基于FDS的汽油儲(chǔ)罐池火噴淋冷卻防護(hù)效用研究

雷婷

中國石油管道局工程有限公司 （河北 廊坊 065000）

0 引言

油罐池火是油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施中較為危險(xiǎn)的事故類型，亦是消防設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)的重點(diǎn)[1-2]。依據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范如《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》《石油儲(chǔ)備庫設(shè)計(jì)規(guī)范》，均要求對(duì)著火罐進(jìn)行噴淋冷卻。但國際上常用的消防設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件，如《易燃和可燃液體規(guī)范》（NFPA 30）[3]、《石油及石油化工行業(yè)固定式水噴霧消防系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)范》（API 2030）[4]中并未明確著火罐、相鄰罐的消防冷卻水的設(shè)置，是否設(shè)置噴淋冷卻需要根據(jù)熱輻射暴露進(jìn)行計(jì)算。英國規(guī)范《石油煉廠及儲(chǔ)罐區(qū)防火規(guī)范》（IP 19）[5]則明確不考慮著火罐的罐壁冷卻，只進(jìn)行相鄰罐的噴淋冷卻。同時(shí)，國外規(guī)范與國內(nèi)規(guī)范在相鄰罐消防冷卻水供給強(qiáng)度上有較大的區(qū)別。

20世紀(jì)中后期，國內(nèi)外對(duì)油罐池火噴淋冷卻效果的研究主要采用試驗(yàn)方法，通過對(duì)各尺寸油品儲(chǔ)罐火災(zāi)進(jìn)行綜合試驗(yàn)，積累了儲(chǔ)罐冷卻水最小強(qiáng)度、試驗(yàn)油罐溫度控制等大量數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)研究具有環(huán)境影響大、可重復(fù)性差、試驗(yàn)成本高昂等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，一些CFD軟件在火災(zāi)學(xué)領(lǐng)域得到了較好的驗(yàn)證和應(yīng)用，包括FLUENT、FLOWD和FDS等。由美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬FDS軟件，應(yīng)用火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的納維—斯托克斯方程（N-S）進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以得到真實(shí)的瞬態(tài)流場，且精確度較高，計(jì)算工作量小。Hostikka等對(duì)該軟件進(jìn)行了闡述和驗(yàn)證，另有研究表明該軟件對(duì)中小尺度油池火的模擬比較成功，具有較高的可信度[6]。同時(shí)，F(xiàn)DS是目前國際上兩款能完成火場噴淋冷卻仿真計(jì)算的軟件之一，因其完善的數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)驗(yàn)證，已廣泛應(yīng)用于各類火災(zāi)噴淋干預(yù)的數(shù)值計(jì)算。

面對(duì)國內(nèi)外規(guī)范的顯著差異，本文分別對(duì)汽油儲(chǔ)罐池火在不同強(qiáng)度下的消防噴淋冷卻干預(yù)和無干預(yù)的情景進(jìn)行數(shù)值仿真，通過模擬計(jì)算火場的熱輻射強(qiáng)度和溫度，分析著火罐在我國現(xiàn)有規(guī)范消防冷卻強(qiáng)度下的冷卻效果，以及噴淋冷卻對(duì)相鄰罐的冷卻防護(hù)效用。

1 油罐池火模型構(gòu)建與計(jì)算

1.1 FDS冷卻噴淋數(shù)值模擬理論

FDS采用拉格朗日粒子標(biāo)識(shí)煙氣的運(yùn)輸過程，并模擬水噴淋冷卻和熱輻射的相互作用過程。冷卻水液滴對(duì)熱輻射強(qiáng)度的減弱主要通過散射和吸收的聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)，而熱輻射—液滴的相互作用是通過精確預(yù)測輻射強(qiáng)度場和液滴能量平衡解決[7]。

為簡化模型，假設(shè)氣相的吸收和散射作用暫時(shí)不考慮，則熱輻射傳輸方程如式（1）所示：

式中：s為熱輻射強(qiáng)度單位向量；ΔIλ為熱輻射強(qiáng)度向量微分；kd為液滴吸收因子；σd為液滴散射因子；Ib,d為液滴發(fā)射項(xiàng)因子；Φ(s,s′)為散射項(xiàng)函數(shù)，即方向從s′到s的散射強(qiáng)度。

