柴油是一种烷烃类物质,在常温常压条件下为液态。柴油易燃、流动性强、易蒸发形成蒸气云。现代工业和物流中,柴油的使用和储存量不断增长,经常发生柴油泄漏事故。柴油发生泄漏后产生的蒸气云覆盖面积远大于液池面积。柴油蒸气云引起的爆炸事故时有发生,造成重大人员伤亡和严重环境污染。例如,2015年10月,广州沿江高速公路上油罐车与货车相撞,溢油波及桥下货柜堆场,引起火灾爆炸,造成20多人死亡,14人受伤。在燃油蒸气云爆炸方面,国内外学者对储油罐区燃油泄漏后火灾爆炸灾害后果的研究比较深入和广泛,取得许多成果[1-6],通过分析大量重气云扩散实验数据,建立Britter McQuaid扩散模型[2]。Walter等[3]运用定量分析的方法(TNT当量法)对蒸气云扩散和爆炸进行了研究,通过计算泄漏液体量推导出蒸发云团质量和浓度,从而判断蒸气云扩散爆炸概率。Johnson等[4]和Atkinson等[5]对蒸气云爆炸事故数据进行分析并寻找爆炸原因。文献[6]运用随机方法对蒸气云爆炸危险性进行分析。但对于柴油泄漏后蒸气云形成、扩散、浓度分布规律的研究和实验很少涉及[7-10]。学者们普遍认为,柴油蒸气云是由于柴油挥发形成的,影响柴油挥发量的主要因素是柴油温度和液池面积[11],柴油挥发形成的蒸气云浓度达到爆炸极限后遇点火源引发爆炸[12]。影响柴油蒸气云爆炸的因素很多,主要包括柴油温度、泄漏的时间和数量、蒸发量和蒸气云浓度等。因此,确定柴油在不同油温、不同环境温度影响下的蒸发量以及柴油蒸气云浓度在不同高度的分布情况是预防和处置柴油泄漏火灾爆炸事故的关键。

本文使用专门设计的实验装置，对柴油在不同环境温度、不同油温、不同位置形成蒸气云扩散的规律进行研究,分析柴油蒸气云浓度与挥发量之间的关系,分析柴油蒸气云浓度达到爆炸极限与柴油温度、环境温度和时间之间的关系。实验研究成果可为柴油泄漏事故的预测预警、确定危险区域、组织人群疏散、制定应急处置方案提供理论和技术指导。

1 实验

1.1 实验装置

本文使用柴油挥发及蒸气云扩散分析实验装置来进行此次实验研究，实验装置如图1所示。在封闭的预混塔底部放置电子秤,在电子秤上用恒温炉使容器内的柴油温度恒定,使用装置内浓度传感器、温度传感器、温度计和计算机实时记录实验数据。为了避免实验过程中发生事故,实验装置需要处于通风性良好的环境中,并严禁明火,消除静电放电等引爆柴油蒸气云的其他因素,配备必要的消防措施。

  

1、2、3、4—浓度传感器; 5—温度计; 6—温度传感器; 7—开杯; 8—恒温炉; 9—电子秤; 10—预混塔; 11—控温装置; 12—浓度传感器; 13—计算机图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 实验方法

在直径为18 cm(相当于液池面积为0.025 m2)的开口烧杯内置入一定量的0号柴油,封闭预混塔(高度为3 m)并启动控温装置。控温装置可以根据需要调节预混塔内温度,并保持恒定,其作用是模拟各种不同的环境温度。为了再现柴油在不同季节、不同环境温度下挥发和蒸气云扩散的状态,通过设定环境温度分别为11和22 ℃时,预设30、60、90和120 ℃4种柴油温度进行对比实验,实验持续时间为1 h。当开口烧杯内的柴油达到预设温度并保持稳定时,电子秤开始记录。当实验完成时,通过实验前后电子秤记录的柴油质量差值,即可获得柴油的挥发量。实验时,分别位于柴油液面上方1.6、1.2、0.8和0.4 m处的浓度传感器1、2、3、4持续记录该处的柴油扩散蒸气云浓度,并通过计算机输出相关检测数据。

2 结果与讨论

2.1 柴油挥发量与温度的关系

柴油挥发量多少直接关系到泄漏处周边柴油蒸气云浓度的高低,进而影响柴油蒸气云爆炸的可能性。因此,需要了解影响柴油挥发量的各种因素。一般认为,柴油挥发量的影响因素较多,包括柴油的油温、液面大小、环境温度、时间及风速等,而温度是主要因素。

