细水雾抑制油库油气爆炸研究进展

摘 要：油库是石油行业物流的重要一环，随着成品油物流业务的不断发展，油库的功能已逐渐由保管型向流通型转变，在物流中所起的作用也越来越重要。但油库油气是典型的易燃易爆物，一旦发生事故，将造成不可估量的损失，所以油库安全问题是非常重要的。以细水雾为介质的灭火、抑爆技术是近些年来受到广泛关注的前沿技术，在油气安全防护领域具有广阔的应用前景。文章通过对近年来可燃气涉爆研究的主要成果进行整理归纳，结合油气这一介质的主要特征，对细水雾抑制油气爆炸的研究进展进行了综述。

关键词：细水雾；油气；油库；爆炸抑制

中图分类号：X928.7 文献标识码：A

油库是石油行业仓储物流的重要一环，随着成品油物流业务的不断发展，油库的功能已逐渐由保管型向流通型转变，在物流中所起的作用也越来越重要。但油库油气是典型的易燃易爆物，一旦发生事故，将造成不可估量的损失，所以油库安全问题是非常重要的。在石油化工、天然气等行业，可燃气体爆炸在事故总数中所占的比例分别高达46%和60%，且单次事故所造成的人员伤亡和财产损失也大大高于其它事故。

细水雾利用其较大的比表面积和较高密度等特征，通过汽化降温、隔氧窒息、衰减热辐射、润湿冷却和吹熄火焰等作用来降低化学反应速率及火焰的传播速率，达到控制火焰传播的目的。采用细水雾作为介质的火灾、爆炸控制技术是近十多年来新兴的环保型灭火抑爆技术。本文通过对近年来可燃气涉爆研究的主要成果进行整理归纳，结合油气这一介质的主要特征，对细水雾抑制油气爆炸的研究进展进行了综述。

1 细水雾抑制油库油气爆炸研究方法

细水雾抑制油气爆炸研究属于可燃气涉爆研究的范畴，该领域的相关研究在研究对象、研究方法和面临的主要困难上都有很强的相似性，该范畴内的研究往往能相互借鉴，按照研究方法的不同，主要包括理论研究、实验研究和数值分析（数值模拟研究）三个方面。

（1）理论研究。经典气体爆炸理论的基本思想是对实际问题的高度简化，用有限、可解的数学模型描述爆炸问题，并通过解析的方法或简单的数值积分运算得到爆炸流场的参数分布。因此，气体爆炸的理论研究主要是理论模型的研究。重要的理论研究成果有C-J模型、ZND模型、Riemann波模型、Lie群方法、奇异摄动法、CCW理论等[1-2]，这些经典理论的建立和发展奠定了爆炸力学的基础。该方面研究的发展主要体现为运用尽可能准确、有效方法对爆炸进行描述，但基本都是以解析形式来描述爆炸过程中的参数变化和爆炸的基本规律。为了使问题可以求解，这些研究不得不对爆炸过程的各种影响因素进行大量的假设和高度的简化，而实际的爆炸是高度非线性的过程，涉及到大量不可忽略的物理、化学因素。因此，气体爆炸理论研究的工程价值较小。

（2）实验研究。考虑到气体爆炸、抑爆过程本身的复杂性，对其进行实验研究是最为直接、有效的手段。该领域最早进行的实验是密闭容器（受限空间）中的爆炸研究，随着学术前沿的推进，此方面的研究至今仍然是该领域的重点，涌现出了一大批学术与科技水平高、应用前景好的研究成果。爆炸抑制方面，研究者对多种类型的抑爆剂性质及其抑爆性能进行了实验研究，涉及到的抑爆剂包括惰性气体、（含添加剂的）水雾、惰性粉尘、惰性颗粒等。该方面研究涉及技术性能、模拟分析等相对较多，对模拟实际环境下气液固态抑爆过程行为及模式、特性参数演变和相似性规律、临界判据、分析计算方法等系列、深入地实验研究罕见报道。

（3）数值模拟研究。随着当代计算技术突飞猛进的发展，相关领域研究人员开始借助计算机对爆炸流场的控制方程组进行数值求解，此类研究称为数值模拟研究。爆炸、抑爆过程数值模拟研究的进展，一方面体现在新的计算模型、计算方法和专用计算软件的发展，另一方面体现在研究人员运用数值模拟方法对不同条件下的爆炸、抑爆过程进行研究，并得到了一系列结论。由于需要准确的理论模型、控制方程复杂且对计算资源的要求较高，现阶段爆炸、抑爆过程的数值模拟需要对计算模型与工况物理、化学背景有较深入的理解，且仿真模型需要实验数据的验证。

