火灾是原油储存库区面临的重大安全事故。由于原油本身成分及储存操作等原因, 原油储罐会在罐底存在一层水层。当油罐发生火灾, 经过一段时间稳定燃烧后, 底部水层发生沸腾现象, 在巨大的压力作用下, 罐内燃烧着的油品发生喷射或溢出, 导致火焰突然增大, 热辐射增强, 瞬间扩大火灾影响范围, 甚至会引燃相邻油罐, 导致更严重的后果, 这种燃烧现象称为沸溢^[1]。由于沸溢火灾后果的严重性, 关于沸溢火灾的研究已开展多年。Koseki等^[2-4]先后利用阿拉伯轻质原油、穆尔班原油等燃油证明沸溢发生的必要条件是燃料层在燃烧过程中产生一层温度稳定的“热区”, 并提出了沸溢强度的概念及计算方法^[5]; Hasegawa^[6]对沸溢油池火中热区的形成机制进行了传热分析, 发现热区的温度、密度在燃烧过程中保持相对恒定; Broeckmann等^[7]分析了有热区形成的沸溢池火和无热区形成的薄油层沸溢池火的传热过程, 发现油水界面层的水层发生核态沸腾是沸溢发生的必要条件; 谭家磊^[8]、梁志桐^[9]、YANG等^[10]通过可视化试验探究了界面层沸腾产生的气泡运动全过程, 证明气泡在压力作用下被抛出油池外, 导致喷溅的发生; 李自力^[11]则通过理论分析得到原油和乳化原油的热波速度计算模型。沸溢火灾燃烧特性参数研究中, Hua等^[12]观察了界面层气泡的产生过程, 指出沸溢阶段燃烧速率远大于沸溢前燃烧速率; Chatris等^[13]在大尺寸沸溢火灾试验基础上通过燃烧速率的变化将沸溢火灾划分为不同燃烧阶段; Ferrero等^[14]对池火和沸溢火灾的火焰尺寸及间歇率进行试验研究, 改进了沸溢强度计算方法^[15]; Laboureur等^[16]则利用混合燃油对沸溢火灾不同阶段的火焰特征进行了分析; 梁志桐^[9]使用混合原油开展模拟试验, 建立沸溢发生时间预测模型。这些研究分别涉及沸溢油池火的发生机理, 燃烧特性参数变化规律等内容, 但由于不同研究者使用的燃油种类以及试验环境各不相同, 导致研究结果有所差别, 甚至存在较大差异。大多数研究中^[13-15]使用成品油或混合原油^{[9-10, 16]}, 其研究成果在原油库区火灾事故中的工程实用性较小; 关于沸溢火灾燃烧速率的研究更多的是停留在表面特征描述^{[9-10, 13]}, 而很少对燃烧速率变化过程进行深入分析。笔者通过开展小尺度沸溢火灾试验研究, 测量燃烧速率、油池内部温度随时间的变化, 对沸溢火灾不同阶段的燃烧速率及火焰特征进行分析, 从温度变化的角度分析沸溢燃烧的阶段特征, 探讨油池尺寸、初始油层厚度对沸溢火灾燃烧速率的影响规律, 利用燃烧速率特性参数建立沸溢强度模型。

现行原油储罐设计规范中并没有关于尺寸设计的相关标准, 但根据大型原油储罐尺寸设计惯例, 油罐高径比均小于1, 且容积越大, 高径比越小, 如10万立方米浮顶罐高径比约为0.27^[17]。本试验共使用3种高径比的不锈钢圆形油池来模拟原油储罐, 内径分别为0.1、0.15、0.2 m, 油池内高均为40 mm, 油池壁厚为3 mm。为避免油池与电子天平之间的传热作用, 在二者之间放置绝热垫。试验装置如图 1所示。

