庚烷池火輻射及其對(duì)相鄰油池的引燃特性

李滿厚，張?超，王昌建

庚烷池火輻射及其對(duì)相鄰油池的引燃特性

李滿厚1, 2，張?超1, 2，王昌建1, 2

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009；2. 安徽省氫安全國際聯(lián)合研究中心，合肥 230009)

油庫罐區(qū)時(shí)常發(fā)生由著火油罐的強(qiáng)烈熱輻射而引燃相鄰油罐的火災(zāi)事故，擴(kuò)大燃燒范圍．因此，需要對(duì)儲(chǔ)油罐火焰輻射及其對(duì)相鄰油池的引燃特性進(jìn)行研究．本文采用內(nèi)徑分別為74mm、114mm、150mm和200mm的4種圓形石英玻璃油盤，開展不同油盤間距條件下的庚烷池火和點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)．結(jié)果表明，根據(jù)圓柱體模型計(jì)算得到的輻射熱流預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好.當(dāng)油盤尺寸一定時(shí)，隨著油盤間距增大，待引燃油盤點(diǎn)接收的輻射熱流逐漸減??；而當(dāng)油盤間距相同時(shí)，油盤直徑越大，待引燃油盤中心點(diǎn)接收的輻射熱流越大．點(diǎn)火過程按照時(shí)間順序劃分為3個(gè)階段：加熱升溫階段、蒸氣積聚階段和點(diǎn)火階段．隨著油盤尺寸變大，庚烷的臨界輻射熱流隨之變大且作為低閃點(diǎn)燃料，庚烷的臨界輻射熱流比高閃點(diǎn)燃料小得多.

質(zhì)量損失速率；火焰高度；輻射模型；點(diǎn)火特性；臨界輻射熱流

在各類能源的應(yīng)用中，原油目前依然在我國占據(jù)主導(dǎo)地位，且石油的戰(zhàn)略儲(chǔ)備水平也在逐年增長．因此，原油的存儲(chǔ)安全至關(guān)重要．油庫罐區(qū)原油儲(chǔ)罐火災(zāi)，很容易形成“火燒連營”的情景，如2019年3月17日，休斯敦東南約15英里處，美國石化儲(chǔ)存企業(yè)Intercontinental Terminals Company(簡稱ITC)的迪爾帕克油庫內(nèi)的一儲(chǔ)油罐起火，隨后蔓延至相鄰油罐，最終引燃了8個(gè)儲(chǔ)油罐.油庫火災(zāi)事故有一個(gè)共同點(diǎn)，即火災(zāi)由著火油罐引燃相鄰油罐，從而擴(kuò)大燃燒范圍，因此，需要對(duì)儲(chǔ)油罐火焰輻射及其對(duì)相鄰油池的引燃特性進(jìn)行研究.

有關(guān)大型儲(chǔ)油罐火災(zāi)的研究，前人主要關(guān)注單個(gè)著火儲(chǔ)油罐表面與內(nèi)部火焰溫度、熱輻射以及火焰融和等問題．Wan等[1]實(shí)驗(yàn)研究了兩個(gè)方形庚烷油池火的火焰融和，揭示了油池尺寸和間距對(duì)火焰高度和質(zhì)量損失速率的影響規(guī)律．Liu等[2]開展了火焰陣列的實(shí)驗(yàn)，分析了燃燒速率等特征參數(shù).

燃燒油池引燃相鄰油池，既涉及到火源對(duì)外的輻射傳熱，也涉及到液體燃料的點(diǎn)火[3-5]．在池火的輻射方面，前人相繼建立了點(diǎn)源模型[6]、圓柱體模型[7]以及加權(quán)多點(diǎn)源模型等[8]．在液體燃料點(diǎn)火方面，前人主要采用錐形量熱儀作為輻射源，借助外部點(diǎn)火源(引燃火焰、電火花等)，研究輻射強(qiáng)度對(duì)點(diǎn)火的影響并建立了點(diǎn)火時(shí)間模型等.典型工作如Wu等[9]測定了兩種原油和SAE 30W燃油點(diǎn)火所需的臨界輻射熱流密度，均為5kW/m2．Siregar等[10]發(fā)現(xiàn)，加熱溫度越高，燃料點(diǎn)火所需時(shí)間越短.

