宋雪飛，陸建輝

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100）

海洋平臺(tái)池火火災(zāi)模型概述

宋雪飛，陸建輝

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100）

流行的建筑火災(zāi)模型多適用于描述著火過程、著火房間溫度和煙氣在建筑物內(nèi)的流動(dòng)，不能完全滿足海洋平臺(tái)火災(zāi)的研究需要。文章簡述了建筑火災(zāi)領(lǐng)域中比較流行的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、場模型等，著重介紹適用于海洋平臺(tái)特殊生產(chǎn)條件下的池火火災(zāi)模型。通過綜合分析、比較現(xiàn)有的火災(zāi)模擬方法，回顧了國外成熟的半經(jīng)驗(yàn)公式，分析了不同模型的適用性，得到適用于海洋平臺(tái)池火火災(zāi)特性的計(jì)算方法。

海洋平臺(tái)；火災(zāi)；半經(jīng)驗(yàn)池火模型；固體火焰模型

0 引言

海洋平臺(tái)上密布著油氣、電氣管道，作業(yè)又在遠(yuǎn)離陸地的惡劣海洋環(huán)境，偶發(fā)火災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)大，一旦發(fā)生火災(zāi)，施救難度高，易釀成大范圍災(zāi)難性事故。一份來自英國健康與安全執(zhí)行委員會(huì)的研究報(bào)告[1]顯示：流程和結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的事故幾乎占人員海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的80%。在海洋生產(chǎn)設(shè)施上各種可能的生產(chǎn)損失事故中，火災(zāi)是報(bào)告最多的與流程有關(guān)的事故，井噴、流程泄漏、船舶撞擊、直升機(jī)事故、高空落物、結(jié)構(gòu)失效以及設(shè)施跨塌等常見事故都可能會(huì)在海洋平臺(tái)上引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。海洋平臺(tái)油氣的火災(zāi)有很多種，如：油池火災(zāi)、噴射火災(zāi)、火球、閃燃等，本文著重介紹油池火災(zāi)模型。

池火發(fā)生于燃料蒸發(fā)上方，屬于浮力控制的可忽略初始動(dòng)量的湍流擴(kuò)散火焰。當(dāng)液態(tài)碳?xì)浠衔锶剂蟽?chǔ)罐發(fā)生泄漏形成油面時(shí)（比如向儲(chǔ)罐內(nèi)加注過量，導(dǎo)致管道或儲(chǔ)罐破裂的突發(fā)泄漏），如果引燃就可能發(fā)生池火。上世紀(jì)50年代至80年代，日本、英國、美國等對(duì)此開展了科研工作，Rew P.J.和Hulbert[2]詳細(xì)回顧了大量相關(guān)論文，評(píng)述了當(dāng)前池火熱輻射模型的研究現(xiàn)狀。池火火災(zāi)的燃料種類較多，大多數(shù)池火直徑為幾米。早期研究集中于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小尺寸開放型油池火，一般直徑不超過1 m。小尺寸池火實(shí)驗(yàn)可以減少氣相輻射量，但是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的模擬與真實(shí)火災(zāi)相去甚遠(yuǎn)。生產(chǎn)生活中主要有以下三種類型的油池火災(zāi)：開放型池火（油品揚(yáng)沸噴濺）、受約束池火（壓力上升不顯著）以及封閉型池火（壓力上升很快）。

目前，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來研究海洋生產(chǎn)設(shè)施流程火災(zāi)特點(diǎn)的研究報(bào)告大多是基于室內(nèi)或模型研究，即假設(shè)平臺(tái)上的某個(gè)艙室起火，然后應(yīng)用受限空間內(nèi)的火災(zāi)理論分析火災(zāi)后果，如煙氣流動(dòng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全措施等[3-7]。當(dāng)然，這種做法有其應(yīng)用價(jià)值，但因受理論分析方法的限制，這樣的火災(zāi)模型并不能很好地適應(yīng)暴露在海洋環(huán)境中的、平臺(tái)艙室以外的區(qū)域，海洋平臺(tái)上的開敞空間易形成通風(fēng)良好的碳?xì)浠衔锍鼗?。本文主要回顧國外大型池火火?zāi)模型，并進(jìn)行分析對(duì)比，以便找到適用于海洋設(shè)施生產(chǎn)條件的池火火災(zāi)模型。

1 海洋平臺(tái)池火模擬

1.1 場模型

場模型通常指計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，即CFD模型，是通過求解流體流動(dòng)的Navier-Stokes方程，以預(yù)測火焰行為，為解Navier-Stokes方程，場模型必須與描述火災(zāi)中發(fā)生的化學(xué)物理過程的子模型一并列入方程組，其中許多子模型是基于實(shí)驗(yàn)得出的。場模型與半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾龋鋬?yōu)點(diǎn)在于提供了形式一致的標(biāo)準(zhǔn)化框架去解決燃燒問題。因此，只要建立起典型池火火災(zāi)數(shù)據(jù)庫，就能得到更加可信的結(jié)果。然而，場模型的缺點(diǎn)是計(jì)算量巨大。

