船舶燃油火災特性參數(shù)試驗研究

張光輝，浦金云，楊占青，楊楓

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

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船舶燃油火災特性參數(shù)試驗研究

張光輝，浦金云，楊占青，楊楓

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

摘要:針對艦船消防戰(zhàn)術決策缺少大量定量理論數(shù)據(jù)問題，通過ISO9705試驗平臺、水浴油池和測試系統(tǒng)，采用氧消耗原理法，分別測量了0.1 m2和0.2 m2船舶燃油火災的熱釋放速率、溫度和熱輻射強度值，研究燃油的初始溫度與熱釋放率、燃燒時間、輻射強度及燃燒溫度值之間的關系。試驗發(fā)現(xiàn)，0.2 m2燃油火比0.1 m2燃油火的燃燒時間短450 s，平均熱釋放率增大140 kW，在1倍直徑處的輻射強度增大約5 kW/m2，平均溫度增加約70℃，根據(jù)已有數(shù)據(jù)可以測算10 m2油池的熱釋放速率約為20.2 MW。試驗研究方法對于艦船消防戰(zhàn)術中如何控制火災蔓延及降低火災危險度具有重要的理論參考價值。

關鍵詞:船舶;燃油火災;特性參數(shù);熱釋放率

表征火災特性的參數(shù)有熱釋放速率(Heat release rate，HRR)、溫度、熱輻射強度等，其中熱釋放速率是可燃物燃燒時單位時間內(nèi)釋放出的熱量。大部分可燃物燃燒時，熱釋放速率隨時間變化［1－2］。通過熱釋放速率可以定義火場的尺度，而火場的其他參數(shù)(如煙氣和毒性物質的生成量)又可以通過熱釋放速率來描述，因此，一直以來，熱釋放速率都被視為反映火災場景、表征火災過程最重要的參數(shù)。采用氧消耗原理法，通過ISO9705試驗平臺研究小尺寸的船舶燃油火災的熱釋放速率、溫度、熱輻射強度，可以為計算機仿真模擬船舶燃油火災的蔓延特性及危險度評估等提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1　熱釋放速率試驗方法

當前，實驗測量是獲取可燃物熱釋放速率的基本手段。通過不同形式的試驗，人們發(fā)展了多種測量熱釋放速率的方法。這些方法可以分為替換燃燒法、絕熱箱法、失重法、氧消耗原理法。替換燃燒法和絕熱箱法是基于系統(tǒng)熱損失和能量平衡的研究，目前已經(jīng)很少采用［3－5］。

1.1失重法

失重法又稱為質量損失法，是實驗測量熱釋放速率最簡單的方法。如果知道火災中可燃物的質量損失速率就能夠依據(jù)可燃物的熱值計算出熱釋放速率:

式中:Q可燃物燃燒熱釋放速率，kW;Φ燃燒效率因子，反應不完全燃燒的程度;m可燃物質量燃燒速率，kg/s;ΔH可燃物的熱值，kJ/kg。

燃燒效率因子是失重法中難確定的因子，對于材料完全燃燒Φ=1。實際的火災燃燒通常是不完全燃燒，隨火災場景的不同，會在較大的范圍內(nèi)變化，通常的范圍為0.3～0.9。

1.2氧消耗原理法

早在1917年，Thorton做了大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)大量的有機液體和氣體在完全燃燒時，每消耗1 kg的氧氣所釋放出的凈熱量接近常數(shù)。后來Huggett測得了該常數(shù)的平均值為13.1 MJ/(kg of fuel)，準確度在±5％以內(nèi)。因此只要能精確測量到燃燒系統(tǒng)中所耗用掉的氧氣，就能計算得到燃燒的熱釋放速率。采用該原理測量燃燒熱釋放速率稱為氧消耗原理法［5－6］。

2　試驗裝置

2.1ISO9705試驗平臺

小尺度ISO9705試驗系統(tǒng)的構造及基本測量過程參照試驗依據(jù)《表面材料ISO9705全尺度室火試驗標準，ISO－1993版》的要求為可燃物的燃燒提供一個受限空間場所，如圖1。

圖1　ISO9705試驗平臺Fig.1　ISO9705 test platform

燃燒室內(nèi)部凈空間尺寸為:3.6 m(長)×2.4 m(寬)×2.4 m(高)，試驗空間平面面積為:8.64 m2，試驗空間的容積為:20.736 m3，燃燒室2.4 m×2.4 m墻的中間位置開門，尺寸為:0.8 m(寬)×2.0 m(高)，燃燒室為紅磚砌筑，磚體厚250 mm，室內(nèi)墻體為砂漿水泥抹灰，混凝土地面。

