基于泄漏和池火計算模型的加油站消防器材與卸油口安全間距研究

王文明 王子文

〔1 中國石化江蘇鹽城石油分公司 江蘇鹽城 224005；2 中建安裝集團(tuán)有限公司 江蘇南京 210046〕

加油站卸油作業(yè)時因設(shè)備故障或操作失誤很可能發(fā)生油品泄漏。在安全評價中，事故后果分析都從泄漏分析開始[1]。泄漏的形式與裂口面積的大小和泄漏持續(xù)的時間有關(guān)，工業(yè)危險源理論將泄漏分為兩種情況：一是物料經(jīng)較小的孔洞長時間持續(xù)泄漏的小孔泄漏；二是物料經(jīng)較大孔洞在很短時間內(nèi)泄漏出大量液體的大面積泄漏[2]。對于加油站卸油泄漏而言，小孔泄漏通常表現(xiàn)在卸油軟管與地面長期磨損形成孔洞、軟管長期使用因老化產(chǎn)生裂口、快速接頭產(chǎn)生輕微變形、快速接頭卡接不牢等；大面積泄漏則表現(xiàn)在卸油軟管老化突然斷裂、快速接頭受外力撞擊突然脫開、快速接頭卡箍松動致軟管突然脫離等。在加油站卸油作業(yè)時，無論上述何種原因發(fā)生何種泄漏，在點(diǎn)火源引燃下極有可能形成地面流淌火災(zāi)，成為可燃液體危險與危害程度定量評價中的池火災(zāi)。

當(dāng)加油站發(fā)生卸油泄漏地面火災(zāi)時，使用按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定配置在油罐區(qū)附近的推車式干粉滅火器和砂池中的砂子，極有可能將初起火災(zāi)及時撲滅。但當(dāng)油罐區(qū)消防器材設(shè)置位置緊鄰卸油口和卸油作業(yè)區(qū)時，會使消防器材存放位置的地面被流淌油品覆蓋，并被引燃后快速傳播的火焰包圍，使監(jiān)護(hù)人員受熱輻射影響難以靠近，導(dǎo)致消防器材“拉不出”，從而喪失最佳的滅火時機(jī)(正基于此初步認(rèn)識，在組織區(qū)域公司加油站油氣回收和雙層油罐改造時，將之前形象改造中大量采用，而在區(qū)域公司外加油站仍然采用的滅火器箱、黃砂箱、集中卸油口的“三合一”組合布置形式，同步進(jìn)行了分離改造)。因此，基于泄漏計算模型和池火災(zāi)計算模型，計算出加油站卸油泄漏引發(fā)火災(zāi)時不同當(dāng)量圓半徑池火傷害距離閾值，合理確定設(shè)置在罐區(qū)附近的消防器材與集中卸油口之間的安全距離，對加油站罐區(qū)消防器材布置、卸油泄漏初起火災(zāi)撲救、安全評價及應(yīng)急預(yù)案編制等都有著重要的意義。

1 加油站卸油口與罐區(qū)消防器材布置形式

1.1 油罐卸油口布置形式

隨著加油站工藝技術(shù)的發(fā)展和安全認(rèn)識的提高，在加油站新、改、擴(kuò)建過程中，人們早就將之前卸油口直接設(shè)在油罐人孔井內(nèi)的分散設(shè)置，改變?yōu)榈厣霞胁贾?，以達(dá)到卸油作業(yè)的方便和卸油停車及作業(yè)區(qū)的固定，同時也便于卸油現(xiàn)場的安全監(jiān)護(hù)。對集中卸油口的布置，則根據(jù)油罐的埋設(shè)位置、埋設(shè)方式及用地條件綜合考慮確定。對于用地面積相對寬松的覆土式罐區(qū)，一般將集中卸油口布置在如圖1所示的罐區(qū)側(cè)邊；對于用地面積相對緊湊的行車道下埋設(shè)的罐區(qū)，將集中卸油口布置在如圖2所示的圍墻邊居多；對于場地狹小、油罐又埋設(shè)在行車道下的小型加油站，有的將集中卸油口布置在如圖3所示的加油島上。

圖1 集中卸油口在罐區(qū)邊布置

圖2 集中卸油口在圍墻邊布置

圖3 集中卸油口在加油島上布置

1.2 罐區(qū)固定消防器材箱與集中卸油口組合形式

將罐區(qū)固定消防器材箱與集中卸油口組合設(shè)置(如圖4所示)，是十幾年前在中石化加油站形象改造中開始采用。這種組合方式著眼美觀，化零為整，使加油站儲罐區(qū)小型砌體整齊不散，格調(diào)一致，并因主渠道的示范效應(yīng)，在其他各經(jīng)營主體加油站得到了較快、較多的應(yīng)用。

