就地燃燒法處理海上溢油教學實驗平臺的開發(fā)

孔得朋， 劉鵬翔， 平平， 文若曦

(中國石油大學(華東) a. 機電工程學院; b. 化學工程學院， 山東 青島 266580)

就地燃燒法處理海上溢油教學實驗平臺的開發(fā)

孔得朋a， 劉鵬翔a， 平平b， 文若曦a

(中國石油大學(華東) a. 機電工程學院; b. 化學工程學院， 山東 青島 266580)

為滿足海洋石油工程、燃燒學等課程的教學實驗需要，開發(fā)了就地燃燒法處理海上溢油教學實驗平臺。該平臺包括環(huán)境風模擬系統(tǒng)、寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)、液面穩(wěn)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該平臺能模擬就地燃燒法處理海上溢油的燃燒環(huán)境與過程，同時可以對燃燒速率、燃燒效率、火焰高度等燃燒特征參數(shù)的數(shù)據(jù)進行采集。其中，環(huán)境風模擬系統(tǒng)可以產(chǎn)生均勻一致的風速，寬闊睡眠油池火迷你系統(tǒng)可以準確模擬溢油在海面的燃燒過程，根據(jù)連通器原理設計的液面穩(wěn)定系統(tǒng)則可以保證在燃燒過程中液面的穩(wěn)定，最大程度保證與實際海面溢油燃燒的相似性。采用該實驗平臺，學生可以了解就地燃燒法處理海上溢油的流程，掌握相關燃燒特征參數(shù)的數(shù)據(jù)采集方法，加深學生對就地燃燒在實際海上溢油處理中認識和理解，提高學生的實踐動手能力。

實驗平臺； 教學實驗； 海上溢油； 就地燃燒

0 引 言

在海上油氣生產(chǎn)過程中，溢油是一類常見且危害巨大的事故。海上溢油往往會給當?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境、生物多樣性以及漁業(yè)造成了災難性的影響[1-2]。因此，快速有效地處理海上溢油對于降低溢油造成的水體污染，保障生態(tài)環(huán)境和生物多樣性具有重要意義。就地燃燒法作為常見一種處理海上溢油方式，通過在泄漏源頭將溢油燃燒掉，可以大幅減少溢油對水體的影響，降低傳統(tǒng)清理岸線產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量以及海鳥和哺乳動物等接觸油類的機會。另外，從處理效率上看，就地燃燒法的溢油清除率通常在90%以上，部分情況下甚至可以達到 98%以上[3-5]。因此，就地燃燒法作為一種快速、低成本的清除溢油方法，已在美國墨西哥灣“深水地平線”平臺爆炸溢油事故處理中多次應用，并取得了較為理想的效果[6]。

為了促進課程內(nèi)容更好地與現(xiàn)代海上油氣開采溢油事故處理技術相結合，近年來我校安全工程專業(yè)必修課“燃燒學”及專業(yè)限選課“海洋石油工程概論”均將就地燃燒法處理海上溢油納入到課程體系中。通過課程的學習，學生基本掌握了就地燃燒法處理海上溢油的原理和方法等理論知識，但對于這一方法的實際運用缺乏直觀的認識。實驗教學作為高等教育的重要環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、科研能力和實踐能力具有重要的作用[7-11]。為此，亟需構建就地燃燒法處理海上溢油實驗教學平臺，幫助學生加深課堂所學理論知識的理解，全面掌握就地燃燒法處理海上溢油的流程、主要影響因素，增強學生的學習主動性和參與度，提高學生的動手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

1 實驗平臺設計與開發(fā)

就地燃燒發(fā)處理海上溢油教學實驗平臺主要由環(huán)境風模擬系統(tǒng)、寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)、液面穩(wěn)定系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成，其整體結構示意圖如圖1所示。其中，環(huán)境風模擬系統(tǒng)用于模擬實際燃燒環(huán)境中的環(huán)境風；寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)用于模擬就地燃燒法實施過程中的邊界環(huán)境條件；液面穩(wěn)定系統(tǒng)用于保持燃燒過程中燃油液面高度的穩(wěn)定，充分模擬寬闊水面油池火的邊界條件；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則用于測量實驗過程中環(huán)境風速、燃油質量變化以及記錄燃燒過程。