1.2 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵蚱涫褂孟鄬?duì)容易而被廣泛應(yīng)用，包括點(diǎn)源模型和固體火焰面發(fā)射模型。點(diǎn)源模型很少使用，因?yàn)辄c(diǎn)源模型忽略了火焰的集合形狀，將火焰燃燒產(chǎn)生的熱量看作從一個(gè)點(diǎn)散發(fā)出去，輻射出的熱量占總熱量的一定比例。這類模型過高估計(jì)了接近火焰中心區(qū)域的熱流量，無法準(zhǔn)確預(yù)測靠近火焰面的輻射，但在距離焰心約5倍火焰直徑以外的范圍卻具有很強(qiáng)的參考性。因此，點(diǎn)源模型在海洋設(shè)施上的實(shí)用性是有限的。

半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)大量實(shí)驗(yàn)室和野外火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過適當(dāng)?shù)募僭O(shè)總結(jié)得出的。這類模型僅用于特定的某些火災(zāi)場景，計(jì)算簡單，容易通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。多數(shù)半經(jīng)驗(yàn)火焰模型都是采用固體火焰面發(fā)射模型。固體火焰面發(fā)射模型[8-10]將火焰看作一個(gè)固體，能量從固體表面散發(fā)出去。利用所選子模型的相互聯(lián)系導(dǎo)出火焰形狀和火焰的輻射特性，如燃料類型以及風(fēng)速的影響。觀察研究發(fā)現(xiàn)，理想通風(fēng)條件下池火的發(fā)展被分為四個(gè)部分[11]：燃料吸收液面上燃燒產(chǎn)生的輻射熱量，從油池液面蒸發(fā)，在液面之上可以觀察到一層純凈的發(fā)光火焰層，表現(xiàn)為平均的輻射通量；再上面一層，發(fā)展為模糊的火焰區(qū)域，煙霧從火焰的表面發(fā)散出來，將下層的純凈燃燒火焰掩蓋?。患儍羧紵鹧嬉蕴S的形式間歇出現(xiàn)；隨著高度的增加，煙霧的模糊程度也隨之增加，直到完全看不到火焰，燃燒熄滅，形成由燃燒產(chǎn)物和未燃燒的燃料組成的羽流。盡管羽流仍然帶有下部火焰燃燒產(chǎn)生的熱量，但其相對(duì)于外界物體的總輻射通量可以忽略不計(jì)。因此，池火火焰被假定成兩層，底層是強(qiáng)烈發(fā)射能量的純凈燃燒區(qū)域，上層是充滿煙塵的較暗區(qū)域。相對(duì)于點(diǎn)源模型，固體火焰模型對(duì)海洋火災(zāi)提供了一個(gè)更好的火焰熱量以及輻射模型。在使用固體火焰模型預(yù)測傳遞到物體的火焰外部的熱流時(shí)，需要知道一些火焰的參數(shù)，如火焰底部面積、火焰高度等。

2 火災(zāi)特性參數(shù)計(jì)算

2.1 火焰包面

有兩種火焰形狀被廣泛應(yīng)用于池火模型的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，即截?cái)嗟臋E圓柱形和傾斜圓柱形。截?cái)嗟臋E圓柱形能夠更準(zhǔn)確描述真實(shí)火焰的形狀，但這種模型的缺點(diǎn)是在計(jì)算目標(biāo)物和火焰之間的可視系數(shù)時(shí)不能采用解析的方法，只能利用數(shù)值計(jì)算。Sparrow和Cess[12]提出的輪廓積分方法可以用于簡化計(jì)算，Johnson[13]發(fā)現(xiàn)，采用輪廓積分方法的計(jì)算時(shí)間是區(qū)域積分方法的1/10。由此，截?cái)嗟臋E圓柱形火焰包面被分為上下兩層，以及由輪廓積分計(jì)算的幾何視角系數(shù)。大氣透射率采用Wayne[14]給出的方法計(jì)算，即火焰可以被假定成灰體或黑體輻射，火源溫度1 500 K。偏于保守，可取池火包面和目標(biāo)物之間的最小距離作為路徑長度。定義火焰包面需要的參數(shù)如下：油池直徑、火焰高度、火焰傾角、純凈燃燒區(qū)高度、火焰拖曳等。

2.2 質(zhì)量燃燒率和油池直徑

描述火焰的幾何參數(shù)與燃料種類和周圍環(huán)境條件有關(guān)。燃料的關(guān)鍵特性是油池單位面積的質(zhì)量燃燒率。Babrauskas[15]指出，同種燃料的質(zhì)量燃燒率和油池直徑有關(guān)：

