多因素下小尺度油罐火燃烧速率的研究

张铖铖，方 俊，林树宝，江 澄，商 蕊（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）



多因素下小尺度油罐火燃烧速率的研究

张铖铖，方 俊＊，林树宝，江 澄，商 蕊
（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

摘要：以正庚烷为研究对象，开展了不同因素耦合作用下小尺度油罐火燃烧特性的实验研究。结果表明：在不改变其他工况条件下，开口因子直接影响燃料燃烧速率，发现不同开口因子下燃烧速率与全开口下燃烧速率之比始终正比于对应的开口面积之比，且之间存在着相应的关系式。在实验所测两种液位6cm和8cm下，其燃烧速率变化不大，由此可发现，在该实验液位下油罐火液位高度不是影响燃烧速率的主要因素。在不同的风速下，随着风速的增加燃烧速率逐渐增加并趋于一定值，且不同开口因子下风速对燃烧速率的影响程度不同。风速对开口因子大的油罐燃烧速率的影响小于开口因子较小的油罐。

关键词：油罐火；燃烧速率；开口因子；液位；风速

0　引言

随着现代社会的快速发展，国家对于石油的需求日益增加，各个国家都在极力增加石油储量，由此储油罐的使用量也在日益增加。储油罐在广泛应用于石油行业的同时，也带来一系列的安全隐患。众所周知，石油本身具有易燃、易爆、易挥发等特性，一旦储油罐发生火灾事故，后果将非常严重，不仅会造成重大财产经济损失，还会威胁到人员的生命安全。1989年8月12日中国石油总公司管道局胜利输油公司黄岛油库受到雷击发生爆炸事故，造成19人死亡，100多人受伤，直接损失约3540万元人民币。2005年12月11日英国邦斯菲尔德油库发生火灾事故，烧毁大型储油罐20多个，43人受伤，直接损失2．5亿英镑［1，2］。

对我国油罐火事故进行统计分析发现油罐发生火灾的概率约为14．6%，且油罐发生火灾时多数伴随着爆炸的发生，罐体发生破裂。其中罐顶受到破坏的占事故的75%，罐底遭到破坏的占4%，未受影响的约21%，其内储存的燃料量各有不同，燃料液位高低不同［3，4］，造成的火灾事故后果也不同。

在众多的油罐火研究中，往往把油罐火当作一种特殊的油池火，对油罐火的分析大多数也是采用油池火的理论模型。国外对油池火的研究早在六七十年代就已经开始，在Babrauskas，Blinov［5，6］经典池火理论中，研究表明一定范围内池火燃烧速率随着风速、油盘直径的变大而增加。Seong［7］等对小尺度型油池火研究发现燃烧速率随着风速的增加而增加，临界风速与热释放速率成正比。Burgess［8］通过对大量实验数据进行研究分析，得到池火的燃烧速率与油盘直径的关系公式。中国科学技术大学火灾国家重点实验室对池火研究很多［9－16］，且已十分全面。胡等人对一定范围风速下不同尺寸油池火的燃烧速率及燃烧机制进行分析，得到燃烧速率与风速和直径关系式。李等人对不同尺寸正方形池火进行研究，发现各个油盘的燃烧速率都随着风速、尺寸的增加而增加。康等对薄油池火的燃烧特性进行了研究。孙、童、倪研究了航空煤油的燃烧速率与风速、油盘尺寸的关系。而国内的油罐火总体研究较少，只有少数高校及消防所等对油罐火进行了研究［17－22］。如王提出了三层模型，指出油罐火分为火焰、液面和中间层，其中中间层在热交换过程中形成热屏蔽层。魏、杨等运用计算机手段对大尺寸油罐火的燃烧进行模拟分析，得到大尺寸油罐火燃烧速率随风速、初温的增加而增大；郑曾对非金属大型油罐燃烧调研中发现，油类的燃烧速率与油罐的开口面积成正比，但是均没有对其原因及燃烧机理进行分析。

目前国内外关于油罐火的研究，较少系统地研究多因素条件下油罐火的燃烧特性，且很多关于油罐火的理论及模型基本沿用池火理论，没有考虑罐火的火灾发展与池火的区别，依据池火建立的诸多模型对油罐火并不完全适用。因此本文从油罐火的燃烧速率出发，研究多因素条件下对其的影响，旨在为预防和控制油罐火灾事故提供指导。