局部的吸收和散射因子則通過局部液滴數(shù)量密度N（x）和平均粒徑dm（x）進(jìn)行計(jì)算，如式（2）和式（3）所示。

式中：r為液滴直徑；Ca，Cs為相對(duì)應(yīng)的吸收和散射橫截面積；f(r,dm)為液滴數(shù)量密度函數(shù)，假設(shè)與初始液滴粒徑分布保持一致，但平均直徑取決于坐標(biāo)x。

數(shù)值模擬的實(shí)際應(yīng)用，則通過公式（4）和（5）來實(shí)現(xiàn)：

式中：Ad為單位體積內(nèi)液滴橫截面積之和，可通過一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)所有液滴的橫截面積和計(jì)算，通常乘以0.5的系數(shù)。

1.2 模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

選用2 000 m3內(nèi)浮頂汽油儲(chǔ)罐池火為模擬對(duì)象，該油罐罐體參數(shù)如下：①儲(chǔ)罐內(nèi)徑D為15.8 m；②儲(chǔ)罐罐壁高度H1為11.8 m；③燃燒液面高度H2為11.3 m。

模型假設(shè)浮盤傾斜，油罐表面有一半面積著火，即著火面積為98 m2。以95號(hào)汽油的物性參數(shù)進(jìn)行模型設(shè)置，包括油品密度、比熱、熱傳導(dǎo)率、火焰對(duì)外的輻射分?jǐn)?shù)、熱釋放速率等參數(shù)。

本例中油罐間距依據(jù)我國規(guī)范大于0.6D，設(shè)為9.5 m。本次模擬共設(shè)置了3個(gè)油罐，其中著火罐位于中間，其兩側(cè)分別布置一個(gè)同型號(hào)油罐，火源位置及油罐布置如圖1所示。

根據(jù)GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第8.4.7條規(guī)定，消防冷卻水供水強(qiáng)度為2.5 L/（min·m2），對(duì)模型進(jìn)行消防設(shè)計(jì)計(jì)算，在高度為10 m和7 m處設(shè)置兩層噴頭；相鄰罐冷卻罐壁表面積的1/2，噴淋冷卻噴頭設(shè)置如圖1中藍(lán)色圓點(diǎn)所示。

圖1 油罐布置及噴淋冷卻水噴頭設(shè)置

為研究各項(xiàng)火場參數(shù)，模型設(shè)置了多個(gè)熱輻射強(qiáng)度探測點(diǎn)、溫度探測點(diǎn)，用于測量著火罐及相鄰罐的罐壁溫度及所受的熱輻射強(qiáng)度，如圖2中的黃色圓點(diǎn)所示。

圖2 熱輻射及溫度探測點(diǎn)布置圖

2 仿真結(jié)果分析

2.1 儲(chǔ)罐對(duì)熱輻射強(qiáng)度及溫度的響應(yīng)

理論和試驗(yàn)研究均表明，在開敞空間的儲(chǔ)罐油品類池火，著火罐壁溫會(huì)迅速升高，油品燃燒5 min左右，油面以上罐壁溫度可接近500℃，鋼結(jié)構(gòu)承載能力下降約35%；8～10 min后達(dá)到甚至超過700℃，油面以上的罐壁鋼板將失去支撐能力，發(fā)生坍塌變形造成著火油品外溢，增大撲救難度。

大型儲(chǔ)罐熱傳遞的主導(dǎo)模式為熱輻射，有研究表明儲(chǔ)罐燃燒時(shí)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射在反饋熱量所占的比例分別接近1%、9%和90%。因此著火罐火焰形成的高強(qiáng)度熱輻射也是導(dǎo)致相鄰儲(chǔ)罐失效和人員傷亡的主要原因。表1為常用的熱輻射毀傷準(zhǔn)則[8]。

相鄰儲(chǔ)罐的冷卻水供給強(qiáng)度國內(nèi)至今未開展過試驗(yàn)，目前國家規(guī)范中的冷卻強(qiáng)度是根據(jù)已有試驗(yàn)的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式推算確定的。本文通過計(jì)算機(jī)流體力學(xué)仿真計(jì)算，對(duì)照熱輻射毀傷準(zhǔn)則及罐壁溫度影響，對(duì)著火罐及相鄰罐在不同噴淋冷卻強(qiáng)度下的防護(hù)效果進(jìn)行分析研究。

