隔堤對儲罐區(qū)全面積火災(zāi)影響的數(shù)值模擬研究

趙煥省

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室,山東青島 266104)

0 前言

儲罐區(qū)隔堤的作用是在儲罐發(fā)生可控的泄漏事故時，減少污染范圍和流淌火災(zāi)影響區(qū)域。對于可燃液體儲罐防火堤及隔堤的設(shè)置，各標(biāo)準(zhǔn)都有相應(yīng)的規(guī)定。國內(nèi)涉及可燃液體儲罐的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范(2018年版)》、GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、GB 50074—2014《石油庫設(shè)計規(guī)范》、GB 50737—2011《石油儲備庫設(shè)計規(guī)范》、GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)(2018年版)》等專業(yè)規(guī)范，而且有專門針對防火堤的設(shè)計規(guī)范GB 50351—2014《儲罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》。各規(guī)范對儲罐防火堤及隔堤的設(shè)置大同小異，都是根據(jù)儲存介質(zhì)、儲罐容積以及罐型進(jìn)行設(shè)置。對于防火堤內(nèi)池火災(zāi)的影響，石一丁等采用三維CFD火災(zāi)模擬軟件KFX對某原油罐區(qū)不同尺度池火場景進(jìn)行模擬，計算得到不同熱輻射通量的影響范圍以及被火焰包裹的設(shè)施所受到的熱輻射通量。馬志榮等利用可燃液體池火災(zāi)熱輻射評價模型與穩(wěn)態(tài)火災(zāi)作用下的熱通量傷害準(zhǔn)則，對某大型油庫原油儲罐火災(zāi)進(jìn)行事故后果模擬分析，計算火災(zāi)事故波及的范圍和嚴(yán)重程度。

國外公開標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于防火堤的標(biāo)準(zhǔn)主要為美國消防協(xié)會的NFPA 30《Flammable and Combustible Liquids Code》，這項標(biāo)準(zhǔn)早先被國內(nèi)采標(biāo)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6344—2010《易燃和可燃液體規(guī)范》。此外，俄羅斯、加拿大及日本標(biāo)準(zhǔn)也有關(guān)于防火堤的規(guī)定，與我國做法有些不同，但這些不同主要集中在材質(zhì)要求、高度及頂部寬度要求以及儲罐與防火堤間距、有效容積等方面。NFPA 30中對隔堤的設(shè)置提出了要求，對于儲存在弱頂錐型罐、浮頂罐中的穩(wěn)定可燃液體，當(dāng)單罐容積大于1 590 m時應(yīng)一罐一隔。對于防火堤內(nèi)池火災(zāi)的影響，F(xiàn)ernanda采用CFD計算模型對兩個受火焰影響的相鄰儲罐進(jìn)行安全性能評價。Syed描述了一個單點源模型，用來預(yù)測不同直徑和容積下的大型全表面火災(zāi)輻射熱通量。Maleki以南帕斯地區(qū)的某一石油化工廠的汽油儲罐區(qū)為例研究其在發(fā)生池火災(zāi)后的安全距離。Wenhe Wang等指出油罐內(nèi)池火燃燒的熱輻射是油罐間火焰蔓延的主要原因，并運用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計算，得出接近地面的池火熱輻射強(qiáng)度小于罐口的熱輻射強(qiáng)度。熱輻射產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致鄰近油罐發(fā)生火災(zāi)爆炸等事故。

綜合國內(nèi)外的研究情況，多集中在儲罐防火間距以及后果計算模型的研究，針對防火堤內(nèi)隔堤的影響研究鮮見報道。為了研究設(shè)置隔堤對阻止罐區(qū)火災(zāi)蔓延的作用，對比設(shè)置隔堤與不設(shè)置隔堤的火災(zāi)影響結(jié)果，本文選擇典型規(guī)格儲罐及油品，篩選事故場景進(jìn)行事故影響模擬對比，分析不同規(guī)格儲罐組設(shè)置隔堤的必要性。

