光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)探測器在外浮頂原油罐上敷設間距的研究

石 凱，姚 斌，江夢夢，舒 雅

（中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)探測器在外浮頂原油罐上敷設間距的研究

石 凱，姚 斌＊，江夢夢，舒 雅

（中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)在石油化工行業(yè)儲罐區(qū)等易燃易爆場所得到應用，但目前尚沒有相關的國家級設計規(guī)范，且安徽省和湖北省地方設計規(guī)范關于感溫探測器敷設間距的要求存在較大差異，有必要開展深入研究。以外浮頂原油罐為例進行研究，獲得了差溫和定溫兩種探測方式在兩種敷設高度下，其敷設間距與罐徑之間的關系表達式，二者呈正相關。研究結果表明，初起階段火源功率與罐徑呈線性關系且火源功率較小，按照地方規(guī)范設置敷設間距時，難以對其進行及時探測，應加大敷設密度；差溫探測比定溫探測方式具有更為快速探測報警優(yōu)勢且可以設置較大的敷設間距。

光纖光柵感溫；火災探測；外浮頂原油罐；敷設間距；儲罐直徑

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，原油罐的數(shù)量與日俱增，且多為外浮頂罐。原油罐區(qū)的火災爆炸事故也隨之增多。原油罐區(qū)占地面積大，所處區(qū)域多為人煙稀少的曠野地帶，環(huán)境氣候條件惡劣，原油罐受環(huán)境氣候的影響較大，其它種類的火災探測設施不僅無法在這種環(huán)境氣候條件下有效的發(fā)揮作用，而且將電源引入易燃易爆危險區(qū)域，大大增加了原油罐區(qū)火災爆炸事故發(fā)生的可能性。

在原油罐火災中，起火部位大部分集中在油氣濃度相對較大的浮頂邊沿密封圈區(qū)域［1］，火災起始階段一般為密封圈上的局部火災，著火面積小，火源功率較小，易于撲救，輻射強度不高［2］，并且此階段火災的燃料為原油蒸氣，燃燒產(chǎn)物的煙氣羽流不容易被發(fā)現(xiàn)，加之目前安裝的原油罐的容量越來越大，從幾萬立方米到十幾萬立方米，儲罐直徑從幾十米到一百米左右，罐高從十幾米到二十幾米或者更高，儲罐在運行過程中浮頂與罐壁頂部邊緣留有幾米高的安全高度，形成一個無頂?shù)膱A柱體空間，如圖1所示，此階段火災難以被原油罐區(qū)的工作人員發(fā)現(xiàn)。若小功率火災沒有被及時發(fā)現(xiàn)撲滅，失控發(fā)展成為大功率火災或者發(fā)生爆炸，可能導致原油罐的沸溢火災［3］，甚至引發(fā)罐區(qū)群罐火災［4］，從而造成巨大的經(jīng)濟損失，因此在原油罐火災初起階段，能夠及時報警撲救顯得尤為重要。

光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)是基于光纖光柵布拉格波長隨溫度變化而發(fā)生線性變化［5］的機理探測環(huán)境溫度，該系統(tǒng)具備多種探測報警功能，如定溫探測報警，差溫探測報警等。一個系統(tǒng)主機可以串聯(lián)幾千根光纖光柵感溫探測器，采用光纖進行信號傳輸，傳輸距離可達幾十千米，不會將電源引入易燃易爆危險區(qū)域，該監(jiān)測系統(tǒng)逐漸被應用到石油化工行業(yè)中去。

目前關于光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)設計、施工及驗收的要求，尚沒有國家級設計規(guī)范，只有安徽省和湖北省地方規(guī)范［6，7］可供參考：

安徽省地方規(guī)范［6］第3.2.1條規(guī)定：在儲罐區(qū)安裝感溫探測器，探測器應沿儲罐呈圓形單圈分布。每個光纖光柵探測單元的間距（沿圓周測量的間距）應不大于3m。

