油罐火灾及细水雾灭火教学实验平台

孔得朋，张红杰，何 旭

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛 266580）

随着我国经济的不断发展，油气的需求量持续增加。油品储罐是大型石油储备基地储存油品的重要设备。由于易燃易爆特性，油品一旦遇到火源或雷击等状况，极易发生火灾爆炸事故。与其他火灾相比，油罐火灾具有燃烧猛烈、火焰温度高、辐射强烈、控制和扑救难度大等特点，往往造成严重的油品和设备装置损失，严重时波及周边工艺流程甚至造成人员伤亡[1-3]。因此，研究油罐火灾燃烧特性及有效的控制和灭火方式对于保障油品存储安全具有重要意义。

细水雾灭火技术是一种以水为介质的新型灭火技术，利用水雾化喷头将高压水流雾化成细小水滴进行灭火和防护冷却[4-5]。该技术具有无毒害、灭火迅速、耗水量低、水渍损失小、破坏性小等特点，适合扑灭油品火灾、电气火灾及船舶、地铁等要求破坏性小的场所的火灾，在消防领域得到广泛关注和应用[6-9]。

为使课程内容更加鲜明地体现“油气特色”，近年来我校安全工程专业“燃烧与爆炸学”等必修课中将油罐火灾及其灭火技术等内容纳入到课程体系中。通过课程的学习，学生对油罐火灾的发生机理、特征及常用的扑救方式有了一定的了解，但对于油罐火灾燃烧过程及扑救效果缺乏直观认识。因此，开展油罐火灾燃烧特性和灭火有效性实验可以加深学生对油罐火灾危害的直观认识，提高学生对灭火系统、灭火机理和灭火效果的认知，增强学生的动手能力、协作能力和创新能力。为此，本文设计了一种油罐火灾及细水雾灭火教学实验平台，通过喷头雾化高压水，形成密集的细水雾，用来扑灭油池火，能够在实验室内再现油罐火灾燃烧过程及细水雾灭火效果。平台集教学与科学研究于一体，具有性能稳定、安全可靠、易于操作等特点。

1 实验平台设计与开发

油罐火灾及细水雾灭火教学实验平台主要由油罐火灾燃烧装置、细水雾喷射装置、储水罐、高压水泵和控制面板等组成，整体结构如图1所示。上述装置通过水路和电路连接分别构成水路系统和电路系统。

图1 油罐火灾细水雾灭火教学实验平台整体结构示意图

1.1 实验平台装置设计

实验平台主要由油罐罐体、燃烧盘、细水雾喷射装置、储水罐和高压水泵等组成。油罐罐体根据我国目前的油品储罐尺寸使用不锈钢缩放比例制作，直径为70 cm，高度为40 cm。燃烧盘采用304不锈钢制成，主要用于盛放实验过程中的油品，具有耐火不易变形的特点。燃烧盘有多种不同尺寸，可根据实验需要替换，从而模拟不同直径的油罐火灾。燃烧盘壁面及底部开有盲孔和通孔，用于放置热电偶，采集油池壁面和油池内部的温度数据，便于学生后期分析油罐火灾中对应位置的温度变化特征。油罐下方设有废水出口，其上装有阀门，可将阀门常开，避免实验过程中喷淋装置液位过高，淹没燃烧盘造成原油溢出。废水可在冷却后接入实验室废液回收系统。

细水雾喷射装置主要用于细水雾在目标区域的喷射，是能否实现灭火的关键。细水雾灭火效果受水雾粒径、雾滴速度等水雾特性影响。这些水雾特性参数可通过调节喷头来实现。为保证细水雾特性的稳定性，本实验平台中选用小孔径机械旋流喷头（见图2），喷头出口孔径为0.7 mm。为实现细水雾扑灭油罐火灾的效果，将16只细水雾喷头环向布置于燃烧盘上方（见图3），高压水流通过细水雾喷头充分雾化，在燃烧盘上方形成均匀的细水雾，用以降温并扑灭油池火。

图2 雾化喷嘴实物图

图3 细水雾喷射装置实物图

储水罐由水箱、供水/补水软管、电磁阀和液位计等组成，其中水箱为核心部件（见图4）。水箱容积为400 L，使用质量较轻的铝合金制成，便于调整位置和搬运。水箱设有供水口和补水口，供水口在实验中保持常开状态，便于通过控制水泵的启停来控制喷淋装置的开闭。在搬运和调整过程中，可以关闭供水口以便连接管路和调整装置布局。补水口使用软管直接连接实验室的供水装置，通过入口处的电磁阀接收来自控制面板的信号选择是否开启，以保持储水罐内水量，防止水泵抽空并烧坏。为配合补水口处电磁阀的动作，储水罐设有浮子液位计，能够将储水罐内液位数据转变为电信号并传递给控制面板，以便在水位过低时打开补水电磁阀，并在罐内水位达到设定值时关闭电磁阀，实现自动维持罐内液位的功能。此外，在水箱外部还设有磁力翻柱液位计，便于学生在实验操作过程中读取储水罐内液位，用于后期灭火用水量的计算。