圖4 消防器材箱與集中卸油口組合設(shè)置

1.3 油罐區(qū)消防器材的配置要求、滅火原理及作用

現(xiàn)行加油站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3]：地下儲罐應(yīng)配置1臺不小于35 kg推車式干粉滅火器。當(dāng)兩種介質(zhì)儲罐之間的距離超過15 m時，應(yīng)分別配置。一、二級加油站應(yīng)配置滅火毯5塊、沙子2 m3；三級加油站應(yīng)配置滅火毯不少于2塊、沙子2 m3。

干粉滅火器是依靠加壓于滅火器中的氣體壓力將干粉從噴嘴噴出，形成一股混合著加壓氣體的霧狀粉流將火滅掉，是控制初起火災(zāi)和撲滅小型火災(zāi)最有效的設(shè)備；沙子和滅火毯覆蓋在燃燒物上可起到隔絕空氣、窒息滅火的作用，對撲滅小型的、局部的流散油品火災(zāi)具有很好的效果。

1.4 卸油作業(yè)有關(guān)安全管理規(guī)定

油品接卸是加油站正常經(jīng)營中經(jīng)常發(fā)生且最為重要的作業(yè)。因此，加油站都制定了相應(yīng)的作業(yè)規(guī)程和安全管理規(guī)定并嚴(yán)格執(zhí)行。雖然各經(jīng)營主體的具體要求不盡一致，但對作業(yè)現(xiàn)場安全監(jiān)護(hù)的規(guī)定通常為35 kg推車式干粉滅火器材、滅火毯應(yīng)布置到位；應(yīng)安排專人對卸油現(xiàn)場進(jìn)行巡查和監(jiān)護(hù)。

2 泄漏計算模型

加油站接卸油品時作業(yè)現(xiàn)場的安全監(jiān)護(hù)，會對小孔泄漏及時發(fā)現(xiàn)，并立即停止作業(yè)，不會產(chǎn)生較大的損失和安全風(fēng)險。而對于大面積泄漏，則由于事發(fā)突然，瞬間泄漏量較大，產(chǎn)生火災(zāi)風(fēng)險也就更大。因此，以下僅對加油站卸油作業(yè)產(chǎn)生的大面積泄漏進(jìn)行研究。根據(jù)工業(yè)危險源理論計算模型，加油站卸油作業(yè)產(chǎn)生的大面積泄漏符合液體經(jīng)管道泄漏模型。

2.1 經(jīng)管道泄漏液體的伯努利方程

以液面與管道斷裂處為計算截面，根據(jù)伯努利方程有：

(1)

式中：△p為管道內(nèi)壓強(qiáng)和外界大氣壓之差，Pa；ρ為管道內(nèi)液體密度，kg/m3；u為液體在管道裂口處的流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；△z為液面距管道裂口的高差，m；F為總的阻力損失。

(2)

式中：λ為液體的摩擦系數(shù)；l為罐體到泄漏口處的管長，m；d為泄漏管道內(nèi)徑，m；ξ為局部阻力系數(shù)；其他符號含義同前。

2.2 泄漏液體的雷諾數(shù)

摩擦系數(shù)λ的計算與表征流體流動類型的參數(shù)——雷諾數(shù)有關(guān)，雷諾數(shù)Re的表達(dá)式為：

(3)

式中：μ為液體的動力黏度，kg/(m·s)；其他符號含義同前。

(4)

當(dāng)2 000

(5)

(6)

2.3 泄漏液體的質(zhì)量流量

泄漏液體的質(zhì)量流量q根據(jù)下式計算：

q=ρuA

(7)

式中：q為液體的泄漏質(zhì)量流量，kg/s；A為管道裂口面積，m2；其他符號含義同前。

3 池火計算模型

池火災(zāi)是指可燃液體(如汽油、柴油)泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆蓋水面遇到點(diǎn)火源而形成的火災(zāi)。池火災(zāi)一般發(fā)生在室外。由于氧氣供應(yīng)充足，燃燒比較完全，產(chǎn)生的有害煙氣也容易達(dá)到無害而消散掉。但是，池火災(zāi)產(chǎn)生的火焰能夠向周圍發(fā)出強(qiáng)烈的熱輻射，使附近的人員受到傷害，并可引燃周圍的可燃物。因此，火焰產(chǎn)生的熱輻射是其主要危害[2]。

3.1 燃燒速度

當(dāng)液池中可燃液體的沸點(diǎn)高于或低于周圍環(huán)境溫度時，液體表面上單位面積的質(zhì)量燃燒速率分別按式(8)、(9)計算：

(8)

