CN108732058A - 一种大尺度油池火燃烧速率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度油池火燃烧速率测量装置，包括天平精密测量系统，与天平精密测量系统相连的引压管，以及与引压管相连的油池面液面压差采集管阵列，所述天平精密测量系统包括一个电子天平，位于电子天平上方的敞口小容器，以及与容器相连的软管；天平精密测量系统通过软管与引压管相连。本发明还提供了一种大尺度油池火燃烧速率测量方法。本发明提高了系统在燃烧环境，尤其是大尺度油池火的适用性，同时系统测量精度及可靠性有了极大提高，提高了测量的便捷性，几乎不受池火高温的影响，成本较低。可应用该发明方便的对大尺度池火燃烧时的燃烧速率展开测量，解决前期试验中燃烧速率无法精确测量的技术问题。

Description

一种大尺度油池火燃烧速率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种检测测量装置，具体涉及一种大尺度油池火燃烧速率测量装置，本发明还涉及大尺度油池火燃烧速率测量方法。

背景技术

燃烧速率通常定义为燃烧化学反应消耗的燃料质量损失速率。对于普通油池火而言，上部火焰会通过对流、辐射和传导等方式将燃烧热量传递给液体燃料，液体燃料在该反馈热量作用下蒸发为气态燃料，在浮力作用下向上运动，与周围空气边混合边燃烧，最终在火焰顶部被消耗完。通常燃烧速率并不严格地等于燃料的蒸发速率，但一般两者差距可以忽略。油池火燃烧速率可用来计算火源的热释放速率，即火源在单位时间内释放的总热量。热释放速率是描述火灾过程的重要参数，它表示了火灾中能量的释放量，是决定火灾危险的基本因素。无量纲热释放速率还是建立火灾现象中各个物理量模型(火焰高度，温度分布，速度分布)的关键参数。目前还没有可以精确计算液体燃料燃烧速率的理论模型。因此，火灾实验中必须针对特定工况开展燃烧速率的测量工作。只有在可靠的燃烧速率测量基础上，才能够对火源的热释放速率进行准确计算，从而建立火灾过程重要动力学参量的物理模型。

油池火燃烧速率测量方法分为直接法和间接法两种方式。直接法就是利用电子天平或称重传感器实时测量燃料质量变化，或者测量液体燃料液位变化得到燃料质量变化。燃料质量对时间的倒数就是燃料的质量燃烧速率。间接法是指使用氧耗法原理得到火源的热释放速率和燃烧效率，进而计算燃料质量燃烧速率。当前中大尺度试验中的油池一般都是直接挖掘地面形成，无法使用精度较高的称重法测量燃烧速率。同时，由于无法在火焰上方设置大尺度集烟罩，因此利用氧耗法原理测量热释放速率的间接方法也不适用。只能用液位测量方法，但现有的液位测量方法也有一定的局限性。

液位测量在水处理、冶金和石油化工等领域应用很多。液位测量按照测量方式可以分为接触式和非接触式两种。

接触式液位测量法主要包括电容式、浮球式、吹泡式、压差式和热电偶阵列法等。

电容式液位计：依据电容感应原理，当被测介质浸汲测量电极的高度变化时，引起其电容变化。它可将各种物位、液位介质高度的变化转换成标准电流信号，远传至操作控制室供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。但火灾燃烧会极大影响该方式的测量精度

浮球式液位计:利用液体对磁性浮球的浮力原理。由浮球、插杆等组成，浮球液位计通过连接法兰安装于容器顶上，浮球根据排开液体体积相等等原理浮于液面，当容器的液位变化时浮球也随着上下移动，由于磁性作用，浮球液位计的干簧受磁性吸合，把液面位置变化成电信号，通过显示仪表用数字显示液体的实际位置，浮球液位计从而达到液面的远距离检测和控制。该方式测量实时燃烧速率的测量精度较低，难以精确测量变化幅度较小的中大尺度燃烧池的液位变化信息。

吹泡式液位计：原理是应用静压原理测量敞口容器液位。压缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件后分两路：一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；另一路进入压力计进行指示。当液位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当液位增高时，气泡吹出要克服液柱的静压力，背压增加，压力指示增大。因此，背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。吹泡式液位计结构简单、价廉，适用于测量具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的液位，但精度较低。

差压式液位计：原理是测量液面压差的变化得到液位高度，有气相和液相两个取压口。气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力。这类仪表包括气动、电动差压变送器及法兰式液位变送器，安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。在有燃烧时，该方法数据误差较大。

