李满厚，张 超，王昌建

庚烷池火辐射及其对相邻油池的引燃特性

李满厚1, 2，张 超1, 2，王昌建1, 2

(1. 合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009；2. 安徽省氢安全国际联合研究中心，合肥 230009)

油库罐区时常发生由着火油罐的强烈热辐射而引燃相邻油罐的火灾事故，扩大燃烧范围．因此，需要对储油罐火焰辐射及其对相邻油池的引燃特性进行研究．本文采用内径分别为74mm、114mm、150mm和200mm的4种圆形石英玻璃油盘，开展不同油盘间距条件下的庚烷池火和点火实验．结果表明，根据圆柱体模型计算得到的辐射热流预测值与实验值吻合较好.当油盘尺寸一定时，随着油盘间距增大，待引燃油盘点接收的辐射热流逐渐减小；而当油盘间距相同时，油盘直径越大，待引燃油盘中心点接收的辐射热流越大．点火过程按照时间顺序划分为3个阶段：加热升温阶段、蒸气积聚阶段和点火阶段．随着油盘尺寸变大，庚烷的临界辐射热流随之变大且作为低闪点燃料，庚烷的临界辐射热流比高闪点燃料小得多.

质量损失速率；火焰高度；辐射模型；点火特性；临界辐射热流

在各类能源的应用中，原油目前依然在我国占据主导地位，且石油的战略储备水平也在逐年增长．因此，原油的存储安全至关重要．油库罐区原油储罐火灾，很容易形成“火烧连营”的情景，如2019年3月17日，休斯敦东南约15英里处，美国石化储存企业Intercontinental Terminals Company(简称ITC)的迪尔帕克油库内的一储油罐起火，随后蔓延至相邻油罐，最终引燃了8个储油罐.油库火灾事故有一个共同点，即火灾由着火油罐引燃相邻油罐，从而扩大燃烧范围，因此，需要对储油罐火焰辐射及其对相邻油池的引燃特性进行研究.

有关大型储油罐火灾的研究，前人主要关注单个着火储油罐表面与内部火焰温度、热辐射以及火焰融和等问题．Wan等[1]实验研究了两个方形庚烷油池火的火焰融和，揭示了油池尺寸和间距对火焰高度和质量损失速率的影响规律．Liu等[2]开展了火焰阵列的实验，分析了燃烧速率等特征参数.

燃烧油池引燃相邻油池，既涉及到火源对外的辐射传热，也涉及到液体燃料的点火[3-5]．在池火的辐射方面，前人相继建立了点源模型[6]、圆柱体模型[7]以及加权多点源模型等[8]．在液体燃料点火方面，前人主要采用锥形量热仪作为辐射源，借助外部点火源(引燃火焰、电火花等)，研究辐射强度对点火的影响并建立了点火时间模型等.典型工作如Wu等[9]测定了两种原油和SAE 30W燃油点火所需的临界辐射热流密度，均为5kW/m2．Siregar等[10]发现，加热温度越高，燃料点火所需时间越短.

然而，对于相邻油池火灾辐射特性及引燃机理的研究，目前尚未见报道．本文通过小尺寸庚烷池火的实验，从能量输入和点火现象的角度分析池火的辐射特性，探究在辐射作用下，相邻油盘被引燃特性．本文研究可以为油库储油罐防火间距标准制定提供理论依据.

1 实验设计

本文实验在尺寸为2m×6m×4m的封闭实验舱中进行，实验前，关闭实验舱，避免环境风的干扰.实验系统由燃烧系统、数据采集系统和排烟系统组成．其中，燃烧系统包括庚烷燃料、油盘和防火板.选取内径分别为74mm、114mm、150mm和200mm的4种圆形石英玻璃油盘，油盘内部深度为30mm，壁厚3mm．同一组引燃实验使用内径相等的两个油盘，初始油层厚度为27mm．数据采集系统包括Sartorious MSE12201S电子天平、0.1mm铂铑热电偶、Captec TS-34C总辐射热流计、泓格7018模块以及佳能6D相机等.

