持水冷卻劑對油罐火災(zāi)高溫罐壁冷卻性能的研究

邢 志，董希琳，呂 鵬

(武警學(xué)院，河北 廊坊 065000)

●消防理論研究

持水冷卻劑對油罐火災(zāi)高溫罐壁冷卻性能的研究

邢 志，董希琳，呂 鵬

(武警學(xué)院，河北 廊坊 065000)

設(shè)計(jì)并搭建了貼近火場實(shí)際的持水冷卻劑冷卻性能研究試驗(yàn)平臺(tái)，通過與普通水對比，分別對不同流量及不同熱輻射強(qiáng)度下持水冷卻劑的冷卻降溫效果和節(jié)水能力進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，熱輻射強(qiáng)度越大，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果越好，節(jié)水效果越明顯。但在熱輻射強(qiáng)度不變的情況下，噴射流量越小，節(jié)水效果越明顯。

油罐火災(zāi)；熱輻射；持水冷卻劑；冷卻；節(jié)水效果

0 研究背景

中國是一個(gè)石油進(jìn)口大國，國內(nèi)石油儲(chǔ)存的規(guī)模不斷擴(kuò)大。2003年后，10～15萬立方米的大型油罐越來越多。近年來，國內(nèi)外相繼發(fā)生了多起大型油罐火災(zāi)爆炸事故，如表1所示。從表中可以看到，一旦發(fā)生油罐火災(zāi)，極易形成嚴(yán)重災(zāi)害，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡和環(huán)境破壞，同時(shí)也給撲救工作帶來了極大的困難。

通過對國內(nèi)外多個(gè)大型油罐火災(zāi)進(jìn)行研究分析，可以發(fā)現(xiàn)大型油罐一旦發(fā)生火災(zāi)，具有燃燒速度快、爆炸危險(xiǎn)性大、罐壁受熱響應(yīng)復(fù)雜、撲救難度大以及易造成環(huán)境污染等特點(diǎn)。油罐火災(zāi)中，火災(zāi)熱輻射是造成油罐火災(zāi)蔓延的主要因素之一[1]。同時(shí)實(shí)踐以及研究表明，大型油罐火災(zāi)的控制和撲救都離不開高強(qiáng)度的冷卻用水[2]。但是，由于消防用水自身理化性質(zhì)的特點(diǎn)，用于對罐體進(jìn)行冷卻時(shí)，很難在罐壁上保持較長時(shí)間，冷卻作用尚未完全發(fā)揮就流散至地面，造成了現(xiàn)場水資源的極大浪費(fèi)，降低了撲救效率。因此，我們研究開發(fā)了持水冷卻劑，并通過與普通水的冷卻效果進(jìn)行對比，研究持水冷卻劑的節(jié)水性能。研究結(jié)果可為大型油罐火災(zāi)的滅火救援行動(dòng)提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)，有助于技戰(zhàn)術(shù)方法的創(chuàng)新；同時(shí)，有助于提高水的冷卻效果，節(jié)約水資源，減少環(huán)境污染，對于建設(shè)資源節(jié)約型﹑環(huán)境友好型社會(huì)有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

本研究旨在模擬油罐火災(zāi)中，用持水冷卻劑和普通水冷卻罐壁的過程，并通過冷卻降溫的效果，對比持水冷卻劑和普通水用量，得到使用持水冷卻劑降溫的節(jié)水率。為此，自主設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置，以測試各類數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)思路如下：用油盤模擬著火油罐，用受熱板模擬鄰近油罐，在受熱板上找出一塊高溫且溫度均勻的區(qū)域，作為試驗(yàn)對象，對比持水冷卻劑和普通水冷卻效果。經(jīng)多次改進(jìn)后，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

