齊玉鳳,任家帆,楊 森,何中其

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.江蘇省特種安全防護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,江蘇 泰州 225300)

柴油、汽油一直是工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的燃料，其儲(chǔ)存場(chǎng)所的油料量大，一旦發(fā)生泄漏極易形成大面積的液池并引發(fā)火災(zāi)，會(huì)對(duì)周邊人員和財(cái)產(chǎn)造成非常嚴(yán)重的損害。根據(jù)油料泄漏的池火災(zāi)特點(diǎn)，其對(duì)外界的傷害主要來源于熱輻射。當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為4 kW/m2時(shí)，該位置的現(xiàn)場(chǎng)暴露人員會(huì)被輕度燒傷；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為12.5 kW/m2時(shí)，該位置接收到的熱輻射能量已達(dá)到塑料熔化的最低能量，該位置的現(xiàn)場(chǎng)暴露人員會(huì)被重度燒傷；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為25 kW/m2時(shí)，會(huì)引發(fā)木材燃燒，該位置的人員現(xiàn)場(chǎng)暴露時(shí)間超過1 min的死亡率將達(dá)到100%。此外，我國(guó)《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50074—2014)中規(guī)定，當(dāng)某油庫(kù)起火時(shí)，相鄰油庫(kù)在該火源熱輻射的作用下，即使沒有任何保護(hù)措施，也不會(huì)起火的最小距離為安全間距。因此，根據(jù)各類油品儲(chǔ)罐區(qū)域的實(shí)際情況，制定出合理的安全間距具有非常重要的意義。

近幾年，我國(guó)發(fā)生了多起油料泄漏引發(fā)的池火災(zāi)事故。例如2013年6月，中石油大連石化分公司位于甘井子區(qū)廠區(qū)內(nèi)的一聯(lián)合車間939號(hào)油罐著火，火災(zāi)造成2人受傷、2人失蹤，設(shè)備設(shè)施也遭到了不同程度的損壞。基于事故預(yù)防的角度，需要開展大存量油料儲(chǔ)存設(shè)備設(shè)施泄漏引起的池火災(zāi)的危害特性及其安全防范措施方面的研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)油料泄漏引起的池火災(zāi)已進(jìn)行了大量深入的研究，如Borja等[1]采用FLACS-Fire和CFD程序?qū)Σ裼秃推托孤┐笠?guī)模池火災(zāi)進(jìn)行了模擬，并對(duì)兩種模型下池火災(zāi)的燃燒特性參數(shù)進(jìn)行了定量誤差估計(jì)，但沒有對(duì)池火災(zāi)的安全距離進(jìn)行分析；蒲金云等[2]利用CFD模型對(duì)庚烷油池火災(zāi)的熱輻射效應(yīng)進(jìn)行了仿真研究，得出熱輻射和熱對(duì)流是庚烷持續(xù)燃燒的主要因素，但沒有分析庚烷池火災(zāi)熱輻射的影響范圍；張培紅等[3]對(duì)小尺寸柴油池火災(zāi)進(jìn)行了研究，得出了主輔油盤間的安全間距，但沒有對(duì)大尺寸柴油池火災(zāi)進(jìn)行分析，工程應(yīng)用性不高。鑒于近幾年對(duì)汽油池火災(zāi)的大部分研究都是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的小尺寸燃燒，利用CFD模擬室外大型汽油池火燃燒特性的研究很匱乏，本文以外泄汽油池火災(zāi)為例，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算和CFD仿真模擬，對(duì)汽油燃燒的熱輻射通量和安全間距進(jìn)行研究，以為制定罐區(qū)的安全間距提供參考。

1 汽油池火災(zāi)的燃燒特性參數(shù)

1.1 質(zhì)量燃燒速率

小尺度汽油池火災(zāi)的燃燒速率有不同的表述方式，但多采用單位時(shí)間單位面積上燃燒掉的汽油質(zhì)量來表示其質(zhì)量燃燒速率，即：

(1)

