油池火災火焰高度關系模型的準確度研究

李姍姍，孫建剛，王 振，王楠楠，崔利富

(大連民族學院土木建筑工程學院，遼寧大連116605)

池火災是指可燃液體泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆蓋水面遇到點火源而形成的火災［1］。在不同類型的火災中，池火災最為常見。由于熱流量非常高，如果火焰直接接觸到設備表面，會使設備產生損壞。當池子直徑大于1 m時，池火災的破壞作用主要體現在對鄰近人員及設備的熱輻射影響上，使附近的人員受到傷害并可引燃周圍的可燃物，從而造成重大的損失［1-2］。池火災火焰高度決定了火焰表面熱流量、火焰熱輻射強度及火災持續(xù)的時間，進而決定了火災的危險程度及其影響的范圍，因此池火災火焰高度的合理預測對預防及控制池火災事故的發(fā)生，減少事故造成的人員傷亡、財產損失等方面具有重要的現實意義。目前對于池火災火焰高度的理論研究集中于CFD軟件模擬及關系模型計算兩種方法上［3］。軟件模擬考慮的影響因素較多、準確性較高，但是軟件操作復雜，計算量非常大;關系模型采用經驗公式計算，考慮的影響因素相對較少，但是其計算簡單、便捷，如果能夠明確其計算的準確性，將其應用于工程項目中將大大縮短理論計算時間。

本文為了對大慶油田原油儲罐池火災火焰形態(tài)及危害情況加以分析，開展了池火災關系模型用于計算原油池火災火焰高度時的準確度研究。對不同直徑原油池火災火焰高度進行了實驗測試，并將測試結果與池火災關系模型計算結果進行了比較，最后基于實驗結果對Thomas關系模型進行了修正。

1 實驗系統(tǒng)簡介

實驗采用大慶油田原油，實驗系統(tǒng)由圓盤、燃燒池及保護網組成。圓盤直徑分別為1.5，2，3和5 m，圓盤深度為0.15 m，罐底部水墊層的厚度為50 mm，油層漂浮在水面高度100 mm。實驗中將圓盤放于燃燒池中心，燃燒池外圍設置保護網以確保實驗的安全，保護網采用鋼骨架內焊接2 mm厚沖孔鋼板網，鋼結構骨架采用L70×70×8角鋼，焊接鏈接，柱下設置C15混凝土基礎，角鋼柱插入基礎。實驗燃燒池及外圍保護網示意圖如圖1，油池火災保護網結構平面布置圖如圖2。

圖1 油池火災實驗燃燒池及外圍保護網示意圖

圖2 油池火災保護網結構平面布置圖

實驗記錄環(huán)境溫度、風速和風向等氣象參數。在圓盤底部引出U型管，刻上刻度，并由攝像系統(tǒng)記錄U型管的刻度，由此來計算豎向燃燒速度。該值將作為后續(xù)池火災火焰高度理論計算的輸入值，實驗方案如圖3。實驗利用攝像機及紅外成像系統(tǒng)記錄火焰圖像如圖4，通過記錄的火焰圖像測量得到火焰高度。

圖3 圓盤池火災實驗系統(tǒng)示意圖

圖4 池火災火焰圖像

2 火焰高度實驗測試結果

根據SFPE的定義，火焰高度定義為火焰鋒線與燃燒表面之間的垂直距離［4］。1.5 m直徑池火災點火后900～960 s時間內火焰瞬時高度實驗測試值如圖5;池火災火焰高度的測試在室外進行，測試時間內的平均風速為0.9 m·s-1，最大風速1.3 m·s-1。2 m直徑池火災點火后500～560 s時間內火焰瞬時高度實驗測試值如圖6;上述測試時間內的平均風速為0.4 m·s-1，最大風速為1.3 m·s-1。3 m直徑池火災點火后440～500 s時間內火焰瞬時高度實驗測試值如圖7;測試時間內平均風速為0.4 m·s-1，最大風速為0.4 m·s-1，風速較小且較為平穩(wěn)。5 m直徑池火災點火后500～560 s時間內火焰瞬時高度實驗測試值如圖8;測試時間內的平均風速為0 m·s-1，最大風速為0.4 m·s-1。本文取60 s時間內的瞬時火焰高度的算術平均值作為平均火焰高度，這樣計算平均火焰高度較為簡單，而且準確度相對較高。從圖5-圖8中清楚可見火焰燃燒過程中的脈動和跳躍現象，1.5 m直徑油池池火災火焰平均高度為2.34 m，2 m直徑油池池火災火焰平均高度為3.01 m，3 m直徑油池池火災火焰平均高度為7.88 m，5 m直徑油池池火災火焰平均高度為9.31 m。