图 1

图 1 试验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of apparatus

燃烧过程中使用精度为0.01 g的电子天平每隔1 s记录一次燃烧系统的质量数据, 从而可以得到系统的失重曲线, 通过对失重曲线进行微分得到油池的质量损失速率, 即燃油的质量燃烧速率。文中的燃烧速率均指质量燃烧速率。

在油池中心及四周布置5支直径为1 mm、测温范围在-50~1 200 ℃的K型铠装热电偶, 用以测量燃烧过程中水层及油层不同高度的温度变化。根据距离油池底部高度, 从下至上对热电偶依次进行编号为T1~T5, 其中, T1热电偶距离油池底部6 mm, 相邻热电偶间的距离为2 mm。热电偶布置方式见图 2(左:俯视图; 右:热电偶高度位置示意图)。

图 2

图 2 油池内部热电偶布置方式示意图 Fig.2 Schematic diagram of distribution of thermocouples

另外, 试验中还采用一台CCD摄像机拍摄火焰图像。通过图像处理技术可以得到火焰高度的变化情况。如无特殊说明, 下文中的火焰高度均指相对火焰高度L/D, 即火焰长度L与油池直径D的比值。

本次试验中使用的燃料为胜利原油, 其主要物性参数分别为初始温度、平均凝固点、密度、黏度和平均含硫量, 其数值分别为45 ℃、-6 ℃、0.94 kg·m^-3、264 mPa·s和0.21%。为模拟原油储罐操作过程存在的不同油水层厚度比, 同时保证不同油层厚度条件下的模拟试验均能发生沸溢燃烧现象, 试验过程中保持油池底部水层厚度h_w=10 mm恒定不变, 而改变初始油层厚度, 具体试验工况如表 1所示。为排除风速的影响, 本次试验在室内进行, 大气压力为1.013×10⁵ Pa。为减小误差, 每组试验完成后, 在油盘温度和环境条件恢复到初始条件后, 进行重复试验, 每组试验重复3次, 对相关测量数据取平均值。

表 1

表 1 小尺度沸溢火灾试验工况 Table 1 Experimental conditions of small scale boiling fire 油池直径 D/mm 油池高度 H/mm 初始油层厚度 h0/mm 100 400 5, 7.5, 10, 12.5, 15 150 400 5, 7.5, 10, 12.5, 15 200 400 5, 7.5, 10, 12.5, 15

表 1 小尺度沸溢火灾试验工况 Table 1 Experimental conditions of small scale boiling fire

燃料被引燃后, 液面在持续接受火焰向下传递的热量过程中, 其中的轻质组分由于沸点较低, 受热蒸发为可燃蒸气进入火焰参与燃烧, 燃料质量不断下降。通过对试验中电子天平测量油池质量变化得到的油池失重曲线进行微分, 可以得到燃料质量燃烧速率随时间t的变化曲线, 如图 3(a)所示。

图 3

图 3 沸溢火灾质量燃烧速率和火焰高度随时间变化曲线(D=0.15 m, h0=15 mm) Fig.3 Temporal evolution of crude oil boiling fire burning rate and flame height(D=0.15 m, h0=15 mm)

通过对试验中CCD摄像机拍摄到的火焰图像进行处理, 可以得到燃烧瞬时火焰高度, 对火焰高度随时间变化曲线进行平滑处理, 得到燃烧过程中火焰高度随时间的变化趋势, 如图 3(b)所示。

根据图 3中沸溢火灾燃烧速率和火焰高度随时间的变化规律, 可以将小尺度沸溢火灾燃烧分为4个阶段，其不同时刻典型火焰形态见图 4。

图 4

图 4 沸溢火灾不同时刻典型火焰形态 Fig.4 Evolutions of flame shape during combustion process

(1) 燃料层被点燃后, 首先进入短暂的预燃阶段; 该阶段火焰迅速扩展至整个液面, 液面温度持续升高, 燃烧速率也快速增大, 火焰高度不断增大; 典型火焰形态如图 4(a)、(b)所示。