湖北省地方規(guī)范［7］第4.2.1條規(guī)定：在儲罐區(qū)的設計，探測器應驗罐壁成圓形單圈分布，每個探測點的間距（沿圓周測量的間距）應符合以下規(guī)定：

a、5萬m3及以下的儲罐，間距為5m；

b、5～10萬m3儲罐，間距為6.6m；

c、15萬m3以上儲罐間距為8.2m。

地方規(guī)范關于敷設間距的要求存在較大差異，不僅不利于實際工程中參考應用，而且系統(tǒng)能否對火災初起階段小功率火源及時進行報警還有待研究。

光纖光柵感溫火災探測器在外浮頂原油罐上敷設間距的取值問題，國內尚缺乏相關科學研究。

1 研究對象及工況條件

1.1 研究對象

本文以某一地區(qū)的常用類型外浮頂原油罐為研究對象，常見儲罐直徑為30m～100m，故本文將罐徑取值為30m，40m，50m，60m，70m，80m，90m，100m進行研究，密封圈采用帶風雨擋的氣托彈性填料進行一次密封，并且采用金屬支撐板、油氣隔膜和密封板進行二次密封，密封圈體積較大且總體高度超過1.5m，二次密封的高度超過750mm。

該地區(qū)及儲罐的具體參數(shù)如下［8］：平均風速為3.8m／s，平均大氣壓為747mmHg；原油雷特蒸汽壓PR＝360mmHg，密度為890kg／m3，儲存溫度為30℃，P30y＝46.5kPa，密封系數(shù)Ks＝0.9，與密封相關的風速指數(shù)n＝2.2，通氣閥控制壓力為1.96kPa和－245.15Pa，原油蒸氣摩爾質量為μy＝50kg／kmol，環(huán)境溫度為27℃。

1.2 工況條件

1.2.1 火源功率

美國石油協(xié)會API對外浮頂原油罐進行了大量風洞實驗研究，得出了儲罐油品靜止損耗的經(jīng)驗公式［9］。外浮頂油罐靜止儲存損耗為：式中：

La—外浮頂油罐靜止儲存損耗量，kg／a；

Ks—密封系數(shù)；

v—油罐所在地平均風速，m／s；

n—與密封相關的風速指數(shù)；

P＊—蒸汽壓函數(shù)，無量綱，

D—儲罐直徑，m；

Py—油品平均溫度下的真實蒸汽壓，kPa；

Pa—油罐所在地的平均大氣壓，kPa；

μy—石油蒸汽的摩爾質量；

Kc—油品系數(shù)，汽油Kc＝1，原油Kc＝0.4；Ef—二次密封系數(shù)，石油及其產(chǎn)品Ef＝1；

根據(jù)美國API實驗研究結果，可以計算出各個直徑儲罐單位時間的原油蒸氣損耗量，如表1所示。

表1 各個罐徑的原油蒸氣損耗量Table 1 Wastage of crude oil steam of each crude oil storage tank

根據(jù)原油揮發(fā)分構成以及含量百分比［10］，結合表1中計算出來的原有蒸氣損耗量，經(jīng)過計算可以得到各個罐徑外浮頂原油罐火災初起階段的火源功率，如表2所示：

表2 各個罐徑對應的火災初起階段火源功率Table 2 Fire power of each crude oil storage tank

根據(jù)表2中罐徑與火災初起階段火源功率對應關系，建立起火災初起階段火源功率與原油罐直徑之間的關系表達式：

曲線擬合相關系數(shù)為R2＝0.9997，關系表達式對應的曲線圖，如圖2所示：

圖2 原油罐直徑與火源功率關系圖Fig.2 Relations between diameters of crude oil storage tank and fire powers

外浮頂原油罐原油蒸氣靜止損耗量與罐徑呈線性關系；外浮頂原油罐火災初起階段的火源功率較?。换馂某跗痣A段火源功率與罐徑呈線性關系。

1.2.2 報警方式和敷設高度

光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)的定溫報警方式的預報警溫度定為70℃，差溫報警方式的報警溫升速率定為10℃／min。