1　实验设计

实验的多因素条件包括油罐开口因子，液位高度和外界风速。实验采用的小尺度油罐尺寸为：高10cm，直径15cm，壁厚2mm。油罐开口因子的变化有5种情况（八分之一开口、四分之一开口、二分之一开口、四分之三开口、全开口），开口因子指的是不同开口面积与全开口面积之比，不同开口因子及对应的开口直径如表1和图1所示。罐体与开口做成一体结构，防止因缝隙漏气影响火焰燃烧。实验采用的燃料为正庚烷，设计两种燃料层厚度，分别为6cm、8cm。风速的改变是在中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室大型燃烧风洞平台上实现的，其风洞结构示意图及实验布置图如图2所示；风洞总长度约20m，实验段进口截面为1．8m 1．8m，长度为6m，共分为动力段、加热段、稳定段、收缩段和实验段五部分，通过调节电机输入电压可改变实验风速，最大可达到15m／s，本次实验风速变化范围为0m／s～2．5m／s。实验所用热线风速仪为日本加野麦克斯生产的多通道智能型风速测量系统MODEL 6243，该风速仪在0m／s～9．9m／s时，显示分辨率可达0．01 m／s，风速增加，分辨率变为0．1m／s，测量误差2%，采集模块与计算机相连进行数据传输，可在计算机上实时显示风速的测量值、温度、湿度及风速平均值等参数。电子天平的规格为梅特勒－托利多公司制造的Excellence－SB16001，最大量程可达到16kg，精确度为0．1g，线性误差为±0．3g。该电子天平采用单模块传感技术，将压力信号转化成电压信号，实时采集数据得到瞬时质量，通过计算得到质量损失速率。本文重点从燃烧速率出发，研究多因素条件对油罐火燃烧速率的影响。

表1　不同开口因子对应的开口直径Table 1 The opening diameter of different opening factors

图1　不同开口因子示意图Fig．1 Schematic diagram of different opening factors

2　理论分析

燃烧速率是研究火灾发展过程的重要参数，本文对不同开口、不同液位、不同风速下油罐火的稳定燃烧阶段的燃烧速率进行研究，得到不同因素对小尺寸油罐火燃烧速率的影响。在研究油罐火时一般假设火焰与油面直接进行热量交换，大多未考虑中间燃料蒸汽层；另外即便考虑到此蒸汽层的存在，也未考虑对油罐火发展形成的影响。油罐发生火灾时，在火焰底端和罐内燃料液面中存在未燃烧的中间蒸汽层，蒸汽层不仅包括燃料蒸发产生的蒸汽，还

×包括卷吸进入的空气和燃烧产物。燃料开始燃烧时，表面被迅速加热形成一层薄的蒸汽层，源源不断的蒸汽进入燃烧区与空气混合燃烧，燃烧时火焰和空气卷吸混合如图3所示。随着燃烧的进行，燃料逐渐被加热，预热层厚度逐渐增加到一定值并保持不变，直到因液面下降该预热层与罐底接触。燃料和火焰之间的热量交换如图4所示。

图2　风洞及实验布置图Fig．2 Schematic diagram of the wind tunnel and the experimental arrangement

图3　油罐火燃烧示意图Fig．3 Schematic diagram of oil tank fire

图4　燃烧过程的热交换示意图Fig．4 Heat exchange between the combustion processes

对油罐火蒸汽层和预热层进行热平衡分析，方程如下：

其中Qrad、Qconv、Qcond分别为燃料从火焰得到的辐射热量、火焰之间的对流热、通过油罐壁面的热传导获得的热量。Qfuel为蒸发燃料需要的热量，Qrer为燃料表面对外界的辐射量，Qref为燃料表面对Qrad反射损失，Qcvf为高温层与底部燃料之间的对流热量。

其中Q1为燃料从初始温度到达沸点所需的热量（kW），Wf为燃料的质量损失速率（kg／s），Tb（K）为燃料沸点，Tf0（K）为燃料初始温度，ΔHf为燃料的蒸发焓（kJ／kg），Cp为燃料的比热容（J kg－1K－1）。

结合油池火热量平衡方程进行完善，油罐火燃烧过程中各个热量表达方程式如下：

其中As为油罐的开口面积，σ为斯特藩－玻尔兹曼常数，ΦF为火焰及高温气体对液面形态系数；εF为火焰及高温气体辐射率，ελ为液体辐射率，h对流系数，Do代表全开口下油罐直径，Tf为火焰温度，Ts为液面温度，k′为传导系数。