2.2 著火罐在噴淋冷卻干預(yù)與無干預(yù)下的仿真分析

模型分別在有噴淋冷卻干預(yù)和無干預(yù)的條件下仿真運(yùn)行，對(duì)距離罐頂0.5 m高度的罐壁編號(hào)為106的溫度測點(diǎn)和罐壁編號(hào)為106熱輻射測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制著火罐在該點(diǎn)的罐壁溫度變化曲線和罐壁所受熱輻射強(qiáng)度變化曲線，分別如圖3～圖6所示。

表1 熱輻射毀傷準(zhǔn)則

圖3 無干預(yù)的著火罐罐壁編號(hào)106測點(diǎn)溫度曲線

圖4 無干預(yù)的著火罐罐壁編號(hào)106所受熱輻射強(qiáng)度曲線

圖5 標(biāo)準(zhǔn)冷卻強(qiáng)度下的著火罐罐壁溫度曲線

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，油罐池火發(fā)展成熟后，在我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)消防冷卻強(qiáng)度2.5 L/（min·m2）下，相同溫度測點(diǎn)處，著火罐罐壁溫度依然隨時(shí)間呈線性升高，且升高速率與無干預(yù)情形下基本一致，說明噴淋冷卻水對(duì)于降低著火罐罐壁溫度的作用微乎其微。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)冷卻強(qiáng)度下的著火罐罐壁編號(hào)106所受熱輻射強(qiáng)度曲線

受湍流作用影響，罐壁所受熱輻射強(qiáng)度波動(dòng)較大，但整體穩(wěn)定在250 kW/m2，噴淋冷卻與無干預(yù)作用下的熱輻射數(shù)值幾乎相同，表明噴淋冷卻對(duì)于降低著火罐罐壁所受熱輻射的作用也不明顯。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)不同冷卻強(qiáng)度對(duì)著火罐冷卻的有效性，增大噴淋冷卻強(qiáng)度到3.0 L/（min·m2）對(duì)著火罐進(jìn)行噴淋冷卻。模擬結(jié)果表明，增大噴淋強(qiáng)度后罐壁溫度以及所受熱輻射變化趨勢(shì)，與無噴淋作用以及標(biāo)準(zhǔn)噴淋強(qiáng)度作用下的特征值相似，表明即使增大我國現(xiàn)有規(guī)范中的冷卻強(qiáng)度，對(duì)于著火罐的保護(hù)作用也非常微弱。

綜上所述，油罐池火事故中，著火罐外壁的冷卻噴淋系統(tǒng)對(duì)于罐體的保護(hù)作用十分有限，與國外規(guī)范中不要求對(duì)著火罐進(jìn)行噴淋冷卻的理念非常相符。同時(shí)該類消防設(shè)施在事故發(fā)生時(shí)可能遭到破壞，火災(zāi)現(xiàn)場的有效性值得商榷，著火罐發(fā)生火災(zāi)后，控制火災(zāi)局勢(shì)還應(yīng)以著火罐的泡沫消防為主，撲滅火源為保證著火罐罐壁不發(fā)生過熱坍塌的根本。

2.3 相鄰罐在噴淋冷卻干預(yù)與無干預(yù)下的仿真分析

油罐池火為開敞空間的大型火災(zāi)，火焰較高，火勢(shì)較猛，撲滅時(shí)間相對(duì)較長，相鄰罐在火災(zāi)事故中受到長時(shí)間的高溫及熱輻射影響，易引發(fā)次生事故[9]，因此國內(nèi)外規(guī)范均要求對(duì)相鄰罐進(jìn)行噴淋冷卻，但對(duì)冷卻水供給強(qiáng)度的規(guī)定頗有差異。本文通過構(gòu)建模型，對(duì)火災(zāi)事故中相鄰罐受到的溫度及熱輻射傷害進(jìn)行分析，探討不同強(qiáng)度的消防冷卻水的保護(hù)效果。

圖7為相鄰罐罐頂區(qū)域溫度及熱輻射強(qiáng)度測點(diǎn)布置圖，圖8是無干預(yù)、我國相鄰罐標(biāo)準(zhǔn)噴淋強(qiáng)度2.0 L/（min·m2）、1.5倍標(biāo)準(zhǔn)噴淋強(qiáng)度3.0 L/（min·m2）作用下，相鄰罐罐頂區(qū)域罐壁溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化曲線。

