池火災(zāi)高溫溫度監(jiān)測及熱輻射監(jiān)測

樊海燕 孫建剛 王振 崔利富

1大慶油田設(shè)計(jì)院 2大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院

池火災(zāi)高溫溫度監(jiān)測及熱輻射監(jiān)測

樊海燕1孫建剛2王振2崔利富2

1大慶油田設(shè)計(jì)院 2大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院

油罐火災(zāi)的燃燒特性和輻射特性是預(yù)測火災(zāi)發(fā)展趨勢和評(píng)估火災(zāi)對(duì)周圍環(huán)境影響的基礎(chǔ)和前提，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了多方面的研究。在進(jìn)行原油圓盤及儲(chǔ)罐池火災(zāi)火焰燃燒特性和輻射特性測試的基礎(chǔ)上，探討相鄰罐在著火罐燃燒時(shí)所受的影響，此方案中包含兩次實(shí)驗(yàn)，第一次實(shí)驗(yàn)是圓盤池火災(zāi)高溫溫度監(jiān)測測試，第二次實(shí)驗(yàn)是油罐模型高溫溫度監(jiān)測和熱流熱輻射監(jiān)測。通過兩次實(shí)驗(yàn)確定用耐高溫溫度傳感器、火焰熱流計(jì)以及火焰熱輻射傳感器采集池火災(zāi)數(shù)據(jù)能夠達(dá)到預(yù)期的效果，將兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合可以更全面、準(zhǔn)確地掌握油罐燃燒的火焰特性及輻射特性。

池火災(zāi)；熱輻射；耐高溫溫度傳感器；溫度；監(jiān)測

油罐火災(zāi)的燃燒特性和輻射特性是預(yù)測火災(zāi)發(fā)展趨勢和評(píng)估火災(zāi)對(duì)周圍環(huán)境影響的基礎(chǔ)和前提，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了多方面的研究。本文在進(jìn)行原油圓盤及儲(chǔ)罐池火災(zāi)火焰燃燒特性和輻射特性測試的基礎(chǔ)上，探討相鄰罐在著火罐燃燒時(shí)所受的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)方案

此方案中包含兩次實(shí)驗(yàn)，第一次實(shí)驗(yàn)是圓盤池火災(zāi)高溫溫度監(jiān)測測試，第二次實(shí)驗(yàn)是油罐模型高溫溫度監(jiān)測和熱流熱輻射監(jiān)測。

1.1 圓盤池火災(zāi)高溫溫度監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用大慶油田原油，池直徑分別為1.5、2.0、3.0和5.0 m，深度為0.15 m，厚度視鋼材而定，在罐底加50 mm的水墊層，油層漂浮在水面高度100 mm。為測量油層溫度，沿圓盤中心布設(shè)具有刻度標(biāo)志的標(biāo)桿，并從原油液面起從上至下每2 cm布設(shè)一個(gè)高溫傳感器。在底部引出一U型管，在U型管上刻上刻度，并由攝像系統(tǒng)記錄U型管的刻度，由此來計(jì)算豎向燃燒速度。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)利用紅外成像系統(tǒng)記錄火焰圖像、火焰高度及火焰區(qū)溫度等，火焰面積燃燒速度由攝像系統(tǒng)來完成。此系統(tǒng)能夠一直對(duì)油罐連續(xù)溫度變化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)中央控制室需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及越界狀態(tài)時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

1.2 火災(zāi)高溫溫度和熱流熱輻射監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐系統(tǒng)由3個(gè)儲(chǔ)罐構(gòu)成，均為1 000 m3儲(chǔ)罐1∶4模型，油罐直徑2.95 m，油罐高度2.65 m。以燃燒罐為中心，相鄰儲(chǔ)罐分別在燃燒罐兩側(cè)，三個(gè)儲(chǔ)罐在一條直線上分布，燃燒罐與另兩個(gè)鄰罐間的距離分別為0.5D和D（D為燃燒罐的直徑）。其中燃燒儲(chǔ)罐表層儲(chǔ)油50 cm，油層下部為水，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了原油燃燒時(shí)罐頂全敞口、1/2敞口和1/4敞口三種情況下的燃燒實(shí)驗(yàn)，兩相鄰儲(chǔ)罐內(nèi)部均為水。沿燃燒罐罐壁左、右兩側(cè)豎向每2 cm布設(shè)一個(gè)高溫傳感器，沿液面中心及T字梁布設(shè)相同的高溫傳感器，

采用熱流傳感器及熱輻射傳感器測試燃燒罐熱流分布，水平方向上在斜向空間45°距離燃燒罐中心L=D、1.5D、2D位置分別立3根標(biāo)桿，在水平方向上270°同樣距離燃燒罐中心L=D、1.5D、2D位置分別立3根標(biāo)桿。標(biāo)桿高度均與儲(chǔ)罐高度相同，每個(gè)標(biāo)桿從上至下均布4組熱流傳感器及熱輻射傳感器，用于監(jiān)測垂直方向上熱流分布，各組之間垂直距離0.88 m。在距離燃燒罐為0.5D、D的兩相鄰罐內(nèi)側(cè)（靠近燃燒罐側(cè)）從上至下均布4組熱流傳感器及熱輻射傳感器，各組之間垂直距離同樣為0.88 m。本實(shí)驗(yàn)合計(jì)布設(shè)熱流傳感器32個(gè)，熱輻射傳感器32個(gè)，由數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 圓盤池火災(zāi)高溫溫度監(jiān)測

