汽油泄漏的池火災危害特性及安全間距研究

齊玉鳳,任家帆,楊 森,何中其

(1.南京理工大學化工學院,江蘇 南京 210094;2.江蘇省特種安全防護產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心,江蘇 泰州 225300)

柴油、汽油一直是工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的燃料，其儲存場所的油料量大，一旦發(fā)生泄漏極易形成大面積的液池并引發(fā)火災，會對周邊人員和財產(chǎn)造成非常嚴重的損害。根據(jù)油料泄漏的池火災特點，其對外界的傷害主要來源于熱輻射。當熱輻射強度為4 kW/m2時，該位置的現(xiàn)場暴露人員會被輕度燒傷；當熱輻射強度為12.5 kW/m2時，該位置接收到的熱輻射能量已達到塑料熔化的最低能量，該位置的現(xiàn)場暴露人員會被重度燒傷；當熱輻射強度為25 kW/m2時，會引發(fā)木材燃燒，該位置的人員現(xiàn)場暴露時間超過1 min的死亡率將達到100%。此外，我國《石油庫設計規(guī)范》(GB 50074—2014)中規(guī)定，當某油庫起火時，相鄰油庫在該火源熱輻射的作用下，即使沒有任何保護措施，也不會起火的最小距離為安全間距。因此，根據(jù)各類油品儲罐區(qū)域的實際情況，制定出合理的安全間距具有非常重要的意義。

近幾年，我國發(fā)生了多起油料泄漏引發(fā)的池火災事故。例如2013年6月，中石油大連石化分公司位于甘井子區(qū)廠區(qū)內的一聯(lián)合車間939號油罐著火，火災造成2人受傷、2人失蹤，設備設施也遭到了不同程度的損壞?；谑鹿暑A防的角度，需要開展大存量油料儲存設備設施泄漏引起的池火災的危害特性及其安全防范措施方面的研究。國內外學者對油料泄漏引起的池火災已進行了大量深入的研究，如Borja等[1]采用FLACS-Fire和CFD程序對柴油和汽油泄漏大規(guī)模池火災進行了模擬，并對兩種模型下池火災的燃燒特性參數(shù)進行了定量誤差估計，但沒有對池火災的安全距離進行分析；蒲金云等[2]利用CFD模型對庚烷油池火災的熱輻射效應進行了仿真研究，得出熱輻射和熱對流是庚烷持續(xù)燃燒的主要因素，但沒有分析庚烷池火災熱輻射的影響范圍；張培紅等[3]對小尺寸柴油池火災進行了研究，得出了主輔油盤間的安全間距，但沒有對大尺寸柴油池火災進行分析，工程應用性不高。鑒于近幾年對汽油池火災的大部分研究都是實驗室內的小尺寸燃燒，利用CFD模擬室外大型汽油池火燃燒特性的研究很匱乏，本文以外泄汽油池火災為例，根據(jù)經(jīng)驗估算和CFD仿真模擬，對汽油燃燒的熱輻射通量和安全間距進行研究，以為制定罐區(qū)的安全間距提供參考。

1 汽油池火災的燃燒特性參數(shù)

1.1 質量燃燒速率

小尺度汽油池火災的燃燒速率有不同的表述方式，但多采用單位時間單位面積上燃燒掉的汽油質量來表示其質量燃燒速率，即：

(1)

式中:m″為汽油的質量燃燒速率[kg/(m2·s)];wf為汽油的質量(g)；Δt為汽油的燃燒時間(s);Af為油盤的面積(m2)。

對于大型室外汽油池火災，采用Babrauskas[4]提出的適合于大直徑池火災的燃燒速率估算公式，可表示為

(2)

1.2 火焰高度

油池火燃燒可以分為三個階段：增長階段、穩(wěn)定燃燒階段、燃燒衰減階段[6]。由于油池火燃燒的三個階段中穩(wěn)定燃燒階段所用的時間最長，所以本文主要分析油池火穩(wěn)定燃燒階段的火焰高度。火焰高度的計算公式可表示為[7]

(3)

式中：h為汽油池火災的火焰高度(m);r為汽油池火災的半徑(m)；ρ0為周圍空氣的密度，取值為1.293 kg/m3(標準狀態(tài))；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