圖7 測點(diǎn)位置圖

仿真結(jié)果表明，油罐池火發(fā)生后，與著火罐相鄰的油罐其罐壁溫度隨時(shí)間呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì)，越靠近罐頂?shù)膮^(qū)域，壁面溫度升高越快，并隨著時(shí)間有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。在無干預(yù)情形下，燃燒100 s時(shí)距離罐頂0.5 m、2 m、3.5 m處測點(diǎn)的壁面溫度分別為130℃、85℃、60℃；在噴淋冷卻工況下，上述測點(diǎn)值依次為55℃、40℃、25℃，分別降低了57.7%、52.9%、58.3%。這說明相鄰罐的消防噴淋冷卻系統(tǒng)對(duì)于降低該罐罐壁溫度具有明顯作用。在1.5倍標(biāo)準(zhǔn)噴淋冷卻強(qiáng)度作用下，相鄰罐罐壁溫度變化與標(biāo)準(zhǔn)噴淋強(qiáng)度下的溫度變化趨勢(shì)幾乎相同，各溫度測點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化速率相同，即在此情況下小幅增大噴淋冷卻強(qiáng)度并不能起到降低相鄰罐溫度的效果。

圖9分別是無干預(yù)、我國相鄰罐標(biāo)準(zhǔn)噴淋冷卻強(qiáng)度2.0L/（min·m2）、1.5倍標(biāo)準(zhǔn)噴淋冷卻強(qiáng)度3.0L/（min·m2）作用下，相鄰罐罐頂區(qū)域罐壁所受的熱輻射強(qiáng)度變化曲線。

圖8 相鄰罐罐壁溫度變化曲線

圖9 相鄰罐罐壁所受熱輻射強(qiáng)度變化曲線

從圖9可看出，標(biāo)準(zhǔn)噴淋冷卻強(qiáng)度作用下，在相鄰罐罐壁所受熱輻射達(dá)到穩(wěn)定后，距離罐頂0.5 m、2 m、3.5 m處的壁面熱輻射值分別為18 kW/m2、10 kW/m2、5 kW/m2，與無干預(yù)下各測點(diǎn)值相比，分別降低了33%、23.1%、33%。參考熱輻射傷害準(zhǔn)則，噴淋冷卻工況下只有靠近罐頂0.5 m高度區(qū)域的罐壁及附屬設(shè)施有小幅受損的風(fēng)險(xiǎn)，而其下部罐壁全部處于安全狀態(tài)，表明相鄰罐的噴淋冷卻是一種有效的防護(hù)手段。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，目前兩種噴淋冷卻強(qiáng)度作用下，相鄰罐罐壁所受熱輻射強(qiáng)度的穩(wěn)定值幾乎相同，說明1.5倍標(biāo)準(zhǔn)噴淋冷卻強(qiáng)度并不能明顯增大對(duì)鄰罐的防護(hù)作用。

3 結(jié)論

通過汽油儲(chǔ)罐池火仿真計(jì)算，分析著火罐及其相鄰罐在不同消防冷卻水供給強(qiáng)度下的溫度和所受熱輻射強(qiáng)度變化規(guī)律，總結(jié)得出以下兩條結(jié)論。

1)油罐發(fā)生池火后，采用我國現(xiàn)行規(guī)范的噴淋冷卻強(qiáng)度，對(duì)降低著火罐罐壁溫度及所受熱輻射強(qiáng)度效果微弱，一定程度上驗(yàn)證了國外消防設(shè)計(jì)中著火罐不設(shè)噴淋冷卻的可行性，有助于在國際項(xiàng)目中提高消防設(shè)計(jì)的靈活性。

2)油罐火災(zāi)事故中，對(duì)相鄰罐采用我國現(xiàn)行規(guī)范的消防噴淋冷卻強(qiáng)度，可有效降低相鄰罐罐壁溫度和所受熱輻射強(qiáng)度，對(duì)加強(qiáng)相鄰罐安全具有較好的效果。一定范圍內(nèi)單純?cè)龃髮?duì)相鄰罐的消防噴淋冷卻強(qiáng)度，并不能明顯增強(qiáng)對(duì)該罐的防護(hù)作用，表明我國現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)相鄰罐的消防冷卻水供給強(qiáng)度的設(shè)定較為科學(xué)。