一种处理海上溢油方式，通过在泄漏源头将溢油燃烧掉，可以大幅减少溢油对水体的影响，降低传统清理岸线产生的废弃物数量以及海鸟和哺乳动物等接触油类的机会。另外，从处理效率上看，就地燃烧法的溢油清除率通常在90%以上，部分情况下甚至可以达到 98%以上[3-5]。因此，就地燃烧法作为一种快速、低成本的清除溢油方法，已在美国墨西哥湾“深水地平线”平台爆炸溢油事故处理中多次应用，并取得了较为理想的效果[6]。

为了促进课程内容更好地与现代海上油气开采溢油事故处理技术相结合，近年来我校安全工程专业必修课“燃烧学”及专业限选课“海洋石油工程概论”均将就地燃烧法处理海上溢油纳入到课程体系中。通过课程的学习，学生基本掌握了就地燃烧法处理海上溢油的原理和方法等理论知识，但对于这一方法的实际运用缺乏直观的认识。实验教学作为高等教育的重要环节，对于培养学生的创新能力、科研能力和实践能力具有重要的作用[7-11]。为此，亟需构建就地燃烧法处理海上溢油实验教学平台，帮助学生加深课堂所学理论知识的理解，全面掌握就地燃烧法处理海上溢油的流程、主要影响因素，增强学生的学习主动性和参与度，提高学生的动手能力、协作能力和创新能力。

1 实验平台设计与开发

就地燃烧发处理海上溢油教学实验平台主要由环境风模拟系统、宽阔水面油池火模拟系统、液面稳定系统以及数据采集系统四部分组成，其整体结构示意图如图1所示。其中，环境风模拟系统用于模拟实际燃烧环境中的环境风；宽阔水面油池火模拟系统用于模拟就地燃烧法实施过程中的边界环境条件；液面稳定系统用于保持燃烧过程中燃油液面高度的稳定，充分模拟宽阔水面油池火的边界条件；数据采集系统则用于测量实验过程中环境风速、燃油质量变化以及记录燃烧过程。

1-变频器， 2-横向风系统， 3-热线风速仪， 4-宽阔水面油池， 5-池火模拟系统， 5-照相机， 6-热电偶束， 7-液面稳定系统， 8-电子天平

1.1 环境风模拟系统

在就地燃烧法处理海洋溢油事故过程中，环境风是一种不可忽略的影响因素，环境风的存在会对溢油处理效率、溢油燃烧行为产生重要影响。为此，利用轴流风机等研制了环境风模拟系统，用于提供类似于海洋环境下的水平风。

环境风模拟系统主要由轴流风机、变频器、框架结构和整流部分组成，其主体结构如图2所示。系统主体部分为两台轴流风机，分别放置于框架内部上下两层。两台变频器分别与两台轴流风机相连，其输出电压频率可在0～50 Hz调节，调节精度0.1 Hz，通过调节变频器，可实现风机转速从0～1 450 r/min任意数值，从而获得不同风速风场。

1-框架结构， 2-轴流风机， 3-整流段

另外，由于轴流风机越靠近叶片根部分风速越低，越靠近叶片尖端风速越大。使用不均匀气流进行实验得到的结果无法定量分析不同风速的影响[12]。为保证产生的风速是均匀的，在风机出风口部位增加整流段。整流段由外径为2 cm的PVC塑料圆管层码放而成，为使风墙出风面风速尽量均匀，靠近风机叶片前端布置的整流管最长，向风机中心逐渐缩短。整流段使风机驱动的气流在经过整流管内和管之间的缝隙后再从出风面流出，以尽量消除气流中大尺度的漩涡、平行出风面方向以及竖直方向的分速度，只留下垂直出风面方向的速度分量，从而保证风速的均匀性。

1.2 宽阔水面油池火模拟系统

宽阔水面油池火模拟系统主要通过大尺寸水池和小尺寸油池来模拟宽阔水面油池火燃烧的边界条件，使用L型PC管与液面稳定系统相连，以保证液面高度恒定，其整体结如图3所示。