式中:m″為汽油的質(zhì)量燃燒速率[kg/(m2·s)];wf為汽油的質(zhì)量(g)；Δt為汽油的燃燒時(shí)間(s);Af為油盤的面積(m2)。

對(duì)于大型室外汽油池火災(zāi)，采用Babrauskas[4]提出的適合于大直徑池火災(zāi)的燃燒速率估算公式，可表示為

(2)

1.2 火焰高度

油池火燃燒可以分為三個(gè)階段：增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定燃燒階段、燃燒衰減階段[6]。由于油池火燃燒的三個(gè)階段中穩(wěn)定燃燒階段所用的時(shí)間最長(zhǎng)，所以本文主要分析油池火穩(wěn)定燃燒階段的火焰高度?；鹧娓叨鹊挠?jì)算公式可表示為[7]

(3)

式中：h為汽油池火災(zāi)的火焰高度(m);r為汽油池火災(zāi)的半徑(m)；ρ0為周圍空氣的密度，取值為1.293 kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

1.3 熱輻射通量

油池火的熱輻射模型有兩種：點(diǎn)源模型和固體火焰模型[8]。其中，點(diǎn)源模型將油池火假設(shè)為一個(gè)熱輻射中心點(diǎn)，成半球狀向周圍空氣輻射熱量，并且假設(shè)地表完全吸熱，蒸發(fā)的燃料完全燃燒；固體火焰模型又分為L(zhǎng)NGFire3模型和POFMISE模型，這兩種模型主要適用于儲(chǔ)罐火災(zāi)[9]。本文所討論的主要是外泄汽油池火災(zāi)，故選取點(diǎn)源模型來研究熱輻射通量及下一節(jié)的熱輻射強(qiáng)度。

大尺度汽油池火災(zāi)的總輻射熱通量的計(jì)算公式可表示為[7]

(4)

式中：Hc為汽油的燃燒熱[7]，取值為4.37×104kJ/kg；η為汽油的效率因子[7]，經(jīng)調(diào)研取值為0.13～0.35，本文中取其平均值0.24。

1.4 熱輻射強(qiáng)度

本文利用點(diǎn)源模型來研究油池火的熱輻射強(qiáng)度，將油池火災(zāi)假設(shè)成一個(gè)在液池中心的點(diǎn)[5]，并且全部的輻射來自于這個(gè)中心點(diǎn)，那么位于點(diǎn)源一定距離的目標(biāo)物所受到的熱輻射強(qiáng)度可表示為

(5)

式中：I為距點(diǎn)源一定距離的目標(biāo)物所受到的熱輻射強(qiáng)度[J/(cm2·min)];tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，取值為1；X為目標(biāo)物到液池中心點(diǎn)的距離(m)。

2 油池直徑對(duì)安全間距影響的數(shù)值計(jì)算

作為汽油池火災(zāi)的重要影響因素，油池直徑一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要內(nèi)容[10]。有研究表明，汽油池火災(zāi)的熱傳遞方式是隨油池直徑的變化而變化[11]的?；馂?zāi)造成的損失除了來自初始火源自身外，還可能因?yàn)樵O(shè)備設(shè)施之間的安全距離不夠，引發(fā)多米諾火災(zāi)效應(yīng)而造成更嚴(yán)重的災(zāi)難(二次災(zāi)害)[12]，同時(shí)也給救援工作帶來更大的困難。本文以92#汽油為例，對(duì)油池直徑對(duì)火焰高度和熱輻射通量?jī)蓚€(gè)因素的影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究其對(duì)汽油池火災(zāi)燃燒特性參數(shù)的具體影響。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，大型油庫(kù)泄漏[13]油池直徑大都在10～150 m之間，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)可計(jì)算得出不同油池直徑的汽油池火災(zāi)對(duì)應(yīng)的火焰高度和熱輻射通量，見表1。