热电偶阵列法：原理是利用油池火气-液交界面较大的温度梯度确定液位下降速率。该方法使用间距已知且密集布置的竖直热电偶阵列放置在油池中。随着燃料液面的下降，某个热电偶位置会逐渐从液面以下液相环境变为液面以上的气相中，相应地，热电偶温度数据会出现显著增加。根据相邻热电偶之间的间距以及温度跃升时间差，可以大致估算出这段时间内的液面下降速率。相对精度由热电偶的间距决定，热电偶间距越细，越精确。但测量值其实非实时下降速率，而是一段时间内的平均速率。

非接触式液位测量法主要包括放射性同位素式、雷达式和超声波式。

超声波液位计：利用超声波在气体、液体或固体中的衰减、穿透能力和声阻抗不同的性质来测量两种介质的界面。此类仪表精度高、反应快，但成本高、维护维修困难，都用于要求测量精度较高的场合，这种精密仪器在火灾燃烧的高温环境中无法适用，做隔热保护难度较大。

放射形液位计：利用物位的高低对放射形同位素的射线吸收程度不同来测量物位高低的，它的测量范围宽，可用于低温、高温、高压容器中的高粘度、高腐蚀、易燃易爆介质物位的测量。但此类仪表成本高，使用维护不方便，射线对人体危害性大。火灾高温环境下的设备保护也存在苦难

雷达液位计：重要应用微波技术检测材料的表面。该方式精度较高，但在液面有波动时，则测量误差较大。

由于油池上方火焰区域气体温度很高，这会导致需要在液面上安装传感器的测量方法无法进行(包括电容式，浮球式)。另外，超声波和雷达等非接触式液位测量方法易受液面波动的影响。另外，实际油池火燃料液面下降速率大致是几个mm/分钟，而一般液位计的精度为1mm左右，显然这些测量方法会造成较大的测量误差。热电偶阵列式测量方法得到的是两只热电偶之间的平均燃烧速率，而不是实时燃烧速率。另外实验可供研究的池火燃烧时间都在10min以内，液面总下降高度仅为2cm左右。由于热电偶探头的布置密度在1mm左右，因此该方法不适合浅油层池火燃烧速率的测量。最后，油池火燃烧过程中液面燃料温度升高导致密度减小，也会影响到燃烧的计算。同时大尺度池火往往还会采用底部水浴，而油和水的密度有差异，使得有油面部位和无油面部位在整个燃烧过程中液面并不保持一致。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于对池火燃烧时的重要参数-燃烧速率进行测量的大尺度油池火燃烧速率测量装置。

本发明是这样实现的：

一种大尺度油池火燃烧速率测量装置，包括天平精密测量系统，与天平精密测量系统相连的引压管，以及与引压管相连的油池面液面压差采集管阵列，所述天平精密测量系统包括一个电子天平，位于电子天平上方的敞口小容器，以及与容器相连的软管；天平精密测量系统通过软管与引压管相连。

更进一步的方案是：

所述天平精密测量系统还包括升降台，升降台位于电子天平上方，升降台上放置有敞口小容器。

更进一步的方案是：

电子天平与数据采集系统相连。

更进一步的方案是：

所述的天平精密测量系统、引压管、油池面液面压差采集管阵列均为两套，组成两个独立的大尺度油池火燃烧速率测量装置。

更进一步的方案是：

所述软管为四氟软管。

更进一步的方案是：

所述的油池面液面压差采集管阵列包括设置在一根管道上的多个油池竖直引压口，以及与油池竖直引压口配套的阀门，油池竖直引压口通过配套的阀门与管道相连，管道的一端通过堵头密封，另一端与引压管相连。

更进一步的方案是：

所述的两套油池面液面压差采集管阵列垂直布置，且两套油池面液面压差采集管阵列在油池的中心点均设置有一个油池竖直引压口。

更进一步的方案是：

所述的油池竖直引压口位于水层表面下方10-15cm。

天平精密测量系统中，四氟软管主要起两方面作用，第一，用于传递液面高度信息，使敞口小容器与大尺度油池连通。第二，隔离引压管路与天平测量装置的牵连，使得虽然管路与敞口小容器连接，但测得的质量不包含不锈钢连接管路的部分，这要求软管要尽量柔软，液位变化过程中导致的外界细微震动不传递到天平测量装置。手动升降台主要用于调节敞口小容器中的液面高度，使测量的敞口小容器与手动升降台的总重量位于天平的最佳测量量程内，同时，也使得总液面高度大于测试过程中的总的油池油层高度。敞口小容器主要用于与大尺度油池形成连通器，保持两边液面均衡。