1-承重架， 2-油池支架， 3-油池， 4-水池， 5-L型PC管

大尺寸水池由不锈钢材质制成，前后采用高透光玻璃，便于实验过程中观察燃烧池内液面及燃油状态变化；小尺寸油池下端固定安装在水池底面的油池支架上，油池由耐高温Pyrex透明玻璃材质制成，呈圆柱形结构且位于水池中央，顶部与水池齐平，采用中空设计且底部与水池相连通。为方便水池移动，在水池底部放置一承重架，采用钢制框架结构，使水池下方中空，方便与液面稳定系统相连。L型PC管上端出口到达油池顶部，下端出口通过水池底部的圆孔与液面稳定系统相连，形成连通器系统。为防止实验过程中出现漏水现象，分别在透光玻璃与不锈钢材质接口处、L型PC管与水池内部的接口处做密封处理。由于油池面积远小于水池面积，且通过连通器原理设计油池形状及布置方式，合理地模拟了宽阔水面油池火燃烧的边界条件。

1.3 液面稳定系统

燃油液面高度近似为恒定是就地燃烧法处理海洋溢油事故的一个重要特点，为使模拟实验台的油池在燃烧过程中保持燃油液面恒定，利用连通器原理设计了溢油液面稳定装置[13-14]。该装置与宽阔水面油池火模拟系统中的油池相连通，并在实验过程中持续不断地向油池提供燃料，达到油池液面高度恒定的目的。液面稳定系统主要由稳定框架、上层承重平台、下层承重平台、储油池、补给池、回收池、补给口、溢油口、阀门、不锈钢软管和地脚螺栓组成，其整体结构见图4。

1-补给池补给阀门， 2-下层承重平台， 3-稳定框架， 4-上层承重平台， 5-储油池补给阀门， 6-储油池不锈钢软管， 7-储油池， 8-补给池， 9-回收口， 10-回收池， 11-补给口， 12-补给池不锈钢软管， 13-地脚螺栓

图4 液面稳定系统结构示意图

稳定框架上下端分别设有放置储油池的上层承重平台、放置补给池和回收池的下层承重平台，补给池两侧分别设有补给口、溢油口且补给口高度低于溢油口，溢油口正下方放置回收池，补给口端通过不锈钢软管与宽阔水面油池火模拟系统的L型PC管下端出口相连形成连通器系统，补给池通过连通管持续向油池提供燃料，储油池同样利用不锈钢软管通过侧面的补给口与补给池相连，持续向补给池补给燃油，阀门可控制储油池、补给口燃油流速，下层承重平台底部安装有4个对称的可调节高度的地脚螺栓，便于调节下层承重平台高度并可适应实验所需的液面高度要求。

1.4 数据采集系统

本实验平台数据采集系统主要包括风速测量、质量测量、火焰形态测量以及温度测量系统。

(1) 风速测量系统。在变频器不同输出频率下，需要对每组实验中环境风模拟系统提供的横向风的风速进行标定，以使横向风风速达到模拟环境风风速。风速测量系统使用加野麦克斯 KA12 四通道风速仪对不同高度处的风速进行测量。

(2) 燃烧速率测量系统。燃烧速率是衡量就地燃烧法处理海洋溢油事故效率与效益的重要指标。燃烧速率测量方法通常包括质量燃烧速率和液面衰减速率[15]。考虑到实际可操作性，本实验台通过直接测量燃油质量损失来获得质量燃烧速率。质量损失使用日本岛津BX22KH电子天平记录，其测量精度0.1 g，采样间隔0.1 s。将电子天平置于液面稳定系统下方并在液面稳定系统与电子天平之间添加防火板，以保证实验过程中系统的安全和稳定。

(3) 温度测量系统。温度测量系统使用K型WRNK-191铠装热电偶，直径为1 mm，测温范围为0～1 100 ℃，主要对燃烧过程中的油池内部不同液位高度温度及火焰温度进行测量。 测量的数据通过7通道7018数据采集模块并经R232转换器后传输到电脑并在相关软件中显示与记录。