1 火災(zāi)熱輻射對儲罐的影響判定準(zhǔn)則

儲罐本體發(fā)生火災(zāi)，在確定的儲罐間距條件下，無論是全面積火災(zāi)還是局部火災(zāi)(如密封圈處、通氣孔處等)，對相鄰儲罐的影響與是否設(shè)置隔堤關(guān)系不大，主要受儲罐介質(zhì)、儲罐類型、存儲條件、風(fēng)向、相鄰儲罐是否要設(shè)有相關(guān)保護(hù)等因素控制。但儲罐區(qū)一旦發(fā)生泄漏，儲罐物料在地面流淌，形成液池，被點燃后形成池火。如果在地面流淌前或流淌中被點燃，則形成流淌火。理論上來說，形成液池的大小受泄漏物料的本身性質(zhì)和地面坡度、粗糙度有關(guān)，但如果在流淌過程中遇到隔堤阻擋，只要泄漏物料不沖出或者溢出隔堤(頂部或者通過其他孔洞、縫隙)，液池將限定在隔堤以內(nèi)(相對泄漏儲罐)，火災(zāi)燃燒面也將限定在隔堤以內(nèi)。

隔堤內(nèi)發(fā)生池火，池火面積越小，其影響范圍也就越小，因此，本研究不考慮小范圍火災(zāi)，也不考慮小范圍的流淌火災(zāi)，重點考慮隔堤全面積池火。

根據(jù)LASTFIRE的研究報告，對儲罐間距0.5倍直徑，僅小型儲罐的全面積火災(zāi)可蔓延至鄰近儲罐。對于直徑40 m的儲罐只有在風(fēng)速12～15 m/s時才可能蔓延至鄰近儲罐。研究認(rèn)為導(dǎo)致火災(zāi)蔓延的熱輻射值主要取決于鄰近儲罐儲存介質(zhì)的類型。通常認(rèn)為熱輻射值8 kW/m是比較保守的值，有些企業(yè)采用12.58 kW/m的臨界值，這個熱輻射量是將完全熱隔離的空白鐵板升溫至300 ℃的所需熱量。在這個溫度下，鋼板的高溫表面可能引燃鄰近的可燃?xì)狻?/p>

因此，分別采取8 kW/m和12.58 kW/m兩個值，來判定是否達(dá)到火災(zāi)蔓延條件，其中，8 kW/m屬于保守值，在達(dá)到該數(shù)值時，相鄰儲罐需要開啟冷卻噴淋。

2 火災(zāi)熱輻射對儲罐的影響二維初步模擬

2.1 模型建立

根據(jù)GB50160—2008第6.2.12條第2款：隔堤內(nèi)有效容積不應(yīng)小于隔堤內(nèi)1個最大儲罐容積的10%。為了計算方便，采用四罐一組，罐型及大小一致。以固定頂儲罐作為研究模型，根據(jù)GB50160—2008第6.2.8條，固定頂罐間距≤1 000 m時為0.75

D

(

D

為罐的直徑)，大于1 000 m時為0.6

D

。儲罐罐壁至防火堤距離為0.5

H

(

H

為罐壁高度)。隔堤位于儲罐中間位置。假設(shè)隔堤寬度0.3 m，儲罐基礎(chǔ)比儲罐直徑大0.15 m。根據(jù)文獻(xiàn)資料、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和上述規(guī)定及假設(shè)，得出固定頂罐區(qū)隔堤的相關(guān)參數(shù)，見表1。

表1 固定頂罐罐區(qū)隔堤相關(guān)參數(shù)

采用DNV公司的Phast軟件進(jìn)行初步篩選，分析隔堤池火災(zāi)對相鄰儲罐的影響。物料以92#汽油為例，體積組成為92%的異辛烷(2，2，4-三甲基戊烷)及8%的正庚烷,風(fēng)速選取1.5 m/s。

由于Phast軟件中的液池火災(zāi)模型為圓形液池，而隔堤內(nèi)形成的液池為正方形(液池中間為儲罐)，在篩選階段，采用等效直徑來計算。液池直徑采用等效直徑計算時，按照圓形與正方形面積相等的原則。

