油罐庫區火災事故危險區域模擬計算研究

●管佳林，俞祚福，況凱騫

(廣州中國科學院工業技術研究院 城市公共安全技術研究中心，廣東 廣州 511458)

●消防理論研究

油罐庫區火災事故危險區域模擬計算研究

●管佳林，俞祚福，況凱騫

(廣州中國科學院工業技術研究院 城市公共安全技術研究中心，廣東 廣州 511458)

大型油罐庫區的出現給消防監管和火災應急撲救工作提出了更高的要求，為了制定科學的大型油罐火災應急處置策略，保障應急撲救消防人員的安全，同時實現最大的滅火救援效率，需要科學確定油罐火災事故發生時油罐周邊危險區域。為此，結合某大型油庫儲罐工程實際，采用火災動力學軟件構建模型對油罐火災發展過程進行模擬計算，并基于輻射熱計算模型，計算油池火災輻射熱，根據輻射熱強度確定油罐火災周邊危險區域。油罐火災事故發生時油罐周邊危險區域確定可為火災應急撲救處置策略提供科學依據。

油罐庫區；應急撲救；油罐火災；處置策略

0 引言

為了保障地區社會經濟的快速發展，為經濟建設提供充足的能源動力，一些局部區域陸續出現了大型油氣儲備庫區和大型石油儲罐區。石油儲罐區的出現對消防安全監管與應急火災撲救提出了更高的要求。儲罐是儲罐區儲存原油、成品油等油品的最重要的設備，儲罐內儲存的各種油品一般都具有易揮發、易流失、易燃燒、易爆炸等性質，一旦發生火災，燃燒猛烈，火焰溫度高，輻射熱強，控制和撲救難度很大[1-2]。大型油罐庫區一旦發生火災，應急撲救難度大，事故損失大，同時容易造成惡劣的環境破壞和社會影響。

油罐處于開放環境中，油罐火災造成人員傷亡和財產損失的主要原因是熱輻射效應[3-5]。因此，研究油罐火災的熱輻射危害特性，可為儲油罐區平面布局設計、火災控制和撲救提供科學依據。油罐中儲存的汽油泄漏后極易揮發與空氣形成爆炸性混合物，遇點火源可能形成蒸汽云爆炸火災事故。可燃液體一旦著火并完成液面上的傳播過程之后，就進入穩定燃燒的狀態。液體的穩定燃燒一般呈水平平面的“池狀”燃燒形式。

油罐火災以及油罐泄漏形成的防火堤火災是典型的油池火災，對于油池火災的發展過程和火災規律，國內外研究人員展開了大量的試驗和數值模擬研究[6-8]，得出了池火災特征參數的經驗模型。大型油罐火災試驗研究成本高、實施難度大，致使油罐火災事故相應的試驗數據相對匱乏。隨著計算機模擬技術的日益成熟，利用計算流體力學技術研究大型油罐火災問題已成為當前的主流技術手段[9-11]。為了科學確定油罐火災事故發生時油罐周邊危險區域，本文采用火災動力學模擬軟件FDS研究油罐火災燃燒的熱輻射特性，得出無風和有風情況下熱輻射傳播規律，分析熱輻射對周圍目標物體的破壞程度。采用現有池火災經驗模型分析計算大面積防火堤火災時熱輻射傳播規律，以確定大面積防火堤火災時對人體傷害及對建構筑物破壞的后果。

1 油罐火災模擬計算分析

對于大型油罐庫區，最為常見的火災事故為密封圈火災。密封圈火災是指在大型外浮頂儲罐浮頂與罐壁接觸的位置密閉失效，在密封圈位置發生整個環狀或局部弧形帶狀火災，密封圈火災通常是由雷擊造成。浮頂局部火災是指大型外浮頂儲罐的浮頂發生傾斜下沉，儲罐上表面部分面積的儲存介質直接暴露在空氣中并形成火災。油罐全表面火災是指大型外浮頂儲罐整個浮頂浮力失效或斷裂，整個浮頂發生沉沒，罐頂整個直徑表面與空氣接觸，并形成火災。