由此可知,柴油蒸气云浓度到达爆炸极限的时间与柴油温度之间呈指数关系,见式(2)。

柴油爆炸极限为0.6%～7.5%[16]。了解柴油蒸气云浓度达到爆炸极限的时间对于柴油泄漏事故的及时预警十分重要。影响柴油蒸气云浓度的主要因素是温度。为此,对不同环境温度下,蒸气云浓度达到爆炸极限的时间与温度之间的关系进行了实验研究。实验显示,在油温低于30 ℃时,0.8 m处蒸气云浓度达不到爆炸极限,当油温为60 ℃时,0.8 m处蒸气云浓度就有可能达到爆炸极限。图4表示柴油液面上方0.8 m处蒸气云浓度到达爆炸极限的时间。由图4可见：随着油温升高,达到爆炸极限的时间越来越短(从40 min降至4 min)。同时可以看到环境温度对于爆炸事件的影响也很明显,当油温相对较低时(60～90 ℃),环境温度升高可以极快缩短达到爆炸极限的时间(油温为60 ℃时,达到爆炸时间从环境温度22 ℃的40 min降至11 ℃的14 min)。

  

图2 不同油温的挥发量与环境温度之间的关系Fig.2 Relationship between volatilization of different oil temperature and ambient one

由图2可得：当液池面积和环境温度一定时,柴油的挥发量和油温成正比,油温越高,挥发量越大。而当油温(30、60、90和120 ℃)一定,柴油挥发量在环境温度11 ℃时高于在环境温度22 ℃时,可以看出柴油挥发量与油温和环境温度的温差正相关,温差越大,挥发量越大。而随着油温的升高,柴油挥发量受环境温度的影响越来越小,由此可知,柴油温度是柴油挥发量的决定性因素。从图2的曲线可以推导出柴油挥发量与柴油温度成指数关系,见式(1)。

M=AeBt

  

图3 挥发量与蒸气云体积分数的关系Fig.3 Volatilization associated with the concentration of the vapor cloud

鄱阳湖位于长江中下游的南岸，地势南高北低，承纳江西境内赣、抚、饶、信、修等五河来水，湖水由北部湖口出口汇入长江，是典型的吞吐型淡水湖泊。鄱阳湖水位变化大，季节性变化明显，枯水期一般出现在春、冬季，丰水期一般出现在夏、秋季节。鄱阳湖水流受长江水位和五河来水的影响，水体流速变化明显，水龄时间短（Qi et al.，2016）。鄱阳湖处平原区，属大风集中区域，特别是鞋山、老爷庙和瓢山风力最为集中（张琍等，2014）。在丰水期，湖面范围大，悬浮物空间变化不仅受河水流速的影响，还受风速的影响（贺志明等，2011；江辉等，2018）。另外，受采砂作业活动等影响，鄱阳湖北部水体呈现高浑浊特征。

在料液浓度、料液体积流量、浓缩倍数等相同的条件下，研究了超滤时间对膜通量及压力的影响，结果如图5所示。

(1)

式中:M为液油的挥发量,g;t为柴油挥发的时间,min;A和B为回归方程特征系数。在环境温度为11 ℃时,A=6.299 3,B=0.023 0,相关系数R=0.993 1。在环境温度为22 ℃时,A=2.037 4,B=0.032 8,R=0.983 8。

2.2 蒸气云浓度的分布规律

为此,对不同油温和不同环境温度下蒸气云浓度的分布进行实验研究。实验显示,柴油温度在30、60、90和120 ℃时,各检测点蒸气云浓度依次上升,大部分在40～60 min时达到气液平衡(探测器1、2、3、4最早达到稳定时间为23 min,最迟为58 min,达到稳定后,单位时间内从液面逸出的柴油分子数量等于返回柴油液面的分子数量,此时液相和气相保持动态平衡),蒸气云浓度稳定,并且各传感器处的蒸气云浓度达到最大值。油温越高,蒸气云最大浓度稳定值越高。在环境温度为22 ℃,且蒸气云浓度达到稳定状态时,观察柴油液面上方0.4、0.8、1.2和1.6 m 4个测量点,蒸气云浓度随高度的增加整体上有逐渐下降的趋势。在不同环境温度下,柴油挥发量与各测点蒸气云体积分数的关系如图3所示。