設定儲罐的浮頂為0.00m標高，考慮到二次密封的高度為0.75m，且為研究敷設高度對敷設間距的影響，將探測線路沿密封圈圓周方向分別在浮頂上方0.75m和1.50m兩種高度進行敷設。根據(jù)外浮頂原油罐常見火災事故發(fā)生位置，設定火災發(fā)生位置為二次密封與浮頂接口處。

1.2.3 敷設間距判定標準

定溫報警方式情況下，當火焰周圍空間區(qū)域的溫度場穩(wěn)定后，溫度達到70℃以上的區(qū)域，可以視為光纖光柵感溫探測器的有效敷設間距。差溫報警方式情況下，當火焰周圍空間區(qū)域的溫度在1min內溫升超過10℃，則差溫報警系統(tǒng)會發(fā)出火災報警，此時溫升超過10℃的區(qū)域可視為光纖光柵感溫探測器有效敷設間距。

2 模擬計算場景設置

影響探測報警系統(tǒng)敷設間距的因素有很多，本文主要研究了差溫和定溫報警方式，儲罐直徑，探測線路敷設高度以及火源功率等因素對敷設間距的影響，故根據(jù)美國石油協(xié)會API的研究結果，按照罐徑對應的火災初起階段對應的火源功率設置了數(shù)值模擬場景Case1～Case8，為了研究火源功率對敷設間距的影響，將Case4～Case8的火源功率增加1倍，設置了Case9～Case13等5個火源功率如表3所示，設置數(shù)值模擬場景如表3所示：

表3 數(shù)值模擬場景方案Table 3 Case scheme of numerical simulation

3 數(shù)值模擬工具

由于在發(fā)生射流燃燒之前，混合可燃揮發(fā)氣各個組分之間已經(jīng)混合完畢并且各個組分的含量百分比已經(jīng)基本決定，在發(fā)生射流燃燒之后，混合揮發(fā)氣中的各個組分分別與空氣發(fā)生化學反應，因此，運用計算流體動力學軟件Fluent軟件中的混合分數(shù)模型PDF模型對外浮頂罐火災初起燃燒階段進行數(shù)值模擬，從而得到火災初起燃階段空間溫度場分布。可燃蒸氣在發(fā)生射流之后進行湍流燃燒，采用k-ε兩方程模型［11］進行模擬計算。

4 數(shù)值模擬結果與分析

原油蒸氣泄漏燃燒的數(shù)值模擬結果如表4所示。在計算過程中，火焰周圍空間的溫度場一直不停的脈動，火焰燃燒過程中不斷加熱并卷吸其周圍的空氣，燃燒產(chǎn)物溫度高，在浮力作用下不斷向上運動。燃燒產(chǎn)物和被加熱的空氣在向上運動過程中不斷卷吸周圍的空氣，并與之發(fā)生熱量交換，盡管隨著高度的增加，溫度有所降低，但是被加熱升溫的區(qū)域范圍有所增大。

表4 數(shù)值模擬結果匯總表Table 4 Results of numerical simulation

4.1 差溫和定溫報警方式對敷設間距的影響

整理表4中Case 1～Case8數(shù)值模擬結果數(shù)據(jù)，同時進行數(shù)據(jù)擬合，獲得差溫和定溫報警方式下，在敷設高度0.75m和1.50m處的探測線路敷設間距與罐徑之間的關系表達式，如表5所示。差溫和定溫報警方式下的敷設間距與罐徑之間的關系圖，如圖3所示。

由圖3可以得知敷設間距隨著罐徑的增大而增大，呈正相關，主要是由于罐徑越大，原油蒸氣損耗量越大，火災發(fā)生時火源功率越大，進而探測線路可以敷設較大的敷設間距。

圖3 敷設間距與罐徑關系圖Fig.3 Relationship between laying spacing and diameter of crude oil storage tank

在同一敷設高度，差溫探測報警比定溫探測報警方式可以采用較大的敷設間距，主要由于原油蒸氣泄漏發(fā)生火災為快速火，火源周圍空氣的溫升速率較快，在相對來說較短的時間內就可以使火焰周圍空間溫度以一定的溫升速率增長，然而周圍空氣要加熱到預報警溫度還需要一定的時間積累過程，故差溫探測報警方式比定溫探測報警方式具有快速探測報警的優(yōu)勢，而且在同一敷設高度下，差溫探測報警可以采用較大的敷設間距。