综合来看，气体爆炸及爆炸抑制相关研究主要特点体现在以下方面：一是从研究方法来看，大都以上述方法中的一种为主，综合运用其他研究方法，其中又以实验研究和数值仿真最为重要和必要，前者作为理论研究和数值模拟的主要验证手段，可信度更高，后者能够得到更为详细的数据信息，对工程应用有更强的指导意义；二是从研究进程来看，气体爆炸相关基础学科体系已基本建立，但应用基础方面急需研究的科学问题较多，应用技术发展受制。因此，当前对气体爆炸抑制进行研究的一个重要方面，就是要立足实验研究和数值仿真的基本手段，通过改进实验方法和数据分析方法，进一步揭示爆炸抑制的特殊规律和关键现象，探索抑爆机理、描述抑爆剂的性能，为抑爆技术的发展和抑爆装置的改进研发奠定基础。

2 国内外研究现状

2.1 细水雾对起爆参数的影响

细水雾对起爆参数的影响，主要包括对爆炸上下限的影响和对爆炸延迟期的影响。陆守香等[3]分析了水参与爆炸的化学反应动力学机理，并通过爆炸反应平衡计算，得出瓦斯可燃混合气水含量增大时，爆炸能力下降，强度降低，炸极限浓度范围缩小。Gu等[4]利用小尺度爆炸实验台对不同体积超细水雾抑制爆炸进行了实验研究，发现超细水雾可以有效地降低爆炸温度并延长爆炸延迟时间。陈晓坤等[5]对体积分数约为9.5%的瓦斯和空气的混合气在超细水雾中的爆炸进行了实验研究，发现在超细水雾作用下，瓦斯的爆炸感应期明显延长。李定启[6]采用自制的爆炸实验系统进行实验，结果表明：细水雾可以提高爆炸浓度下限，细水雾的流量增加到一定值、细水雾的平均粒径较小时其效果较佳；在细水雾中加入添加剂后，爆炸浓度下限值有不同程度的升高；对于同一种添加剂，随着其浓度的增加，爆炸下限先呈升高的趋势，而后趋近于稳定。

可以看出，研究人员普遍认为细水雾的加入可以提升可燃混合气的爆炸下限，延长爆炸延迟期，但鉴于问题的复杂性，该方面的分析绝大多数为定性分析，定量分析只有在具体的工况下才有可能实现。

2.2 细水雾对爆炸过程参数的影响

为了探索细水雾的抑爆效果，研究人员广泛关注抑爆作用下爆炸过程参数的变化，特别是抑爆剂对爆炸火焰、激波的影响。

普遍认为，细水雾的加入可以降低爆炸压力、减缓波传播速度。秦文茜等[7]的研究发现超细水雾作用下的爆炸压力及升压速率以及爆炸波的传播速度均随着超细水雾施加量的增加而明显降低，除爆炸被超细水雾完全抑制的情况外，爆炸波的传播速度可从接近声速下降到150m/s，爆炸压力可降低78%。谢波[8]采用自制的主动式水雾抑爆器，对主动水雾抑爆过程中的激波、火焰抑制作用进行了实验研究，结果表明，采用主动水雾抑爆时，在水雾区及其后的一定距离内激波均表现出不同程度的衰减，激波衰减随水雾密度空间增加而明显。由于爆炸压力与火焰间存在着耦合关系，故抑爆剂能同时抑制爆炸火焰的发展。陈晓坤等[5]的实验发现：在超细水雾气氛下，火焰在实验管道中传播的平均速率和最大速率显著降低，并出现了火焰驻停现象。Wingerden[9]等则在一个矩形钢管中对水雾抑制爆炸火焰的效果进行了实验研究，实验结果表明，在敞口爆炸条件下的火焰加速比在闭口环境下的快，加速的火焰超压可使水雾液滴破碎，从而使爆炸火焰超压下降。