如图1所示，电子天平放置在实验台上，电子天平托盘上面放置防火板，其上再放置着火油盘Ⅰ．在与油盘Ⅰ一定距离且同一水平高度处放置待引燃油盘Ⅱ．油盘Ⅱ靠近油盘Ⅰ一侧的液面上方5mm处布置一根热电偶，用于判断待引燃油盘的点火时间．热流计布置于油盘液面同一水平高度，测点与油盘Ⅰ中心的距离为(＋)，该点测得的辐射热流等同于油盘Ⅱ液面中心处的热流密度.这里，为油盘直径，mm；为两油盘内壁最短距离，mm．热电偶和热流计数据均通过7018模块传输至计算机．每组实验由佳能相机全程录制，后期通过自编Matlab图像处理程序自动获取火焰高度值．排烟系统包括轴流风机和集烟罩，其中，集烟罩安装于实验舱顶部，在实验过程中利用轴流风机及时排出火灾烟气.

图1 实验系统示意

2 结果与讨论

2.1 火焰辐射

质量损失速率是池火的重要基础参数，与火焰高度及火焰热辐射直接相关．本文的质量损失速率为庚烷池火燃烧稳定阶段的数值，具体获取方法为：如图2所示，对电子天平记录的质量变化曲线进行平滑处理，然后求导，得到该工况下庚烷燃烧过程中质量损失速率随时间的变化情况，取稳定燃烧阶段的平均值．Fang等[11]和Zhou等[12]均采用类似的方法得到池火的质量损失速率.

如图3所示，利用自编Matlab火焰图像处理程序，对实验视频图像进行处理，得到不同时刻的火焰高度值及火焰高度间歇率；取间歇率()＝0.5时的火焰高度为平均火焰高度[13]．如图4所示，将火焰高度实验值与Thomas[14]模型计算得到结果进行比较，发现两者吻合较好．

图2 质量损失速率

图3 火焰高度的间歇率

图4 火焰高度预测值与实验值

当油盘I中的庚烷燃烧时，根据Mudan模型[7]，火焰外一点接收的辐射热流为

火焰表面发射功率的计算方法如下：

表1分别给出了油盘Ⅱ中心处接收的辐射热流实验值与预测值，可以看出，辐射热流的实验结果与计算结果吻合较好，说明圆柱体模型适用于近场火焰辐射热流计算．同时，对于给定尺寸的油盘，随着油盘间距增大，油盘Ⅱ液面中心处接收的辐射热流逐渐减小．这是因为油盘间距增大后，视角系数会相应减小；由公式(1)可以知道，视角系数减小，该点接收的辐射热流随之减小．而当油盘间距相同时，油盘直径越大，油盘Ⅱ液面中心点接收的辐射强度越大. 例如，当＝74mm，间距为0.8时，辐射热流为1.91kW/m2；当＝114mm，间距为0.8时，辐射热流为2.50kW/m2；当＝150mm，间距为0.8时，辐射热流为2.66kW/m2；当＝200mm，间距为0.75时，辐射热流为3.39kW/m2.

表1 各工况下辐射热流实验值与预测值

Tab.1 Experimental and predicted values of radiant heat flux under different conditions

2.2 点火特性

油盘Ⅰ点火后，油盘Ⅱ开始接收热辐射，当油盘Ⅱ发生点火行为后，即停止实验.可以预见，当油盘Ⅰ和油盘Ⅱ的间距足够大时，不能发生点火．如图5所示，对于能够发生点火的情况，将点火过程按照时间顺序划分为以下3个阶段：①加热升温阶段．该阶段从油盘Ⅰ点火时起(0s)，到热电偶温度趋于稳定为止(28s).在此过程中，油盘Ⅱ中燃料接收到来自油盘Ⅰ火源的热辐射，温度从初温(22℃左右)逐渐上升至40℃左右．油盘Ⅱ通过辐射吸收的热量大于从底壁、边壁通过热对流损失的热量，燃料蒸发速度随着温度的升高而加快. ②蒸气积聚阶段．该阶段从热电偶温度稳定结束时刻起，至热电偶温度骤升时为止(783s)，持续时间较长，约为755s，这个时间随油盘间距的增大而增大．在此过程中，油盘Ⅱ通过辐射吸收的热量与从底壁、边壁通过热对流损失的热量基本相等，达到平衡，因此油温不再上升，燃料蒸发速度保持在较高的水平；③点火阶段．该阶段从热电偶温度骤升时起(783s)，持续时间很短，约为2s．在此过程中，油盘Ⅱ上方气相发生点火，热电偶测得火焰温度急剧上升，液相温度在火焰热反馈作用下增加上升，变为池火燃烧过程．本文使用的热电偶响应时间为7ms，能够准确记录点火时间.