表1 不同油池直徑的汽油池火災(zāi)對(duì)應(yīng)的火焰高度和熱輻射通量

火焰高度和熱輻射通量的增長(zhǎng)率與油池直徑的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 火焰高度和熱輻射通量的增長(zhǎng)率與油池直徑的 關(guān)系曲線圖Fig.1 Relationship between the growth rates of flame height and thermal radiation flux and the diameter of gasoline pool

由圖1可以看出：

(1) 隨著油池直徑的增加，火焰高度顯著增長(zhǎng)；當(dāng)油池直徑在10～40 m的范圍內(nèi)時(shí)，火焰高度的增長(zhǎng)率呈直線下降；當(dāng)油池直徑大于40 m后，火焰高度的增長(zhǎng)率顯著變慢，其增長(zhǎng)率穩(wěn)定在0.07%。

(2) 隨著油池直徑的增加，熱輻射通量增長(zhǎng)顯著；當(dāng)油池直徑從10 m增加到40 m時(shí)，熱輻射通量增大了11倍；當(dāng)油池直徑大于40 m后，熱輻射通量隨油池直徑的增加以0.25倍的速率穩(wěn)定增長(zhǎng)。

3 案例數(shù)值計(jì)算與CFD仿真模擬分析

本文結(jié)合具體案例對(duì)汽油池火災(zāi)的熱輻射危害范圍進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)估算和CFD(Computational Fluicl Dynamics)仿真模擬分析。

3.1 案例設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

廣州某油庫(kù)有4個(gè)150 m3內(nèi)浮頂罐(見圖2),其中儲(chǔ)存92#汽油，單個(gè)儲(chǔ)罐最大汽油存量為1.5×104t 。一汽油罐因油氣泄漏發(fā)生閃燃致罐頂呼吸閥著火，10 min后火被撲滅。已知儲(chǔ)罐防火堤內(nèi)的有效液池面積約為15 000 m2,根據(jù)公式計(jì)算得到油池的直徑D=138.23 m。

圖2 廣州某油庫(kù)儲(chǔ)罐區(qū)簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of the tank farm of an oil storage in Guangzhou

基于該油庫(kù)具體的實(shí)際情況，對(duì)模型做出如下假設(shè)[14]：

(1) 地表完全吸熱；

(2) 熱輻射通量接收物體垂直于地表且遠(yuǎn)離火源；

(3) 蒸發(fā)的液體燃料完全燃燒；

(4) 選取油池火穩(wěn)定燃燒階段(假設(shè)應(yīng)用于CFD仿真)。

本文采用Matlab軟件根據(jù)公式(2)至(5)編制數(shù)值計(jì)算程序，對(duì)無風(fēng)條件下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出此次汽油泄漏引起的池火災(zāi)事故的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：汽油的質(zhì)量燃燒速率ms為0.055 kg/(m2·s);汽油池火災(zāi)的火焰高度h為100.37 m;汽油池火災(zāi)的熱輻射通量Q為2.42×106kW。

汽油池火災(zāi)不同熱輻射強(qiáng)度下的安全間距見表2。

表2 汽油池火災(zāi)不同熱輻射強(qiáng)度下的安全間距

根據(jù)不同的熱輻射強(qiáng)度對(duì)設(shè)備和人員的傷害程度準(zhǔn)則，可以得出：

(1) 在距離火源中心219.47 m處人員會(huì)被輕度燒傷；

(2) 在距離火源中心124.15 m處人員會(huì)被重度燒傷；

(3) 在距離火源中心87.79 m處人員會(huì)死亡；

(4) 在距離火源中心71.67 m處設(shè)備設(shè)施會(huì)全部損壞。

3.2 CFD仿真模擬與分析

3.2.1 基本控制方程

在Fluent軟件中，可燃?xì)怏w流動(dòng)的模擬主要依據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒三個(gè)定理來實(shí)現(xiàn)[15-16]：

質(zhì)量守恒方程：

(6)

動(dòng)量守恒方程：

(7)

能量守恒方程：

(8)

