Resumen
El petróleo es reconocido como un material estratégico crucial para el desarrollo sostenible nacional, y su almacenamiento, transporte y utilización seguros tienen impactos significativos en el entorno ecológico humano. Para realizar una investigación en profundidad sobre las características de seguridad de los incendios de tanques de petróleo, este estudio empleó principalmente criterios de similitud para diseñar experimentos a pequeña escala y validó aún más los experimentos a gran escala mediante simulaciones numéricas. Se señalaron las características de las llamas, las propiedades físicas térmicas y la “distancia-tiempo de seguridad” de los incendios de tanques de almacenamiento a gran escala. Los resultados mostraron que con el aumento de la velocidad del viento, su impacto en la altura de las llamas se hizo cada vez menor. Se encontró que el rango de velocidad del viento adecuado para el experimento estaba entre 0,97 m/s y 6,64 m/s. El área de la superficie de la llama y el volumen de la llama primero disminuyeron y luego aumentaron al aumentar la velocidad del viento, y hubo una relación lineal entre el volumen de la llama y el área de la superficie. La temperatura de la llama disminuyó primero y luego aumentó. Cuanto mayor era el volumen de la llama, mayor era la tasa de liberación de calor y había una relación lineal entre los dos. Los resultados del experimento de validación mostraron que el error de temperatura y el rango de error de la tasa de liberación de calor del experimento de simulación fueron inferiores al 5%, lo que indica una alta confiabilidad de los experimentos de similitud. Además, la investigación sobre la relación «distancia segura-tiempo» de los incendios de tanques indicó que la distancia mínima segura para el personal bajo esta condición de ingeniería era de 21 m.
1 Introducción
El petróleo es una importante fuente de energía para el desarrollo sostenible de la sociedad y el elemento vital del desarrollo económico nacional. Tiene especial importancia para la estrategia de reserva de energía (1,2,3). Sin embargo, este tipo de combustible producirá “corrimiento, goteo, fuga” y otros fenómenos de fuga durante el almacenamiento. Una vez mezclado con oxígeno, es fácil provocar un incendio después de encontrarse con una llama abierta. Según las estadísticas, cada año se producen en el mundo entre 15 y 20 accidentes por incendio de tanques de combustible a gran escala, lo que provoca un gran número de víctimas y pérdidas materiales (4,5). Por lo tanto, es necesario estudiar las características del fuego de dichos accidentes con tanques de combustible.
En la actualidad, los principales métodos para el estudio del incendio de tanques de petróleo son experimentos similares y simulación numérica. Actualmente existen algunos estándares internacionales instituidos, como el AS 4391 de Australia, JISA 4303 (Japón) y GA/T999 (China). En la investigación académica, el metanol, el etanol, el heptano, los aceites petroquímicos y otras sustancias similares se emplean con frecuencia como fuentes de combustible comunes para experimentos de incendio en piscinas (6,7). Blinov y Hottel et al. Estudió el estado turbulento del fuego bajo diferentes tipos de combustible y diferentes tamaños de tanques, y señaló las características de la velocidad de combustión del combustible y la forma de transferencia de calor de la llama (8,9). Fabio Ferrero et al. Obtuvo el efecto de la velocidad del viento sobre la altura, inclinación y pulsación de la llama estudiando un experimento de incendio en un gran estanque con un diámetro de 1,5 ~ 6 m (10) .JM CHATRIS et al. estudió el proceso de combustión del tamaño de la piscina y el tipo de combustible bajo diferentes velocidades del viento, y encontró que 2 m/s era la velocidad crítica del viento que afecta la velocidad de combustión del fuego de la piscina (11). Longhua Hu et al. estudió la influencia del flujo de aire cruzado en la longitud de la llama y la velocidad de combustión de los incendios de charcos de hidrocarburos, y estableció un modelo generalizado que describe el comportamiento de extensión de la longitud de la llama (12). Jiao Lei estudió la velocidad de combustión de la masa de combustible en diferentes condiciones de velocidad del viento mediante el experimento de diseño del número de Froude modificado (13). En términos de simulación numérica, Feng Zhou señaló que la velocidad del viento afectará la llama, el humo, la temperatura y la intensidad de la radiación térmica del fuego del tanque (14). Zhuang Lei et al. Realizó una simulación numérica de la combustión de un tanque de diésel de 20 m y dividió la distancia segura de su radiación térmica entre muertes, lesiones y desastres (15).Después de estudiar el comportamiento de combustión del incendio de un charco de petróleo, Dang Xiaobei et al. Señaló la ley de evolución de la velocidad de combustión y la altura de la llama del incendio de un charco de petróleo (Dang y He, 2018). Giordano Emrys Scarponi et al. verificó la seguridad y confiabilidad de los tanques de almacenamiento de gas licuado de petróleo en condiciones de incendio según las condiciones de temperatura y presión a través del software CFD (16). Además, el cambio de forma de la llama, incluida la inclinación de la llama, la altura de la llama y la forma de la llama (17), la temperatura y la presión son provocadas por el viento circundante alrededor del tanque (18). Además, la estabilidad de la estructura (19) y distancia de seguridad (20) del tanque obtienen un cambio de fluctuación similar. En conclusión, hay una idea valiosa si el cambio de forma de la llama (21) y la física térmica (temperatura y radiación térmica, el tamaño) en el fuego afectado por el tamaño y el viento circundante del tanque se siguen de forma concentrada (22,23,24,25).
