使用丙烷模擬航空煤油燃燒特性

金海峰,宋子剛,董輝,李志奎

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

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使用丙烷模擬航空煤油燃燒特性

金海峰,宋子剛,董輝,李志奎

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

針對航空器火災(zāi)模擬訓(xùn)練，分析航空煤油和丙烷的燃燒特性，提出使用丙烷在可控條件下模擬航空煤油燃燒狀態(tài)的方法，基于此方法設(shè)計一套使用丙烷模擬航空煤油燃燒的系統(tǒng)，效果理想。

航空煤油;丙烷熱釋放速率;燃燒速率;火焰高度

航空器發(fā)生的火災(zāi)形式主要有2種，一種是機載設(shè)備、結(jié)構(gòu)等固體物質(zhì)發(fā)生的火災(zāi)，主要發(fā)生在機艙、輪胎等處；另一種是燃油泄漏引起的火災(zāi)，主要發(fā)生在發(fā)動機進氣口和出口、機翼油箱、起落架等處。航空煤油燃燒具有燃燒速度快、火勢兇猛、輻射熱強等特點，火災(zāi)危害性極大，常造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。燃油泄漏引起的火災(zāi)在航空器火災(zāi)中占有較大的比例，在各類型的航空器火災(zāi)救援模擬訓(xùn)練設(shè)施中均將燃油火災(zāi)救援作為重要功能。

火災(zāi)模擬訓(xùn)練救援設(shè)施中使用煤油作為燃料，缺點是污染大，不可控，目前國內(nèi)外多使用丙烷作為燃料。丙烷具有污染小、燃燒可控、來源廣泛等特點。為此，針對航空煤油和丙烷的燃燒特性，使用丙烷在可控條件下模擬航空煤油的燃燒狀態(tài)，使得應(yīng)用丙烷作為燃料的火災(zāi)救援模擬訓(xùn)練設(shè)施可以更真實地體現(xiàn)航空煤油火災(zāi)的過程和火災(zāi)特性，提供更真實的訓(xùn)練環(huán)境。

1 使用丙烷模擬煤油燃燒狀態(tài)研究

利用丙烷模擬煤油火需要基于一定的等效原則來進行，模擬等效原則主要分為以下三類：熱釋放速率等效，燃燒速率等效，火焰高度等效。

熱釋放速率等效表現(xiàn)為燃燒過程中釋放的熱量相等。燃燒速率等效表現(xiàn)為燃料燃燒消耗量相等?；鹧娓叩牡刃П憩F(xiàn)為燃燒火勢大小相似。

1.1 熱釋放速率等效法

熱釋放速率可描述火災(zāi)的強烈程度。熱釋放速率為丙烷量的函數(shù)。

(1)

表1 丙烷燃燒熱釋放速率與質(zhì)量流量關(guān)系

對數(shù)據(jù)進行處理，求得k值。k=46.45。

則可得

(2)

至此，可以根據(jù)燃燒的熱釋放速率(表征火勢大小的燃燒參數(shù))代入公式求取丙烷需求量。

1.2 燃燒速率等效法

假定丙烷模擬航空煤油燃燒過程中，丙烷充分燃燒，即丙烷燃燒速率為丙烷流量，則可根據(jù)航空煤油燃燒速率推到所需丙烷量。

根據(jù)試驗經(jīng)驗，燃燒速率可近似為油池直徑的函數(shù)。

(3)

有風(fēng)條件下燃料燃燒速率的修正公式為

(4)

(5)

有風(fēng)條件下為

(6)

綜上，可根據(jù)丙烷燃燒區(qū)域的等效直徑求取所需丙烷最大質(zhì)量流量。

1.3 火焰高度等效法

Thomas湍流火焰平均高度計算公式為

(7)

分析上式發(fā)現(xiàn)，對于固定點火部位和固定風(fēng)速，火焰高度H為燃料燃燒速率m′的單值函數(shù)，而在假定丙烷完全燃燒不存在泄漏到空氣情況下，丙烷燃燒速率m′與丙烷流量存在簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而得到火焰高度與丙烷流量的關(guān)系公式。

(9)

(10)