該試驗(yàn)裝置大致分為加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測量及采集系統(tǒng)。本試驗(yàn)采用144B標(biāo)準(zhǔn)油盤作為輻射熱源，受熱板采用一塊1.0 m×1.5 m的鋼性平板，受熱板處接受到的熱輻射強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)受熱板到油盤的距離來改變；冷卻噴管裝在受熱板迎火面頂端支架上，一端封閉，一端通過軟管連接在自吸泵上。管上均勻的布置了一排孔洞，用于噴射冷卻劑；熱輻射通量的采集與測量，采用圓箔式熱流傳感器和Fluke-Hydra SeriesⅡ測試儀；測量溫度的儀器是黃屏VPR130-RY無紙記錄儀。試驗(yàn)中使用的持水冷卻劑為添加了表面活性劑的海藻酸鈉水溶液，海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%～0.4%之間。為獲得比較合理的數(shù)據(jù)，在受熱板背部豎直方向中心線上從上到下選取5個(gè)測溫點(diǎn)(T1、T2、T3、T4、T5)，分別布置熱電偶，其中，T3點(diǎn)在豎直和水平方向上均為中心點(diǎn)，相鄰熱電偶之間間距為0.1 m，如圖2所示。

表1 典型油罐火災(zāi)事故損失及救援情況

圖1 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 持水冷卻劑降溫效果試驗(yàn)

使用油盤對受熱板進(jìn)行加熱，在相同的熱輻射強(qiáng)度條件下，待受熱板上測溫點(diǎn)T5處的溫度上升到200 ℃時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)，分別使用持水冷卻劑和普通水對受熱板進(jìn)行冷卻，各個(gè)測溫點(diǎn)的溫度基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，記錄該時(shí)刻各測溫點(diǎn)的溫度，對比分析兩者的降溫效果。

圖2 受熱板背部測溫點(diǎn)分布

2.1.1 噴射流量對冷卻降溫效果的影響

試驗(yàn)開始前，按預(yù)定的距離、方位等擺設(shè)好油盤和受熱板，在144B油盤中倒入等量(按穩(wěn)定燃燒10 min計(jì)算)的原油。受熱板處測得的輻射熱強(qiáng)度平均值為19.52 kW·m-2，環(huán)境溫度為10 ℃，持水冷卻劑的海藻酸鈉含量為0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，粒徑為70目，初始的水溫為8 ℃。

用汽油引燃油盤。在熱輻射強(qiáng)度不變的情況下，待受熱板處溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，啟動(dòng)噴射裝置，以設(shè)定好的噴射流量(0.024、0.030 9、0.041、0.062 5 L·s-1)對受熱板進(jìn)行噴射，并且使噴射出的持水冷卻劑或普通水往下流淌過程中完整覆蓋受熱板，不留空白點(diǎn)。試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)通過黃屏無紙記錄儀，觀察受熱板各點(diǎn)處溫度變化情況，待受熱板溫度達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)態(tài)的值時(shí)，記錄各個(gè)測點(diǎn)的溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，以相同流量噴射的持水冷卻劑和普通水對受熱板的降溫程度是不同的，使用持水冷卻劑冷卻比使用普通水冷卻，受熱板的平均溫度要低。兩者噴射流量較小時(shí)(0.024 L·s-1)，使用持水冷卻劑比普通水對受熱板冷卻的平均溫度低9.8 ℃，5個(gè)測點(diǎn)分別對比，T2點(diǎn)溫差達(dá)到11 ℃。這是因?yàn)?，第一，由于兩者相比，持水冷卻劑具有一定的黏性，在受熱板上流動(dòng)較慢，從頂端流動(dòng)到底部需要的時(shí)間較長，在這個(gè)過程中，持水冷卻劑蒸發(fā)汽化的水量較多，帶走的熱量比普通水多。第二，因?yàn)槌炙鋮s劑流動(dòng)較慢，所以在受熱板上形成的水層比普通水在受熱板上形成的水層要厚，從而對輻射熱的阻隔作用較強(qiáng)。兩個(gè)原因都使得相同噴射流量下，持水冷卻劑比普通水對受熱板的冷卻降溫效果要好。