然而，對(duì)于相鄰油池火災(zāi)輻射特性及引燃機(jī)理的研究，目前尚未見報(bào)道．本文通過小尺寸庚烷池火的實(shí)驗(yàn)，從能量輸入和點(diǎn)火現(xiàn)象的角度分析池火的輻射特性，探究在輻射作用下，相鄰油盤被引燃特性．本文研究可以為油庫儲(chǔ)油罐防火間距標(biāo)準(zhǔn)制定提供理論依據(jù).

1?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)在尺寸為2m×6m×4m的封閉實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)艙，避免環(huán)境風(fēng)的干擾.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由燃燒系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)組成．其中，燃燒系統(tǒng)包括庚烷燃料、油盤和防火板.選取內(nèi)徑分別為74mm、114mm、150mm和200mm的4種圓形石英玻璃油盤，油盤內(nèi)部深度為30mm，壁厚3mm．同一組引燃實(shí)驗(yàn)使用內(nèi)徑相等的兩個(gè)油盤，初始油層厚度為27mm．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括Sartorious MSE12201S電子天平、0.1mm鉑銠熱電偶、Captec TS-34C總輻射熱流計(jì)、泓格7018模塊以及佳能6D相機(jī)等.

如圖1所示，電子天平放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，電子天平托盤上面放置防火板，其上再放置著火油盤Ⅰ．在與油盤Ⅰ一定距離且同一水平高度處放置待引燃油盤Ⅱ．油盤Ⅱ靠近油盤Ⅰ一側(cè)的液面上方5mm處布置一根熱電偶，用于判斷待引燃油盤的點(diǎn)火時(shí)間．熱流計(jì)布置于油盤液面同一水平高度，測點(diǎn)與油盤Ⅰ中心的距離為(＋)，該點(diǎn)測得的輻射熱流等同于油盤Ⅱ液面中心處的熱流密度.這里，為油盤直徑，mm；為兩油盤內(nèi)壁最短距離，mm．熱電偶和熱流計(jì)數(shù)據(jù)均通過7018模塊傳輸至計(jì)算機(jī)．每組實(shí)驗(yàn)由佳能相機(jī)全程錄制，后期通過自編Matlab圖像處理程序自動(dòng)獲取火焰高度值．排煙系統(tǒng)包括軸流風(fēng)機(jī)和集煙罩，其中，集煙罩安裝于實(shí)驗(yàn)艙頂部，在實(shí)驗(yàn)過程中利用軸流風(fēng)機(jī)及時(shí)排出火災(zāi)煙氣.

圖1?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

2?結(jié)果與討論

2.1?火焰輻射

質(zhì)量損失速率是池火的重要基礎(chǔ)參數(shù)，與火焰高度及火焰熱輻射直接相關(guān)．本文的質(zhì)量損失速率為庚烷池火燃燒穩(wěn)定階段的數(shù)值，具體獲取方法為：如圖2所示，對(duì)電子天平記錄的質(zhì)量變化曲線進(jìn)行平滑處理，然后求導(dǎo)，得到該工況下庚烷燃燒過程中質(zhì)量損失速率隨時(shí)間的變化情況，取穩(wěn)定燃燒階段的平均值．Fang等[11]和Zhou等[12]均采用類似的方法得到池火的質(zhì)量損失速率.

如圖3所示，利用自編Matlab火焰圖像處理程序，對(duì)實(shí)驗(yàn)視頻圖像進(jìn)行處理，得到不同時(shí)刻的火焰高度值及火焰高度間歇率；取間歇率()＝0.5時(shí)的火焰高度為平均火焰高度[13]．如圖4所示，將火焰高度實(shí)驗(yàn)值與Thomas[14]模型計(jì)算得到結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好．