(4) 火焰图像采集系统。使用Canon 7D数码摄像机对实验过程中的可见火焰图像进行拍摄。摄像机置于与风向垂直方向，其高度及与油盘的距离根据油池火焰大小进行调整，以适应火焰尺度的变化。后期利用Matlab程序对采集到的火焰图像进行处理，从而得到火焰长度及倾角。

2 实验操作步骤与方法

由于该实验比较复杂，开展实验时，需要多名同学同时参与，每名同学负责不同区域与操作，严格按照实验步骤进行操作。

实验开展前，首先对学生进行安全教育。然后根据实验工况调节变频器输出功率，对油池附近的风速进行测量。通过调整并固定环境风模拟系统到宽阔水面油池火模拟系统的距离，调节数字变频器输出功率，控制轴流风机转速。使用风速仪测量风速，待风速稳定后开始实验。

根据模拟实验需要，向水池中注满水，向油池中注入一定量燃油，分别向储油池、补给池中注入足量的燃油，使补给池内燃油液面高度达到溢油口高度，调整地脚螺栓，控制补给池的液面高度与油池燃油液面高度齐平，同时上下调节L型PC管，使其上端出口到达油池燃料层，并将L型PC管下端出口与液面稳定系统相连通。

实验开始时，负责液面稳定系统的同学按顺序先后打开储油池端与补给池端的阀门，控制储油池的燃油供给速度始终大于补给池的供给速度，使补给池燃油液面始终处在溢油口高度，保证补给池、油池中的燃油液面高度恒定不变，多余燃油通过溢油口流向下方的回收池进行回收；打开摄像机，调整角度，保证能够拍摄到整个火焰区域；在电脑端打开电子天平与温度数据采集相关软件，收集记录质量和温度数据；在检查数码相机及各软件显示正常后，由专人使用点火枪引燃油池，开始燃烧实验。

实验完成后，关闭变频器，及时对储油池、补给池、回收池内的剩余燃油进行回收；将油池内剩余燃油及被污染的水进行回收并妥善处理，避免直接流入地下水源，防止污染。

3 实验结果与讨论

3.1 火焰高度

火焰高度是燃烧学及火灾学中的重要参数，根据火焰高度可以估计火焰热辐射，确定安全距离。为此，在本实验中通过数码相机拍摄的燃烧过程，可直观地观察到整个燃烧过程中火焰的变化过程，图5所示为就地燃烧法处理海洋溢油实验中火焰变化过程。

图5 实验中典型火焰形态变化过程

为对火焰高度做进一步分析，根据图像处理相关理论[16]，将火焰图像进行二值化处理，转换为如图6所示的灰度图。编制Matlab火焰图像处理程序处理可以到火焰高度，图7为最终获得的燃烧过程中火焰高度变化曲线。从图中可以看出，在燃烧初期，火焰高度不断增加，然后保持稳定。在燃烧末期，由于火焰的辐射作用，燃油发生了沸溢，导致火焰高度突然增加。故在实际使用就地燃烧法处理海洋溢油时，需要在后期着重预防沸溢发生。

3.2 质量燃烧速率

图6 Matlab火焰图像处理示意图 图7 典型就地燃烧实验相对火焰高度变化

根据电子天平测量、记录的质量数据可得到燃油质量变化曲线，如图8(a)所示。对该曲线进行微分可确定质量燃烧速率。从图8(b)可以看出，就地燃烧法处理海上溢油燃烧的燃烧速率可以分为增长阶段I、稳定阶段II、急剧增长阶段III和衰减阶段IV。急剧增长阶段主要是由于燃烧过程中发生了沸溢，这与火焰高度的结论是一致的。

(a)质量变化曲线

(b)燃油质量燃烧速率变化曲线

图8 质量变化曲线及质量燃烧速率变化曲线

4 结 语

就地燃烧法处理海上溢油实验教学平台可以直观地展示溢油的过程，能将学生所学的燃烧学、海洋油气工程等理论知识与实验学习有机结合，提高了学生的实验动手能力。通过该实验，既提高了实验教学质量，又增加了学生对相关理论知识的感性认识。另外，该实验平台为学生创新能力锻炼提供了良好基础。本科生还可进行大学生创新计划、毕业设计等创新活动，这对于培养培养学生的创新能力和工程实践能力具有重要意义。

[1] 崔 源, 郑国栋, 栗天标, 等. 海上石油设施溢油风险管理与防控研究[J]. 油气田环境保护, 2010, 20(1): 29-32.

