地面石油天然气流变器燃烧辐射热研究

地面石油天然气流变器燃烧辐射热研究

在石油公司，油藏事故发生。塔、槽、罐、釜、反应器、换热器、泵和各种管道等的焊缝、接口、孔、盖,泵的密封环和盘根,管路的阀门、法兰等处是易发生泄漏的部位。当设备裂口较小时,泄漏的油品边流散边蒸发,会聚集在低洼之处形成液滩;当裂口较大、油管脱开,油品会发生漫溢;当设备内压大时,泄漏的油品将大量喷溅流淌;一旦泄漏的油品遇到引火源,立即燃烧,形成油品地面流淌火灾。1热辐射传热和烟气对流邻近罐受地面油品流淌火的危害来自流淌火的火焰热辐射传热和热烟气对流。因此,地面油品流淌火的危害能力取决于其火焰热辐射传热能力和热烟气对流传热能力。1.1实验结果和讨论物体从温度为T(K)的地面流淌油火处接受的辐射热强度可由公式(1)得出。Q辐射=ε×σ×φ×(1-ι)T4(1)式中:ε——辐射率;σ—黑体辐射常数,W/m2·K4;φ—角系数;ι—大气吸收常数。在火灾初起,辐射热迅速增加,数十秒后,达到一个充分发展阶段,若及时启动灭火设施,辐射热将迅速降低。实验利用普通泵泄漏制造地面油品流淌火,油品的燃烧辐射热由测量范围为0～17MW的SP型工业量热仪测量,实验开始60s后启动灭火设施,使用泡沫灭火剂,用流量为294L/min的两个125°的喷头向油火喷洒,油表面灭火剂供给强度可达14.2L/(min·m2)。图1为4m2己烷流淌火实验,所得的距流淌火边缘4m、6m处的辐射热与时间的关系曲线。辐射热强度与热量传递的角度有关系。图2为一个容器表面不同角度接受距它2m处,不同面积的地面油品流淌火传递的辐射热。随着距离的增加,辐射热强度迅速降低。图3为一个容器在100m2地面流淌燃料油燃烧辐射热作用下,其强度与距离的关系。1.2地面天气形势实验地面流淌油品燃烧的对流传热能力可通过公式(2)计算:Q对流=m烟×CP×ΔT烟(2)式中:m烟—燃烧的热烟气产生速度,kg/m2.s;CP—热烟气等压热容,kJ/(kg·K);ΔT烟—热烟气的温度升高,K。实验中测量热烟气的m烟、CP、ΔT烟值,运用公式(2)就可以得到地面流淌油品燃烧的对流热危害能力。图4为与图1相同的实验,采用了12m2煤油流淌火进行实验得到的热烟气对流热随时间的变化关系。实验中灭火使用了流量112L/min的两个125°的喷头向油火喷洒泡沫灭火剂,油表面灭火剂供给强度可达6.5L/(min·m2)。从图中看出,在实验60s时灭火设施启动后,燃烧仍维持一段时间,然后熄灭,其对流热危害能力也迅速下降。地面流淌油品燃烧的对流传热能力约为燃烧总放热能力的60%左右,例如4m2己烷燃烧的对流传热量约为总热量的57%,而12m2煤油燃烧的对流放热量约为总热量的65%。1.3总放热量的变化总放热能力Q总为对流传热能力Q对流和辐射传热能力Q辐射之和。图5为采用与图1相同的实验,测得的总放热量随时间的变化关系。从图中看出,实验开始30s后,放热量达5100kW,60s后达最大值,总放热图形与对流放热类似,所不同的是灭火系统启动后,放热量迅速下降,直到燃烧熄灭。当有设备被包围在火焰中时,燃烧放出的热量一部分用于加热设备,使实验测得的火焰外部的总放热量降低。图6为采用4m2的己烷作燃料油,一个长3m,直径为1.2m的圆筒形卧式油罐被包围在火中和无罐被火包围所测得的总放热量随时间的变化关系。2热压监测结果被地面油品流淌火包围的设备受热后温度升高值与燃料油的性质、地面流淌火的面积、燃烧发展状况、火焰是否直接作用在设备上、环境因素如当时风向等有关。实验测定了被地面油品流淌火包围的一个油罐的受热温度。采用一个长3m,直径为1.2m的圆筒形卧式油罐,在罐内壁安放了20个热电偶,热电偶的安放位置如图7所示,利用己烷和煤油两种油品进行地面流淌火实验,测量受热罐不同部位温度随时间的变化情况。流淌在地面的油品,燃烧初起阶段,罐内壁温度迅速增加,温度上升速率与罐内壁热电偶测量的部位有关。如图8所示,为4m2己烷流淌火包围的情况下,测得的受热罐底部温度变化情况。