圖2?質(zhì)量損失速率

圖3?火焰高度的間歇率

圖4?火焰高度預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值

當(dāng)油盤I中的庚烷燃燒時(shí)，根據(jù)Mudan模型[7]，火焰外一點(diǎn)接收的輻射熱流為

火焰表面發(fā)射功率的計(jì)算方法如下：

表1分別給出了油盤Ⅱ中心處接收的輻射熱流實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值，可以看出，輻射熱流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好，說明圓柱體模型適用于近場火焰輻射熱流計(jì)算．同時(shí)，對(duì)于給定尺寸的油盤，隨著油盤間距增大，油盤Ⅱ液面中心處接收的輻射熱流逐漸減小．這是因?yàn)橛捅P間距增大后，視角系數(shù)會(huì)相應(yīng)減??；由公式(1)可以知道，視角系數(shù)減小，該點(diǎn)接收的輻射熱流隨之減?。?dāng)油盤間距相同時(shí)，油盤直徑越大，油盤Ⅱ液面中心點(diǎn)接收的輻射強(qiáng)度越大. 例如，當(dāng)＝74mm，間距為0.8時(shí)，輻射熱流為1.91kW/m2；當(dāng)＝114mm，間距為0.8時(shí)，輻射熱流為2.50kW/m2；當(dāng)＝150mm，間距為0.8時(shí)，輻射熱流為2.66kW/m2；當(dāng)＝200mm，間距為0.75時(shí)，輻射熱流為3.39kW/m2.

表1?各工況下輻射熱流實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值

Tab.1 Experimental and predicted values of radiant heat flux under different conditions

2.2?點(diǎn)火特性

油盤Ⅰ點(diǎn)火后，油盤Ⅱ開始接收熱輻射，當(dāng)油盤Ⅱ發(fā)生點(diǎn)火行為后，即停止實(shí)驗(yàn).可以預(yù)見，當(dāng)油盤Ⅰ和油盤Ⅱ的間距足夠大時(shí)，不能發(fā)生點(diǎn)火．如圖5所示，對(duì)于能夠發(fā)生點(diǎn)火的情況，將點(diǎn)火過程按照時(shí)間順序劃分為以下3個(gè)階段：①加熱升溫階段．該階段從油盤Ⅰ點(diǎn)火時(shí)起(0s)，到熱電偶溫度趨于穩(wěn)定為止(28s).在此過程中，油盤Ⅱ中燃料接收到來自油盤Ⅰ火源的熱輻射，溫度從初溫(22℃左右)逐漸上升至40℃左右．油盤Ⅱ通過輻射吸收的熱量大于從底壁、邊壁通過熱對(duì)流損失的熱量，燃料蒸發(fā)速度隨著溫度的升高而加快. ②蒸氣積聚階段．該階段從熱電偶溫度穩(wěn)定結(jié)束時(shí)刻起，至熱電偶溫度驟升時(shí)為止(783s)，持續(xù)時(shí)間較長，約為755s，這個(gè)時(shí)間隨油盤間距的增大而增大．在此過程中，油盤Ⅱ通過輻射吸收的熱量與從底壁、邊壁通過熱對(duì)流損失的熱量基本相等，達(dá)到平衡，因此油溫不再上升，燃料蒸發(fā)速度保持在較高的水平；③點(diǎn)火階段．該階段從熱電偶溫度驟升時(shí)起(783s)，持續(xù)時(shí)間很短，約為2s．在此過程中，油盤Ⅱ上方氣相發(fā)生點(diǎn)火，熱電偶測得火焰溫度急劇上升，液相溫度在火焰熱反饋?zhàn)饔孟略黾由仙優(yōu)槌鼗鹑紵^程．本文使用的熱電偶響應(yīng)時(shí)間為7ms，能夠準(zhǔn)確記錄點(diǎn)火時(shí)間.

圖5 不同油盤間距條件下熱電偶溫度數(shù)據(jù)(D＝200mm)

對(duì)于液體燃料在輻射作用下能否發(fā)生點(diǎn)火的判據(jù)，前人多采用臨界輻射熱流表征．實(shí)驗(yàn)記錄待引燃油盤恰好能夠發(fā)生點(diǎn)火的情況下，油盤Ⅱ中心點(diǎn)處的輻射熱流，即為臨界輻射熱流；換言之，臨界輻射熱流是指能夠使燃料發(fā)生點(diǎn)火的最小輻射熱流．當(dāng)實(shí)際輻射熱流大于臨界輻射熱流時(shí)，燃料在持續(xù)輻射作用下能夠發(fā)生點(diǎn)火，而當(dāng)實(shí)際輻射熱流小于臨界輻射熱流時(shí)，無論持續(xù)時(shí)間多長，都不能發(fā)生點(diǎn)火．因此，臨界輻射熱流無論在理論研究還是生產(chǎn)實(shí)踐中，都具有重要意義.