表5 敷設間距與罐徑的關系表達式Table 5 Correlations between laying spacing and diameter of crude oil storage tank

4.2 敷設高度和火源功率對敷設間距的影響

根據(jù)圖3所示，在同一罐徑條件下，敷設高度在1.50m處的敷設間距比0.75m處的敷設間距要大，所以在實際工程中可以根據(jù)實際情況可適當調整探測線路的敷設高度。根據(jù)圖4所示，敷設間距與火源功率存在正相關關系，敷設間距隨著火源功率的增大而增大；根據(jù)曲線的走勢，大概估算出當敷設間距為3m的時候，火源功率應該大于700kW。

圖4 火源功率與敷設間距的關系圖Fig.4 Relationship between laying spacing and fire power

5 結論

本文主要研究了光纖光柵感溫探測器在外浮頂原油罐上的應用，其差溫和定溫報警方式，儲罐直徑，探測線路敷設高度以及火源功率等因素對敷設間距的影響，比較分析了差溫和定溫報警方式，距浮頂0.75m的敷設高度與1.50m的敷設高度對敷設間距的影響，得到以下結論：

（1）原油蒸氣靜止損耗量與罐徑呈線性關系；外浮頂原油罐火災初起階段的火源功率較小；火災初起階段火源功率與罐徑呈線性關系。

（2）外浮頂原油罐火災中，采用差溫探測報警方式比采用定溫探測報警方式更具有快速探測報警優(yōu)勢，且光纖光柵感溫探測器可以采用較大的敷設間距。

（3）敷設間距與儲罐直徑呈正相關，本文通過曲線擬合獲得了敷設間距與罐徑的關系表達式。敷設高度對探測間距有明顯影響。

（4）按照有關光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)設計、施工及驗收的地方規(guī)范要求的敷設間距設置時，可以在火災發(fā)展較大時進行探測報警，初步估算按照敷設間距3m敷設時，可以探測到的火源功率應大于700kW，但是難以在火災初起階段進行及時探測報警，所以應加大敷設密度。

本文的研究成果可為相關規(guī)范制定修改，產(chǎn)品的性能改良和敷設應用提供參考。但本文研究目前工作尚處于初級階段，還需要通過實驗進行進一步研究。

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Laying spacing of detectors of fiber Bragg grating temperature sensitive fire alarm system on external floating roof crude oil

SHI Kai，YAO Bin，JIANG Meng-meng，SHU Ya

（State Key Laboratory of Fire Science，USTC，Hefei Anhui，230026，China）

Fiber Bragg grating temperature sensitive fire alarm system is applied in petrochemical storage area and other inflammable and explosive fields，however there is still no relevant national design standard.There are also significant differences in local design specifications of provinces of Anhui and Hubei as for the requirements on laying spacing.Taking external floating roof crude oil storage tank as an example，this paper studies the relationship between laying spacing and diameter of storage tank，by difference temperature or constant temperature detection methods，at two different installation heights.The results show that there is a positive correlation between laying spacing and diameter of storage tank.The fire power is indicated to have a linear relationship with the diameter of storage tank in the beginning stages when the fire power is small.In this stage the laying density should be strengthen to guarantee timely detection when the laying spacing is determined in terms of local standards.As compared to the constant temperature detection method，the difference temperature method has the advantage in rapid detection of fires，and a relative longer laying spacing can be used.

Fiber Bragg grating temperature sensitive fire alarm system；Fire detection；External floating roof crude oil storage tank；Laying spacing；Diameter of storage tank

TE88；TM76；X915.5

A

1004-5309（2012）-0098-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.02.08

2012-03-12；修改日期：2012-04-02

石 凱，男，河北唐山人，中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室碩士研究生，研究方向為工業(yè)火災。

姚 斌，binyao＠ustc.edu.cn