Aunque la investigación anterior ha realizado una exploración en profundidad de las características de combustión de los incendios en charcos bajo diferentes tipos de combustible, tamaños de tanques y condiciones de viento ambientales, y ha establecido algunos modelos teóricos y parámetros críticos. Sin embargo, la investigación existente se centra principalmente en el impacto de un solo factor en el comportamiento del fuego, sin prestar suficiente atención a los criterios de similitud entre experimentos a pequeña escala y las condiciones de trabajo reales, especialmente la falta de control sobre el entorno experimental, y una investigación insuficiente sobre la seguridad de la radiación térmica de los incendios de tanques en la salud humana. Con base en esto, este artículo utiliza el criterio de similitud experimental para realizar experimentos de diseño, analizando cuantitativamente por primera vez la influencia de la escala del tanque y las condiciones ambientales del viento en la morfología de la llama y los cambios de estado termofísico durante un proceso de incendio. La precisión del experimento de similitud se verifica mediante experimentos de simulación numérica a gran escala, que proporcionan referencia para el estudio de las características de la llama, las propiedades termofísicas y el «tiempo de distancia segura» de incendios de tanques del mismo tipo.
2 Diseño de experimentos
2.1 Experiencia en ingeniería
Los tanques de almacenamiento de gran capacidad son generalmente tanques cilíndricos verticales de acero. Dependiendo de sus formas geométricas y características estructurales, estos tanques se clasifican en dos tipos principales: tanques de bóveda y tanques de techo flotante. Los tanques de bóveda se dividen a su vez en tanques de bóveda autoportantes y tanques de bóveda apoyados. De manera similar, los tanques de techo flotante constan de dos tipos: un tanque de techo flotante externo y un tanque de techo flotante interno. El tanque de almacenamiento de petróleo de este proyecto adopta una estructura de tanque de techo flotante autoportante, cilíndrica vertical, con un diámetro de 22 m, una altura total de 14,27 m y un volumen efectivo de aproximadamente 5000 m.3como se muestra en Higo 1.
Para facilitar el proceso de cálculo, el diámetro del tanque de petróleo real se simplifica a 20 m y la altura del tanque de petróleo es de 10 m.
2.2 Principio de diseño
En el estudio de los incendios de tanques de petróleo, una suposición común es que la llama de combustión actúa como una fuente de calor singular. Por lo general, se ignoran factores como la difusión térmica, la disipación viscosa y el impacto de la presión en el flujo de gases de combustión durante el proceso de combustión.26,27). Por lo tanto, la ecuación diferencial del control del flujo de gases de combustión se simplifica para obtener:
Ecuación continua:
(1)Ecuación de movimiento:
(2)Ecuación energética:
(3)Ecuación de concentración:
(4)Ecuación de estado:
(5)Ecuación de conducción de calor:
(6)Condiciones de contorno:
(7)En la fórmula, t es el tiempo, s; u es la velocidad del flujo de gases de combustión, m/s; p es la presión, Pa; g es la aceleración de la gravedad, m/s2; T es la temperatura de los gases de combustión, K; dopag es la capacidad calorífica específica del gas de combustión a presión constante, J/(kg·K); ρ es la densidad, kg/m3; ρ0 es la densidad del aire ambiente; R es la constante de los gases, 8,314J/(mol·K); q es el calor de combustión por unidad de volumen de la fuente de fuego, J/m3; dos es la concentración de gases de combustión, kg/m3; metros es la producción de humo por unidad de volumen de la fuente de fuego, kg; Ds es el coeficiente de difusión de masa de los gases de combustión; λs es la conductividad térmica de la pared. α es el coeficiente de transferencia de calor por convección; s es el parámetro de la pared; PAGr es el número de Prandtl; Re es el número de Reynolds.