1-變頻器， 2-橫向風系統(tǒng)， 3-熱線風速儀， 4-寬闊水面油池， 5-池火模擬系統(tǒng)， 5-照相機， 6-熱電偶束， 7-液面穩(wěn)定系統(tǒng)， 8-電子天平

1.1 環(huán)境風模擬系統(tǒng)

在就地燃燒法處理海洋溢油事故過程中，環(huán)境風是一種不可忽略的影響因素，環(huán)境風的存在會對溢油處理效率、溢油燃燒行為產(chǎn)生重要影響。為此，利用軸流風機等研制了環(huán)境風模擬系統(tǒng)，用于提供類似于海洋環(huán)境下的水平風。

環(huán)境風模擬系統(tǒng)主要由軸流風機、變頻器、框架結構和整流部分組成，其主體結構如圖2所示。系統(tǒng)主體部分為兩臺軸流風機，分別放置于框架內(nèi)部上下兩層。兩臺變頻器分別與兩臺軸流風機相連，其輸出電壓頻率可在0～50 Hz調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度0.1 Hz，通過調(diào)節(jié)變頻器，可實現(xiàn)風機轉速從0～1 450 r/min任意數(shù)值，從而獲得不同風速風場。

1-框架結構， 2-軸流風機， 3-整流段

另外，由于軸流風機越靠近葉片根部分風速越低，越靠近葉片尖端風速越大。使用不均勻氣流進行實驗得到的結果無法定量分析不同風速的影響[12]。為保證產(chǎn)生的風速是均勻的，在風機出風口部位增加整流段。整流段由外徑為2 cm的PVC塑料圓管層碼放而成，為使風墻出風面風速盡量均勻，靠近風機葉片前端布置的整流管最長，向風機中心逐漸縮短。整流段使風機驅動的氣流在經(jīng)過整流管內(nèi)和管之間的縫隙后再從出風面流出，以盡量消除氣流中大尺度的漩渦、平行出風面方向以及豎直方向的分速度，只留下垂直出風面方向的速度分量，從而保證風速的均勻性。

1.2 寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)

寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)主要通過大尺寸水池和小尺寸油池來模擬寬闊水面油池火燃燒的邊界條件，使用L型PC管與液面穩(wěn)定系統(tǒng)相連，以保證液面高度恒定，其整體結如圖3所示。

1-承重架， 2-油池支架， 3-油池， 4-水池， 5-L型PC管

大尺寸水池由不銹鋼材質制成，前后采用高透光玻璃，便于實驗過程中觀察燃燒池內(nèi)液面及燃油狀態(tài)變化；小尺寸油池下端固定安裝在水池底面的油池支架上，油池由耐高溫Pyrex透明玻璃材質制成，呈圓柱形結構且位于水池中央，頂部與水池齊平，采用中空設計且底部與水池相連通。為方便水池移動，在水池底部放置一承重架，采用鋼制框架結構，使水池下方中空，方便與液面穩(wěn)定系統(tǒng)相連。L型PC管上端出口到達油池頂部，下端出口通過水池底部的圓孔與液面穩(wěn)定系統(tǒng)相連，形成連通器系統(tǒng)。為防止實驗過程中出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，分別在透光玻璃與不銹鋼材質接口處、L型PC管與水池內(nèi)部的接口處做密封處理。由于油池面積遠小于水池面積，且通過連通器原理設計油池形狀及布置方式，合理地模擬了寬闊水面油池火燃燒的邊界條件。

1.3 液面穩(wěn)定系統(tǒng)

燃油液面高度近似為恒定是就地燃燒法處理海洋溢油事故的一個重要特點，為使模擬實驗臺的油池在燃燒過程中保持燃油液面恒定，利用連通器原理設計了溢油液面穩(wěn)定裝置[13-14]。該裝置與寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)中的油池相連通，并在實驗過程中持續(xù)不斷地向油池提供燃料，達到油池液面高度恒定的目的。液面穩(wěn)定系統(tǒng)主要由穩(wěn)定框架、上層承重平臺、下層承重平臺、儲油池、補給池、回收池、補給口、溢油口、閥門、不銹鋼軟管和地腳螺栓組成，其整體結構見圖4。