本发明还提供了一种大尺度油池火燃烧速率测量方法，主要采用了本发明的大尺度油池火燃烧速率测量装置，具体包括如下步骤：

步骤一、将油池分围成内部油池区和外部水池区，两者底部水层相通；

步骤二、外部水池区上方进行隔热处理；

步骤三、安装大尺度油池火燃烧速率测量装置，设置油池竖直引压口位于水层表面下方10-15cm；

步骤四、对引压管、软管放水处理，排除管内空气；

步骤五、调整升降台高度，保持敞口小容器内水面高度在10cm附近，开始采集当前的数据；

步骤六、对内部油池区快速点火，开始进行测量。

更进一步的方案是：

步骤二中，对外部水池区上方使用薄钢板以及石棉层进行隔热处理，防止外部水池区水分的蒸发。薄钢板有一些孔洞与上部大气联通。

更进一步的方案是：

使用石棉对电子天平、引压管和软管进行遮蔽。

更进一步的方案是：

使用煤油喷枪对整个燃料表面进行快速点火。

本发明对于油池火燃烧速率测量装置进行了全面的适应性改进，提高系统在燃烧环境，尤其是大尺度油池火的适用性，同时系统测量精度及可靠性有了极大提高，提高了测量的便捷性，几乎不受池火高温的影响，成本较低。可应用该发明方便的对大尺度池火燃烧时的燃烧速率展开测量，解决前期试验中燃烧速率无法精确测量的技术问题。

该发明原理简单可靠，且自带自校正对比，在测试中可实现两个系统可以实时对比，减少仪器偶然误差。试验测量异常时，也可通过自校正的两套液位信息中直观体现，解决了以往试验中，试验仪器异常造成的数据测量不准在试验前无法知悉的难题。

该发明适用范围广，即可适用于液面高度一致的均匀池火，也可适用于液面高度不一致的池火，具有较好的适用型，可用于全天候的试验测量。

该发明为大尺度油池燃烧试验的燃烧速率采集提供了一个有效的高精度测量方法，解决了大尺度池火无法测量燃烧速率的困难，为大尺度池火燃烧试验的开展提供了有力技术支撑，为我国后续重大火灾防治科研提供了重要支撑，具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明测量原理图；

图2为本发明天平精密测量系统示意图；

图3为本发明一个实施例的大尺度油池火燃烧速率测量装置布置示意图；

图4为本发明一个实施例的油池面液面压差采集管阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如附图1所示，一种大尺度油池火燃烧速率测量装置，包括天平精密测量系统，与天平精密测量系统相连的引压管2，以及与引压管2相连的油池面液面压差采集管阵列，所述天平精密测量系统包括一个电子天平1，位于电子天平上方的敞口小容器4，以及与敞口小容器4相连的软管3；天平精密测量系统通过软管3与引压管2相连。

如附图2所示，为了提高大尺度油池火燃烧速率测量装置对不同油池液面高度的适应性，天平精密测量系统还包括升降台7，升降台7位于电子天平1上方，升降台7上放置有敞口小容器4。

为了及时获得相应的数据，电子天平1还与数据采集系统相连。

如附图4所示，所述的油池面液面压差采集管阵列包括设置在一根管道26上的多个油池竖直引压口23，以及与油池竖直引压口配套的阀门25，油池竖直引压口23通过配套的阀门25与管道26相连，管道26的一端通过堵头密封，另一端与引压管2相连。在某些情况下，也可以将管道26视为引压管2的一部分。油池竖直引压口23位于水层表面下方10-15cm。

实施例2

作为本发明的一个优化的实施例，本发明的天平精密测量系统、引压管、油池面液面压差采集管阵列均为两套，组成两个独立的大尺度油池火燃烧速率测量装置，共同进行测量，提高测量的准确性。两套油池面液面压差采集管阵列垂直布置，且两套油池面液面压差采集管阵列在油池的中心点均设置有一个油池竖直引压口。

如附图3、4所示，在一个正方形的油池中，分围成内部油池区9和外部水池区8，油池面液面压差采集管阵列设置在内部油池区9的水面下方，其中一个油池面液面压差采集管阵列有六个油池竖直引压口，即图中的a、b、c、d、e、f，另一个油池油池面液面压差采集管阵列有五个油池竖直引压口，即图中的g、h、i、j、k。其中d和g均处于内部油池区9的中心点，两个油池面液面压差采集管阵列设置从中心点处垂直设置。