1.3 熱輻射通量

油池火的熱輻射模型有兩種：點源模型和固體火焰模型[8]。其中，點源模型將油池火假設為一個熱輻射中心點，成半球狀向周圍空氣輻射熱量，并且假設地表完全吸熱，蒸發(fā)的燃料完全燃燒；固體火焰模型又分為LNGFire3模型和POFMISE模型，這兩種模型主要適用于儲罐火災[9]。本文所討論的主要是外泄汽油池火災，故選取點源模型來研究熱輻射通量及下一節(jié)的熱輻射強度。

大尺度汽油池火災的總輻射熱通量的計算公式可表示為[7]

(4)

式中：Hc為汽油的燃燒熱[7]，取值為4.37×104kJ/kg；η為汽油的效率因子[7]，經(jīng)調研取值為0.13～0.35，本文中取其平均值0.24。

1.4 熱輻射強度

本文利用點源模型來研究油池火的熱輻射強度，將油池火災假設成一個在液池中心的點[5]，并且全部的輻射來自于這個中心點，那么位于點源一定距離的目標物所受到的熱輻射強度可表示為

(5)

式中：I為距點源一定距離的目標物所受到的熱輻射強度[J/(cm2·min)];tc為熱傳導系數(shù)，取值為1；X為目標物到液池中心點的距離(m)。

2 油池直徑對安全間距影響的數(shù)值計算

作為汽油池火災的重要影響因素，油池直徑一直是國內外學者研究的重要內容[10]。有研究表明，汽油池火災的熱傳遞方式是隨油池直徑的變化而變化[11]的。火災造成的損失除了來自初始火源自身外，還可能因為設備設施之間的安全距離不夠，引發(fā)多米諾火災效應而造成更嚴重的災難(二次災害)[12]，同時也給救援工作帶來更大的困難。本文以92#汽油為例，對油池直徑對火焰高度和熱輻射通量兩個因素的影響進行了數(shù)值計算，研究其對汽油池火災燃燒特性參數(shù)的具體影響。

據(jù)統(tǒng)計，大型油庫泄漏[13]油池直徑大都在10～150 m之間，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)可計算得出不同油池直徑的汽油池火災對應的火焰高度和熱輻射通量，見表1。

表1 不同油池直徑的汽油池火災對應的火焰高度和熱輻射通量

火焰高度和熱輻射通量的增長率與油池直徑的關系曲線，見圖1。

圖1 火焰高度和熱輻射通量的增長率與油池直徑的 關系曲線圖Fig.1 Relationship between the growth rates of flame height and thermal radiation flux and the diameter of gasoline pool

由圖1可以看出：

(1) 隨著油池直徑的增加，火焰高度顯著增長；當油池直徑在10～40 m的范圍內時，火焰高度的增長率呈直線下降；當油池直徑大于40 m后，火焰高度的增長率顯著變慢，其增長率穩(wěn)定在0.07%。

(2) 隨著油池直徑的增加，熱輻射通量增長顯著；當油池直徑從10 m增加到40 m時，熱輻射通量增大了11倍；當油池直徑大于40 m后，熱輻射通量隨油池直徑的增加以0.25倍的速率穩(wěn)定增長。

3 案例數(shù)值計算與CFD仿真模擬分析

本文結合具體案例對汽油池火災的熱輻射危害范圍進行了經(jīng)驗估算和CFD(Computational Fluicl Dynamics)仿真模擬分析。

3.1 案例設計與數(shù)值分析

廣州某油庫有4個150 m3內浮頂罐(見圖2),其中儲存92#汽油，單個儲罐最大汽油存量為1.5×104t 。一汽油罐因油氣泄漏發(fā)生閃燃致罐頂呼吸閥著火，10 min后火被撲滅。已知儲罐防火堤內的有效液池面積約為15 000 m2,根據(jù)公式計算得到油池的直徑D=138.23 m。

圖2 廣州某油庫儲罐區(qū)簡圖Fig.2 Diagram of the tank farm of an oil storage in Guangzhou

基于該油庫具體的實際情況，對模型做出如下假設[14]：

(1) 地表完全吸熱；

(2) 熱輻射通量接收物體垂直于地表且遠離火源；

(3) 蒸發(fā)的液體燃料完全燃燒；

(4) 選取油池火穩(wěn)定燃燒階段(假設應用于CFD仿真)。

本文采用Matlab軟件根據(jù)公式(2)至(5)編制數(shù)值計算程序，對無風條件下進行數(shù)值計算，得出此次汽油泄漏引起的池火災事故的相關數(shù)據(jù)如下：汽油的質量燃燒速率ms為0.055 kg/(m2·s);汽油池火災的火焰高度h為100.37 m;汽油池火災的熱輻射通量Q為2.42×106kW。