1-補給池補給閥門， 2-下層承重平臺， 3-穩(wěn)定框架， 4-上層承重平臺， 5-儲油池補給閥門， 6-儲油池不銹鋼軟管， 7-儲油池， 8-補給池， 9-回收口， 10-回收池， 11-補給口， 12-補給池不銹鋼軟管， 13-地腳螺栓

圖4 液面穩(wěn)定系統(tǒng)結構示意圖

穩(wěn)定框架上下端分別設有放置儲油池的上層承重平臺、放置補給池和回收池的下層承重平臺，補給池兩側分別設有補給口、溢油口且補給口高度低于溢油口，溢油口正下方放置回收池，補給口端通過不銹鋼軟管與寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)的L型PC管下端出口相連形成連通器系統(tǒng)，補給池通過連通管持續(xù)向油池提供燃料，儲油池同樣利用不銹鋼軟管通過側面的補給口與補給池相連，持續(xù)向補給池補給燃油，閥門可控制儲油池、補給口燃油流速，下層承重平臺底部安裝有4個對稱的可調(diào)節(jié)高度的地腳螺栓，便于調(diào)節(jié)下層承重平臺高度并可適應實驗所需的液面高度要求。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本實驗平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括風速測量、質量測量、火焰形態(tài)測量以及溫度測量系統(tǒng)。

(1) 風速測量系統(tǒng)。在變頻器不同輸出頻率下，需要對每組實驗中環(huán)境風模擬系統(tǒng)提供的橫向風的風速進行標定，以使橫向風風速達到模擬環(huán)境風風速。風速測量系統(tǒng)使用加野麥克斯 KA12 四通道風速儀對不同高度處的風速進行測量。

(2) 燃燒速率測量系統(tǒng)。燃燒速率是衡量就地燃燒法處理海洋溢油事故效率與效益的重要指標。燃燒速率測量方法通常包括質量燃燒速率和液面衰減速率[15]?？紤]到實際可操作性，本實驗臺通過直接測量燃油質量損失來獲得質量燃燒速率。質量損失使用日本島津BX22KH電子天平記錄，其測量精度0.1 g，采樣間隔0.1 s。將電子天平置于液面穩(wěn)定系統(tǒng)下方并在液面穩(wěn)定系統(tǒng)與電子天平之間添加防火板，以保證實驗過程中系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

(3) 溫度測量系統(tǒng)。溫度測量系統(tǒng)使用K型WRNK-191鎧裝熱電偶，直徑為1 mm，測溫范圍為0～1 100 ℃，主要對燃燒過程中的油池內(nèi)部不同液位高度溫度及火焰溫度進行測量。 測量的數(shù)據(jù)通過7通道7018數(shù)據(jù)采集模塊并經(jīng)R232轉換器后傳輸?shù)诫娔X并在相關軟件中顯示與記錄。

(4) 火焰圖像采集系統(tǒng)。使用Canon 7D數(shù)碼攝像機對實驗過程中的可見火焰圖像進行拍攝。攝像機置于與風向垂直方向，其高度及與油盤的距離根據(jù)油池火焰大小進行調(diào)整，以適應火焰尺度的變化。后期利用Matlab程序對采集到的火焰圖像進行處理，從而得到火焰長度及傾角。

2 實驗操作步驟與方法

由于該實驗比較復雜，開展實驗時，需要多名同學同時參與，每名同學負責不同區(qū)域與操作，嚴格按照實驗步驟進行操作。

實驗開展前，首先對學生進行安全教育。然后根據(jù)實驗工況調(diào)節(jié)變頻器輸出功率，對油池附近的風速進行測量。通過調(diào)整并固定環(huán)境風模擬系統(tǒng)到寬闊水面油池火模擬系統(tǒng)的距離，調(diào)節(jié)數(shù)字變頻器輸出功率，控制軸流風機轉速。使用風速儀測量風速，待風速穩(wěn)定后開始實驗。