但是，從以上試驗(yàn)可以分析得出，隨噴射流量的增大，使用持水冷卻劑和普通水對受熱板進(jìn)行冷卻，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)平均溫度的差別逐漸減小。尤其是第四組試驗(yàn)(噴射流量為0.062 5 L·s-1)，持水冷卻劑和普通水分別冷卻受熱板到穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)，溫差僅為5.2 ℃，5個(gè)測溫點(diǎn)中最高溫差也僅有6 ℃。持水冷卻劑的優(yōu)勢逐漸減弱。這是因?yàn)椋跓彷椛鋸?qiáng)度不變的情況下，噴射流量增大，兩者在受熱板上往下流動(dòng)的速度加快，從頂端流動(dòng)到底部需要的時(shí)間縮短，在這個(gè)過程中，蒸發(fā)的水量減少，冷卻的主要方式變?yōu)閷α鲹Q熱，兩者對流換熱速率相同，所以對受熱板的降溫效果基本相同。

2.1.2 熱輻射強(qiáng)度對冷卻降溫效果的影響

試驗(yàn)用持水冷卻劑的海藻酸鈉含量為0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。受熱板處測得的輻射熱強(qiáng)度平均值分別為16.80、19.52、36.20、45.68 kW·m-2，用汽油引燃油盤。在不同熱輻射強(qiáng)度下，待受熱板T5處溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，啟動(dòng)噴射裝置，以設(shè)定好的噴射流量(0.041 L·s-1)對受熱板進(jìn)行噴射，并且使噴射出的持水冷卻劑或普通水往下流淌過程中完整覆蓋受熱板，不留空白點(diǎn)。實(shí)時(shí)觀察受熱板各點(diǎn)處溫度變化情況，待受熱板溫度達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)態(tài)的值時(shí)，記錄各個(gè)測點(diǎn)此時(shí)的溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同熱輻射強(qiáng)度下持水冷卻劑與普通水的冷卻降溫效果

從表3數(shù)據(jù)可以看出，在不同的熱輻射強(qiáng)度下，以相同流量噴射的持水冷卻劑和普通水對受熱板的冷卻效果不同，使用持水冷卻劑冷卻比使用普通水冷卻，受熱板的平均溫度要低。在熱輻射強(qiáng)度較低的情況下(16.80 kW·m-2)，使用持水冷卻劑對受熱板進(jìn)行冷卻，與使用普通水冷卻相比，差別不大，平均溫度差僅有5.8 ℃，5個(gè)測點(diǎn)中的最高溫差也僅有7 ℃。隨著熱輻射強(qiáng)度的增加(45.68 kW·m-2)，使用持水冷卻劑對受熱板進(jìn)行冷卻，比使用普通水冷卻，效果明顯變好。平均溫度差有12.2 ℃，5個(gè)測點(diǎn)中的最高溫差達(dá)到14 ℃。這是因?yàn)椋瑹彷椛鋸?qiáng)度較小情況下，持水冷卻劑和普通水在往下流動(dòng)過程中，兩者都主要通過對流換熱對受熱板進(jìn)行冷卻，而蒸發(fā)汽化的水量都很?。浑S著熱輻射強(qiáng)度的增大，持水冷卻劑因?yàn)轲ば暂^大、流動(dòng)較慢，在往下流動(dòng)過程中蒸發(fā)汽化的水量增多，而普通水因?yàn)榱鲃?dòng)比較快，在往下流動(dòng)過程中吸收的熱量相對較少，達(dá)不到蒸發(fā)汽化的溫度就流走了。因此，隨著熱輻射強(qiáng)度的增加，與普通水相比，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果要好。

2.2 持水冷卻劑節(jié)水效果試驗(yàn)