[2] 王志霞, 刘敏燕. 溢油对海洋生态系统的损害研究进展[J]. 水道港口, 2008, 29(5): 367-371.

[3] 戴联双, 白 楠, 薛鸿丰, 等. 油品泄漏应急处理的受控燃烧[J]. 油气储运, 2013, 32(11): 1191-1193.

[4] 李建伟, 赵绍祯. 现场燃烧技术在溢油应急处置中的应用[J]. 船海工程, 2014, 43(5): 124-127.

[5] 王辉东. 就地燃烧法在深海地平线溢油清理中的应用[C]∥2010年船舶防污染学术年会论文集, 2010: 275-278.

[6] 维基百科. Deepwater Horizon explosion [EB/OL]. [2016-5-3]. http://en.wikipedia.org/wiki/Deepwater_Horizon_explosion.

[7] 施鼎方, 徐竟成, 朱毓秀, 等. 开设综合性实验项目 促进创新能力培养[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(8): 85-87.

[8] 邢红宏, 梁承红, 张纪磊. 充分利用综合性实验培养学生的综合素质[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(2): 165-167.

[9] 罗雁云，林龙锋. 专业实验教学创新与学科建设相结合 [J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(11): 179-181.

[10] 宋永臣，杨明军，刘卫国，等. 本科生专业实验教学研究探讨专业实验教学创新与学科建设相结合[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(2): 161-165.

[11] 杨 静. 教研结合培养研究生的创新能力[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(3): 26-29.

[12] 陶常法. 倾斜气流作用下酒精池火燃烧特性及传热机制研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学， 2013

[13] Rasbash D, Rogowski Z, Stark G. Properties of fires of liquids[J]. Fuel, 1956, 35(1): 94-132.

[14] 刘 帅. 水平环境风对油池火热反馈及燃烧速率的影响研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学， 2011

[15] 廖光煊, 王喜世, 秦 俊. 热灾害实验诊断方法[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2003.

[16] 董喜梅, 杨 磊, 崔 浩, 等. 基于图像处理的火焰检测算法研究[J]. 后勤工程学院学报, 2011, 27(2): 90-96.

Development of Experimental Teaching Platform of In-situ Burning for Cleaning the Oil Spill on Sea

KONGDepenga,LIUPengxianga,PINGPingb,WENRuoxia

(a. College of Mechanical and Electronic Engineering; b. College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Aiming at the need of experimental teaching for offshore oil engineering and combustion theory, a teaching experimental platform of in-situ burning for cleaning the oil spill on sea was designed and developed. This platform is composed of environmental wind simulation system, pool fire in open water simulation system, liquid surface stability system and data collection system. This platform can simulate the combustion process and behavior of in-situ burning, and also collect the data of combustion characteristic parameters, including burning rate, combustion efficiency, flame height et al. The environmental wind simulation system can generate a uniform wind with the same speed, the pool fire in open water simulation system can simulate the combustion process of the spilled oil on the sea vividly and the liquid surface stability system is used to maintain the oil surface stable during the combustion. Based on this platform, the students can understand the procedure of oil spill cleaning and master the data collection method and deepen the application of this method. This platform is capable of improving the operational ability of students and has significant effluence on training the engineering practice ability and scientific quality of students.

experimental platform; teaching experiment; oil spill on the sea; in-situ burning

2016-06-25

国家自然科学基金项目(51504282); 中国石油大学教学改革项目(QN201510)

孔得朋(1985-)，山东肥城人，博士，讲师，硕士生导师，现主要从事石油石化火灾动力学研究。

Tel.:0532-86980385; E-mail:kongdepeng@upc.edu.cn

X 937

A

1006-7167(2017)02-0054-04