(2) 在经过短暂的预燃阶段后, 燃烧进入类似纯油池火稳态燃烧的准稳态燃烧阶段; 这一阶段的燃烧速率与火焰高度基本达到稳定, 火焰振动幅度较小; 其典型火焰形态如图 4(c)、(d)所示。

(3) 经过较长一段时间准稳态燃烧阶段, 燃烧进入沸溢燃烧阶段; 燃烧速率出现突然增大现象, 火焰出现大幅震荡; 大量油滴被抛到火焰与油池四周, 燃烧的同时伴有气泡破裂声音; 典型火焰形态如图 4(e)~(h)所示。

(4) 短暂的沸溢燃烧阶段后, 燃烧速率快速回落, 火焰也出现衰减现象, 沸溢火灾燃烧进入衰减熄灭阶段; 其典型火焰形态如图 4(i)~(k)所示。

由分析可知, 燃烧油池的火焰形态变化与燃烧速率变化是同步的, 而燃烧速率变化的实质是燃油内部轻质组分受热产生可燃蒸气的速率发生变化。由此可见, 沸溢油池火灾燃烧的不同发展阶段及其特征, 与油池内部燃油可燃蒸气的产生速率密切相关。为了更深入地研究沸溢油池火灾的燃烧过程, 须对油层内部的温度变化进行分析。

图 5为直径0.2 m, 初始油层厚度10 mm的油池内部不同液位高度温度变化曲线。从图 5中可以看出, 油池被点燃后的一段时间内, 油层底部区域温度几乎维持不变, 但燃料层上部高温区域厚度不断增大, 单位时间内轻质组分产生的可燃蒸气量增大, 燃烧处于预燃阶段; 在燃烧75 s后, 各液位点(从上至下)温度依次开始升高, 但增长速率依次减缓, 此阶段轻质组分的蒸发速率到达稳定, 但由于燃油内重质组分沸点较高, 燃油温度继续升高; 320 s左右, 界面层温度达到100 ℃, 附近水层开始发生沸腾, 产生少量气泡, 但油层的存在使这些气泡很难向上运动逃离油池, 水层在压力作用下继续升温至沸点之上; 在燃烧340 s左右时, 所有液位温度同时出现陡增, 油水界面产生大量气泡, 在活塞效应下携带大量燃油被抛入火焰, 燃烧速率大幅度增大, 燃烧进入沸溢阶段; 由于沸溢燃烧使界面层大量高温气泡被抛出油池, 界面层下方温度较低的水向上移动, 导致界面层温度迅速减小, 同时大量油品被抛出使剩余油品中的轻组分含量减少, 不足以继续维持燃烧, 火焰迅速进入衰减熄灭过程。

图 5

图 5 不同液位高度温度变化曲线 Fig.5 Temporal evolutions of vertical temperature at different locations

沸溢油池火灾燃烧阶段的划分及每一阶段特征都与内部油层温度及界面层温度的变化相关。油层温度的变化决定着预燃阶段与准稳态燃烧阶段的发生、燃烧速率及火焰尺寸的变化, 而界面层水层的温度变化则决定着沸溢燃烧的开始时间。

燃烧速率是油池火灾重要特性参数, 决定着火焰形态与变化过程, 进一步影响油池火灾温度、热辐射等灾害特征参数, 因此, 有必要对沸溢油池火灾燃烧速率的变化规律及其内在影响机制进行研究。