在與上述試驗(yàn)相同的條件下，分別使用持水冷卻劑和普通水將受熱板冷卻至相同的穩(wěn)態(tài)溫度，記錄各測溫點(diǎn)的溫度、與受熱板到油盤相同距離處熱輻射強(qiáng)度、持水冷卻劑和普通水的噴射流量，并計(jì)算出持水冷卻劑的節(jié)水率。持水冷卻劑的節(jié)水效果用節(jié)水率η表示，通過下式計(jì)算：

式中，Q1——普通水的噴射流量，L·s-1；

Q2——持水冷卻劑的噴射流量，L·s-1。

試驗(yàn)選取海藻酸鈉濃度為0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的持水冷卻劑與普通水對比，環(huán)境溫度為12 ℃，冷卻劑初始溫度為9 ℃。熱輻射強(qiáng)度分別為16.80、19.52、36.20、45.68kW·m-2，待受熱板T5處的溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，啟動(dòng)噴射裝置對受熱板進(jìn)行噴射，并且使噴射出的持水冷卻劑或普通水往下流淌過程中完整覆蓋受熱板，不留空白點(diǎn)。調(diào)整流量，實(shí)時(shí)觀察受熱板各點(diǎn)處溫度變化情況，待受熱板溫度達(dá)到一個(gè)相同的穩(wěn)態(tài)值時(shí)，記錄持水冷卻劑和普通水的噴射流量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同熱輻射強(qiáng)度下持水冷卻劑節(jié)水對比

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，在不同熱輻射強(qiáng)度下，用持水冷卻劑和普通水分別對受熱板進(jìn)行冷卻，當(dāng)受熱板達(dá)到相同的穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)，兩者所用的流量是不同的。在熱輻射強(qiáng)度較低的情況下(16.80kW·m-2)，與普通水相比，持水冷卻劑的節(jié)水率約為39.1%；隨著熱輻射強(qiáng)度的增加，節(jié)水效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)熱輻射強(qiáng)度達(dá)到45.68kW·m-2，持水冷卻劑的節(jié)水率達(dá)到50.5%。這與前述試驗(yàn)中，隨著熱輻射強(qiáng)度的增加，持水冷卻劑相比普通水，對受熱板的冷卻降溫效果越明顯的結(jié)論是一致的。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論：(1)在熱輻射強(qiáng)度相同和噴射流量都相同的情況下，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果優(yōu)于普通水，但隨著噴射流量的增大，持水冷卻劑冷卻效果的優(yōu)勢逐漸減弱；(2)與普通水相比，在噴射流量相同的情況下，隨著熱輻射強(qiáng)度的增大，持水冷卻劑對受熱板的冷卻降溫效果逐漸增強(qiáng)；(3)與普通水相比，在將受熱板冷卻至相同的穩(wěn)態(tài)溫度的前提條件下，持水冷卻劑的用量較少，且熱輻射強(qiáng)度越大，節(jié)水效果越明顯。

[1] 石中玉,孟甜.大型浮頂原油儲(chǔ)罐消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理[J].油氣田地面工程,2009,28(5):40-41.

[2] 楊素芳.油罐火災(zāi)中鄰近罐罐壁冷卻溫度變化規(guī)律研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010，(3):187-189.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

A Study on Cooling Performance of the Water-holding Coolant in a Tank Fire

XING Zhi, DONG Xilin, LV Peng

(TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

An experimental platform, designed and built close to the actual the water coolant properties, is used to contrast with water without any additives in putting out a fire, and the research for the water coolant cooling effect and the ability with different flow and thermal radiation intensities is done. The results show that the greater the intensity of thermal radiation, the better for cooling effect of a water coolant heat plate, and the water-saving effect is more obvious. But when the heat radiation intensity remains unchanged, the smaller the injection flow rate, the more obvious the water-saving effect is.

the oil tanks fire; thermal radiation; water-holding coolant; cooling; water-saving effect

2015-06-16

邢志(1976— )，女，河北滄州人，副教授； 董希琳(1960— )，男，陜西周至人，教授； 呂鵬(1982— )，男，河南林州人，講師，博士。

X932

A

1008-2077(2015)08-0005-04