關(guān)新鳳 劉德俊 魏亞峰 等

摘 要：針對有風(fēng)時大型原油儲罐火災(zāi)安全問題，以密封圈火災(zāi)著火油罐作為研究對象，采用編程軟件對著火油罐的輻射區(qū)域進行模擬計算，進而確定儲罐間的安全距離。研究結(jié)果表明，風(fēng)速一定時，輻射熱量隨著距火焰的距離增加而降低；同一著火油罐，熱輻射情況隨著風(fēng)速的加大而加??；風(fēng)速為4 m/s時，相鄰油罐間的安全距離為31.2 m。

關(guān) 鍵 詞：熱輻射；原油儲罐；密封圈火災(zāi)；安全距離

中圖分類號：TE 88 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）10-2395-03

Safe Distance of Large Storage Tanks Seal Ring Fire Under Wind Condition

GUAN Xin-feng1，LIU De-jun1，WEI Ya-feng2，ZHU He1，GE Lan1， YANG Ping3

（1. College of Petroleum Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001， China；

2. Yingkou Port Group Corp， Liaoning Yingkou 115009， China；

3. PetroChina Fushun Petrochemical Company Catalyst Plant， Liaoning Fushun 113001， China）

Abstract： With respect to the security issue of large storage tanks fire， taking crude oil tanks seal ring fire as the research object， programming software was used to simulate and calculate the thermal radiation of burning storage tank， which can get the safe distance between the tanks. The study results show that， under the condition of certain weed speed， the thermal radiation decreases with increasing of the distance reaching the burning storage tank. For the same burning tank， with increasing of the wind speed， the thermal radiation increases. When the wind speed is 4 m/s， the safe distance between the tanks is 31.2 m.

Key words： Thermal radiation；Crude oil storage tank；Seal ring fire；Safe distance

油庫安全問題是整個石油石化行業(yè)安全問題的重中之重，而罐區(qū)的火災(zāi)防護工作有是油庫安全工作的重心。 在我國大型原油儲罐主要以10×104 m3以上的浮頂油罐為主，并且隨著各國對石油儲備量的不斷加大，大型原油儲罐已成為石油儲罐發(fā)展行業(yè)的大趨勢，但油罐罐量的增加必然伴隨著油罐風(fēng)險性的增大。據(jù)資料顯示[1]，從20世紀(jì)60年代到90年代的幾十年間，油罐火災(zāi)數(shù)量由年均不足3起上升到年均量超過16起，其中所占比重較大的是20×104 m3以上的油罐，并且引發(fā)臨近油罐火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量也呈逐年上升的趨勢。大型油罐火災(zāi)主要以雷擊而產(chǎn)生的密封圈火災(zāi)的形式?；馂?zāi)發(fā)生后，如何避免著火油罐對臨近油罐的熱輻射導(dǎo)致臨近油罐火災(zāi)，發(fā)生連鎖反應(yīng)，可以通過油罐間的防火安全距離得到有效的控制。

諸多學(xué)者對儲罐火災(zāi)的輻射熱分布及儲罐間安全距離的確定進行了大量的研究。楊國梁[1]對大型原油儲罐的火災(zāi)原因及安全防火間距確定進行了研究；閆家偉等[2]應(yīng)用SAFETI軟件，研究了著火油罐在風(fēng)速的影響下對臨近油罐的熱輻射分布情況；朱建華等[3]對油品地面池火災(zāi)和儲罐池火災(zāi)對周圍熱輻射的分布不同進行了論證對比；種秀華等[4]通過對風(fēng)速及風(fēng)向兩個因素對池火災(zāi)輻射分布的影響進行了探討與分析；李麗霞[5]通過對苯池火災(zāi)在有風(fēng)條件下的熱輻射研究，得到兩油罐間最小安全防火間距；魏欣等[6]對油罐池火災(zāi)的連鎖效應(yīng)進行了研究，提出預(yù)防連鎖效應(yīng)發(fā)生的預(yù)防措施；孫標(biāo)[7]研究了兩種不同火焰模型及風(fēng)速、溫度等其他因素對池火災(zāi)熱輻射安全距離的影響?；诖?，為方便計算，密封圈火災(zāi)簡化為為當(dāng)量圓柱形池火災(zāi)模型。考慮到風(fēng)速的影響，采用池火災(zāi)斜圓柱模型。由此分析，不同風(fēng)速條件下著火油罐的輻射熱分布情況，進而確定油罐間的安全防火距離。