图5 不同油盘间距条件下热电偶温度数据(D＝200mm)

对于液体燃料在辐射作用下能否发生点火的判据，前人多采用临界辐射热流表征．实验记录待引燃油盘恰好能够发生点火的情况下，油盘Ⅱ中心点处的辐射热流，即为临界辐射热流；换言之，临界辐射热流是指能够使燃料发生点火的最小辐射热流．当实际辐射热流大于临界辐射热流时，燃料在持续辐射作用下能够发生点火，而当实际辐射热流小于临界辐射热流时，无论持续时间多长，都不能发生点火．因此，临界辐射热流无论在理论研究还是生产实践中，都具有重要意义.

图6展示了在不同的油盘尺寸下，庚烷燃料临界辐射热流的实验值．与高闪点油类相比，庚烷的临界辐射热流要小得多．这是因为庚烷闪点较低，更容易达到点火极限．因此低闪点油类的存储更应考虑临近火源或其他形式热辐射的影响．此外，随着油盘尺寸变大，庚烷的临界辐射热流随之变大．这是由于在实验中，采用实际池火作为辐射源．在倾斜辐射下，庚烷液面接收的辐射并不是均匀的．越靠近火源，辐射热流越大；反之，越远离火源，辐射热流越小．这是因为，当油盘尺寸变大时，远离火源的区域面积变大，不断蒸发的燃料需要更多的热量才能达到点火临界.需要注意的是，前人有关临界辐射热流的数据都是在有外界点火能的条件下测量的，而本文的临界辐射热流的数据是真实火焰条件下测得的，更具应用价值．

图6 临界辐射热流

3 结 论

本文对庚烷池火辐射及其对相邻油池的引燃行为进行了实验与理论分析，着重讨论了油池直径和油盘间距对点火行为的影响.

(1)圆柱体模型适用于小尺寸庚烷池火的对外辐射预测，且当辐射热流低于5kW/m2时预测效果较好．当油盘尺寸一定时，随着油盘间距增大，待引燃油盘中心点接收的辐射热流逐渐减小；而当油盘间距相同时，油盘直径越大，待引燃油盘中心点接收的辐射热流越大.

(2)点火现象按照时间顺序划分为3个连续相接的阶段：加热升温阶段、蒸气积聚阶段和点火阶段，其中，第一阶段持续时间较短，约20s；第二阶段持续时间相对较长，最长时达到755s；第三阶段点火瞬时发生．

(3)随着油盘尺寸从74mm增大至200mm，庚烷的临界辐射热流随之从1.63kW/m2增大至2.89kW/m2．作为低闪点燃料，庚烷的临界辐射热流比高闪点燃料的5kW/m2小得多．

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Radiation and Ignition Characteristics of Heptane Pool by Adjacent Pool Fire

Li Manhou1, 2，Zhang Chao1, 2，Wang Changjian1, 2

(1. College of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2. Anhui International Joint Research Center on Hydrogen Safety，Hefei 230009，China)

The ignition of an oil tank by adjacent fire due to intense heat radiation frequently occurs in oil tank farms，which causes the expansion of the burning area. Therefore，it is imperative to study the flame radiation and ignition characteristics of a heptane pool by adjacent fire. In this paper，the radiation of small-scale heptane fire and its influence on the ignition of adjacent pools were investigated. Four quartz glass pools with the inner diameters of 74，114，150 and 200mm were used，respectively. The results show that the predicted values of radiant heat flux based on the cylinder model are in good agreement with the experimental values. For a given diameter of pool，the radiant heat flux at the center of the pool to be ignited decreases with an increase in the interval distance between the burning pool and the pool to be ignited. Moreover，for a given interval distance，the radiant heat flux at the center of the pool to be ignited increases with an increase in pool diameter. The ignition process can be divided into three successive stages：the heating stage，the fuel vapor accumulation stage and the ignition stage. The critical radiant heat flux of heptane increases with an increase in pool diameter. The critical radiant heat flux of low-flashpoint heptane is much smaller than those of high-flashpoint liquid fuels.

mass loss rate；flame height；radiation model；ignition characteristics；critical radiant heat flux

X91

A

1006-8740(2021)05-0482-05

10.11715/rskxjs.R202108023

2021-02-20.

国家自然科学基金资助项目(51806054).

李满厚（1986—  ），男，博士，副教授.

李满厚，mhli@hfut.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)