蔡亮（中國(guó)航油集團(tuán)津京管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司）

我國(guó)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫快速發(fā)展，儲(chǔ)罐建設(shè)也呈大型化，已掌握最大儲(chǔ)罐20×104m3建設(shè)和施工技術(shù)[1]。儲(chǔ)罐防火距離是油庫設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要參數(shù)。我國(guó)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)主要考慮投資成本和節(jié)約用地，儲(chǔ)罐防火距離偏小，只能防御密封圈一般性火災(zāi)，如發(fā)生儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)或者罐群火災(zāi)，可能造成嚴(yán)重后果[2]?，F(xiàn)行的商業(yè)油庫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已不適用超大型油庫的安全要求。提高大型儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義，應(yīng)研究確定大型儲(chǔ)罐合理、安全的防火距離，提高油庫的本質(zhì)安全性。研究了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于儲(chǔ)罐防火距離的規(guī)定，指出現(xiàn)行儲(chǔ)罐防火距離存在的問題。介紹了較為公認(rèn)的著火罐火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性[3]。以1×104m3、2×104m3、5×104m3和 10×104m3儲(chǔ)存汽油和柴油的外浮頂儲(chǔ)罐為例，計(jì)算鄰近油罐在火焰熱輻射作用下的熱輻射量，根據(jù)熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則，確定科學(xué)、合理、安全的儲(chǔ)罐防火距離。

1 儲(chǔ)罐防火距離國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異分析

我國(guó)新建儲(chǔ)罐工程設(shè)計(jì)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50074—2014《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 50074規(guī)定地上儲(chǔ)罐組內(nèi)相鄰儲(chǔ)罐之間的防火距離應(yīng)符合下列要求（表1）。

表1 地上儲(chǔ)罐組內(nèi)相鄰儲(chǔ)罐之間的防火距離 m

美國(guó)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)執(zhí)行美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30—2012《易燃和可燃液體規(guī)范》。NFPA 30在儲(chǔ)罐防火距離章節(jié)中定義了不穩(wěn)定液體（Unstable Liquid）和穩(wěn)定液體（Stable Liquid）的術(shù)語。不穩(wěn)定液體指商業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中，在一定壓力、溫度或振動(dòng)條件下，可能產(chǎn)生劇烈反應(yīng)的液體；原油、汽油、柴油、煤油屬于穩(wěn)定液體。針對(duì)儲(chǔ)存Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、ⅢA級(jí)穩(wěn)定液體的儲(chǔ)罐間距見表2。

可以看出，中美標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)儲(chǔ)罐防火距離差異較大。以國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的15×104m3浮頂罐為例（儲(chǔ)罐直徑約80 m），按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)罐防火距離為32 m，如儲(chǔ)存丙B類可燃液體，甚至可取值15 m，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為40 m。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。

2 浮頂罐火災(zāi)類型

浮頂罐火災(zāi)主要是雷擊導(dǎo)致的環(huán)形密封圈處的局部小型火災(zāi)。挪威NDV公司研究了1981—1995年世界33 906座浮頂罐的62次火災(zāi)事故數(shù)據(jù)，其中密封處火災(zāi)55次，浮頂溢油1次，浮頂沉沒1次，防火堤內(nèi)火災(zāi)2次，隔堤內(nèi)火災(zāi)3次，況且4次發(fā)展為整個(gè)儲(chǔ)罐區(qū)的火災(zāi)[4]。國(guó)外有浮頂沉沒造成儲(chǔ)罐全面積敞口火災(zāi)的示例，1989年位于Dar Es Salaam的1座儲(chǔ)存12 720 m3原油的外浮頂罐遭受雷擊導(dǎo)致密封圈著火，大火持續(xù)燃燒了5 d。儲(chǔ)罐發(fā)生全面積敞口火災(zāi)，撲救難度大，特別是原油儲(chǔ)罐可能會(huì)發(fā)生沸溢，固定式消防系統(tǒng)不足以應(yīng)對(duì)，需要大功率的移動(dòng)消防設(shè)施。例如，美國(guó)使用遠(yuǎn)距離泡沫炮成功撲救直徑60 m的儲(chǔ)罐火災(zāi)，泡沫炮射程152 m，流量高于250 L/s。

表2 儲(chǔ)罐防火距離

3 現(xiàn)行儲(chǔ)罐防火距離存在的問題

我國(guó)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中，認(rèn)為儲(chǔ)罐發(fā)生大規(guī)?；馂?zāi)爆炸為小概率事件，防火距離基本按照0.4D設(shè)計(jì)，用地緊張情況下直接取值15 m，防火距離偏小，固定消防系統(tǒng)只能防御環(huán)形密封處的一般性火災(zāi)。若發(fā)生儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)或者防火堤池火災(zāi)，消防冷卻水供給強(qiáng)度只能撲救著火儲(chǔ)罐，不能同時(shí)冷卻相鄰儲(chǔ)罐，存在安全隱患。應(yīng)研究確定大型儲(chǔ)罐合理、安全的防火距離的方法，提高油庫的本質(zhì)安全性。