在实际操作过程中，根据风向的不同，在有较稳定的风向时，其中一个油池面液面压差采集管阵列设置成与风向平行，另一个油池面液面压差采集管阵列设置成与风向垂直。

附图3中，两个油池面液面压差采集管阵列分别通过管道与第一引压管21和第二引压管22相连，两个引压管上均设置有引压管阀门24。

实施例3

本实施例主要根据附图3、4，提供一种大尺度油池火燃烧速率测量方法，具体包括：

1.使用钢板将固定油池分围成试验预定尺寸的正方形的内部油池区9和外部水池区8，内部油池区9和外部水池区8底部水层是联通的；

2.外部水池区8上部使用薄钢板以及石棉层进行隔热处理，防止外部水池区8水分的蒸发。薄钢板应有一些孔洞与上部大气联通；

3.安装燃烧速率实时监测系统，油池中引压口距离油池最终的水面高度10-15cm；

4.为避免风速和较强辐射的影响，需要使用石棉对电子天平1、引压管2和软管3等进行遮蔽；

5.测试电子天平工作状态是否正常；

6.内部油池区加入约40cm厚水层；

7.通过软管(软管可以采用较软的四氟软管)放水，完全排除引压管2、软管3中的空气；

8.在水层上方加入预定量的燃油；

9.手动调节升降平台，敞口小容器稳定水层高度在10cm左右；

10.开始数据采集；

11.使用煤油喷枪等对整个燃料表面进行快速点火，开始试验。

本发明的特点在于，根据差压式液位测量原理，利用高灵敏度天平设计可用于中大尺度油池火燃烧速率实时监测的方案。系统采用不锈钢管作为引压管，引压管一段浸入在油池中，引压管另一端通过较硬的软管连接到一个敞口小容器中。油池和敞口小容器就组成了一个连通系统。油池在燃烧过程中燃料液面会不断下降，相应地敞口小容器中的水位也不断下降。因此，利用电子天平测量敞口小容器总质量的变化可以得到敞口小容器液位变化速率，进而可以计算油池中燃料蒸发速率。

以上，已经公开了本发明的主要技术方案内容，不过为了使得本发明更具有可操作性，发明人提供了一个具体的燃烧速率的计算过程，具体如下：

如图1所示，油池燃烧前及燃烧时的液面压力信息通过油池面液面压差采集管阵列在多点采集后，通过两路独立的不锈钢引压管将压力信息传达至天平上的敞口小容器，使得敞口小容器的液面实时与大尺度油池的液面高度保持一致，最后通过测量敞口小容器在大油池燃烧过程中液面下降所引起的敞口小容器质量下降来推算出大尺度油池的燃烧速率，具体计算过程如下：

假定油池中面积为S，燃料区域面积为S₁，外围无燃料水面面积S₂，其中S＝S₁+S₂。敞口小容器的直径为d，面积s，水层厚度h₀，密度分布是ρ₀(z₀)，坐标z₀起点是水层顶部，燃料区域S₁和外围区域S₂在上部通过钢板隔开，而两个区域S₁和S₂的底部水层是联通的。外围区域S₂使用薄钢板进行隔离，防止水分蒸发，另外最好在钢板上覆盖石棉隔热，还可在外围水面加入少量油料形成单分子膜抑制蒸发。

假定在某个时刻t₁，内部区域S₁中燃料厚度是h₁，密度分布是ρ₁(z₁)，即燃料密度是径向坐标r和高度坐标z₁的函数，坐标z₁起点是油层顶部。油层区域S₁与外围区域S₂的水层厚度分别是h₃和h₂，密度分布分别是ρ₃(z₃)和ρ₂(z₂)。其中坐标z₃和z₂起点都是水层顶部。根据流体静力学压强平衡关系，在t＝t₁时刻，我们有：

式中，g为重力加速度。

当中心油池点火后，燃油不断消耗，造成内部区域S₁中的油面持续下降。与此同时，区域S₁和S₂中的水层厚度也发生了变化。假定到达某个时刻t₂，内部区域S₁中燃油和水层高度分别是h₁'和h₃'，密度分别是ρ₁'(z₁)和ρ₃'(z₃)。外部水池区S₂中水层高度和密度分别是h₂'和ρ₂'(z₃)。同时，电子天平上方敞口小容器水的密度由ρ₀变为ρ₀'(假定密度均一)，高度由h₀变为h₀'。同样地，在t＝t₂时刻，我们有：