3　结果分析

3．1 开口因子对燃烧速率的影响

为了研究不同开口面积下油罐火的燃烧特征，本次实验选取五种开口进行分析。结合上述热平衡公式对油罐火的燃烧速率进行分析可知，对同一直径下不同开口的油罐，D相同，Qcond几乎不变，因此燃料的燃烧速率主要取决于Qconv、Qrad，且Qconv、Qrad正比于开口面积，可以得到质量损失速率W正比于开口面积A，实验发现八分之一开口下无法持续燃烧，原因将在后面进行分析，对得到的其余四组开口数据进行分析验证如图5所示。

图5　Wf／Wf0随A／A0变化曲线Fig．5 The curve of A／A0versus Wf／Wf0

可得：

其中a为截距，b为斜率，Wf、A为某一开口下的庚烷燃烧速率和开口面积，Wf0、A0为同等条件下全开口庚烷的燃烧速率和开口面积。不同风速下a、b不同，但是Wf／Wf0始终正比于开口面积之比A／A0。这是因为在有风条件下火焰发生倾斜，油罐下壁面被火焰加热，下壁面温度升高，燃料通过壁面传导得到的热量增加，火焰发生倾斜，液面通过开口与火焰之间的对流、辐射均发生变化，因此Qrad、Qconv、Qcond占的比例不同，a、b不同。由上述公式可知，在不改变其他工况条件下，开口面积直接影响燃料燃烧速率，油罐燃料的燃烧速率随着开口面积的增大而增加，开口面积大则燃烧速率快，开口面积小，燃烧速率慢。

另外，在五种不同开口因子中，实验中发现当开口因子为1／8时，燃料燃烧时间特别短，无法维持正常燃烧。结合庚烷燃烧时化学方程式进行分析：

C7H16＋11O2→7CO2＋8H2O（7）

由式（7）可知庚烷燃烧时需要大量氧气供给，氧气供应不足反应就无法继续进行。开口因子为1／8时，开口面积过小，新鲜的空气无法及时补充进入油罐燃烧区，氧气不能充分与燃料蒸汽进行混合，导致无法维持反应的继续进行，因此燃烧很快由于供氧不足而熄灭。

3．2 液位高度对燃烧速率的影响

油罐发生火灾时，其内储存的燃料量各有不同，燃料液位高低不同，造成不一样的火灾事故后果。为了分析油罐火灾中液位的高低对油罐燃烧速率的影响，本次实验设定两种液位，分别为6cm、8cm。对实验结果进行分析（如图6所示）。

图6　不同开口下燃烧速率与液位的关系Fig．6 Relationship between burning rate and depth under different openings

Wf、D为某一开口下的庚烷燃烧速率和对应开口直径，可以看出6cm、8cm两种液位下油罐火稳定燃烧阶段燃烧速率曲线基本重合，差别并不明显。6cm和8cm这两种液位下燃料厚度高度对燃烧速率几乎无影响，燃烧速率基本不变。同一油罐不同液位到达稳定燃烧后，对燃烧过程进行分析，发现液位高低对火焰与燃料之间的热交换影响很小，不同液位高度仅代表余下底部燃料层的厚度不同，由此这两种液位高度下油罐火的稳定燃烧阶段属于厚油池火燃烧控制，底部燃料层相当于热屏蔽层，油罐底壁散热影响较小，燃烧机理和热量交换一致，可知在该6cm和8cm两种液位下燃烧速率与液位高度参数无关。

3．3 外界风速对燃烧速率的影响

目前对有风条件下池火燃烧速率研究较多，但是对有风条件下不同开口油罐火的研究资料很少。实际中油罐火通常发生在有风环境中，与假设的静止无风下燃烧有很大的区别。风速改变了火灾燃烧过程中的相关特征参量，影响油罐火的发展，因此有必要研究外界风速对油罐火燃烧特性的影响，补充研究空白。本次实验的风速变化共有5种情况：0．5m／s、1．0m／s、1．5m／s、2．0m／s、2．5m／s，另外再加一组空白对照，即无风条件下的油罐火燃烧速率。

风速对燃烧速率的影响较为复杂，一方面，风速的存在促进空气和燃料的混合，源源不断提供新鲜空气，使得反应加快进行，燃烧速率变大，另一方面风带走热气流和燃料蒸汽，带走热量。因此风速对火焰的影响机理是多重因素叠加的结果。