2.2燃燒油池

試驗采用圓形油池，油池面積分別為0.1、0.2 m2;油池深度為150 mm;油池壁厚為5 mm;油池內(nèi)水基深度為30 mm。試驗中，采用水浴加熱的方式改變?nèi)加统跏紲囟群痛颁摻Y構表面初始溫度。水浴池按照最大油池直徑進行設計，0.2 m2油池直徑為0.505 m，周邊留間隙0.2 m，則得到水浴池的直徑為0.705 m?？紤]到當水浴池的直徑取0.944 m時，面積為0.7 m2，因此取水浴池的直徑為0.944 m。水浴池深度0.30 m，水浴池用壁厚5 mm的鋼板焊接而成，如圖2。

圖2　0.2 m2的水浴油池結構Fig.2 0.2 m2bath oil tank structure

3　試驗測試系統(tǒng)設計

考慮到主要關注敞開環(huán)境下燃油的燃燒特性，因此熱釋放速率測試實驗置于ISO 9705的集煙罩下進行。

另外，為了方便與敞開環(huán)境下的試驗相比較，試驗中溫度測點和輻射測點的布置盡量與敞開環(huán)境下的試驗相對應，測點的布置見圖3。

圖3　傳感器布置圖Fig.3 Sensor layout

3.1溫度測點布置

熱電偶的布置見圖3。水平熱電偶樹A:距油池上沿0.2 m，以油池中心為軸線呈徑向布置，測量徑向上的溫度分布，共8個測點，各測點編號為TA1、TA2、…、TA8。豎直熱電偶樹C:位于油池中心線上，距離油池上沿0.2 m，測量豎向上的溫度分布，共8個測點，各測點編號為TC1、TC2、…、TC8。溫度測量使用K型鎧裝熱電偶，數(shù)據(jù)采集使用DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.2熱輻射測點

輻射測點的布置見圖3。熱輻射的測量采用水冷式輻射熱流密度計R1、R1.5。水冷式輻射熱流密度計符合ASTM E 622－83、ISO 5658、ISO 5560和ISO 17554標準。

4　試驗工況

4.1試驗工況

熱釋放速率測試在ISO 9705火災試驗平臺上進行，試驗中改變油溫，具體試驗工況見表1。

表1　試驗工況Table 1 Test conditions

4.2試驗編號

Y0.1－00－I中，Y為油溫;油池面積為0.1、0.2 m2;環(huán)境溫度為0、40、60℃;試驗重復次數(shù)為2次。各試驗條次的編號見表2，各試驗的引燃劑種類為93#汽油，引燃劑量100 mL。

表2　試驗編碼Table 2 Test codes

5　試驗結果與分析

5.1熱釋放速率結果與分析

如圖4所示，Y01:常溫，40℃，60℃，每種情況2次，共計6次實驗。熱釋放率最大值基本變化不大，約118 kW(只有一次Y01－00－2發(fā)生時間550 s)，發(fā)生時間在500 s附近。熱釋放率平均值約為100 kW，平均值約為2 700 s(只有一次Y01－00－2熱釋放率平均為70 kW，總燃燒時間為3 170 s)。Y01－00，Y01－40和Y01－60沒有明顯差別。

Y02:常溫，40℃，60℃，每種情況二次，共計6次實驗。熱釋放率最大值基本沒有變化，約285 kW。熱釋放率最大值發(fā)生時間幾乎相同，約在420 s?？側紵龝r間也基本相同，約為2 250 s。熱釋放率平均值也基本相同，約240 kW。Y02－00，Y02－40和Y02－60沒有明顯差別。

試驗結果推導［6－9］，理論依據(jù)為所有不同面積油池燃燒的燃料品質相同，而且假設在所有不同面積油池內(nèi)燃燒時的燃料燃燒效率近似，由此可以根據(jù)已有的油池平均熱釋放率試驗結果及其燃料平均質量消耗速率算出相應燃料燃燒所產(chǎn)生的熱值，以此來推算其余面積油池的熱釋放率。對于0.1 m2的油池，燃燒掉的燃料質量為5.74 kg，燃燒耗時平均約為2 750 s，所測得的平均釋放率約為90 kW，由此可算出燃料的燃燒熱值約為90×2750÷5.74=43 118.47 J/kg，以此熱值作為基礎進行相應面積油池的熱釋放速率的推算，所得結果如表3所示。