1 模型的選取及計算

1.1 基本模型的建立

大型油罐火災(zāi)主要以密封圈火災(zāi)為主，而密封圈火災(zāi)為方便計算需等效成相應(yīng)的池火災(zāi)進行模擬計算。考慮到油罐的自身高度問題，將池火災(zāi)分為地面池火災(zāi)和儲罐池火災(zāi)。密封圈火災(zāi)的并沒有使整個罐體燃燒，因此屬于儲罐池火災(zāi)范疇。池火災(zāi)的火焰實際上接近圓柱體，在有風(fēng)的情況下，火焰發(fā)生傾斜，可以看做是一個傾斜的圓柱。如圖1所示，下面圓柱為著火油罐，上面的斜圓柱為火焰。

圖1 儲罐池火災(zāi)模型

Fig.1 The model of storage tanks pool fire

1.2 模型的計算

（1）油品燃燒速率

當(dāng)油品沸點高于環(huán)境溫度時，可選用公式（1）[8]進行計算：

（1）

當(dāng)油品沸點低于環(huán)境溫度時，可選用公式（2）進行計算：

（2）

式中： mf ——油品燃燒速率，kg/（m2·s）；

c ——常數(shù)，0.001 kg/（m2·s）；

Hc ——油品的燃燒熱，J/kg；

Hv ——油品在常壓沸點下的蒸發(fā)熱，J/kg；

cp ——油品的比定壓熱容，J/（kg·K）；

Ta ——環(huán)境溫度，K；

Tb ——油品的沸點，K。

（2）火焰高度

在有風(fēng)的條件下，計算火焰的平均高度，選用Thomas[9]在木垛實驗的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的經(jīng)驗公式。其計算公式為：

（3）

式中： H ——火焰高度，m；

D ——池火直徑，m；

a ——空氣密度，kg/m3；

g ——重力加速度，9.81 m/s2；

u ——10 m高處風(fēng)速，m/s；

uc ——特征風(fēng)速，m/s。

（3）火焰傾角

采用美國氣體協(xié)會提出的火焰傾斜角θ的關(guān)系式[10]，即：

（4）

（4）熱輻射通量

在計算池火表面的輻射熱量時，假設(shè)油品燃燒的所釋放的熱量是從圓柱形火焰的四周和上部均勻向外部輻射的，由此可選用公式1-5[10]計算火焰表面輻射熱量，即：

（5）

式中： E ——火焰表面的輻射熱量，W/m2；

f ——熱輻射系數(shù)，取值范圍是0.13～0.35。

（5）接收點的熱輻射通量

針對圓柱形火焰的池火災(zāi)，在距離其火焰中心R處，物體所接收到的輻射熱量，可用以下公式進行計算[9]：

（6）

式中： q ——接收點出的輻射熱量，W/m2；

V ——視角系數(shù)；

——大氣透射率。

其中視角系數(shù) 的計算公式如下[9]：

（7）

其中：VV及Vh分別是接收點物體垂直及水平方向上的視角系數(shù)，且均是關(guān)于D、L、θ、X間的函數(shù)，其表達式如下：

式中：X ——距離火焰中心的距離，m。

而公式（8）[10]中 為大氣透射率，可選用下式進行計算： （8）

2 模擬計算及討論

選取十萬立浮頂原油儲罐為模擬對象，采用編程軟件計算模擬著火油罐的輻射分布情況，進而確定兩油罐間的安全距離。其中編程所需的相關(guān)參數(shù)為：原油的燃燒熱49 500 kJ/kg，蒸發(fā)熱400 kJ/kg，比熱容1.7 kJ/（kg·K），沸點溫度393 K，環(huán)境溫度300 K，空氣密度1.259 kg/m3。

當(dāng)風(fēng)速取4 m/s時，在火焰傾斜方向上，由模擬計算可以得到距著火油罐不同距離下的輻射熱量，經(jīng)擬合軟件擬合成如圖2所示的擬合曲線。

由圖2可以看出，在同一風(fēng)速的條件下，距著火油罐的距離越遠，火焰所輻射的熱量就越低。距著火油罐的范圍在0～50 m之間時，隨著距離的增加，輻射熱量大幅度降低；在50～100 m之間，輻射熱量降低減慢；而在100 m之后，接受點的輻射熱量幾乎不變。