需要注意的是，细水雾对爆炸过程参数的影响往往是十分复杂的，且对其作用机理、效果的认识还远不够清晰。例如Acton[10]等人在具有几何相似性的部分封闭和具有障碍物的工业环境下进行了爆炸的水雾抑制研究，实验结果表明使用水雾可使爆炸所产生的超压显著降低，但另一方面因为水雾的使用也使得到达爆炸超压峰值的时间缩短。Thomas[11-12]等人通过平行于水雾区的观察窗来观测爆炸冲击波破碎液滴的过程，并认为水雾仅靠蒸发是不足以使气体爆炸火焰熄灭的，水雾对爆炸的抑制作用来自燃烧区内增加的热量传递和质量传递，而这种热量和质量传递则是由于火焰阵面前诱导流场中初始水雾液滴破碎的结果。Abbud[13]等在微重力条件下对传播火焰通过超声波水雾区的过程进行了研究，他们认为在高浓度水雾作用下，火焰传播速度降低是由于水雾液滴吸收了火焰反应区对未燃区气体的辐射热量。叶经方[14]采用直径200mm立式激波管，进行了管道内水雾对冲击波衰减作用的实验研究，实验结果表明，冲击波衰减率与水雾密度、雾滴直径和雾区厚度有关。相同雾滴直径时，水雾密度越大，冲击波的衰减率越大；相同水雾密度时，水雾的雾滴直径越小，冲击波的衰减率越大。Anath等[15]利用数值计算模拟研究了球形容器内爆炸气体云与水滴之间相互作用的动力学机理，认为细水雾抑制气体爆炸主要机理依次为潜热吸收、显热吸收、对高速气体的动量吸收，并指出由于蒸发形成的水蒸气增加了激波前沿的气体密度导致了其对压力的适度抑制。

2.3 添加剂对液态介质性能的影响

根据添加剂成分的不同，常见细水雾添加剂包括以下三类：第一类为无机盐，主要包括NaHCO3、Na2CO3、KHCO3、K2CO3、LiCl、CaC12等；第二类为有机物质，包括表面活性剂、乳化剂、抗冻剂、黏性调节剂、减阻剂和氟碳表面活性剂；第三类为泡沫类添加剂。此方面较为成熟的研究体现在研究人员对于灭火剂添加剂的研究，由于灭火和抑爆在化学机理上有一定的相似性，故灭火添加剂的研究也对抑爆剂有一定的借鉴意义。

美国国家技术标准局、美国机械工程师协会、美国军事机构、加拿大国家研究局分别对乳酸钾、乙酸钾、NaBr、泡沫添加剂等对火焰的抑制作用进行了研究[16]，分别总结了不同添加剂对介质作用效果的影响。G.T.Linteris[17]等对金属化合物进行了大量的实验，发现五羰基铁[Fe（CO）5]在浓度很低时对碳氢火焰的抑制能力比含溴化合物高两个数量级，但存在饱和现象，且本身是易燃的，毒性较大，用其作为细水雾添加剂难以实际应用。南京理工大学的徐强[18]对不同浓度NaCl溶液所形成细水雾的雾特性进行了研究，结果表明，溶液浓度对细水雾的粒径、速度和细水雾动能分布的均匀性都有明显的影响。刘江虹[19]对含添加剂雾滴蒸发速率进行了实验研究，选用分别含30%、60%质量分数的醋酸钾添加剂的水溶液和含30%、60%的质量分数的碘化钠添加剂的水溶液作为研究介质，研究发现在给定的温度条件下，含醋酸钾和碘化钠水溶液的雾滴平均蒸发速率要比纯水雾滴慢，随着添加剂浓度的增加，雾滴平均蒸发速度呈下降趋势。

3 结 论

油气爆燃及其细水雾抑制方面急需研究的科学问题较多，一方面要进一步探索受限空间中油气爆燃的发生发展规律、相关特征参数的变化规律及影响因素，并深入爆燃火焰的形态结构细节，索爆燃火焰发展演变的具体过程及特征参数的变化规律；另一方面要基于细水雾作用下的油气爆燃实验与分析，在借鉴现有两相流动及燃烧爆炸数值仿真模型的基础上，建立包含细水雾作用的油气爆燃数值分析模型，并将之运用于数值仿真实践。就已有研究成果来看，细水雾抑制油气爆炸研究的特点主要体现在以下方面：