根據(jù)模擬實驗需要，向水池中注滿水，向油池中注入一定量燃油，分別向儲油池、補給池中注入足量的燃油，使補給池內(nèi)燃油液面高度達到溢油口高度，調(diào)整地腳螺栓，控制補給池的液面高度與油池燃油液面高度齊平，同時上下調(diào)節(jié)L型PC管，使其上端出口到達油池燃料層，并將L型PC管下端出口與液面穩(wěn)定系統(tǒng)相連通。

實驗開始時，負責液面穩(wěn)定系統(tǒng)的同學按順序先后打開儲油池端與補給池端的閥門，控制儲油池的燃油供給速度始終大于補給池的供給速度，使補給池燃油液面始終處在溢油口高度，保證補給池、油池中的燃油液面高度恒定不變，多余燃油通過溢油口流向下方的回收池進行回收；打開攝像機，調(diào)整角度，保證能夠拍攝到整個火焰區(qū)域；在電腦端打開電子天平與溫度數(shù)據(jù)采集相關軟件，收集記錄質量和溫度數(shù)據(jù)；在檢查數(shù)碼相機及各軟件顯示正常后，由專人使用點火槍引燃油池，開始燃燒實驗。

實驗完成后，關閉變頻器，及時對儲油池、補給池、回收池內(nèi)的剩余燃油進行回收；將油池內(nèi)剩余燃油及被污染的水進行回收并妥善處理，避免直接流入地下水源，防止污染。

3 實驗結果與討論

3.1 火焰高度

火焰高度是燃燒學及火災學中的重要參數(shù)，根據(jù)火焰高度可以估計火焰熱輻射，確定安全距離。為此，在本實驗中通過數(shù)碼相機拍攝的燃燒過程，可直觀地觀察到整個燃燒過程中火焰的變化過程，圖5所示為就地燃燒法處理海洋溢油實驗中火焰變化過程。

圖5 實驗中典型火焰形態(tài)變化過程

為對火焰高度做進一步分析，根據(jù)圖像處理相關理論[16]，將火焰圖像進行二值化處理，轉換為如圖6所示的灰度圖。編制Matlab火焰圖像處理程序處理可以到火焰高度，圖7為最終獲得的燃燒過程中火焰高度變化曲線。從圖中可以看出，在燃燒初期，火焰高度不斷增加，然后保持穩(wěn)定。在燃燒末期，由于火焰的輻射作用，燃油發(fā)生了沸溢，導致火焰高度突然增加。故在實際使用就地燃燒法處理海洋溢油時，需要在后期著重預防沸溢發(fā)生。

3.2 質量燃燒速率

圖6 Matlab火焰圖像處理示意圖 圖7 典型就地燃燒實驗相對火焰高度變化

根據(jù)電子天平測量、記錄的質量數(shù)據(jù)可得到燃油質量變化曲線，如圖8(a)所示。對該曲線進行微分可確定質量燃燒速率。從圖8(b)可以看出，就地燃燒法處理海上溢油燃燒的燃燒速率可以分為增長階段I、穩(wěn)定階段II、急劇增長階段III和衰減階段IV。急劇增長階段主要是由于燃燒過程中發(fā)生了沸溢，這與火焰高度的結論是一致的。

(a)質量變化曲線

(b)燃油質量燃燒速率變化曲線

圖8 質量變化曲線及質量燃燒速率變化曲線

4 結 語

就地燃燒法處理海上溢油實驗教學平臺可以直觀地展示溢油的過程，能將學生所學的燃燒學、海洋油氣工程等理論知識與實驗學習有機結合，提高了學生的實驗動手能力。通過該實驗，既提高了實驗教學質量，又增加了學生對相關理論知識的感性認識。另外，該實驗平臺為學生創(chuàng)新能力鍛煉提供了良好基礎。本科生還可進行大學生創(chuàng)新計劃、畢業(yè)設計等創(chuàng)新活動，這對于培養(yǎng)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力具有重要意義。

[1] 崔 源, 鄭國棟, 栗天標, 等. 海上石油設施溢油風險管理與防控研究[J]. 油氣田環(huán)境保護, 2010, 20(1): 29-32.

