大型储罐池火特性实验研究

张日鹏

(1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院,山东 青岛 266071； 2.化学品安全控制国家重点实验室，山东 青岛 266071)

随着全球石油化工行业的蓬勃发展，炼厂和石油库等场所的储罐数量和容积急剧增加，随之带来的储罐区安全问题也日益严重。通过分析国内外的储罐安全事故可以得出：储罐火灾事故在其中占很大比重。由于储罐内储罐的油品大多具有易燃易爆和易挥发的特性，因此储罐火灾事故极易造成和巨大的人员和经济损失。2005年12月11日，英国邦斯菲尔德油罐发生火灾事故，事故共持续近60 h，烧毁大型油罐20余座，导致43人受伤，直接经济损失2.5亿英镑[1-4]。

长期以来，国内外专家学者多通过小尺寸储罐火灾实验或数值模拟对储罐火灾特性进行研究，由于实验条件的限制，很少进行大型储罐火灾特性实验研究。

小尺寸储罐池火实验，火灾蔓延很快，整个过程极为短暂，难以具体展开分析。而大型储罐发生火灾时，池火的蔓延是需要一段时间，如果能够及时监测到火灾发生并及时做出正确反应，则有可能在火灾蔓延为全表面火灾之前，遏制火灾的发生。

笔者对22.74 m储罐、11.5 m液池和20.3 m液池进行多组池火实验，通过分析实验数据得出池火燃烧初始阶段的蔓延规律、池火火焰脉动与火焰高度等池火燃烧特性，为储罐区消防设计以及发生火灾时的消防战术制定提供参考。

1 实验介绍

实验采用的装置主要为5000 m3储罐、直径11.5 m液池、直径20.3 m液池。5000 m3储罐的直径为22.74 m，高度为14.8 m，储罐底部为水垫层；直径11.5 m液池，高度为0.5 m，底部为水垫层；直径20.3 m液池，高度为0.5 m，底部为水垫层。储罐和液池底部设计为水垫层，除了可以减少油品的用量，还可以保证在整个燃烧过程中，油品能够在水平面上均匀分布。

5000 m3储罐进行实验时，在水垫层表面先加20 m3柴油，为了便于引燃，在柴油上部加2.2 m3汽油，汽油液面距罐壁顶部为2 m。11.5 m液池进行实验时，在水垫层表面先加柴油1600 L，为了便于引燃，在柴油上部加汽油200L，汽油液面距罐壁顶部的距离大约为0.1 m；直径20.3 m液池进行实验时，液池内先添加17 m3柴油，然后添加1 m3汽油，液面距液池壁顶部大约0.1 m。

实验时，采用高清摄像机从地面、侧向高处以及空中多个方位和角度对池火燃烧过程进行录像。 选取其中四次实验进行分析，其中5000 m3储罐实验1次，称为实验1，实验时现场风速为3.5 m/s，风向为北偏西33°，气温23.7℃，湿度54%。11.5 m液池实验2次，第一次实验时，风向为北偏西64°，风速为0.1 m/s，温度为27.9℃，湿度为34%，称该次实验为实验2；11.5 m液池第二次实验时，风向为北偏东30°，风速为1.5 m/s，温度为24.8℃，湿度为37%，称该次实验为实验3；20.3 m液池进行1次实验，称为实验4，现场风速为3.3 m/s，风向为北偏东40°，气温6.2℃，湿度79%。

由于实验4视频拍摄不全，只用来分析池火蔓延规律。

2 储罐池火蔓延规律

储罐池火燃烧包括油品蒸发和蒸气燃烧两部分，油品蒸发是前提，直接燃烧的是油蒸气，因此，油蒸气与空气的混合方式以及混合比例,决定了蔓延的方向和速率；风会使火焰倾斜，进而导致下风向接受更多的热量，从而加速油品蒸发和燃烧。因此，火灾发生前的油品蒸气与空气的混合情况以及风速风向都会决定火灾初始阶段的蔓延速率和方向[5-7]。