柴油泄漏后挥发,在周围空间形成蒸气云。蒸气云浓度达到爆炸极限，遇点火源发生爆炸。因此,为了有效避免和控制柴油泄漏后蒸气云爆炸事故,就需要了解并掌握柴油蒸气云浓度的分布规律。

大家都说是念书累的，外祖母也说是念书累的，没有什么要紧的；要出嫁的女儿们，总是先前瘦的，嫁过去就要胖了。

此外,实验还显示柴油温度分别为30、60、90和120 ℃时,在挥发量相同的情况下,环境温度为22 ℃时测量点蒸气云浓度都要大于环境温度为11 ℃时各测量点蒸气云浓度，并且距离液面以上0.8 m处的蒸气云浓度始终大于其他各处测量点。由此得知:液面上方0.8 m处为易爆敏感区,此区域内蒸气云浓度会最先达到爆炸极限。分析发生这一现象的原因,由于在液面上方,柴油分子从液面逸出并聚集,并且和其他分子及预混塔壁面撞击而重新分布,同时与周围环境热交换而形成绕流效应[13]。因此,在液面上方较低处,蒸气云浓度较高。而液面上方0.4 m处因为油温和环境温度相差较大,所以柴油蒸汽液化现象比较强,此处的柴油蒸气云浓度也最低,随着高度的增加,液化现象随着温差缩小而变弱,同时柴油蒸气云属于重气并受湍流的影响[14-15],因此在液面上方0.8、1.2和1.6 m处柴油蒸气云浓度随着高度增加而降低,这也解释了为什么液面上方0.8 m处柴油蒸气云浓度首先达到峰值。通过量纲为1比值法,以预混塔高度和蒸气云分布高度为计算基础,可以得出柴油浓度最高处高度与预混塔高度比为0.27。

2.3 蒸气云浓度达到爆炸极限的时间与温度之间的关系

因此,本次实验通过测定在不同环境温度下30、60、90和120 ℃ 4种柴油温度时挥发量,研究柴油挥发量、油温和环境温度之间的关系。实验时长为1 h,环境温度分别设定为11和22 ℃,液面为0.025 m2,静置状态,对比不同环境温度、不同油温时的挥发量变化，实验结果如图2所示。

  

图4 距离液面0.8 m位置蒸气云浓度到达爆炸极限的时间与温度的关系Fig.4 Relationship between time and temperature of vapor cloud concentration at 0.8 m position of liquid level at the explosion limit

从包含有n个数据点的数据集中随机选取K( )K=3个数据点作为初始聚类中心点，然后采用欧几里得公式计算出每个数据点到K个聚类中心点的距离，并将数据点归类到离其最近的聚类中心点所在的类当中，当所有的数据点归类完成以后，分别计算出每个类中数据点的均值，将类均值作为新的类中心，并重新进行聚类，如此不断循环，直到前后两次聚类中心点相同，则聚类结束。

t′=AeBθ

(2)

式中:t′为柴油蒸气云到达爆炸极限的时间,min;θ为柴油温度,℃;A和B为回归方程特征系数。在环境温度为11 ℃时，A=507.123 3,B=-0.042 1,R=0.994 0。在环境温度为22 ℃时，A=95.095 8,B=-0.031 65,R=0.961 8。

3 结论

1)液池面积和环境温度一定时,油温越高,柴油挥发量越大;液池面积和油温一定时,挥发量与油温和环境温度之间的差值有关,而随着油温的提高,其挥发量受环境温度的影响逐渐降低。据此推导出柴油挥发量与温度呈指数关系。

2)油温越高,柴油蒸气云浓度也越高。但随着温度继续上升,0.4、0.8、1.2及1.6 m 4个位置处柴油蒸气云浓度趋于等值化,但在0.8 m左右柴油蒸气云浓度始终最大,其区域为爆炸敏感区。

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3)在液面上方0.8 m处柴油蒸气云浓度达到稳定状态后,通过对比不同环境温度对柴油蒸气云达到爆炸极限的时间差别,推导出在不同环境温度下爆炸极限时间与油温呈指数关系。

本文使用柴油挥发及蒸气云扩散试验装置定量分析了温度对柴油泄漏后的挥发量、爆炸性蒸气云形成的时间、范围及分布的影响,为柴油泄漏事故发生后划分危险区域、确定疏散范围、实现事故预警提供了科学依据。

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