由式(1)和(2)可得，

由于右侧敞口小容器体积远远小于左侧大油池的体积，因此右侧敞口小容器液面变化对左侧大油池的影响可以忽略。假定在燃烧过程中左侧大油池中水的总质量不变，那么我们有：

也就是，

综合公式(3)和(5)，我们有

实验过程中我们能够准确测量与左侧油池相连通的右侧敞口小容器中水质量m随时间t的变化曲线m(t)。假定在t₁到t₂时间内电子天平示数变化量为Δm，那么我们有：

内部燃料区域S₁在t₁到t₂时间段内消耗掉的燃料总质量ΔM是：

综合公式(6),(7)和(8)，我们有：

相应地，内部区域S₁中单位时间内燃料质量燃烧速率是：

式中，Δt为时间间隔。

其中是电子天平数据的时间导数。油池火的理论最大热释放速率是：

其中ΔH_c是燃料燃烧值(kJ/kg)。

值得特别注意的是，利用电子天平法对中大尺度油池火燃烧速率的测量与燃烧过程中水和燃料密度的较大变化无关。燃料质量燃烧速率仅仅取决与敞口小容器质量减小速率和大油池与敞口小容器表面积之比。

进一步地，内部区域S₁中单位时间单位面积燃料质量燃烧速率M″是：

其中表示敞口小容器中单位时间、单位面积水质量减小速率。最后，内部区域S₁中燃料液面下降速率λ₁(即燃烧速率)是：

式中，λ₀表示敞口小容器中水面下降速率。注意这里的燃料密度和水密度都取常温下的值作为参考。

大尺度油池火燃烧速率测量装置的核心部件为天平精密测量系统及油池面液面压差采集管阵列，本实施例中对这部分的具体要求如表1所示。

表1天平精密测量系统组成部分及性能要求

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种大尺度油池火燃烧速率测量装置，其特征在于：包括天平精密测量系统，与天平精密测量系统相连的引压管，以及与引压管相连的油池面液面压差采集管阵列；所述天平精密测量系统包括一个电子天平，位于电子天平上方的敞口小容器，以及与容器相连的软管；天平精密测量系统通过软管与引压管相连。

2.根据权利要求1所述大尺度油池火燃烧速率测量装置，其特征在于：

所述天平精密测量系统还包括升降台，升降台位于电子天平上方，升降台上放置有敞口小容器。

3.根据权利要求1所述大尺度油池火燃烧速率测量装置，其特征在于：

所述的天平精密测量系统、引压管、油池面液面压差采集管阵列均为两套，组成两个独立的大尺度油池火燃烧速率测量装置。

4.根据权利要求1所述大尺度油池火燃烧速率测量装置，其特征在于：

所述软管为四氟软管。

5.根据权利要求3所述大尺度油池火燃烧速率测量装置，其特征在于：

所述的油池面液面压差采集管阵列包括设置在一根管道上的多个油池竖直引压口，以及与油池竖直引压口配套的阀门，油池竖直引压口通过配套的阀门与管道相连，管道的一端通过堵头密封，另一端与引压管相连。

6.根据权利要求5所述大尺度油池火燃烧速率测量装置，其特征在于：

所述的两套油池面液面压差采集管阵列垂直布置，且两套油池面液面压差采集管阵列在油池的中心点均设置有一个油池竖直引压口。

7.根据权利要求5或6所述大尺度油池火燃烧速率测量装置，其特征在于：

所述的油池竖直引压口位于水层表面下方10-15cm。

8.一种大尺度油池火燃烧速率测量方法，其特征在于：采用了权利要求1至7任一权利要求所述的大尺度油池火燃烧速率测量装置，具体包括如下步骤：

步骤一、将油池分围成内部油池区和外部水池区，两者底部水层相通；

步骤二、外部水池区上方进行隔热处理；

步骤三、安装大尺度油池火燃烧速率测量装置，设置油池竖直引压口位于水层表面下方10-15cm；

步骤四、对引压管、软管放水处理，排除管内空气；

步骤五、调整升降台高度，保持敞口小容器内水面高度在10cm附近，开始采集当前的数据；

步骤六、对内部油池区快速点火，开始进行测量。

9.根据权利要求8所述大尺度油池火燃烧速率测量方法，其特征在于：

步骤二中，对外部水池区上方使用薄钢板以及石棉层进行隔热处理，防止外部水池区水分的蒸发；薄钢板有一些孔洞与上部大气联通。

10.根据权利要求8所述大尺度油池火燃烧速率测量方法，其特征在于：

使用石棉对电子天平、引压管和软管进行遮蔽；使用煤油喷枪对整个燃料表面进行快速点火。