對(duì)于不同池直徑下圓盤池火災(zāi)中心及池壁溫度進(jìn)行了連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測。圖1為直徑2 m圓盤池火災(zāi)從點(diǎn)火至消防車滅火全過程各測點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)變化，可見在圓盤著火后10 s左右，中心位置溫度1至溫度5，外壁位置溫度6至溫度10溫度迅速升高，溫度隨測點(diǎn)距離火面距離的增加而變小，池中心區(qū)最高溫度大于池壁最高溫度。在監(jiān)測尾段可見，在圓盤原油燒到低位時(shí)，消防車滅火，造成溫度驟然升高。其他圓盤直徑下池火災(zāi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)也反映了上述規(guī)律，可見用耐高溫溫度傳感器記錄池火災(zāi)是可行的，而且符合實(shí)驗(yàn)特征。但同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用過的耐高溫溫度傳感器不能重復(fù)利用。

圖12 m直徑圓盤池火災(zāi)中心及池壁溫度實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)

2.2 油罐池火災(zāi)高溫溫度監(jiān)測

分別對(duì)全敞口、1/2敞口及1/4敞口3種情況下油罐池火災(zāi)溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)測試，外面溫度-10℃左右，在沒有燃燒前罐體內(nèi)部溫度為-7℃。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天風(fēng)力為5級(jí)左右，風(fēng)向?yàn)闁|南方向，左側(cè)相鄰罐處于火焰下風(fēng)向，右側(cè)相鄰儲(chǔ)罐處于火焰上風(fēng)向，下面以全敞口為例進(jìn)行分析。從油罐全敞口情況下燃燒罐中心區(qū)及T字梁溫度分布情況可見，點(diǎn)火后離著火面最近的中心區(qū)位置處溫度最高。從油罐全敞口情況下燃燒罐左、右兩側(cè)罐壁溫度比較圖可見，燃燒罐壁左側(cè)溫度高于右側(cè)溫度，原因在于風(fēng)的作用，使得火焰向下風(fēng)向拖曳。由此可見，采用高溫傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測油罐池火災(zāi)的溫度場是確實(shí)可行的。

2.3 油罐池火災(zāi)熱輻射監(jiān)測

利用熱流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)流熱流量的大小，熱輻射傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測輻射熱流量的大小，圖2為全敞口、1/2敞口和1/4敞口情況下位置A處輻射熱流量及對(duì)流熱流量的變化情況，同一位置處輻射熱流量隨著測點(diǎn)高度的增加而增加，同位置處輻射熱流量遠(yuǎn)大于對(duì)流熱流量。圖3為全敞口情況下位置A、D、E三處輻射熱流量的比較，可見在相同水平距離處，位置處于下風(fēng)向時(shí)輻射熱流量大于上風(fēng)向時(shí)的值。因此，利用熱流傳感器和熱輻射傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測油罐池火焰的輻射熱特性是可行的。

3 結(jié)論

通過兩次實(shí)驗(yàn)確定用耐高溫溫度傳感器、火焰熱流計(jì)以及火焰熱輻射傳感器采集池火災(zāi)數(shù)據(jù)能夠達(dá)到預(yù)期的效果，所測得的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為今后實(shí)際應(yīng)用積累了豐富的素材。

圖2 位置A處輻射熱流量及對(duì)流熱流量的變化

圖3 全敞口情況下三處輻射熱流量的比較

將兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合可以更全面、準(zhǔn)確地掌握油罐燃燒的火焰特性及輻射特性，對(duì)于庫區(qū)儲(chǔ)罐的合理布置具有重要的指導(dǎo)意義。

大型儲(chǔ)油庫區(qū)在我國能源產(chǎn)業(yè)中具有舉足輕重的作用，油庫庫區(qū)安全涉及民生安全以及國家財(cái)產(chǎn)，完全有必要、也有條件按照“先實(shí)驗(yàn)后應(yīng)用”的原則。以當(dāng)前應(yīng)急管理工作為基礎(chǔ)，探索成熟油庫庫區(qū)應(yīng)急管理體系建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和模式，為其他化學(xué)工業(yè)區(qū)，其他行業(yè)、企業(yè)乃至國家政府部門應(yīng)急管理體系建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前出現(xiàn)的各種新型技術(shù)，在應(yīng)用時(shí)更應(yīng)按照“先實(shí)驗(yàn)后應(yīng)用”的原則，避免不必要的損失。

13069671209、fhy_tjff@163.com

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.2.015

樊海燕：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)專業(yè)碩士研究生，現(xiàn)就職于大慶油田設(shè)計(jì)院土建與防腐研究室，一直從事油田管道容器的安全評(píng)價(jià)和防腐保溫工作。