2.2 儲罐隔堤池火災(zāi)二維初步模擬結(jié)果

采用等效液池直徑時，初步模擬結(jié)果見表2(表中數(shù)據(jù)為風(fēng)速為1.5 m/s時所得數(shù)據(jù))?？梢钥闯?，在風(fēng)速為1.5 m/s時，2 000 m固定頂罐隔堤內(nèi)發(fā)生全面積池火有可能不發(fā)生火災(zāi)蔓延。而在2 000 m以下儲罐組成的罐區(qū)，設(shè)置隔堤并不能防止火災(zāi)的蔓延。

表2 固定頂罐罐區(qū)隔堤池火初步模擬結(jié)果

3 火災(zāi)熱輻射對儲罐的影響三維模擬

3.1 三維模型建立

根據(jù)二維初步模擬結(jié)果，在風(fēng)速為1.5 m/s時，2 000 m固定頂罐隔堤內(nèi)發(fā)生池火就有可能不發(fā)生火災(zāi)蔓延。而風(fēng)速越大，火災(zāi)影響范圍也越大。采用KFX軟件進(jìn)行三維模擬，分別模擬2 000，3 000，5 000，10 000，20 000，30 000 m固定頂罐發(fā)生掀頂后的全面積火災(zāi)，隔堤內(nèi)全面積池火。三維建模如圖1所示。風(fēng)速選擇1.5 m/s。汽油的初始蒸發(fā)燃燒速率由軟件推薦，為0.005 kg/(m·s)，火災(zāi)發(fā)生后根據(jù)熱輻射及熱對流傳導(dǎo)計算實際的燃燒速率。

圖1 儲罐區(qū)模型

燃燒模型采用Magnussen提出的渦耗散概念模型(Eddy Dissipation Concept)，即被廣泛應(yīng)用于燃燒模擬中的EDC模型，該模型已經(jīng)過實驗驗證。

熱輻射計算采用Shah和Lockwood提出的離散傳遞模型(Discrete Transfer model)，即DTM模型。

3.2 固定頂罐隔堤池火災(zāi)三維模擬結(jié)果

根據(jù)以上模型及假設(shè)，以10 000 m固定頂罐隔堤池火災(zāi)為例，模擬的影響范圍見圖2?？梢钥闯?，在1.5 m/s風(fēng)速條件下：在著火后600 s時，火災(zāi)下風(fēng)向，8 kW/m影響范圍約34 m(含液池半徑)，12.5 kW/m影響范圍約為26 m，固定頂罐隔堤內(nèi)全面積池火尚不能蔓延到相鄰儲罐；在著火后1 200 s時，火災(zāi)下風(fēng)向，8 kW/m影響范圍約44 m(含液池半徑)，12.5 kW/m影響范圍約為38 m，固定頂罐隔堤內(nèi)全面積火災(zāi)已經(jīng)有可能蔓延到相鄰儲罐(正順下風(fēng)向尚未達(dá)到相鄰儲罐，但偏北方向局部達(dá)到了儲罐)。

圖2 10 000 m3固定頂罐隔堤池火影響范圍

綜合各種規(guī)格儲罐隔堤的池火災(zāi)模擬結(jié)果可見表3，在風(fēng)速為1.5 m/s時，在點火后1 200 s，10 000 m以上固定頂罐隔堤內(nèi)發(fā)生全面積池火就有可能不發(fā)生火災(zāi)蔓延。10 000 m固定頂罐有可能發(fā)生火災(zāi)蔓延是因為在風(fēng)的作用下火焰向下風(fēng)向左側(cè)有所偏移，導(dǎo)致下風(fēng)向相鄰儲罐左側(cè)非迎風(fēng)面局部達(dá)到了12.5 kW/m的熱輻射強(qiáng)度。

表3 固定頂罐罐區(qū)隔堤池火三維模擬結(jié)果(1 200 s)

根據(jù)三維模擬結(jié)果可見，在1.5 m/s的風(fēng)速下，在固定頂罐大于等于20 000 m時，設(shè)置隔堤可以防止發(fā)生火災(zāi)蔓延，而對于小型固定頂罐(罐容小于等于5 000 m)，設(shè)置隔堤并不能阻止火災(zāi)的蔓延。