大多數池火災都是發生在室外，由于氧氣供應充足，燃燒比較完全，產生的有毒、有害煙氣也容易消散掉，從這個角度來看，室外池火災的傷害力比室內火災要小。但是，池火災產生的火焰能夠向四周發出強烈的熱輻射，強度要比室內火災大得多。因此，火焰產生的熱輻射是室外池火災的主要危害。

燃料的熱物性質參數是采用火災動力學軟件進行模擬計算的基本參數，通過查閱有關文獻選取了具有代表性的汽油熱物性，如表1所示。

表1 汽油熱物性

結合某大型石油儲罐區工程實際，構建相應的油罐物理幾何模型，如圖1所示。模擬參數設置包括模擬時間、輸出選項、外界環境等。由于汽油池火災發展極為迅速，即從火災開始到火焰達到相對穩定的時間非常短。因此，為了減少運算量，將模擬時間定義為60 s。環境初始溫度設置為20 ℃，并考慮環境風速的影響。具體火災場景模擬參數設置如表2所示。

1.1 場景1模擬結果分析

平均風速為4 m·s-1時，汽油罐浮頂全表面火災的燃燒發展過程如圖2所示。可以看出，在火災發展初期，由于此時熱釋放速率較小，產生的熱羽流慣性較小，因此，在風的作用下火焰偏向風的下游，然而隨著時間的推移，火勢發展迅速，很快達到最大的熱釋放速率，此時熱羽流表現出強烈的向上慣性動量，因此，減弱了風對火焰的影響作用。平均風速為4 m·s-1時，汽油罐浮頂全表面火災產生的熱輻射在模擬研究罐區的影響范圍如圖3所示。

圖1 FDS模型示意圖

序號場景描述環境風條件環境初始溫度場景1浮頂全表面火災,燃料為汽油4m·s-120℃場景2浮頂全表面火災,燃料為汽油無風20℃

(a)6 s

(b) 21 s

(c)30 s

(d)60 s

(a)37.5 kW·m-2影響范圍(嚴重損害)

(b)25 kW·m-2影響范圍(嚴重影響)

1.2 場景2模擬結果分析

無環境風速影響時，汽油罐浮頂全表面火災的燃燒發展過程如圖4所示。可以看出，汽油罐浮頂全表面火災的發展十分迅速，在無風條件下火焰的發展集中在儲罐的中心軸線位置。無環境風速影響時，汽油罐浮頂全表面火災產生的熱輻射在模擬研究罐區的影響范圍如圖5所示。

(c)12.5 kW·m-2影響范圍(中等影響)

(d)4 kW·m-2影響范圍(中度影響)

(a)6 s

(b)21 s

(c) 30 s

(d) 60 s

2 防火堤油池火災模擬計算分析

防火堤內火災是指儲罐或鏈接管道發生泄漏，在防火堤內形成液池，并發生池火。結合某大型石油儲罐區工程實際，某防火堤區域內有兩只10 000 m3的儲罐，設儲存物質為汽油，由于防火堤所圍成的體積小于最大罐的體積，儲罐發生泄漏時能夠流淌到整個防火堤所圍的面積，形成汽油液池，遇明火形成池火災。汽油的燃燒熱為43 700 kJ·kg-1，汽油的燃燒速度取0.025 6 kg·m-2·s-1，空氣的密度為1.293 kg·m-3，所研究防火堤所圍的面積為4 536 m2。

(a)37.5 kW·m-2影響范圍(嚴重損害)

(b) 25 kW·m-2影響范圍(嚴重影響)

(c) 12.5 kW·m-2影響范圍(中等影響)

(d)4 kW·m-2影響范圍(中度影響)

2.1 防火堤池火災火焰高度

設液池為一半徑為r的圓池，火焰高度可按照下式計算：

(1)

式中，h——火焰高度，m；

r——液池的當量半徑，m；

ρ0——周圍空氣密度，取1.293kg·m-3；

g——重力加速度，取9.8m·s-2;

dm/dt——單位面積的質量燃燒速度。

對于非圓形的液池，采用當量半徑的方法計算。液池的有效半徑r的計算公式為：

(2)

式中，S——非圓形液池的面積，m2。

=41.73m

經計算可以得到防火堤池火災火焰高度為41.73 m。

2.2 目標接收熱輻射通量

液池燃燒時放出的總熱輻射通量，可以按照下式計算：

(3)