（1）研究方法以模拟实验为核心，从实验数据出发进行的分析能够对抑爆过程的特征规律与关键参数进行描述，是解释、探究抑爆机理的重要素材；鉴于抑爆过程的复杂性，抑爆区流场特征（特别是细节、瞬时特征）不易准确刻画，定量分析难度较大。

（2）以模拟实验为核心的可燃气涉爆研究多对爆炸极限、压力峰值等关键参数及其控制因素进行分析和归纳，但深入反应细节的研究不足，特别是对爆炸火焰发生、发展过程的形态结构特征进行的具体描述和归纳尚不多见。

（3）对气相湍流、高速化学反应以及两相间相互作用下的细水雾抑制可燃气爆炸过程尚无综合、定量的描述，缺乏能够进行精确分析的理论模型。这使得包含细水雾影响的油气爆燃难以进行精确的预计，对爆燃前后整个流场宏观参数的时空分布以及相关特征参数的变化规律，如气体组分、温度、爆炸波强度等难以确定。

参考文献：

[1] 孙承纬. 爆轰传播理论的解析研究方法[J]. 爆炸与冲击，1990，10（4）：356-373.

[2] 冯·卡门，H W 埃蒙斯. 燃烧和爆轰的气动力学[M]. 北京：科学出版社，1988.

[3] 陆守香，何杰，于春红，等. 水抑制瓦斯爆炸的机理研究[J]. 煤炭学报，1998，23（4）：417-421.

[4] Gu Rui， Wang Xishi， Xu Hongli. Experimental study on suppression of methane explosion with ultra fine water mist[J]. Fire Safety Science， 2010，19（2）：51-59.

[5] 陈晓坤，林滢，罗振敏，等. 水系抑制剂控制瓦斯爆炸的实验研究[J]. 煤炭学报，2006，31（5）：603-606.

[6] 李定启. 含添加剂细水雾降低瓦斯爆炸下限的实验研究[J]. 矿业安全与环保，2009，36（2）：1-3.

[7] 秦文茜，王喜世，谷睿，等. 超细水雾作用下瓦斯的爆炸压力及升压速率[J]. 燃烧科学与技术，2012，18（1）：90-95.

[8] 谢波. 大型通道中主动式水雾抑爆现象的实验研究[J]. 爆炸与冲击，2003，23（2）：151-156.

[9] Kees Van Wingerden， Brian Wilkins. The influence of water sprays on gas explosions， Part l： water-spray-generated turbulence[J]. Loss Prevention Process Ind， 1995，8（2）：54.

[10] Acton M.R.， SuttonP.， Wickens M.J. Lessons for Cycle Safety Management[C] // Symposium Series NO.122， IchemE， Rugby UK， 1990.

[11] Thomas G.O.， Jones A.， Edwards D.H. Influence of water sprays on explosion development in fuel-air mixtures[J]. Combust Sci Technology， 1991（80）：47.

[12] Thomas G.O.. On the conditions required for explosion mitigation by water sprays[J]. Institution of Chemical Engineers Trans IchemE， 2000，78（9）：15.

[13] Abbud Madrid A.， Riedel E.P.， Mckinnon J.T. A Study of flame propagation on water mist laden gas mixtures in microgravity[C] // First international symposium on microgravity research & Applications in physical sciences and biotechnology. VOLI& II， proceedings， 2001：313-320.

[14] 叶经方. 管道内水雾对冲击波衰减作用的实验研究[J]. 爆破器材，2006，35（5）：1-4.

[15] J Ananth Ramagopal， Willauer Heather D， Farley John P， et a1. Effects of fine water mist on a confined blast[J]. Technology， 2010，19（2）：1-35.

[16] 刘江虹，廖光煊，等. 细水雾灭火技术研究与发展[J]. 科学通报，2003，4（8）：48.

[17] G. T. Linteris， V. D. Knyazev， V. I. Babushok. Inhibition of premixed methane flames by manganese and tin compounds[J]. Combustion and flame， 2002，129：221-238.

[18] 徐强. NaCl对细水雾雾特性影响的实验研究[J]. 南京理工大学学报，2004，28（1）：34-37.

[19] 刘江虹，等. 含添加剂雾滴蒸发速率的实验及数值模拟[J]. 燃烧科学与技术，2006，12（3）：217-220.

推荐访问： 油库 水雾 研究进展 油气 抑制