图 6为不同直径沸溢火灾燃烧速率随时间变化曲线(h₀=10 mm)。从图 6中可以看出, 不同直径油池的燃烧速率经历了预燃阶段、准稳态燃烧阶段、沸溢燃烧阶段和火焰熄灭阶段四个过程; 对于不同直径的油池, 其从点燃至达到稳定燃烧所经历的时间差别较小, 但随着直径的增大, 从被引燃至发生沸溢燃烧所需的时间减小。同时从图 6中还可以发现, 在各个燃烧阶段, 沸溢火灾的燃烧速率均随着油池直径的增大而增大, 且沸溢阶段燃烧速率的增大幅度更大。为对比准稳态阶段与沸溢阶段的燃烧速率随油池直径的变化情况, 将不同直径的稳定燃烧速$ {\dot m_{\rm{s}}} $与沸溢阶段平均燃烧速率$ {\dot m_{{\rm{bav}}}} $及其比值在同一坐标中表示, 如图 7所示(h₀=7.5 mm)。沸溢阶段燃烧速率随直径的增大速率明显大于稳定燃烧速的增大速率, 但两者的比值$ {\dot m_{{\rm{bav}}}}/{\dot m_{\rm{s}}} $随直径增大迅速减小。

图 6

图 6 不同直径沸溢火灾燃烧速率随时间变化 Fig.6 Evolution of burning rate for different diameters

图 7

图 7 准稳态阶段与沸溢阶段平均燃烧速率对比 Fig.7 Mean burning rate comparison of quasi-steady and boilover period for different diameters

图 8为不同直径油盘在不同初始油层厚度条件稳定燃烧速率变化趋势。从图 8中可以看出, 相同直径油池在不同初始油层厚度条件的稳定燃烧速率保持基本稳定, 不随初始油层厚度的改变而变化; 但随着油池直径的增大, 稳定燃烧速率也越大。这一规律可以通过火焰与油池之间的热传递作用机制解释。对于沸溢油池火灾, 在预燃阶段与准稳态燃烧阶段液面主要通过热传导、热对流与热辐射3种传热方式接受火焰传递的热量, 3种方式接收的总热量^[18-19]可表示为

图 8

图 8 不同初始油层厚度条件下稳定燃烧速率对比 Fig.8 Steady burning rate comparison of different initial thickness of fuel-layer

式中, Q为燃料接收的总热量, W; T_F和T_f分别为火焰温度和燃料表面温度, K; c₁为热传导传热系数, W/(m·K); c₂为热对流传热系数, W/(m²·K); c₃为热辐射传热系数, W/(m²·K⁴); k为火焰吸收衰减系数, m^-1。

有研究表明, 不同传热方式在燃烧过程中对燃烧起到的作用随油池尺寸而变化^[16]。一般来说, D < 0.03 m时, 油池表面热传导机制占主要作用; D>1 m时, 火焰热辐射决定油池接受热量的大小; 而当0.03 m < D < 1 m时, 传热过程处于一种过渡阶段, 即三种传热方式同时起控制作用, 但热辐射传热作用要明显大于热传导和热对流传热方式。

对于试验中使用的直径为0.1、0.15、0.2 m的油池, 在其准稳态燃烧阶段, 可忽略热传导和热对流传热作用, 而只考虑火焰热辐射作用。其准稳态燃烧阶段的质量燃烧速率$ {\dot m_{\rm{s}}} $^[20]可表示为

式中, ΔH_v为燃料有效燃烧热, kJ/kg; $ {\dot m_{\max }}$为大尺寸油池火灾的稳定燃烧速率, kg·m^-2·s^-1。

$ {\dot m_{\max }} $与k是与燃料有关的参数, 对于确定类型的燃油, 其取值是一定的。根据式(2)得知, 在一定油池尺寸范围内(0.03 m < D < 1 m), 随着油池直径的增大, 油池接受火焰热辐射传递的热量增加, 质量燃烧速率也增大; 而在尺寸一定时, 稳定燃烧速率与初始油层厚度的大小无关, 展现出如图 8所示的稳定燃烧速率变化趋势。

同时, 依据式(2)利用试验测量数据, 可以得到小尺度胜利原油沸溢油池火灾稳定燃烧速率的计算公式:

对于不同类型的燃油, $ {\dot m_{\rm{s}}} $与k的取值不同。Ferrero等^[15]曾在试验研究基础上得到了汽油池火与柴油沸溢油池火$ {{\dot m}_{\max }} $与k的取值, 如表 2所示。

表 2

表 2 不同燃油准稳态燃烧速率相关系数取值 Table 2 Correlation coefficient value for different fuels 燃料 $ {{\dot m}_{\max }} $/(kg·m-2·s-1) k/m-1 汽油 0.081 1.25 柴油 0.052 0.95 胜利原油 0.05 0.90

表 2 不同燃油准稳态燃烧速率相关系数取值 Table 2 Correlation coefficient value for different fuels

对比表 2中不同燃油稳定燃烧速率相关系数取值, 可以发现汽油池火相关系数$ {{\dot m}_{\max }}$与k的取值明显大于多组分混合燃油类别的柴油与胜利原油。k由燃油自身物料特性决定, 一般而言, 密度越大, k值越小; 而随着燃油内部轻组分燃油比例减小, 大尺寸池火燃烧时可燃蒸气的产生量和速率随之减小, 相应的$ {{\dot m}_{\max }}$也越小。

Koseki等^[5]将沸溢强度定义为沸溢燃烧阶段的平均燃烧速率与准稳态燃烧阶段稳定燃烧速率的比值。Ferrero等^[15]则在此定义的基础上对其进行了修正, 其沸溢强度定义的表达式为

对于式(4)中的稳定燃烧速率${{\dot m}_{\rm{s}}} $, 通过计算电子天平的测量数据可以得到较为精确的数据, 而沸溢阶段的平均质量燃烧速率${{\dot m}_{\max }} $则很难确定。因为沸溢是一种突发性燃烧现象, 持续时间较短, 其发生与结束的时间点难以精确判断; 此外, 沸溢燃烧过程中, 大量水蒸气携带油滴被抛出罐外, 但喷溅出的油滴并未完全进入火焰参与燃烧, 更多的是被抛到油池四周的地面, 而这部分燃油以及喷溅出的全部水蒸气, 在试验测量过程中也被视为沸溢燃烧阶段的燃油质量损失。根据试验测量数据计算得到的沸溢阶段燃烧速率存在较大误差, 由此得到的沸溢强度也是一种估计值。Ferrero通过试验研究发现, 沸溢燃烧阶段水蒸气蒸发速率随油池直径与初始油层厚度的增大而减小, 并远小于试验测量得到的沸溢阶段燃烧速率^[15]。对于小尺寸沸溢油池火灾沸溢燃烧阶段燃烧速率, 可忽略喷溅过程中水蒸气导致的试验误差。

为了更好地研究沸溢强度特性, 分别分析平均沸溢强度I_bav与最大沸溢强度I_bmax的变化规律。平均沸溢强度I_bav是利用沸溢阶段平均燃烧速率$ {{\dot m}_{{\rm{bzv}}}} $与准稳态燃烧阶段的稳定燃烧速率$ {{\dot m}_{\rm{s}}} $依据式(4)计算得到的沸溢强度; 而最大沸溢强度I_bmax则是依据式(4)中平均沸溢强度的计算方法, 使用沸溢燃烧阶段最大燃烧速率$ {{\dot m}_{{\rm{b}}\max }}$计算得到的, 最大沸溢强度能够反映沸溢燃烧的危害最大性。

图 9为不同初始油层厚度条件下平均沸溢强度I_bav随油池直径变化规律。从图 9中可以发现, 在同一初始油层厚度条件下I_bav随油池直径的增大而减小, 但随着直径增大, 减小的幅度变小, I_bav逐渐趋于稳定; 同时当油层尺寸相同时, 油层厚度越大, I_bav越大。由图 7分析已经得知, 沸溢燃烧速率随直径增加而增大的幅度虽大于稳定燃烧速率增大幅度, 但$ {{\dot m}_{{\rm{bzv}}}}/{{\dot m}_{\rm{s}}} $随直径的增大却大幅减小, 因此, 沸溢强度随直径的增大而减小。

