Динамика развития пожаров в резервуарах с горячими жидкостями

Горение жидкости в резервуаре представляет собой горение паровоздушной смеси, образующейся над зеркалом горючей жидкости.

Поток пара к зоне горения поступает непрерывно благодаря процессу испарения, который, в свою очередь, определяется интенсивностью лучистого теплового потока из зоны горения к зеркалу горючей жидкости. Кислород, необходимый для горения, поступает в зону горения из окружающей среды вместе с воздухом, интенсивно притекающим в зону горения под действием сил конвективной молярной диффузии. Поэтому пламя горючих жидкостей в резервуарах является диффузионным, когда процесс перемешивания горючего и окислителя происходит непосредственно перед зоной протекания химических реакций. Молярная диффузия в значительной степени определяет интенсивность горения, полноту сгорания, скорость выгорания, скорость распространения горения, температуру пламени и другие параметры пожара.

Известно, что характер, форма и размеры пламени при прочих равных условиях определяются видом горючей жидкости, ее температурой и размерами сосуда. Для небольших сосудов характерны ламинарные режимы горения. С увеличением объемов сосудов режим горения переходит в турбулентный. Горение жидкостей в технических резервуарах в большинстве случаев бывает турбулентным.

Высота пламени горящего резервуара прямо пропорциональна его диаметру. Для турбулентных пламен резервуаров диаметром от 2 до 23 м относительная высота пламени может быть принята равной:

- для бензина ;

- для дизельного топлива ;

- для этилового спирта .

На высоту факела пламени резервуара большое влияние оказывает скорость ветра. Ветер дополнительно интенсифицирует процесс горения за счет лучшего притока кислорода в зону горения.

При скорости ветра >1 м/с относительное увеличение высоты пламени и отклонение его от вертикальной оси горючих жидкостей различно. При скорости ветра около 4 м/с и более отклонение факела пламени от вертикальной оси составляет 60-70°, т.е. пламя практически горизонтально, и массовая скорость выгорания горючей жидкости возрастает на 45-50%.

При тушении горящих жидкостей в резервуарах, необходимо знать температуру факела пламени и его лучистый тепловой поток. На температуру большое влияние оказывают турбулентные пульсации и метеорологические условия, поэтому она непрерывно изменяется. В табл. 3.1. приведены средние температуры и лучистые тепловые потоки факела пламени горящей жидкости в резервуаре с нефтепродуктами и этилового спирта при различных его диаметрах. Из табл. 3.1. видно, что с увеличением диаметра резервуара средняя температура факела пламени уменьшается, а лучистый тепловой поток возрастает.

Таблица 3.1.

Горючие жидкости	Диаметр резер- вуара, м		q, Вт/м²
Бензин А-66	22,8 18,6
Дизельное топливо	22,8 2,7
Этиловый спирт	2,7 8,5	- -

Лучистый тепловой поток факела пламени при горении жидкостей в резервуарах в основном определяется излучением сажистых частиц и промежуточных продуктов разложения, которые присутствуют в пламени. Как известно, при горении жидкостей со свободной поверхности в большинстве случаев образуется светящееся пламя. Светимость пламени возникает в результате процесса разложения (пиролиза) паров горючих жидкостей при их движении с поверхности зеркала к фронту горения. В результате этого возникают новые фазы – твердого сажистого углерода, жидких и твердых промежуточных углеводородных соединений.

Зона теплового воздействия при пожаре в резервуаре определяется в большинстве случаев лучистым тепловым потоком.

Экспериментально установлено, что по мере снижения уровня жидкости в резервуаре скорость ее выгорания уменьшается. Изменение уровня жидкости с течением времени описывается эмпирическим уравнением:

Н=Кτⁿ, (3.9.)

где: Н - уровень ГЖ в резервуаре, м; К - коэффициент пропорциональности; τ- время, с; n - показатель степени, колеблющийся от 0,55 до 0,75.

Экспериментально установлено, что при горении жидкостей распределение температур по толщине может быть двух типов. В одном случае передача тепла с поверхности жидкости в глубину осуществляется теплопроводностью, что приводит к прогреву жидкости на небольшую глубину (2-5 см). Температура в прогретом слое быстро понижается с увеличением расстояния от поверхности жидкости (рис.3.5). Величина прогретого слоя остается постоянной и не изменяется по мере выгорания жидкости.

При горении жидкостей в резервуарах большого диаметра характер прогрева существенно отличается от первого. При горении возникает прогретый слой, толщина которого растет во времени, а температура в этом слое почти одинакова с температурой на поверхности жидкости. Такой слой называют гомотермическим.

Распределение первого типа характерно для горения керосина, трансформаторного и солярового масел, дизельного топлива и других жидкостей с высокой температурой кипения. При их горении температура стенки резервуара чаще всего не превышает температуры кипения, поэтому не возникает интенсивных конвективных токов, а следовательно, и быстрого прогрева жидкостей вглубь.

Если при горении любых жидкостей охлаждать стенки резервуара, то гомотермического слоя не возникает, так как прогрев вглубь осуществляется в основном теплопроводностью. Прямым следствием образования гомотермического слоя при горении некоторых видов горючих жидкостей является выброс их из резервуара. Он обусловлен вскипанием перегретых слоев воды, расположенных под гомотермическим слоем горючей жидкости. Выброс происходит в тот момент, когда толща прогретого слоя достигает уровня воды. Это явление приводит к резкому увеличению площади пожара, интенсификации его распространения и развития. Кроме того, это явление представляет большую опасность для личного состава.