可以看出，當(dāng)油池直徑很大時(shí)，燃燒率接近最大質(zhì)量燃燒率。這可以解釋為燃料從池面蒸發(fā)量是由火焰的輻射決定的。當(dāng)火焰發(fā)展到特定尺寸，火焰尺寸的進(jìn)一步擴(kuò)大并不伴隨著輻射發(fā)散的增強(qiáng)，很多文獻(xiàn)將此時(shí)的火焰直徑描述為“最大火焰直徑”。

油池直徑與泄漏模式、泄漏量和燃燒速率等因素有關(guān)。隨著燃料不斷泄漏擴(kuò)散，油面不斷擴(kuò)大，燃燒面積也不斷增加，直至總的燃燒速率等于泄漏速率，達(dá)到平衡就會(huì)形成穩(wěn)定的油池火，該穩(wěn)態(tài)應(yīng)滿足公式（2）。式中假定向油池傳遞的熱量來自火焰且燃燒速率為常量，忽略地面熱量傳遞隨時(shí)間的變化，忽略地面的滲透作用，即假定油池內(nèi)保持質(zhì)量平衡。

由式（3）可得油池達(dá)到穩(wěn)態(tài)直徑所需時(shí)間teq為：

式中g(shù)——重力加速度/（m/s2）。

2.3 火焰高度

Thomas[16]基于實(shí)驗(yàn)分析和量綱分析得到湍流擴(kuò)散火焰在不考慮風(fēng)速情況下的平均火焰高度滿足下式：

式中L——火焰高度/m；

ρa(bǔ)——環(huán)境中空氣密度/（kg/m3）。

考慮風(fēng)速則使用下式：

式中u*——無量綱風(fēng)速，u*=uw/（）1/3，若u*<1，則取1；

uw——風(fēng)速/（m/s)。

Pritchard和Binding[17]利用真實(shí)火焰形狀，推導(dǎo)出適用于很多重碳?xì)淙剂匣馂?zāi)的雙層表面發(fā)射模型，其中預(yù)測最大火焰高度的關(guān)系式如下：

該式考慮了風(fēng)促進(jìn)空氣卷帶進(jìn)入火焰，火焰高度受此影響會(huì)略微有所降低（風(fēng)速影響效應(yīng)部分的指數(shù)僅為-0.03）。

而Moorhouse實(shí)驗(yàn)確定的火焰高度滿足下式：

值得注意的是，在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合時(shí)[18]，Pritchard和Binding以及Moorhouse關(guān)系式并沒有比Thomas關(guān)系式有明顯優(yōu)勢，故Thomas關(guān)系式仍被廣泛使用。

2.4 火焰傾角

火焰傾角可用下式求得：

式中θ——火焰傾角/（°）；

Rew——風(fēng)的Reynolds數(shù)，Rew=uwD/υ；

Frw——風(fēng)的Froude數(shù)，F(xiàn)rw=/（gD）；

uw——風(fēng)速/（m/s）；

v——空氣動(dòng)力學(xué)黏度/（m2/s）；

ρv——燃料蒸汽在達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)的密度/（kg/m3）。

Froude數(shù)和Reynolds數(shù)的使用，反映了風(fēng)作用下流體的慣性力和黏滯力的影響。

2.5 火焰拖曳

Moorhouse[19]根據(jù)LNG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出火焰拖曳比：

式中D′——火焰拖曳直徑/m；

Fr10——池火高度10 m處風(fēng)速的Froude數(shù)，F(xiàn)r=u2/（gD）。

u——風(fēng)速/（m/s）。

Mudan和Croce[20]在Moorhouse關(guān)系式的基礎(chǔ)上加上了密度比，推導(dǎo)出適用于其他重碳?xì)淙剂系幕鹧嫱弦逢P(guān)系式：

Pritchard和Binding[17]則給出：

式中Fr9——高度9 m處風(fēng)速的Froude數(shù)；

Re9——火源基于高度9 m處風(fēng)速的Reynolds數(shù)，Re=uD/υ。

將上面幾個(gè)關(guān)系式與全尺寸池火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，均方差和相對(duì)誤差最小的是Moorhouse關(guān)系式。但是需要注意，在用于對(duì)比的全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，Moorhouse利用了其中近半數(shù)的數(shù)據(jù)來推導(dǎo)他的拖曳關(guān)系式。而后續(xù)非LNG池火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，Mudan和Croce關(guān)系式中的指數(shù)偏大。所以，Moorhouse提出的拖曳關(guān)系式被廣泛采納。

2.6 火焰輻射

火焰面向外發(fā)散的輻射可以通過兩種方法得到，一種是假定一定分?jǐn)?shù)的燃燒能量作為輻射發(fā)散出來；另一種是用關(guān)系式定義火焰的表面發(fā)射能量，這種方法在火災(zāi)模型中使用廣泛。需要注意的是，不同的火焰形狀假定會(huì)導(dǎo)致火焰表面積的巨大差異，從而影響總的表面輻射能量輸出。