可以看出,罐底部1、2、3号热电偶测得的温度值一致性很好,在燃烧初起的60s内,即升高到350℃,而在罐的侧面,温度不超过300℃,罐顶所侧的最大温度为125℃。图9为12m2煤油流淌火包围的情况下,测得的受热罐底部温度变化情况。从图中看出,被煤油火包围的罐底部测得的温度值较为分散。图10为4m2己烷流淌火包围情况下,测得的受热罐两侧内壁的温度变化情况。从图中看出,罐中部和两端的受热温度不一致,并且罐两侧的受热温度值也不是对称的,这是因为燃烧火焰存在扰动和环境风作用的缘故。图11为12m2煤油流淌火包围情况下,测得的受热罐两侧内壁的温度变化情况。从图中看出,与4m2己烷火实验结果相比,12m2煤油火受热罐两侧内壁的温度值分散度不明显,温度也更高一些,这是因为燃烧面积大,油罐被完全包围在火焰之中,罐壁受到了火焰的直接作用。图12表示了罐不同高度内壁温度随时间的变化情况。从图中清楚地显示了罐底部比其它部位受到了更强烈的热作用。3罐底温度随时间的变化采用图7的油罐进行实验,罐被4m2的己烷地面流淌火焰包围,流淌火燃烧150s左右后,启动泡沫灭火设施,泡沫用流量为246L/min的两个125°的喷头向油罐和地面喷洒,喷洒的供给强度可达14.2L/(min·m2)。图13为油罐一侧下部内壁的温度(热电偶9)随时间的变化关系,图中清楚地显示了地面油品流淌火作用受热罐过程的5个阶段。第一阶段是地面油品流淌火初起阶段,在这一阶段受热罐底部温度迅速增加,几乎与时间呈线性关系;第二阶段为地面燃烧充分发展阶段,在这一阶段受热罐底部温度仍不断上升,但速度减缓,温度与时间的关系不再是线性的,而趋于一个稳定状态;第三阶段为冷却灭火设施启动阶段,此时,罐体温度开始下降;第四阶段为泡沫灭火剂覆盖阶段,在这一阶段,火焰和罐体被泡沫所覆盖,罐底部温度迅速下降,呈直线下降趋势;第五阶段为地面燃烧熄灭阶段,火焰被熄灭,罐体温度回到常温。上述过程的5个阶段在一些灭火剂充分作用情况下,中间阶段较模糊。如图14,测量点(热电偶8)受到灭火剂充分作用,第三阶段就不明显,罐壁温度上升到最大值后,启动灭火设施后,温度迅速下降到较低值,然后逐渐降低到室温。这是最为理想的情况,这种情况适应于迅速扑灭初起火灾。若仅用水作为灭火剂,温度同样也会降低,但是,一定时间后地面火又会复燃。然而,由于一些实验的灭火剂喷洒达不到油罐的低部,在整个实验中油罐底部仍受到火焰的作用,其温度则下降比较慢。图15为被12m2的煤油火焰包围,所测得的罐底部(热电偶3)温度随时间的变化曲线。从图中看出,当灭火设施启动后,罐底内壁温度仅缓慢地下降。4热破坏能量计算据DNV公司有关资料介绍:钢设备在没有任何消防保护设施的情况下,钢设备和工艺设备受到热破坏的能量是20,000kJ。热破坏能量由热辐射量及辐射暴露时间决定。热破坏能量=辐射量×辐射暴露时间(ThermalDose=Radiation×ExposureTime)。根据以上公式分别计算出油罐发生火灾后,临近罐在无任何保护措施的情况下,暴露20分钟对钢储罐造成破坏的热辐射量为16.7kw/m2。暴露30分钟对钢储罐造成破坏的辐射量为11.1kw/m2。4.1浮式气压结构的火灾对周围气压结构的影响假设密封圈处着火为0.25m,同时40m长起火,有效着火面积为10m2。如图16。4.2整个罐的表面火对周围罐的影响假设油罐整个表面着火,着火面积为:5024m2,起火点设于着火罐中心。如图17。(1)密封火焰在设定的浮顶罐密封圈着火40m长,风速为3m/s的条下,对临近罐不会产生影响。(2)周围罐与着火罐安全间距在着火面积为整个罐表面(无火灾漫延),风速为3m/s的条件下,周围罐在无任何消防措施保护持续20min的条件下,与着火罐安全间距应大于42m;周围罐在无任何消防措施保护持续30min的条件下,与着火罐安全间距应大于46m。5地面药剂的传热特性泄漏后遇明火形成油品地面流淌火。地面油品流淌火的危害能力取决于其火焰热辐射传热能力和热烟气对流传热能力。热辐射强度与热量传送的角度有关系,并随着传热距离的增加迅速降低;对流传热能力与时间的关系图形与总放