对实验1池火前24s的录像，利用软件逐秒进行提取，其中，5s之后的航拍图受浓烟的影响，部分可见火焰被遮挡，不能计算火灾面积和蔓延速率，储罐表面首次全部充满可见火焰发生在第24s，实验1前1～5s的池火蔓延过程如图1所示。

图1 实验1前5s池火蔓延过程

Fig.1 1～5s pool fire spread process of experiment 1

图2 实验1火焰蔓延速率与时间的关系

对图1中的火焰蔓延过程图进行处理，得出池火火焰蔓延速率与时间的关系，如图2所示。

从图1可以看出，池火开始阶段，火焰朝着上风向蔓延，分析其原因，实验风速为3.5 m/s，虽然风速较大，但罐壁顶部距油品液面的距离为2 m，初始阶段火焰高度较低，火焰受风的影响很小，因此火焰的蔓延方向也基本不受风的影响。同时，点火处上风向的罐壁是离点火处最近的罐壁，而由于罐壁的遮挡作用，罐壁旁边的油蒸气浓度高于储罐中心开阔处的油蒸气浓度，因此，初始阶段池火朝上风向蔓延，并且逐渐蔓延至上风向半侧罐壁。

对实验1池火6～24s的录像，选取其中第7s、12s、17s和22s进行展示，如图3所示。

从图2可以看出，在前4s内，随着时间的增加，火焰蔓延速率呈线性增加，第4s时火焰蔓延速率达到最大值，为44.3 m2/s；第5s时，火焰蔓延速率大幅下降；结合图1可知，第5s时火灾蔓延到罐壁，受空间的限制，蔓延速率出现大幅下降；池火发生5s后，火焰蔓延的面积已经接近储罐全表面的一半。

从图3可以看出，池火首先向上风向蔓延，直至上风向半侧罐壁均发生燃烧，此时池火火焰已高于罐壁，火焰在风的作用下朝下风向倾斜，池火向下风向蔓延。这是因为风会使火焰向下风向倾斜,下风向未燃油品相比上风向未燃油品会接收到更多的热量，因此下风向未燃油品更容易蒸发并与空气预混达到最优的混合比例，池火火焰也会沿着下风向蔓延。

图3 实验1第7/12/17/22s池火蔓延过程

Fig.3 7/12/17/22s pool fire spread process of experiment 1

对实验2池火前8s的录像，利用软件逐秒进行提取，如图4所示。

图4 实验2的1-8s液池池火蔓延过程

对图4中的火焰蔓延过程图进行处理，可以得出池火火焰蔓延速率与时间的关系，如图5所示。

图5 实验2火焰蔓延速率与时间关系

从图4可以看出，液池池火的点火处靠近罐壁，池火朝着液池中的白色区域蔓延，并迅速蔓延到整个白色区域，然后以白色区域为中心，向四周未燃油品区域缓慢均匀蔓延(靠近罐壁方向受罐壁限制未有蔓延)；分析其原因，实验2进行时，点火发生在加入汽油之后很长一段时间，而实验2进行时的温度为27.9℃，湿度为34%，所以点火时液池表面大部分汽油经过了长时间的挥发，已经所剩无几，液池中的白色区域是薄层间断的消防泡沫，薄层间断的消防泡沫减缓了汽油的挥发(实验4中厚层连续消防泡沫则会完全阻止汽油的挥发)，所以火焰首先向该区域迅速蔓延。火焰在白色区域以外均匀蔓延,主要是因为白色区域以外的池火燃烧为柴油燃烧，由于实验2进行时的风速为0.1m/s，风速极小，可以归属为无风情况，同时柴油的初沸点较高，所以可以认为白色区域以外的柴油蒸气浓度极低并且均匀分布，所以火焰向各个方向均匀蔓延。