(9)

式中：dm/dt為單位表面積質(zhì)量燃燒速度，kg/(m2·s)；Hc為液體燃燒熱，kJ/kg，汽油為43 700 kJ/kg；Cp為液體的比定壓熱容，J/(kg·K)；Tb為液體的沸點(diǎn)，K；To為環(huán)境溫度，K；H為液體的氣化熱，J/kg。

3.2 火焰高度

假定池火火焰為圓柱形，火焰直徑等于池直徑。無風(fēng)條件下，火焰高度計算的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(10)

式中：h為火焰高度，m；r為池火災(zāi)當(dāng)量圓半徑，m；ρo為空氣密度，kg/m3，取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1.293 kg/m3；其他符號含義同前。

3.3 熱輻射通量

無風(fēng)條件下，液池燃燒時放出的總熱輻射通量為：

(11)

式中：Q為總熱輻射通量，W/m2；h為火焰高度，m；η為效率因子，可取0.13～0.35；其他符號含義同前。

3.4 目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度

假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點(diǎn)的小球面輻射出來，則在距離液池中心某一距離(X)處的入射熱輻射強(qiáng)度為：

(12)

式中：I為熱輻射強(qiáng)度，W/m2；tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無相對理想數(shù)據(jù)時可取1；X為目標(biāo)點(diǎn)到液池中心距離，m；其他符號含義同前。

3.5 熱通量傷害準(zhǔn)則

火災(zāi)通過熱輻射的方式影響周圍環(huán)境。當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度足夠大時，可使周圍的物體燃燒或變形，強(qiáng)烈的熱輻射可能燒毀設(shè)備甚至造成人員傷亡等。火災(zāi)損失估算建立在輻射強(qiáng)度與損失等級對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上[1]，如表1所示。

表1 熱通量準(zhǔn)則的傷害閾值

4 加油站卸油經(jīng)管道泄漏模型及池火模型計算

4.1 泄漏及池火場景假設(shè)

以危險性大的汽油進(jìn)行計算。假設(shè)加油站選用目前主要車型40 m3油罐車運(yùn)送95號汽油，汽油密度為740 kg/m3，運(yùn)動黏度為0.76 mm2/s，車載油罐安全容積最高液面距地面3.6 m，罐車出油口球閥為DN80，卸油采用內(nèi)徑80 mm、長度4 m的防靜電軟管，通過快速接頭將油罐車與地下油罐連接，利用液位勢能自流卸油。卸油開始罐車出口球閥全開，與地下油罐卸油接頭連接處松動的膠管卡箍在液體內(nèi)壓作用下，突然脫離至地面發(fā)生汽油泄漏，并在點(diǎn)火源引燃下發(fā)生火災(zāi)。為方便計算，假定天氣條件為無風(fēng)，氣溫20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，罐內(nèi)氣相空間表壓為0，池火火焰為圓柱形，火焰直徑等于當(dāng)量圓液池直徑。

4.2 泄漏油品的質(zhì)量流量計算

油罐出口球閥全開，局部阻力系數(shù)ξ為0.19。又μ=νρ，ν為汽油的運(yùn)動黏度，m2/s。

以罐車上油罐內(nèi)液面與脫離落地的軟管端口為計算截面，忽略油罐內(nèi)油品的流速。罐內(nèi)氣相空間表壓為0，即Δp=0，公式(1)則為：

即：0.5u2-9.8×3.6+0.439u1.75+

0.095u2=0

由此得到油品的出管流速：u=6.36(m/s)

驗(yàn)證雷諾數(shù)：Re=105 263u=669 474

符合雷諾數(shù)的試算條件，說明流速計算正確，則泄漏的最大質(zhì)量流量為：

q=ρuA=740×6.36×

4.3 燃燒速度計算

油品被引燃時火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，實(shí)驗(yàn)中觀察到的火焰水平傳播速度可達(dá)10 m/s。油品燃燒質(zhì)量速度可按公式(8)、(9)計算得到，也可從相關(guān)手冊中直接查得。表2列出了汽油、柴油燃燒的質(zhì)量速度[1]。