汽油池火災不同熱輻射強度下的安全間距見表2。

表2 汽油池火災不同熱輻射強度下的安全間距

根據(jù)不同的熱輻射強度對設備和人員的傷害程度準則，可以得出：

(1) 在距離火源中心219.47 m處人員會被輕度燒傷；

(2) 在距離火源中心124.15 m處人員會被重度燒傷；

(3) 在距離火源中心87.79 m處人員會死亡；

(4) 在距離火源中心71.67 m處設備設施會全部損壞。

3.2 CFD仿真模擬與分析

3.2.1 基本控制方程

在Fluent軟件中，可燃氣體流動的模擬主要依據(jù)質量、動量和能量守恒三個定理來實現(xiàn)[15-16]：

質量守恒方程：

(6)

動量守恒方程：

(7)

能量守恒方程：

(8)

式中：ρ為密度(kg/m3)；t為時間(s)；為拉普拉斯算子；υ為速度矢量(m/s)；p為壓力(Pa)；τ為應力張量；E為氣體組分焓值(kJ/kg)；keff為有效導熱系數(shù);Jj為組分j的散熱通量(kW/m2)。

3.2.2 計算域的設置

計算域為半球形，半徑為600 m。采用拓撲切分的全六面體網(wǎng)格劃分方式，對火焰附近區(qū)域進行網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格尺寸為1.5 m；從火焰中心位置往外圍漸變過渡，網(wǎng)格增長比例為1.2，網(wǎng)格總數(shù)為452 400。假定地面為絕熱邊界，計算域外圍為敞開環(huán)境邊界，見圖3。

圖3 計算域示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation area

3.2.3 模擬結果分析

(1) 溫度場分析：設置溫度場每35℃為一單元，仿真模擬得到溫度場見圖4。

圖4 溫度場示意圖Fig.4 Schematic diagram of temperature field

由圖4可見，模擬火焰的最高溫度為900 K，分布于火焰面和外場計算域；火焰面的溫度最高，隨著熱量向周圍空氣的擴散，溫度逐漸降低至室溫。

(2) 熱輻射分析：仿真模擬得到不同熱輻射強度的傷害范圍見圖5。

圖5 不同熱輻射強度的傷害范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of damage range of different thermal radiation intensity

由圖5可見，越接近火焰，熱輻射強度越大，相應溫度也越高；根據(jù)不同的熱輻射強度對設備和人員的傷害程度準則，距火焰最近的第一層是四級傷害區(qū)，第二層是死亡區(qū)，第三層是重傷區(qū)，火焰最遠處為輕傷區(qū)，以外的區(qū)域則是安全區(qū)。

根據(jù)Fluent軟件仿真模擬，得到油池直徑為138.23 m、火焰高度為100.37 m下的熱輻射強度及其對應的傷害范圍，將該仿真模擬結果與數(shù)值計算結果進行了對比，兩者具有很好的吻合性。

由此經(jīng)驗估算與仿真模擬的結果可以得出：人員和設備分別在距離汽油池火災219.47 m和71.67 m的范圍內遭受輕度燒傷和徹底損壞，故救援時人員應在距離火源大于220 m以外的區(qū)域展開救援。

4 結 論

本文通過對汽油池火災的燃燒特性參數(shù)、安全距離影響因素以及具體案例的分析，可以得到以下結論：

(1) 隨著油池直徑的增加，火焰高度顯著增長；當油池直徑在10～40 m的范圍內時，火焰高度的增長率呈直線下降；當油池直徑大于40 m后，火焰高度的增長率顯著變慢，其增長率穩(wěn)定在0.07%。

(2) 隨著油池直徑的增加，熱輻射通量增長顯著；當油池直徑從10 m增加到40 m時，即油池直徑變大4倍，熱輻射通量增大了11倍；當油池直徑大于40 m后，熱輻射通量隨油池直徑的增加以0.25倍的速率穩(wěn)定增長。

(3) 通過對案例進行經(jīng)驗估算與CFD仿真模擬，結果表明：1.5×104t的油罐泄漏后，人員和設備分別在距離汽油池火災219.47 m和71.67 m的范圍內遭受輕度燒傷和徹底損壞。因此，故救援時人員應在距離火源大于220 m以外的區(qū)域展開救援。