式中：η為燃燒效率，考慮完全燃燒情況下η=1；Hc為燃料燃燒熱，丙烷燃燒熱為2 217.8 kJ/kg。

2 模擬系統(tǒng)設(shè)計

航空煤油燃燒狀態(tài)模擬系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、燃料儲存輸送系統(tǒng)、安全監(jiān)測保護系統(tǒng)、冷卻水存儲輸送系統(tǒng)、燃燒單元組成，實現(xiàn)燃燒狀態(tài)的模擬調(diào)節(jié)。系統(tǒng)組成見圖1。

2.1 控制與安全監(jiān)測保護系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由計算機和PLC組成，控制計算機為決策級，系統(tǒng)采用PROFIBUS總線作為通信總線，依據(jù)PLC采集到的信息，經(jīng)過邏輯運算向PLC發(fā)送控制命令；PLC是底層執(zhí)行級，負責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作和實現(xiàn)底層聯(lián)鎖功能。監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)控燃燒模擬系統(tǒng)的壓力和溫度及燃氣是否泄漏等狀態(tài)，保護人員及系統(tǒng)安全。

2.2 燃料儲存輸送系統(tǒng)

燃料儲存輸送系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)系統(tǒng)所需燃料的儲存、減壓、氣化、輸送和分配功能。該系統(tǒng)由丙烷儲罐、減壓器、安全閥、管路、丙烷泵、氣化器、阻火器、閥門、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等組成?？刂葡到y(tǒng)可對燃料存儲輸送系統(tǒng)的罐內(nèi)壓力、管路流量、燃料主管路壓力和流量等參數(shù)進行檢測和流量調(diào)節(jié)。

2.3 冷卻水存儲輸送系統(tǒng)

冷卻水存儲輸送系統(tǒng)包括儲水罐、水泵、管路、閥門等。冷卻水經(jīng)過管道泵增壓后，分成2路，一路為燃燒區(qū)域供水，用于滿足模擬液態(tài)火的需求，同時為點火燃燒器提供冷卻水；另一路布置在燃料罐上部，超溫時，冷卻水閥門自動開啟，為儲罐降溫。水箱上布置液位傳感器來監(jiān)測水箱內(nèi)部的裝水量，在燃燒區(qū)內(nèi)布置液位開關(guān)，用于控制區(qū)域內(nèi)充水位置，見圖2。

2.4 燃燒單元

燃燒單元包括點火燃燒器和主燃燒器(燃燒池)。在系統(tǒng)給出點火燃燒器點燃信號后，火焰探測器檢測到火焰信號，證明點火燃燒器點火成功，此時按程序控制主燃燒器管路的閥門自動打開，調(diào)節(jié)閥工作，產(chǎn)生所要模擬的火焰，見圖3。

3 結(jié)論

文中給出了3種使用丙烷模擬航空煤油燃燒的方法，設(shè)計了一套使用丙烷模擬航空煤油燃燒的系統(tǒng)。針對不同的應(yīng)用目的可以靈活選用等效原則作為設(shè)計依據(jù)。在實際應(yīng)用中火焰高度等效法能夠直觀的表現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場的火勢情況，在后期以火焰高度等效法為依據(jù)設(shè)計了航空器火災(zāi)模擬救援訓(xùn)練系統(tǒng)，取得了較好的模擬效果。

火焰高度模型關(guān)系經(jīng)驗公式都是針對油火而建立的，且風(fēng)速對燃料燃燒速率的影響也是基于油火進行的，丙烷氣體并不完全適用于經(jīng)驗公式。實驗亦證明基于經(jīng)驗公式法來總結(jié)火焰高度與丙烷流量的關(guān)系特性雖然簡單易行，但是精確性有待提高。故今后應(yīng)采用實驗與經(jīng)驗公式相結(jié)合的方法，通過實驗數(shù)據(jù)對經(jīng)驗公式進行修正，以提高火焰高度模型的準確性。

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On Combustion Characteristics of Aviation Kerosene Simulated by Propane

JIN Hai-feng, SONG Zi-gang, DONG Hui, LI Zhi-kui

(No.703 Research Institute of CSIC, Harbin 150078, China)

The combustion characteristics of aviation kerosene and propane were studied. The method to simulate the combustion state of aviation kerosene by propane under controllable condition was set forth. A new system was designed to simulate the combustion of aviation kerosene by propane based on this method, which has achieved ideal results.

aviation kerosene; propane heat release rate; combustion rate; flame height

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.011

2017-01-18

金海峰(1961—)，男，學(xué)士，高級工程師

研究方向：損管技術(shù)

U698.4

A

1671-7953(2017)03-0050-03

修回日期：2017-03-20