圖4　兩次試驗的熱釋放速率Fig.4 Heat release rates of two experiments

表3　不同油池面積下的熱釋放速率計算值Table 3 The heat release rate calculate values of different fire areas

5.2輻射結果與分析

如圖5所示:Y－0.1從常溫至40℃再至60℃，熱輻射溫度重復性很好，燃油初始溫度改變未影響輻射強度值。在1倍直徑和1.5倍直徑距離處，平均熱輻射強度為10 kW/m2，燃燒時間均相同。Y02從常溫至40℃再至60℃，熱輻射強度重復性很好。燃油初始溫度改變未影響輻射強度值。在1倍直徑和1.5倍直徑平均熱輻射強度為15 kW/m2和7.5 kW/m2，燃燒時間均相同。Y02和Y01相比，燃燒時間縮短了約500 s，輻射強度在1倍直徑處增大5 kW/m2和2.5 kW/m2。

圖5　不同距離的熱輻射強度Fig.5 Thermal radiation intensities of different distances

5.3溫度結果與分析

由圖6所示:Y01火焰中心線上溫度TC1至TC8有較好重復性。最大值TC1平均溫度為550℃，TC1最大值都在750℃附近。測溫點最高處溫度平均值約在40℃。側向測溫靠近火焰附近測點TA1平均溫度在250℃附近，TA2平均溫度在130℃附近?？梢钥闯?，由于燃油初溫的變化從常溫升高到60℃，測試結果有良好重復性，燃料初溫條件對火災燃燒溫度場狀態(tài)的影響不大。

圖6　豎向和橫向溫度Fig.6 Vertical and transverse temperatures

Y02火焰中心線上溫度TC1至TC8重復性較好，最大值TC1平均溫度為650℃和620℃，TC1最大值都在830℃附近。測溫點最高處溫度平均值約在60℃。側向測量平均溫度最大值TA1為425℃，TC和TA二條熱電偶樹的其他測量值也均有良好一致性，燃油初溫從常溫升至60℃過程中對燃燒溫度場基本不產(chǎn)生影響。

6　結論

油池周圍水浴加溫基本不影響熱釋放率、燃燒時間、輻射強度及燃燒溫度。

1)Y02比Y01油池面積增大1倍，燃燒時間縮短，從平均2 700 s降至2 250 s;平均熱釋放率增大，從100 kW增大至240 kW;輻射強度在1倍直徑增大5 kW/m2和2.5 kW/m2;

2)平均溫度和最高溫度值均增加，平均溫度增加約70℃，最高溫度增加約80℃。

在艦船上存在大量的不確定因素，這些因素往往會對消防決策產(chǎn)生重大影響，本試驗結果可以用于大面積油池燃燒所產(chǎn)生的熱釋放率理論推算，后期還需對溫度、輻射強度進一步進行理論分析，用于修正現(xiàn)有艦船消防決策中的不足之處。

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The characteristic parameters of ship oil fires

ZHANG Guanghui，PU Jinyun，YANG Zhanqing，YANG Feng
(Power Engineering College，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Abstract:Little quantitative data is available to assist in warship firefighting tactics.An experiment was carried out on an ISO9705 test platform using a bath oil sump and test system，and based on the oxygen consumption method.the heat release rates of 0.1 m2and 0.2 m2fuel fires，and the thermal radiation intensity values were measured.The relationships between the initial temperature，heat release rate，burn time，radiation intensity，and combustion temperature were analyzed.It was found that the burning time of 0.2 m2fuel oil was 450 s shorter than that of 0.1 m2fuel oil，while the average heat release rate increased by 140 kW，the radiation intensity increased by approximately 5 kW/m2at a position equal to the diameter，and the average temperature increased by approximately 70℃.We calculated a heat release rate of 20.2 MW for the 10 m2oil sump.The test results establish theoretical reference values for use in the control of fire spreading，and will help to reduce fire risks in warship firefighting.

Keywords:ship;oil fire;characteristic parameter;heat release rate

通信作者:浦金云，E－mail:zghshining@ sina.com.

作者簡介:張光輝(1979－)，男，講師，博士;浦金云(1961－)，男，教授，博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(50806071).

收稿日期:2015－02－06.網(wǎng)絡出版時間:2015－12－21.

中圖分類號:X928.1;TK121

文獻標志碼:A

文章編號:1006－7043(2016)01－0065－06

doi:10.11990/jheu.201502013

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1555.026.html