4 儲(chǔ)罐火災(zāi)火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性

防火堤內(nèi)池火災(zāi)是大型浮頂原油儲(chǔ)罐火災(zāi)類型之一，池火災(zāi)指儲(chǔ)罐罐體破裂導(dǎo)致油品泄漏，油品在罐區(qū)防火堤內(nèi)地面流淌擴(kuò)散，在防火堤或隔堤限定的區(qū)域內(nèi)積聚，形成一定厚度油池，遇點(diǎn)火源發(fā)生的火災(zāi)。儲(chǔ)罐火災(zāi)事故損失的主要原因是池火災(zāi)熱輻射作用。研究?jī)?chǔ)罐池火災(zāi)火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性，計(jì)算鄰近油罐在火焰熱輻射作用下熱輻射通量的分布情況，進(jìn)而確定科學(xué)、合理、安全的儲(chǔ)罐防火距離[5]。

4.1 儲(chǔ)罐火災(zāi)直徑

根據(jù)防火堤型式、尺寸、面積等，計(jì)算油池火災(zāi)直徑，即

式中：D——防火堤油池火災(zāi)直徑，m；

S——防火堤面積，m2。

4.2 儲(chǔ)罐火焰高度

無風(fēng)狀態(tài)下儲(chǔ)罐火災(zāi)火焰高度的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：h——儲(chǔ)罐火災(zāi)火焰高度，m；

g——重力加速度，m/s2；

ρ0——油氣混合物，kg/m3；

mf——油品燃燒速率，kg/(m2·s)。

4.3 火焰表面熱通量

通過儲(chǔ)罐火災(zāi)火焰頂部和側(cè)面，熱輻射能量向外部均勻輻射，火焰表面熱通量可由下式求得：

式中：q表——火焰表面熱通量，kW/m2；

Hc——油品熱值，kJ/kg；

f——熱輻射系數(shù)。

4.4 儲(chǔ)罐火災(zāi)熱輻射量

儲(chǔ)罐火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱輻射量可由下式求得：

式中：q總——儲(chǔ)罐火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱輻射量，kW；

η——效率因子。

4.5 熱輻射強(qiáng)度

假定儲(chǔ)罐火災(zāi)火焰向外輻射的熱量全部從火災(zāi)中心點(diǎn)源的球面擴(kuò)散而來，距離儲(chǔ)罐中心x位置處的熱輻射強(qiáng)度，見公式（5）；或者計(jì)算熱輻射強(qiáng)度I對(duì)應(yīng)的距離儲(chǔ)罐火災(zāi)中心的位置x，見公式（6）。

式中：qx——任意位置x處的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；

x——任意位置和儲(chǔ)罐中心的距離，m；

I——給定的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2。

表3 熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則

表4 汽油儲(chǔ)罐和柴油儲(chǔ)罐在臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲(chǔ)罐防火距離

4.6 熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則

儲(chǔ)罐火災(zāi)狀態(tài)下，著火儲(chǔ)罐熱輻射如果達(dá)到一定程度，可能造成臨近儲(chǔ)罐罐壁變形，甚至破裂爆炸，也是儲(chǔ)罐火災(zāi)蔓延、造成人員傷亡和設(shè)施損壞的主要原因。熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則規(guī)定了目標(biāo)所承受的熱輻射強(qiáng)度與造成設(shè)備損壞及人員傷亡程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表3）。研究?jī)?chǔ)罐科學(xué)、合理、安全的防火距離的前提條件是首先保證著火儲(chǔ)罐的臨近儲(chǔ)罐不被引燃，其次防火距離滿足消防設(shè)備操作的空間要求，同時(shí)必須保證消防人員零死亡。

確定相鄰儲(chǔ)罐不發(fā)生變形的臨界熱輻射強(qiáng)度，在相關(guān)研究中還存在差異，美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)（AICHE）的規(guī)定是相鄰油罐受輻射熱小于13.5 kW/m2；英國(guó)石油協(xié)會(huì)(BritainIs Institute of Petroleum)的規(guī)定是小于8 kW/m2。綜合考慮，著火儲(chǔ)罐的臨界熱輻射強(qiáng)度確定為10 kW/m2比較適宜[5]。

5 計(jì)算示例

某成品油儲(chǔ)備庫容量72×104m3，共4個(gè)罐組，每個(gè)罐組由4座1×104m3、2×104m3、5×104m3和10×104m3外浮頂儲(chǔ)罐組成，儲(chǔ)罐直徑分別是28.5 m、40.5 m、60 m和80 m，單罐防火堤尺寸分別是60 m×55 m、70 m×60 m、100 m×90 m和120 m×110 m，儲(chǔ)罐充裝系數(shù)0.85。汽油和柴油密度分別為750 kg/m3和820 kg/m3；汽油和柴油燃燒速率分別為0.025 6 kg/（m2·s）和0.013 7 kg/（m2·s）；油蒸汽密度1.29 kg/m3；汽油和柴油燃燒熱為46×103kJ/kg。根據(jù)上述計(jì)算模型可得到該儲(chǔ)備庫中汽油儲(chǔ)罐和柴油儲(chǔ)罐在臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲(chǔ)罐防火距離（表4）。