表2 汽油、柴油燃燒的質(zhì)量速度

4.4 火焰高度計算

根據(jù)公式(10)，汽油燃燒速度取表2中的平均值，計算出1～10 m當(dāng)量圓半徑池火火焰高度，如表3所示。

表3 1～10 m當(dāng)量圓半徑池火的火焰高度

4.5 熱輻射通量計算

根據(jù)公式(11)，效率因子取平均值0.24，計算出1～10 m當(dāng)量圓半徑池火燃燒時放出的總熱輻射通量如表4所示。

表4 1～10 m當(dāng)量圓半徑池火的總熱輻射通量

4.6 1～10 m當(dāng)量半徑池火傷害距離閾值計算

公式(12)反映了入射熱輻射強(qiáng)度與受害目標(biāo)到火源距離的關(guān)系。若將表1中的熱輻射強(qiáng)度作為火災(zāi)傷害定值，根據(jù)該公式計算出1～10 m當(dāng)量圓半徑池火傷害距離閾值如表5所示。

表5 1～10 m當(dāng)量圓半徑池火傷害距離閾值 m

4.7 結(jié)果分析

(1)從汽油泄漏的質(zhì)量流量計算結(jié)果可以看出，對于加油站常規(guī)使用的40 m3油罐車，在卸油開始時一旦產(chǎn)生管道斷裂的大面積泄漏，其質(zhì)量流量可達(dá)23.66 kg/s。因到站罐車油品容積交驗(yàn)的需要，加油站卸油場地通常采用水平設(shè)計，故泄漏的汽油可在水平地面上迅速流淌擴(kuò)散，難以形成較深的油層，若不考慮混凝土路面對油品的滲透情況，假定地面油層平均厚度為10 mm，換算為面積流散速率則為3.20 m2/s。由此，卸油泄漏流散10～100 m2面積所需的時間如表6所示。

表6 卸油泄漏流散10～100 m2面積所需時間

(2)依據(jù)熱通量傷害準(zhǔn)則，若將25.0 kW/m2入射熱輻射強(qiáng)度下對人的傷害閾值設(shè)定為死亡半徑，12.5 kW/m2為重傷半徑，4.0 kW/m2為輕傷半徑，顯然加油站一旦發(fā)生油品泄漏火災(zāi)傷害時，最不可接受的為死亡和重傷。由此可計算出汽油泄漏1～10 s時，不同池火面積下產(chǎn)生重傷的12.5 kW/m2入射熱輻射強(qiáng)度所對應(yīng)的傷害距離閾值如表7所示。從表7可以看出，若將現(xiàn)場監(jiān)護(hù)人員從發(fā)現(xiàn)油品泄漏到迅速跑到油罐車完全關(guān)閉球閥，反應(yīng)及動作最快時間設(shè)定為5 s，泄漏油品在地面流散已達(dá)16 m2，其當(dāng)量圓半徑為2.26 m，則對應(yīng)于等徑池火災(zāi)的人員傷害閾值為4.16 m。

表7 汽油泄漏1～10 s時不同池火面積下12.5 kW/m2入射熱輻射強(qiáng)度所對應(yīng)的人員傷害距離閾值

5 結(jié)束語

(1)加油站卸油作業(yè)時，存在著因設(shè)備故障或操作失誤發(fā)生油品泄漏的可能，由此在點(diǎn)火源觸發(fā)下引發(fā)地面池火災(zāi)的可能性也就絕非為零。

(2)不同當(dāng)量半徑池火對現(xiàn)場作業(yè)人員傷害和對近旁消防器材損害存在著不同的距離閾值。合理地確定作業(yè)人員、消防器材與卸油口的安全間距，可有效地避免和降低火災(zāi)發(fā)生時對人員傷害和對消防器材損害的程度。

(3)將油罐區(qū)消防器材箱與卸油口緊鄰布置存在著一定的安全缺陷，兩者應(yīng)保持至少4.5 m的安全間距(也正好是劃分密閉卸油口作業(yè)區(qū)的范圍)，并將消防器材箱設(shè)在常年主導(dǎo)上風(fēng)位置，且盡量避免取用消防器材的門洞與卸油作業(yè)區(qū)正面相對，以轉(zhuǎn)向90°最為恰當(dāng)，從而保證發(fā)生卸油泄漏火災(zāi)時，人員反應(yīng)及動作所需最快的5 s時間內(nèi)，在人身不受傷害原則下的第一時間，使消防器材“拉得出”，方能“打得響”，才可將火災(zāi)撲滅在可能撲滅的初起階段。

(4)對卸油作業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)護(hù)，也應(yīng)將應(yīng)急消防器材布置在距集中卸油口4.5 m以外的上風(fēng)向，以避免消防器材在泄漏發(fā)生的第一時間即被油品乃至引燃的火焰所包圍，而喪失火災(zāi)初起時的最佳撲滅時機(jī)，使本可撲滅的初起火災(zāi)不受抑制地發(fā)展，導(dǎo)致火災(zāi)損失和后果的擴(kuò)大。