La matriz adimensional se obtiene mediante procesamiento adimensional y normalizado de las ecuaciones de control anteriores. Según el criterio de similitud, la relación de similitud RI Se establece uno de los parámetros característicos del experimento de incendio de tanques de petróleo a pequeña escala, incluida la similitud geométrica Rincógnitasimilitud temporal Rtsimilitud de temperatura Rtsimilitud de intensidad del fuego Rqsimilitud de velocidad (similitud del entorno experimental) Rv.
En resumen, R.I se puede expresar como:
(8)En la fórmula, xmetro es el tamaño del modelo, m; xn es el tamaño del prototipo, m; λl es la constante proporcional de longitud; tmetro es la escala de tiempo del modelo, s; tnorte es la escala de tiempo del prototipo, s; tmetro es la temperatura del modelo, °C; tnorte es la temperatura del prototipo, °C; qmetro es la intensidad de la fuente de fuego del modelo, w; qnorte es la intensidad de la fuente de fuego del prototipo, w; vmetro es la velocidad del viento ambiental del modelo, m/s; vnorte es la velocidad del viento ambiental del prototipo, m/s.
El número de Reynolds (Re) y el número de Froude (Fr) son parámetros importantes para caracterizar la transferencia de calor y masa en el proceso de incendio de tanques de petróleo. Sin embargo, en las mismas condiciones del medio fluido, Re y Fr pueden no satisfacer requisitos similares al mismo tiempo. Por lo tanto, cuando Re es lo suficientemente grande, el flujo está en la segunda área de automodelado de Re, y en este momento no es necesario considerar que el Re del prototipo es el mismo que el del modelo. Re > 104 Se requiere y el flujo está en un estado turbulento. Por tanto, para el modelo:
(9)En la fórmula, Lmetro es el diámetro equivalente del modelo de tanque; la viscosidad del aire a 50 °C es 1,86 × 10-5metro2/s.
2.3 Esquema experimental
Según la Sección 1.1, el diámetro equivalente del tanque de petróleo es de 20 m y la altura del tanque de petróleo es de 10 m. El diámetro equivalente del modelo en un experimento similar es de 0,2 m y la altura del modelo es de 0,1 m. En términos de selección de combustible para los experimentos, las mezclas de metanol y gasolina producen menos humo negro durante la combustión, lo que ayuda a reducir la desviación del flujo de calor radiante causado por el humo negro (28). Esto facilita el establecimiento y verificación de la relación proporcional entre los incendios de piscinas de pequeña escala y los incendios de tanques de gran escala. Además, el proceso de combustión de las mezclas de metanol y gasolina es relativamente estable y la respuesta de sus características de llama y propiedades termofísicas a las variaciones en la velocidad del viento ambiental puede ser más predecible y manejable.29). Además, el metanol es un combustible con un contenido de oxígeno relativamente alto y sus productos de combustión son relativamente limpios, generando menos emisiones nocivas (30). Esto se alinea con el enfoque actual en la protección del medio ambiente y la sostenibilidad. Por lo tanto, se utilizó gasolina metanol como combustible para este experimento.
λl=0,01
vmetro> 0,93 m/s
De acuerdo con el diseño experimental, la velocidad del viento para este experimento se estableció en un rango de 1 a 4 m/s en intervalos de 0,5 m/s, lo que resultó en un total de 7 series experimentales. Cabe señalar que este rango de velocidad del viento se determinó en base a investigaciones previas y se espera que sea un rango apropiado para lograr los objetivos del experimento (14). Se espera que los resultados de estos experimentos sean valiosos en el contexto de la comunidad científica en general.
El presente experimento utilizó ventilación mecánica, asegurando que el entorno experimental no se viera afectado por campos de viento externos. La configuración experimental constaba principalmente de dispositivos de prueba, sistemas de adquisición de datos y sistemas de control de la velocidad del viento.
Para monitorear mejor los cambios de temperatura en todas las direcciones del incendio del charco de petróleo, se utilizó un prisma hexagonal regular…