圖6展示了在不同的油盤尺寸下，庚烷燃料臨界輻射熱流的實(shí)驗(yàn)值．與高閃點(diǎn)油類相比，庚烷的臨界輻射熱流要小得多．這是因?yàn)楦殚W點(diǎn)較低，更容易達(dá)到點(diǎn)火極限．因此低閃點(diǎn)油類的存儲(chǔ)更應(yīng)考慮臨近火源或其他形式熱輻射的影響．此外，隨著油盤尺寸變大，庚烷的臨界輻射熱流隨之變大．這是由于在實(shí)驗(yàn)中，采用實(shí)際池火作為輻射源．在傾斜輻射下，庚烷液面接收的輻射并不是均勻的．越靠近火源，輻射熱流越大；反之，越遠(yuǎn)離火源，輻射熱流越?。@是因?yàn)?，?dāng)油盤尺寸變大時(shí)，遠(yuǎn)離火源的區(qū)域面積變大，不斷蒸發(fā)的燃料需要更多的熱量才能達(dá)到點(diǎn)火臨界.需要注意的是，前人有關(guān)臨界輻射熱流的數(shù)據(jù)都是在有外界點(diǎn)火能的條件下測量的，而本文的臨界輻射熱流的數(shù)據(jù)是真實(shí)火焰條件下測得的，更具應(yīng)用價(jià)值．

圖6?臨界輻射熱流

3?結(jié)?論

本文對(duì)庚烷池火輻射及其對(duì)相鄰油池的引燃行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論分析，著重討論了油池直徑和油盤間距對(duì)點(diǎn)火行為的影響.

(1)圓柱體模型適用于小尺寸庚烷池火的對(duì)外輻射預(yù)測，且當(dāng)輻射熱流低于5kW/m2時(shí)預(yù)測效果較好．當(dāng)油盤尺寸一定時(shí)，隨著油盤間距增大，待引燃油盤中心點(diǎn)接收的輻射熱流逐漸減??；而當(dāng)油盤間距相同時(shí)，油盤直徑越大，待引燃油盤中心點(diǎn)接收的輻射熱流越大.

(2)點(diǎn)火現(xiàn)象按照時(shí)間順序劃分為3個(gè)連續(xù)相接的階段：加熱升溫階段、蒸氣積聚階段和點(diǎn)火階段，其中，第一階段持續(xù)時(shí)間較短，約20s；第二階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，最長時(shí)達(dá)到755s；第三階段點(diǎn)火瞬時(shí)發(fā)生．

(3)隨著油盤尺寸從74mm增大至200mm，庚烷的臨界輻射熱流隨之從1.63kW/m2增大至2.89kW/m2．作為低閃點(diǎn)燃料，庚烷的臨界輻射熱流比高閃點(diǎn)燃料的5kW/m2小得多．

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Radiation and Ignition Characteristics of Heptane Pool by Adjacent Pool Fire

Li Manhou1, 2，Zhang Chao1, 2，Wang Changjian1, 2

(1. College of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2. Anhui International Joint Research Center on Hydrogen Safety，Hefei 230009，China)

The ignition of an oil tank by adjacent fire due to intense heat radiation frequently occurs in oil tank farms，which causes the expansion of the burning area. Therefore，it is imperative to study the flame radiation and ignition characteristics of a heptane pool by adjacent fire. In this paper，the radiation of small-scale heptane fire and its influence on the ignition of adjacent pools were investigated. Four quartz glass pools with the inner diameters of 74，114，150 and 200mm were used，respectively. The results show that the predicted values of radiant heat flux based on the cylinder model are in good agreement with the experimental values. For a given diameter of pool，the radiant heat flux at the center of the pool to be ignited decreases with an increase in the interval distance between the burning pool and the pool to be ignited. Moreover，for a given interval distance，the radiant heat flux at the center of the pool to be ignited increases with an increase in pool diameter. The ignition process can be divided into three successive stages：the heating stage，the fuel vapor accumulation stage and the ignition stage. The critical radiant heat flux of heptane increases with an increase in pool diameter. The critical radiant heat flux of low-flashpoint heptane is much smaller than those of high-flashpoint liquid fuels.

mass loss rate；flame height；radiation model；ignition characteristics；critical radiant heat flux

X91

A

1006-8740(2021)05-0482-05

10.11715/rskxjs.R202108023

2021-02-20.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51806054).

李滿厚（1986—??），男，博士，副教授.

李滿厚，mhli@hfut.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)