从图5可以看出，蔓延速率随时间的变化规律总体上呈现为先增加然后减小的趋势(第6s除外)，前4s，随着时间的增加，火焰蔓延速率逐渐增加，在第4s时达到最大值为11.3 m2/s；然后火焰蔓延速率逐渐下降，其原因为汽油蒸气逐渐较少，柴油燃烧越来越占主要地位,而柴油的初沸点要远高于汽油的初沸点，同等情况下，柴油的蔓延速率低于汽油的蔓延速率。分析图3及录像可以得出第6s蔓延速率急剧下降的原因：第5s蔓延到液池左侧的部分池火在第6s出现了熄灭，导致总体的蔓延速率下降，部分火焰熄灭的原因是该处油蒸气浓度低，火焰蔓延速率过快，瞬间燃烧产生的热量不足以维持燃烧的继续。

对实验3池火前8s的录像，利用软件逐秒进行提取，如图6所示。

图6 实验3的1～8s液池池火蔓延过程

Fig.6 1～8s pool fire spread process of experiment 3

对图6中的火焰蔓延过程图进行处理，可以得出池火火焰蔓延速率与时间的关系，如图7所示。

图7 实验3火焰蔓延速率与时间关系

从图6可以看出，点火处靠近罐壁，火焰首先从点火处沿着罐壁朝上风向蔓延，直至蔓延到四分之一罐壁，然后在沿着罐壁蔓延的同时，向下风向蔓延。该现象产生的原因是：实验3进行时风速为1.5 m/s，风的作用使液池表面的油蒸气浓度降低，而上风向罐壁处受0.1m高罐壁的保护作用，汽油蒸气浓度较高，因此，初期的火焰沿着罐壁向上风向蔓延；随后在风的作用下，火焰向下风向蔓延。

从图7可以看出，随着时间的增加，火焰蔓延速率整体呈现增加的趋势，并且在5s以后，火焰蔓延速率随时间的增加速率逐渐变大，这主要是由于风的作用，使下风向的油品接受到越来越多的热量，并且加速蒸发和燃烧。

综上可以得出，对于这类液面有高罐壁遮挡，火灾之前罐内油品存在蒸发的储罐池火，池火初始蔓延速率和方向由初始油气浓度决定；一般来说，池火会首先向邻近的高浓度的区域蔓延，当风使下风向液面油气浓度大于火灾周边初始油气浓度时，火焰向下风向蔓延。

在同一油品液面发生的池火初期，随着时间的增加，火焰的蔓延速率逐渐增加，直至火焰蔓延到罐壁，受空间的限制，蔓延速率下降;风使火焰蔓延速率的增加速率变大;同等情况下，柴油的蔓延速率小于汽油的蔓延速率。

实验4采用的是直径20.3m液池，液池高度为0.5m，液池底部为水垫层，为保证池火蔓延方向不受初始油气浓度的影响，液池表面均匀喷有泡沫；实验时，液池内先添加17m3柴油，然后添加1m3汽油，液面距液池壁顶部大约0.1m；实验时现场风速为3.3m/s，风向为北偏东40°，气温6.2℃，湿度79%；实验过程中，利用高清摄像机从高处进行录像。对实验前210s的录像，利用软件逐秒进行提取，每隔30s取一张进行展示，如图8所示。

图8 实验4池火蔓延过程图

Fig.8 pool fire spread process of experiment 4

从图8可以看出，由于厚层连续泡沫在油品表面覆盖，油品蒸发速率很慢，因此池火蔓延速率很慢，在210s才蔓延到整个液池表面；池火的蔓延方向为下风向，主要是因为泡沫和低温阻止了油品的蒸发，点火之前液池表面不存在油品蒸气；火灾发生后，由于液面距液池壁顶部距离较小，风的作用导致火焰朝下风向倾斜，从而下风向油品接受的热量要多于上风向，下风向油品会更快的蒸发和燃烧。

从图8可以看出，池火的蔓延速率先逐渐增大然后减小，主要是因为池火向周边和下风向传递热量，导致周边和下风向燃烧，从而火灾范围扩大，池火与未燃油品的接触范围也扩大，从而导致更多的油品受热、蒸发和燃烧，因此火焰蔓延速率逐渐增大；在火焰蔓延一定时间后，部分区域火焰接触到液池壁，燃烧空间受限，从而导致蔓延速率下降[8-10]。