油罐火災(zāi)安全距離的影響因素有很多，風(fēng)速對有關(guān)安全距離的計算起著至關(guān)重要的作用。因此對同一著火油罐分別取風(fēng)速為4、3及1.5 m/s時進行模擬，圖3給出了不同風(fēng)速下，在火焰傾角方向上，伴隨距火焰距離的改變，火焰熱輻射強度的分布曲線狀況。

由圖3可以看出，不同風(fēng)速對著火油罐的熱輻射分布的影響不同。圖中三條曲線分別代表風(fēng)速為4、3及1.5 m/s時在距火焰相同距離的情況下，風(fēng)速越大在火焰傾角方向上，同一接收點處的輻射熱量越高。

大型油罐一般以四個儲罐為一個罐組，其中著火油罐設(shè)為1號油罐，在其垂直和水平方向上的相鄰油罐分別設(shè)為2號和3號油罐。在著火油罐對角線方向上的油罐設(shè)為4號油罐。其分布圖如圖4所示。

風(fēng)速對油罐安全距離的影響較大，因此選取較為惡劣的情況作為來進行研究。根據(jù)前人的研究成果，在油罐接受的輻射熱量達到12.5 kW/m2時，就會使設(shè)備出現(xiàn)損壞。模擬計算可得，取風(fēng)速為4 m/s，當(dāng)風(fēng)正面吹向4號油罐并且保證其輻射熱量不超過12.5 kW/m2時，著火油罐距4號儲油罐的安全距離為42.5 m，由此得到距2號和3號油罐的安全距離為31.2 m。為當(dāng)風(fēng)向直接吹向2號或3號油罐時，會增加儲罐區(qū)的占地面積，結(jié)合實際投資經(jīng)費和土地資源問題，此種情況不予以考慮。

3 結(jié) 論

密封圈火災(zāi)在大型原油儲罐火災(zāi)中占相當(dāng)大的比重，同時在火災(zāi)發(fā)生后，臨近油罐的安全問題成為首要問題。因此儲罐間安全距離的確定對油庫安全具有相當(dāng)重大的意義。由上述研究可得到以下三點：

（1）在風(fēng)速一定的情況下，距離著火油罐的距離越遠輻射熱量就越低；

（2）在距離火焰同一距離處，不同風(fēng)速情況下，輻射熱量分布不同。風(fēng)速越大，同一接受點處的輻射熱強度就越大；

（3）在風(fēng)速為4 m/s時，著火油罐與垂直或水平方向上油罐間的安全距離為31.2 m，與對角線上油罐的安全距離為42.5 m。

參考文獻：

[1] 楊國梁. 基于風(fēng)險的大型原油儲罐防火間距研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 閆家偉，王青.大型儲油罐區(qū)池火災(zāi)熱輻射數(shù)值模擬[J].消防理論研究，2012，10（31）：1036-1040.

[3] 朱建華，陳鈞舫. 油罐區(qū)池火熱輻射危害評價[J]. 水運科學(xué)研究所學(xué)報，1999， 3（1）： 20-26.

[4] 種秀華，任志國，王博儒. 油庫池火災(zāi)模型的數(shù)值模擬[J]. 安全、健康和環(huán)境，2007， 7（11） ： 37-39.

[5] 李麗霞. 有風(fēng)情況池火災(zāi)熱輻射下的最小安全距離[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2006， 7（6）： 113-117.

[6] 魏欣，何雨謙，鐘月華，肖澤儀. 化工儲罐群池火災(zāi)連鎖效應(yīng)分析[J]. 工藝與設(shè)備，2013， 16（1）： 41-43.

[7] 孫標(biāo)，郭開華. LNG池火熱輻射模型及安全距離影響因素研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2010， 20（9）： 51-55.

[8]Tomakomai.Tomakomai Large Scale Crude Oil Fire Experiments [J].Fire Technology，2000，36（1）：24-38.

[9] SAMI ATALLAH and DONALD S.ALLAN.Safe Separation Distances from Liquid Fuel Fires[J].Fire Technology，1971，7：47-56.

[10]趙雪娥，孟亦非，劉秀玉. 燃燒與爆炸理論[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.