Кроме явления выброса, при определенных условиях может наблюдаться вскипание нефтепродуктов. К вскипанию способны все нефтепродукты, имеющие в своем составе воду и прогревающиеся при горении выше 100°С. В процессе прогрева нефтепродукта влага, находящаяся в верхних слоях, частично опускается в нижележащие и постепенно на границе прогретых и холодных слоев накапливается слой с повышенным содержанием влаги. Когда температура обводненного слоя повышается до 100°С и выше, начинается парообразование. Пузырьки водяного пара, двигаясь вверх, вспенивают нефтепродукт, объем его увеличивается, и если высота свободного борта невелика, то горящий вспененный нефтепродукт переливается через борт резервуара.

Открыто горящий резервуар с сорванной крышей оказывает сильное воздействие на окружающее пространство и в большинстве случаев является решающим фактором развития и распространения пожара. Из экспериментальных данных известно, что формирование пламени над поверхностью ГЖ в резервуаре завершается за 2 минуты. Температура пламени, в зависимости от вида горючей жидкости, колеблется в пределах 1000- 1500 ºС. Следовательно, процесс развития пожара в резервуаре можно рассматривать как стационарный процесс.

В первые минуты горения на поверхности жидкости устанавливается температура, близкая к температуре кипения данной жидкости или равная средней температуре кипения многофракционной жидкости. Температуру горения нефти существенно снижают примеси легких фракций и воды, и лишь по мере выгорания легких фракций температура горящей нефти возрастает до средней температуры кипения. Аналогичным свойством обладает обводненный мазут.

В резервуаре с диаметром d> 2 м – нефть и нефтепродукты выгорают с практически постоянной линейной скоростью: 0,3 м/ч – бензин; 0,15 м/ч нефть (с увеличением скорости ветра до 8-10 м/с линейная скорость выгорания возрастает на 30-50%).

В резервуаре с понтоном и плавающей крышей (при сохранении их плавучести) начальное горение происходит в разгерметизированном кольцевом зазоре.

При горении в зазоре у высокой свободной стенки подвод воздуха оказывается односторонним, вследствие чего высота факела возрастает в 2 раза. Однако, вследствие незначительной оптической толщины пламени, его излучательная способность падает.

Сокращением размеров пламени в резервуаре с плавающей крышей и понтоном, а также частично подорванной стационарной крышей, обусловлены некоторые положительные эффекты в начальной стадии пожара:

- низкая скорость выгорания;

- отсутствие опасного прогрева жидкости;

- отсутствие теплового воздействия на соседние резервуары.

На пожаре в вертикальном ….. резервуаре (РВС) немаловажное значение имеет его огнестойкость. При рассмотрении этого вопроса, прежде всего необходимо условно разделить резервуар на две части - нижнюю и верхнюю, граница между которыми определяется уровнем жидкости в процессе пожара. Нижняя часть, заполненная жидкостью, подобно водонаполненной конструкции, обладает высокой степенью огнестойкости.

Огнестойкость не смачиваемой верхней части зависит от условий горения и является низкой, что создает определенные трудности в ликвидации пожара.

При высоком уровне жидкости возможно сохранение огнестойкости стенки в условиях пожара. Наблюдаемая на практике деформация верхних поясов горящих РВС может быть вызвана отрицательными последствиями поздно начатого охлаждения водяными струями.

Огнестойкость несмачиваемой части резервуара значительно падает с понижением уровня жидкости. Если к моменту прибытия пожарных подразделений стенка не разрушилась, то требуется эффективное и немедленное охлаждение, т.к. в результате задержки этого мероприятия возможна деформация стенки, особенно при низком уровне жидкости в РВС, видимые деформации наступают уже через 5- 15 мин.

В таких случаях снижение температуры стенки даже при достаточном количестве сил и средств становится затруднительным, т.к. деформированные стенки оказываются недоступными для эффективного охлаждения, в результате чего нарушается нормальное растекание и огнетушащий эффект подаваемой на тушение пены.

Огневые опыты в резервуаре с плавающей крышей (РВС-ПК) – 5000 м³ показали, что при свободном горении жидкости в кольцевом пространстве свыше 15 мин пожар распространяется за пределы расчетной площади, а при длительном горении происходит затопление крыши, после чего РВС превращается в обычный, с горением жидкости на всей площади зеркала жидкости.

При горении жидкостей в резервуарах возникает поверхностный нагретый слой, температура которого равна температуре на поверхности горящей жидкости. Ввиду постоянства температуры жидкости в нагретом слое, его называют гомотермическим. Толщина этого слоя растет со временем, достигая некоторого предельного значения или охватывая всю массу горящей жидкости. Формирование нагретого слоя – одна из причин и одно из необходимых условий возникновения вскипания и выброса горящей жидкости, особо опасных явлений, сопутствующих пожарам нефти и некоторых нефтепродуктов в подземных и наземных резервуарах, что приводит к резкому увеличению масштабов и тяжести последствий пожаров, а иногда и к человеческим жертвам. Скорость прогрева нефти 0,25-0,4 м/час, мазута- 0,3 м/час. Сырая необезвоженная нефть примерно через час с начала пожара может вскипать с переливом через борт резервуара, если величина свободного борта менее 1,5 м.

Ориентировочно время выброса можно рассчитать по формуле:

высота вертикальной стенки резервуара, м

высота слоя подтоварной воды, м

высота свободного борта резервуара, м

скорость понижения уровня ГЖ вследствие откачки, при ее отсутствии ;

Vпрог – скорость прогрева ГЖ…., м/час;

Vл – линейная скорость выгорания ГЖ, м/час;

Для выталкивания горящей жидкости из резервуара достаточно вскипания слоя данной воды 5-10 мм.