图4 储水罐结构示意图

控制面板用于显示和监控实验系统工作状态,主要有电源指示灯、水位监控、补水开关、喷淋开关等（见图5），内部装有实验平台所需的电控系统，能够自动控制储水罐的补水及高压水泵的开闭。

图5 控制面板

1.2 实验平台系统设计

实验平台系统主要包括水路和电路两部分。

水路系统如图6中蓝色实线所示，包括储水罐、高压水泵和雾化喷嘴。水路路径具体为：实验室供水系统的清水先到达储水罐，再经高压水泵加压后送至雾化喷嘴，喷淋之后汇集到实验室废液回收系统。水路系统中的补水口电磁阀和高压水泵出口电磁阀可由电控系统通过电路控制开闭，实现水路系统的自动运行。水路系统中所涉及的管路连接均采用耐压304编织管，保证水路耐压效果。

电路系统如图6中黑色虚线所示。储水罐中设计有浮子液位计，可以输出液位信号。当电控系统判断储水罐中液位低时，向补水口电磁阀输出开启即通电信号，此时储水罐开始补水；当水位重新满足实验设定要求时，电控系统向补水口电磁阀输出关闭即断电信号。在实验过程中，在控制面板开启喷淋后，电控系统首先判断液位是否符合设定要求，是则开启高压水泵出口电磁阀，开始进行细水雾喷淋作业；否则执行补水操作。

图6 实验平台系统设计图

2 实验教学实践

2.1 细水雾雾化效果实验

细水雾的雾特性对细水雾系统灭火效果有重要影响[10]。因此，在开展细水雾灭火有效性实验前需要对细水雾系统的雾化效果进行检验。

本实验系统所形成的细水雾雾场如图7所示。可以看出，形成的水雾较为集中且具有一定厚度，成雾效果良好。

图7 细水雾雾化效果

2.2 油罐火灾燃烧特性及灭火有效性实验

本实验平台使用钢制燃烧盘模拟在油罐火灾中发生全液面火灾的储油罐，使用原油为燃料模拟油罐火灾的燃烧情况。由于原油均含有一定量的水分，为模拟水分对原油火灾燃烧的影响，在原油下方设置了一定厚度的垫水层。

图8 典型燃烧过程油、水层温度变化

油罐火灾燃烧过程中油层和水层的温度变化如图8所示。可以看出，火焰在开始时快速蔓延直至覆盖整个油面，并且在此后相当长的时间保持准稳态燃烧。在准稳态燃烧阶段，油层热量不断积聚，油层和水层内部温度稳步上升。当油水界面温度到达甚至超过水的沸点时，原油下方水层开始剧烈蒸发，水蒸气积聚成气泡裹挟着油滴向四周剧烈喷溅，此时出现了沸溢现象。在沸溢燃烧阶段，油层和水层温度都出现剧烈波动，火焰高度在短时间内迅速增大数倍，火焰热辐射显著增大，油滴向外飞溅同时燃烧[11-12]。沸溢现象能够发生多次并持续数秒。在沸溢发生后，由于大量油滴的向外喷溅，将油池内大量热量带离燃烧体系，火焰高度逐步降低，火焰逐渐熄灭。

在燃烧达到稳定状态后，通过控制面板开启细水雾灭火系统，灭火过程如图9所示。可以看出，具有特定粒径和初速的细水雾滴快速喷入到火焰中，降低了火焰温度。由于细水雾表面积较大，吸收热量快，可以迅速气化成水蒸汽，将原油、火焰和烟雾笼罩，从而有效降低了火焰热辐射。同时大量的气化潜热会持续降低火焰温度和反应区的氧气含量，火焰在短时间内熄灭。

图9 细水雾喷淋灭火作用过程

3 结语

本文设计了一种油罐火灾及细水雾灭火教学实验平台，可以直观地展示油罐火灾燃烧过程及细水雾喷淋系统对燃烧过程的抑制效果，能够使学生将“燃烧与爆炸学”课程上所学的燃烧原理与灭火原理紧密结合，理解原油储罐消防系统的运作及灭火原理。本实验平台既提高了教学质量，又增强了学生对理论知识的感性认知，还可以为本科生毕业设计及大学生创新计划等创新性学习提供平台支撑，对培养学生的创新能力和工程实践能力具有积极的促进作用。