綜上所述可得出如下結(jié)論：

1）臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲(chǔ)罐防火距離均大于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲(chǔ)罐防火距離，即現(xiàn)行儲(chǔ)罐防火距離不能保證發(fā)生全面積敞口火災(zāi)時(shí)臨近儲(chǔ)罐和人員的安全。

2）汽油儲(chǔ)罐防火距離要高于柴油儲(chǔ)罐防火距離。根據(jù)GB 50074液體火災(zāi)危險(xiǎn)性分類，原油、汽油屬于甲B類液體，煤油屬于乙A類液體，輕柴油屬于乙B類液體。表1中儲(chǔ)存甲B、乙類液體儲(chǔ)罐防火距離是一致的，應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化油品類型、危險(xiǎn)性等級(jí)和物性參數(shù)規(guī)定相應(yīng)油品儲(chǔ)罐的防火距離。

3）隨著儲(chǔ)罐容積增加，臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲(chǔ)罐防火距離與國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲(chǔ)罐防火距離趨于接近。以10×104m3為例，臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲(chǔ)罐防火距離為40.6 m，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲(chǔ)罐防火距離為32 m，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲(chǔ)罐防火距離為40 m。說明相對(duì)中小型儲(chǔ)罐，大型儲(chǔ)罐更容易滿足臨界熱輻射強(qiáng)度的安全條件，大型儲(chǔ)罐本質(zhì)安全性更高，中小型儲(chǔ)罐遭受熱輻射危害的危險(xiǎn)性更大。

4）根據(jù)儲(chǔ)罐火災(zāi)火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性的計(jì)算模型，儲(chǔ)罐防火距離的主要影響因素是防火堤尺寸（面積），決定了儲(chǔ)罐池火災(zāi)的直徑、火焰高度、熱通量等。應(yīng)研究?jī)?chǔ)罐防火堤尺寸、高度、坡度等參數(shù)對(duì)儲(chǔ)罐防火距離的影響。

5）確定儲(chǔ)罐防火距離的另一重要因素是油品性質(zhì)，體現(xiàn)在原油和成品油的燃燒熱、油品表面燃燒速率存在差異，應(yīng)根據(jù)油品性質(zhì)規(guī)定原油儲(chǔ)罐和成品油儲(chǔ)罐的防火距離。

6）新建儲(chǔ)罐防火距離應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。針對(duì)10×104m3以下中小型儲(chǔ)罐，應(yīng)盡可能增加儲(chǔ)罐防火距離，并根據(jù)儲(chǔ)罐防火堤尺寸、油品性質(zhì)核算儲(chǔ)罐可能承受的熱輻射強(qiáng)度，并配置相應(yīng)等級(jí)的消防系統(tǒng)；針對(duì)超過10×104m3大型儲(chǔ)罐，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火距離基本滿足安全要求。

6 結(jié)論和建議

1）針對(duì)儲(chǔ)罐防火距離，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，以浮頂罐為例，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為0.4D，儲(chǔ)存丙B類油品甚至取值15 m，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)為0.5D。

2）現(xiàn)行儲(chǔ)罐防火距離只能防御環(huán)形密封處的小型火災(zāi)，不能保證發(fā)生儲(chǔ)罐全敞口火災(zāi)時(shí)臨近儲(chǔ)罐和消防人員的安全要求。

3）國(guó)外有浮頂罐全敞口火災(zāi)的實(shí)例，撲救難度大，需要配置大功率移動(dòng)消防設(shè)施。

4）汽油儲(chǔ)罐防火距離要高于柴油儲(chǔ)罐防火距離，應(yīng)按照油品類型、危險(xiǎn)性等級(jí)和物性參數(shù)規(guī)定原油和成品油儲(chǔ)罐防火距離。

5）大型儲(chǔ)罐本質(zhì)安全性更高，更容易滿足臨界熱輻射強(qiáng)度的安全條件，中小型儲(chǔ)罐遭受熱輻射危害的危險(xiǎn)性更大。

6）應(yīng)研究?jī)?chǔ)罐防火堤尺寸、高度、坡度等參數(shù)對(duì)儲(chǔ)罐防火距離的影響。

7）針對(duì)10×104m3以下中小型儲(chǔ)罐，應(yīng)盡可能增加儲(chǔ)罐防火距離，并根據(jù)儲(chǔ)罐防火堤尺寸、油品性質(zhì)核算儲(chǔ)罐可能承受的熱輻射強(qiáng)度，并配置相應(yīng)等級(jí)的消防系統(tǒng)；針對(duì)超過10×104m3大型儲(chǔ)罐，現(xiàn)行國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火距離基本滿足安全要求。