图 9

图 9 平均沸溢强度随油池直径变化曲线 Fig.9 Ibav as a function of diameter for different initial fuel-layer thickness

从图 9中可知, 对于固定尺寸的沸溢油池火灾, 其平均沸溢强度随初始油层厚度的增大而增大。图 10为平均沸溢强度、最大沸溢强度随初始油层厚度的变化规律, 从图 10中可以看出, 尽管最大沸溢强度要远大于平均沸溢强度, 但两者随h₀的变化趋势相似:随h₀的增大而增大, 但当h₀>12.5 mm时, 其增速变小, 沸溢强度趋于稳定。所不同的是, 对于最大沸溢强度而言, 当初始油层厚度相同时, 其大小随油池尺寸的变化较为随机。这主要是由于沸溢本身即是一种突发性燃烧现象, 表现出较强的随机性, 而最大沸溢强度受到燃油层内部杂质等多种因素的影响, 变化更为复杂。

图 10

图 10 沸溢强度随初始油层厚度变化曲线 Fig.10 Boilover intensity as a function of fuel-layer thickness for different pool diameters

当油池尺寸一定时, 随着初始油层厚度的增大, 界面层发生核态沸腾时, 剩余燃料层的厚度也越大, 界面层的压力随之增大, 水层沸腾产生的气泡在活塞效应作用下, 将更多的燃料抛出油池, 增大了沸溢燃烧阶段的燃烧速率; 而油池直径相同时准稳态阶段燃烧速率与初始油层厚度无关, 因此, 沸溢燃烧速率的增大导致了沸溢强度随着初始油层厚度增大而增大。

为同时将初始油层厚度h₀与油池直径D两个因素考虑在内研究沸溢强度的变化规律, 忽略实际沸溢火灾事故中不同直径、初始油层厚度的差异, 定义新的变量λ=h₀/D, 即λ等于初始油层厚度与油池直径的比值。经计算后, 将各λ取值对应的最大沸溢强度与平均沸溢强度在同一坐标内标出, 如图 11所示。

图 11

图 11 沸溢强度随λ变化规律 Fig.11 Boilover intensity evolution with λ

从图 11中可以看出, 最大沸溢强度与平均沸溢强度均随着λ的增大而增大, 且最大沸溢强度的随λ变化的增速更大。同时, 从图 11中可以发现, 两者随λ的变化近似于线性增大。通过数据拟合, 可以得到I_bav、I_bmax与λ之间的关系式为

对于小尺寸胜利原油沸溢火灾, 可以根据式(5)、(6)大致推算出沸溢火灾的平均沸溢强度、最大沸溢强度, 对于沸溢火灾救援工作具有重要指导作用。

(1) 小尺度沸溢油池火灾燃烧包括预燃、准稳态燃烧、沸溢燃烧、火焰熄灭4个典型阶段, 沸溢燃烧阶段燃烧速率和火焰高度明显大于准稳态燃烧阶段。

(2) 沸溢火灾的燃烧速率变化主要由油层内部温度分布及界面层的水层温度变化决定; 油层温度分布主要控制预燃及准稳态燃烧阶段的燃烧速率变化, 界面层附近水层温度则决定沸溢燃烧发生的起始时间。

(3) 小尺度沸溢油池燃烧过程中, 稳定燃烧速率和沸溢燃烧速率均随直径的增大而增大, 且沸溢燃烧速率的增幅更大; 对于小尺度(0.03 m < D < 1 m)沸溢油池火灾, 其稳定燃烧速率主要由液面接受火焰热辐射能量决定, 并与(1-exp (kD))成正比。

(4) 沸溢油池火灾沸溢强度随初始油层厚度的增大而增大, 随油池直径的增大而减小; 沸溢强度与初始油层厚度和油池直径间的比值呈正比关系。