可以得出，对于该类油品表面没有初始油气浓度分布的池火灾，比如油罐全表面火灾扑灭之后的复燃火灾，而且液面距罐顶的距离不是很高的情况下，池火的蔓延受风的影响较大，池火会向下风向蔓延，蔓延速率会先增大后减小。

通过分析不同类型的储罐池火蔓延方向和蔓延速率，对火灾初期的消防泡沫喷射具有重要的指导意义，在火灾最可能蔓延的方向喷射消防泡沫，可以阻止火灾蔓延。

3 火焰高度与火焰脉动

对前3次实验录制的录像视频，截取池火稳定燃烧后12s左右进行分析，每秒选取5帧，读出每帧的火焰高度，作出火焰高度随时间变化的关系图，如图9～11所示，图9～11分别为实验1、实验2和实验3的火焰高度随时间变化关系图。

图9 实验1火焰高度随时间变化关系

图10 实验2火焰高度随时间变化关系

图11 实验3火焰高度随时间变化关系

分析实验2录像视频可以看出，在火焰不倾斜时，仅在火焰上部产生大量黑烟，黑烟的运动方向与火焰的运动方向基本一致，因此火焰的可视高度以及脉动频率不受黑烟影响，两次火焰达到最高高度时的时间差即为脉动周期。

分析实验1和实验3录像可以看出，实验时风速较大，火焰受风速影响，倾斜角度较大，燃烧产生的黑烟在风的作用下运动不规律，有时候会突然升高或者降低，进而使可见火焰的高度突然降低或升高。按照火焰脉动的形成机理，可以用在某一位置脉动从形成到消失的时间来计算脉动周期，进而求出脉动频率，计算脉动频率时，这些不规律的火焰高度(图9和图11中圆色点所示)应该忽略[11]。

从图9～11可得，实验1火焰脉动频率为0.48Hz，实验2池火火焰脉动频率为0.67Hz，实验3池火脉动频率为0.64Hz。

可以得出，风对火焰脉动频率的影响不大；随着储罐直径的增加，火焰脉动频率减小。

按照Zukoski提出的火焰高度的定义[12-14]，由图9～11进一步分析，可以得出间歇率I(H)与火焰高度之间的关系图，如图12～14所示，图12～14分别为实验1、实验2和实验3的火焰平均高度定义图。

由图12～14可得，实验1火焰平均高度为28.3m，实验2的平均火焰高度为21.7m，实验3平均火焰高度为17.7m。

可以得出，在储罐直径不变的情况下，有风时火焰长度要小于无风时火焰长度，这也与Thomas[15]的研究结果相一致。

图12 实验1火焰平均高度定义图

图13 实验2火焰平均高度定义图

图14 实验3火焰平均高度定义图

4 结论

(1)对于液面有罐壁遮挡，火灾之前罐内油品存在蒸发的储罐池火，池火初始蔓延速率和方向由初始油气浓度决定；一般来说，池火会首先向邻近的高浓度的区域蔓延，当风使下风向液面油气浓度大于火焰周边初始油气浓度时，火焰向下风向蔓延。

(2)在同一油品液面发生的池火初期，随着时间的增加，火焰的蔓延速率逐渐增加，直至火焰蔓延到罐壁，受空间的限制，蔓延速率下降；风使火焰蔓延速率的增加速率变大;同等情况下，柴油的蔓延速率小于汽油的蔓延速率。

(3)对于油品表面覆盖有厚层连续泡沫的池火灾，比如油罐全表面火灾扑灭之后的复燃火灾，而且液面距罐顶的距离不是很高的情况下，池火的蔓延受风的影响较大，池火会向下风向蔓延，蔓延速率会先增大后减小。

(4)风对火焰脉动频率的影响不大；随着储罐直径的增加，火焰脉动频率减小。

(5)在储罐直径不变的情况下，有风时火焰长度要小于无风时火焰长度。

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