图7　燃烧速率与风速的关系Fig．7 Relation between burning rate and wind speed

对不同开口下庚烷燃烧速率随风速变化进行分析如图7所示，从0m／s增加到2．5m／s时，1／4开口下Wf增加到原来的14倍，1／2开口下Wf增加到原来6倍，3／4开口下Wf增加到原来4倍，全开口下Wf增加到原来3倍。可以得知虽然燃烧速率随着风速的增加而增加，但是不同开口下风速对燃烧速率的影响略有不同。小开口油罐下燃烧速率随风速的增加变化很快，大开口油罐燃烧速率随风速的增加影响较小，风速对开口大的油罐燃烧速率的影响小于开口较小的油罐。随着风速的继续增加，发现燃烧速率变化逐渐变小趋于一定值。

Blinov［6］曾对有风条件下池火的燃烧进行研究，得到燃烧速率与风速之间的关系式：

其中mwindy为有风条件下池火的燃烧速率，mstill为同工况无风条件下油池火的燃烧速率，u为风速，D为油盘的直径。可知风速对池火燃烧速率的影响与直径成反比，风速对池火燃烧速率的影响随着油盘直径的增加而减小。参照该结论，虽然油罐火不符合该关系式，但是风速对其燃烧速率的影响随着开口直径的增加而减小。分析可知小开口油罐火在有风条件下，火焰发生倾斜，下风向罐顶和侧壁受热，燃料通过传导得到的热量增加，由火焰倾斜造成对液面的热辐射、对流的减小能够更好的通过壁面对燃料的传导重新获取，而大开口下罐顶受热面减小，因此小开口下燃烧速率增长快于大开口，即风速对小开口油罐燃烧速率的影响大于大开口油罐火。

在有风条件下，火焰会发生倾斜，下侧壁面直接接受热辐射，燃料从罐壁获得的传导热量变大，燃烧速率增加。随着风速的不断增加到临界风速，火焰将面临吹熄情况，燃烧速率下降。结合图7发现全开口燃烧速率随着风速的变大已经趋于一定值，可知对全开口条件下该实验风速已经在临界风速附近。

4　结论

油罐火燃烧机理与池火存在很大的不同，在火焰和底部燃料中存在一个中间燃气层和预热层。分析油罐火时需要全面考虑该蒸汽层和预热层的存在对油罐火发展过程及其热物理机制的影响。本文研究了不同开口因子、不同液位、外界风速下小尺寸油罐火的燃烧速率，得到以下结论：

（1）在不改变其他工况条件下，开口面积直接影响燃料燃烧速率，Wf／Wf0始终正比于开口面积之比A／A0，得到Wf／Wf0与A／A0关系式，风速影响参数a、b：

（2）实验共设定两种液位6cm和8cm，对实验结果进行分析发现在此两种液位下液位高度对燃烧速率的影响差别并不明显，在实验液位范围内燃烧速率基本与液位无关。

（3）研究风速对燃烧速率的影响发现，随着风速的增加燃烧速率逐渐增加并趋于一定值。风速对开口大的油罐燃烧速率的影响小于开口小的油罐，小开口油罐下燃烧速率随风速的增加变化很快，大开口油罐燃烧速率随风速的增加影响较小。

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Keyword：Oil tank fire；Burning rate；Opening area；Depth；Wind

Study on burning rates of small－scale oil tank fires

ZHANG Chengcheng，FANG Jun，LIN Shubao，JIANG Cheng，SHANG Rui
（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

Abstract：In this work，experiments were conducted to study the combustion characteristics of small－scale oil tank fire by using heptane as the fuels．The oil tank fires with different openings，different depths and different wind speeds were examined．The results showed that when other conditions are specified，the opening area directly affects the burning rate．It was found that the ratio of burning rates under different openings to that with full opening is proportional to the ratio of opening areas．For two depths of 6cm and 8cm，the experimental results showed that the height of liquid level does not affect the burning rate．The burning rate increases gradually and approaches a certain value with the increase of wind speed，and the effect of the wind speed on burning rate depends on the opening．

通讯作者：方俊，fangjun＠ustc．edu．cn

作者简介：张铖铖（1993－），女，硕士，安全科学与工程专业，主要研究有风条件下油罐火灾火焰参数，研究方向为火焰图像。

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2012CB719704）；国家自然科学基金资助项目（51323010）

收稿日期：2014－12－06；修改日期：2014－12－28

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．08

文章编号：1004－5309（2015）(－)0052－07

文献标识码：A

中图分类号：X932