池火的表面輻射能量與燃料類型和油池直徑有關(guān)。下面列出了LNG、LPG和重碳?xì)淙剂铣鼗鸨砻孑椛淞εc油池直徑的關(guān)系式：

式中E——燃料的表面輻射力/（kW/m2）；

E∞——燃料的表面最大輻射力/（kW/m2）；

km——燃料衰減系數(shù)/m-1。

對(duì)于重碳?xì)淙剂希袧鉄煯a(chǎn)生的火焰常采用Mudan和Croce提出的關(guān)系式：

式中EM——發(fā)光點(diǎn)最大輻射力，約為140kW/m2；

ES——煙的輻射力，約為20 kW/m2；

S——實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，其值為0.12 m-1。

式（13）是在假設(shè)整個(gè)火焰面的表面發(fā)射量為常數(shù)的情況下得出的，但是使用多層火焰面會(huì)使近場入射輻射模擬結(jié)果更準(zhǔn)確，特別是下風(fēng)向時(shí)，單層模型模擬的地面附近入射熱通量值偏低。

觀察發(fā)現(xiàn)，大型碳?xì)淙剂铣鼗鸱譃閮蓪樱旱讓佑蟹浅Ｃ黠@的幾乎不被濃煙遮擋的火焰，該層以燃料的最大輻射值向外輻射熱量。底層火焰面輻射力可由式（12）計(jì)算。上層由于火焰產(chǎn)生的濃煙使火焰面時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，因此將該層熱輻射處理成“跳躍”的形式，通過定義清晰度來計(jì)算。Considine[21]假定30%的火焰未被遮擋。Pritchard和Binding[18]根據(jù)燃料類型和池火直徑建立了一個(gè)數(shù)據(jù)庫，利用該數(shù)據(jù)庫可修正火焰高度以及火焰形狀，再結(jié)合平均火焰面輻射力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得上層火焰輻射力的計(jì)算式如下：

式中EU——上層火焰輻射力/（kW/m2）；

UR——上層火焰的清晰度。

3 結(jié)論與展望

本文通過綜合分析、比較現(xiàn)有的火災(zāi)模擬方法，分析了國外不同半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性，得到適用于海洋平臺(tái)池火火災(zāi)特性的計(jì)算方法：

（1） 截?cái)嗟臋E圓柱形火焰包面被分為兩層，由輪廓積分計(jì)算的幾何視角系數(shù)并在計(jì)算火焰陰影區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的視角系數(shù)時(shí)，對(duì)火焰長度進(jìn)行適當(dāng)修正。

（2） 無量綱燃燒區(qū)的高度和可視火焰高度僅依賴于燃料的Froude數(shù)，而火焰傾角則與風(fēng)的Froude數(shù)有關(guān)。火焰底部直徑與泄漏條件、燃燒速率等參數(shù)有關(guān)，火焰高度通常與火焰底部面積、燃燒速率和風(fēng)速有關(guān)。

（3） Moorhouse提出的密度修正后的火焰拖曳計(jì)算式可用于計(jì)算海洋平臺(tái)上有風(fēng)作用下產(chǎn)生的火焰拖曳。

（4） 找出上、下兩層火焰面發(fā)射模型的火焰表面平均輻射力計(jì)算方法。

本文準(zhǔn)確、科學(xué)地計(jì)算海洋平臺(tái)池火特性參數(shù)及預(yù)測熱輻射危害，有助于指導(dǎo)制訂海洋平臺(tái)火災(zāi)事故處理措施，以期達(dá)到促進(jìn)安全生產(chǎn)、降低風(fēng)險(xiǎn)、減少生命財(cái)產(chǎn)損失的目的。

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Abstract:Current fire models are mostly concerning combustion process,room temperature and smoke spread.Since there are distinct differences between offshore and onshore environments,those fire models are no longer completely applicable to offshore platforms.In this paper,general characteristics of those common fire models are reviewed,including semi-empirical models,field model,etc.and the pool fire model suitable for offshore platform production conditions is emphatically introduced.By means of comprehensive analysis and comparison of the current fire simulation methods as well as review of the foreign mature semi-empirical formulas and their applicability,the calculation method suitable for pool fire of offshore platform is obtained.

Key words:offshore platform;fire;semi-empirical pool fire model;solid flame model

（1）An Overview of Pool Fire Models Applicable to Offshore Platforms

SONG Xue-fei（College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China），LU Jian-hui

TE58X928.1

A

1001－2206（2011）02－0001－05

宋雪飛（1985-），女，黑龍江哈爾濱人，中國海洋大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛馂?zāi)下導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

2010-12-19；

2011-02-15