以上結(jié)果是在軟件推薦初始燃燒速率為0.005 kg/(m·s)時得出的。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，汽油的燃燒速率為0.081～0.092 kg/(m·s)，DNV公司的Phast軟件中給出的數(shù)據(jù)為0.09 kg/(m·s)，如果將0.09 kg/(m·s)作為初始燃燒速率，模擬10 000 m固定頂罐區(qū)燃燒了160 s的火災(zāi)，影響范圍見圖3。

圖3 風(fēng)速1.5 m/s時10 000 m3固定頂罐隔堤池火影響范圍

從圖3可見，如果初始燃燒速率即可達(dá)到0.09 kg/(m·s)時，在著火后不到20 s時就可能引燃相鄰儲罐，也就是說，對于一個發(fā)展迅速的池火災(zāi)，火災(zāi)熱輻射將迅速達(dá)到引燃相鄰儲罐的程度。

4 研究結(jié)論及建議

4.1 隔堤對防止隔堤內(nèi)全面積火災(zāi)蔓延的影響研究結(jié)果

防火堤內(nèi)設(shè)置隔堤的主要目的是減少泄漏油品的污染范圍，同時，在發(fā)生流淌火災(zāi)時可以把火災(zāi)限定在一個較小的區(qū)域。因此，從減少污染及降低小范圍流淌火災(zāi)影響來看，設(shè)置隔堤是有作用的。

根據(jù)火災(zāi)熱輻射的三維模擬結(jié)果表明，對固定頂罐，在軟件推薦初始燃燒速率0.005 kg/(m·s)，風(fēng)速為1.5 m/s時，在點火后1 200 s內(nèi)(火災(zāi)初期，沒有充分燃燒起來)，20 000 m及以上固定頂罐隔堤內(nèi)發(fā)生全面積池火就有可能不發(fā)生火災(zāi)蔓延。說明對于初期發(fā)展不迅速的液池火災(zāi)，20 000 m及以上固定頂罐設(shè)置隔堤對阻止火災(zāi)蔓延是有一定作用的，但必須在火災(zāi)沒有充分發(fā)展起來之前做好滅火工作，當(dāng)火災(zāi)充分發(fā)展起來后將有可能迅速蔓延至相鄰儲罐。

對于一個發(fā)展迅速的隔堤內(nèi)全面積池火災(zāi)，火災(zāi)熱輻射將迅速達(dá)到引燃相鄰儲罐的程度，設(shè)置隔堤并不能阻止火災(zāi)的蔓延。由于固定頂罐罐間距要求較大，在發(fā)生整個隔堤內(nèi)池火時，一般來說，如果同罐容的固定頂罐儲罐隔堤不能防止火災(zāi)蔓延，則同罐容的內(nèi)、外浮頂罐罐區(qū)內(nèi)隔堤也不能防止火災(zāi)蔓延。

風(fēng)對火災(zāi)的影響范圍有較大的影響，當(dāng)風(fēng)速大于1.5 m/s時，其影響范圍應(yīng)大于本論文模擬結(jié)果。

4.2 建議

a) 對非沸溢性的甲B類、乙類、丙A類可燃液體儲罐區(qū)，單罐罐容10 000 m及以上固定頂罐，建議按“一罐一隔”增設(shè)隔堤。

b) 現(xiàn)行規(guī)范沒有說明當(dāng)發(fā)生隔堤內(nèi)液池火災(zāi)時的冷卻水供應(yīng)范圍，但根據(jù)三維模擬結(jié)果，一旦發(fā)生隔堤或防火堤內(nèi)液池火災(zāi)，相鄰儲罐有被引燃的危險，而根據(jù)LASTFIRE的研究結(jié)果，儲罐直徑小于40 m時儲罐本體火災(zāi)也可能引燃相鄰儲罐。因此，一旦發(fā)生火災(zāi)，不管是什么樣類型的儲罐，都應(yīng)根據(jù)熱輻射的實際情況來確定是否需要開啟冷卻噴淋。