圖5 1.5 m直徑油池火災火焰高度實驗測試值

圖6 2 m直徑油池火災火焰高度實驗測試值

圖7 3 m直徑油池火災火焰高度實驗測試值

圖8 5 m直徑油池火災火焰高度實驗測試值

3 火焰高度關系模型的準確度研究

池火災火焰高度的關系模型是基于實驗數據及量綱分析等所得到的經驗公式，應用較多的是Thomas關系模型和Heskestad關系模型。Thomas［5］基于實驗以及量綱分析，得到了湍流火焰平均高度的關系模型，計算式為

式中，H為火焰高度，m;D為池直徑，m;m'為燃料燃燒速率，kg·(m2·s)-1，ρ0為空氣密度，取為1.293 kg·m-3;u為10 m處風速，m·s-1;uc為特征風速

Heskestad［6］對廣泛的實驗數據進行數學處理，得到了下面的火焰高度公式:

式中，˙Qc為熱釋放速率，˙Qc=0.25×3.14×D2×η×Hc×m';η為燃燒效率;Hc為燃料燃燒熱，原油燃燒熱43 890 kJ·kg-1。

將不同池直徑下火焰高度的實驗測試值與上述Thomas和Heskestad關系模型的理論計算結果進行了比較。實驗值與關系模型理論計算值的比較圖如圖9，理論計算公式中風速值取實驗平均風速，理論計算公式中的燃料燃燒速度采用實驗測試值。從圖9可見，對于不同直徑池火災，Heskestad經驗公式理論計算值與實驗測試值相比偏差較大。在池直徑為1.5 m和2 m時，Thomas關系模型火焰高度理論計算值與實驗值較為接近;在池直徑為3 m和5 m時，Thomas關系模型火焰高度理論計算值小于實驗值且偏差較大。

圖9 池火災火焰高度實驗測試值與理論計算值比較圖

4 火焰高度關系模型的修正

系模型理論計算值的比，圖中實心點分別為池直徑1.5 m、2 m、3 m及5 m時火焰高度測試值與Thomas關系模型理論值的比，可見火焰高度實驗值與Thomas關系模型理論值的比與油池直徑的自然對數值可擬合成線性曲線，由此得到如下修正后的公式:

圖10 火焰高度實驗值與理論值的比與池直徑對數的關系

上述公式的修正是基于池直徑1.5，2，3和5 m的原油池火災火焰高度實驗值開展的，在池直徑小于5 m時修正公式具有更高的準確度，但是其在原油池直徑大于5 m時其準確度還有待進一步研究。

5 結論

為了對大慶油田原油儲罐池火災火焰形態(tài)及危害情況加以分析，開展了池火災關系模型用于計算原油池火災火焰高度時的準確度研究。搭建了火焰高度實驗測試系統(tǒng)對大慶油田原油池火災在不同池直徑下的火焰高度進行測試，并將測試結果與應用較多的Thomas關系模型和Heskestad關系模型計算結果進行比較。結果表明:Thomas關系模型計算準確度高于Heskestad關系模型;在池直徑為1.5 m和2 m時，Thomas關系模型火焰高度理論計算值與實驗值較為接近;在池直徑為3 m和5 m時，火焰高度實驗值約為Thomas關系模型理論計算值的2倍，兩者偏差較大。由于上述關系模型不是基于原油池火災火焰高度實驗結果分析所得到的經驗公式，故應用于原油池火災火焰高度計算時會存在一定的偏差。在此基于原油池火災火焰高度實驗結果對準確度相對較高的Thomas關系模型進行了修正，通過對于實驗數據的分析發(fā)現，火焰高度實驗值與Thomas關系模型理論值的比與油池直徑的自然對數值可擬合成線性曲線，擬合后得到了修正的Thomas關系模型。修正后的模型在池直徑小于5 m時其具有更高的準確度，但是其在原油池直徑大于5 m時準確度還有待進一步的研究。

［1］苑靜，宋文華，張茹，等.原油儲罐池火災狀態(tài)下消防救援安全距離的研究［J］.消防科學與技術，2009，28(2):124-126.

［2］李慧.工業(yè)罐區(qū)池火災災害過程的數值模擬研究［D］.南京:南京工業(yè)大學，2005.

［3］史光梅，李明海，胡紹全等.池火災數值模擬研究進展［J］.消防技術與產品信息，2010(9):39-43.

［4］CRAIG L B.Fire Hazard Calculations for Large，Open Hydrocarbon［M］.SFPE Handbook of Fire Protection Engineering，2nded，National Fire Protection Assiciation，2002.

［5］THOMAS P H.The Size of Flames from Natural Fires［C］.Ninth Symposium(International)on Combustion.Pittsburgh，Combustion Institute，1962:844-859.

［6］HESKESTAD G.Engineering Relations for Fire Plumes［J］.Fire Safety，1984(7):25-32.