式中：ρ為密度(kg/m3)；t為時(shí)間(s)；為拉普拉斯算子；υ為速度矢量(m/s)；p為壓力(Pa)；τ為應(yīng)力張量；E為氣體組分焓值(kJ/kg)；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù);Jj為組分j的散熱通量(kW/m2)。

3.2.2 計(jì)算域的設(shè)置

計(jì)算域?yàn)榘肭蛐?，半徑?00 m。采用拓?fù)淝蟹值娜骟w網(wǎng)格劃分方式，對(duì)火焰附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格尺寸為1.5 m；從火焰中心位置往外圍漸變過渡，網(wǎng)格增長(zhǎng)比例為1.2，網(wǎng)格總數(shù)為452 400。假定地面為絕熱邊界，計(jì)算域外圍為敞開環(huán)境邊界，見圖3。

圖3 計(jì)算域示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation area

3.2.3 模擬結(jié)果分析

(1) 溫度場(chǎng)分析：設(shè)置溫度場(chǎng)每35℃為一單元，仿真模擬得到溫度場(chǎng)見圖4。

圖4 溫度場(chǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of temperature field

由圖4可見，模擬火焰的最高溫度為900 K，分布于火焰面和外場(chǎng)計(jì)算域；火焰面的溫度最高，隨著熱量向周圍空氣的擴(kuò)散，溫度逐漸降低至室溫。

(2) 熱輻射分析：仿真模擬得到不同熱輻射強(qiáng)度的傷害范圍見圖5。

圖5 不同熱輻射強(qiáng)度的傷害范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of damage range of different thermal radiation intensity

由圖5可見，越接近火焰，熱輻射強(qiáng)度越大，相應(yīng)溫度也越高；根據(jù)不同的熱輻射強(qiáng)度對(duì)設(shè)備和人員的傷害程度準(zhǔn)則，距火焰最近的第一層是四級(jí)傷害區(qū)，第二層是死亡區(qū)，第三層是重傷區(qū)，火焰最遠(yuǎn)處為輕傷區(qū)，以外的區(qū)域則是安全區(qū)。

根據(jù)Fluent軟件仿真模擬，得到油池直徑為138.23 m、火焰高度為100.37 m下的熱輻射強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的傷害范圍，將該仿真模擬結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者具有很好的吻合性。

由此經(jīng)驗(yàn)估算與仿真模擬的結(jié)果可以得出：人員和設(shè)備分別在距離汽油池火災(zāi)219.47 m和71.67 m的范圍內(nèi)遭受輕度燒傷和徹底損壞，故救援時(shí)人員應(yīng)在距離火源大于220 m以外的區(qū)域展開救援。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)汽油池火災(zāi)的燃燒特性參數(shù)、安全距離影響因素以及具體案例的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 隨著油池直徑的增加，火焰高度顯著增長(zhǎng)；當(dāng)油池直徑在10～40 m的范圍內(nèi)時(shí)，火焰高度的增長(zhǎng)率呈直線下降；當(dāng)油池直徑大于40 m后，火焰高度的增長(zhǎng)率顯著變慢，其增長(zhǎng)率穩(wěn)定在0.07%。

(2) 隨著油池直徑的增加，熱輻射通量增長(zhǎng)顯著；當(dāng)油池直徑從10 m增加到40 m時(shí)，即油池直徑變大4倍，熱輻射通量增大了11倍；當(dāng)油池直徑大于40 m后，熱輻射通量隨油池直徑的增加以0.25倍的速率穩(wěn)定增長(zhǎng)。

(3) 通過對(duì)案例進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算與CFD仿真模擬，結(jié)果表明：1.5×104t的油罐泄漏后，人員和設(shè)備分別在距離汽油池火災(zāi)219.47 m和71.67 m的范圍內(nèi)遭受輕度燒傷和徹底損壞。因此，故救援時(shí)人員應(yīng)在距離火源大于220 m以外的區(qū)域展開救援。