[2] 王志霞, 劉敏燕. 溢油對海洋生態(tài)系統(tǒng)的損害研究進展[J]. 水道港口, 2008, 29(5): 367-371.

[3] 戴聯(lián)雙, 白 楠, 薛鴻豐, 等. 油品泄漏應急處理的受控燃燒[J]. 油氣儲運, 2013, 32(11): 1191-1193.

[4] 李建偉, 趙紹禎. 現(xiàn)場燃燒技術在溢油應急處置中的應用[J]. 船海工程, 2014, 43(5): 124-127.

[5] 王輝東. 就地燃燒法在深海地平線溢油清理中的應用[C]∥2010年船舶防污染學術年會論文集, 2010: 275-278.

[6] 維基百科. Deepwater Horizon explosion [EB/OL]. [2016-5-3]. http://en.wikipedia.org/wiki/Deepwater_Horizon_explosion.

[7] 施鼎方, 徐竟成, 朱毓秀, 等. 開設綜合性實驗項目 促進創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J]. 實驗室研究與探索, 2012, 31(8): 85-87.

[8] 邢紅宏, 梁承紅, 張紀磊. 充分利用綜合性實驗培養(yǎng)學生的綜合素質[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(2): 165-167.

[9] 羅雁云，林龍鋒. 專業(yè)實驗教學創(chuàng)新與學科建設相結合 [J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(11): 179-181.

[10] 宋永臣，楊明軍，劉衛(wèi)國，等. 本科生專業(yè)實驗教學研究探討專業(yè)實驗教學創(chuàng)新與學科建設相結合[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(2): 161-165.

[11] 楊 靜. 教研結合培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力[J]. 實驗技術與管理, 2016, 33(3): 26-29.

[12] 陶常法. 傾斜氣流作用下酒精池火燃燒特性及傳熱機制研究[D]. 合肥: 中國科學技術大學， 2013

[13] Rasbash D, Rogowski Z, Stark G. Properties of fires of liquids[J]. Fuel, 1956, 35(1): 94-132.

[14] 劉 帥. 水平環(huán)境風對油池火熱反饋及燃燒速率的影響研究[D]. 合肥: 中國科學技術大學， 2011

[15] 廖光煊, 王喜世, 秦 俊. 熱災害實驗診斷方法[M]. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 2003.

[16] 董喜梅, 楊 磊, 崔 浩, 等. 基于圖像處理的火焰檢測算法研究[J]. 后勤工程學院學報, 2011, 27(2): 90-96.

Development of Experimental Teaching Platform of In-situ Burning for Cleaning the Oil Spill on Sea

KONGDepenga,LIUPengxianga,PINGPingb,WENRuoxia

(a. College of Mechanical and Electronic Engineering; b. College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Aiming at the need of experimental teaching for offshore oil engineering and combustion theory, a teaching experimental platform of in-situ burning for cleaning the oil spill on sea was designed and developed. This platform is composed of environmental wind simulation system, pool fire in open water simulation system, liquid surface stability system and data collection system. This platform can simulate the combustion process and behavior of in-situ burning, and also collect the data of combustion characteristic parameters, including burning rate, combustion efficiency, flame height et al. The environmental wind simulation system can generate a uniform wind with the same speed, the pool fire in open water simulation system can simulate the combustion process of the spilled oil on the sea vividly and the liquid surface stability system is used to maintain the oil surface stable during the combustion. Based on this platform, the students can understand the procedure of oil spill cleaning and master the data collection method and deepen the application of this method. This platform is capable of improving the operational ability of students and has significant effluence on training the engineering practice ability and scientific quality of students.

experimental platform; teaching experiment; oil spill on the sea; in-situ burning

2016-06-25

國家自然科學基金項目(51504282); 中國石油大學教學改革項目(QN201510)

孔得朋(1985-)，山東肥城人，博士，講師，碩士生導師，現(xiàn)主要從事石油石化火災動力學研究。

Tel.:0532-86980385; E-mail:kongdepeng@upc.edu.cn

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1006-7167(2017)02-0054-04