式中，Q——總熱輻射通量，kW；

η——效率因子，可取0.13～0.35；

Hc——液體燃燒熱，kJ·kg-1。

=(3.14×382+2×3.14×38×41.73)

×0.0256×0.3×43700÷[72

=559 074.81kW

經計算可得到防火堤池火災時放出的總熱輻射通量為559 074.81 kW。

距離液池中心某一距離x處的入射熱輻射強度可以通過下式計算：

(4)

式中，I——熱輻射強度，kW·m-2；

tc——熱傳導系數，取1；

x——目標點至液池中心距離。

(5)

目標接收到熱輻射通量為37.5kW·m-2的影響半徑：

同樣，可計算出目標接收到不同熱輻射通量的影響半徑，產生的損失情況，如表3所示。

表3 不同入射熱輻射通量造成的損失情況

3 油罐庫區火災應急處置策略分析

油罐發生火災時，應由消防隊負責統一指揮滅火。作為火場指揮既要精通各種滅火技術，又要能根據火場實際情況，當機立斷，作出對策。同時還要合理地調動消防力量和正確使用各種滅火器材，有膽量、有魄力地組織滅火工作，以確保滅火工作的順利進行。

3.1 滅火救援力量調配

油罐火災發展變化快，燃燒迅速，因此所需滅火救援力量多，在接警調派過程中，必須堅持加強第一出動的原則，迅速調集應急救援力量，集中兵力于火場，為滅火做好人力、物力上的準備。在救援力量調配上，冷卻力量以大功率泵車為主，主要任務是對燃燒罐和受火勢威脅的相鄰油罐實施冷卻降溫，預防爆炸；滅火力量以泡沫車為主，調集大功率大流量泡沫車、云梯車、曲臂登高車、移動炮、泡沫掛鉤、泡沫發生器等，主要任務是為撲滅燃燒罐體火災做準備；搶險力量以器材裝備保障車、給養保障車、泡沫運輸車為主，為順利進行滅火戰斗提供后勤保障。

3.2 火災現場偵查

首批到達火場的消防救援力量，必須進行火情偵查，通過親自查看和詢問單位技術人員和消防人員，做好火場情況的收集工作，為初步滅火作戰和后援力量調配實施總攻提供有力依據。油罐發生火災后，首批到場消防人員應考慮以下情況：燃燒罐與鄰近罐的情況，如品種、數量、結構以及是否有水墊層和罐頂破損等；油罐區的固定與半固定消防設施，如泡沫儲存量、種類、噴射形式；鄰近罐受火威脅程度、呼吸閥的完好形狀等；防護堤的完好情況，物品流淌途徑；排水管道的完好情況以及進出油管道線路及閥門的完好情況；鄰近罐的儲油情況；起火罐區的水源情況等。

3.3 罐區消防設施滅火

火災燃燒初期，在燃燒面積較小、強度不高的情況下，當油罐裝有固定滅火設施并完整可靠時，應立即啟動罐區滅火設施，通過噴淋冷卻和泡沫滅火，迅速控制火勢。一旦火災被撲滅，不要立即停止冷卻，應繼續供給水和泡沫，防止復燃。當首批滅火力量已經到場時，應迅速實施戰斗展開，利用移動滅火裝置進行冷卻和滅火。當火勢發展到猛烈燃燒階段后，燃燒罐的固定滅火設施遭到破壞，但鄰近罐的固定消防設施可能保持完好，也要考慮其水噴淋系統的作用，同時進行冷卻，滅火效果更佳。

3.4 冷卻與覆蓋不間斷進行

在油罐火災撲救過程中，消防人員應首先考慮實施冷卻，對燃燒罐和鄰近罐的罐壁以及至關重要的附件進行不間斷冷卻，直至恢復到常溫為止，以防止油質遇高溫物體復燃，同時對流淌火也要進行不間斷的泡沫覆蓋，以防形成回火，造成人員傷亡。

3.5 做好火災現場安全防護

火災撲救過程中，應加強對一線指戰員的安全保護，減少不必要的人員傷亡，特別是處于防護堤內的指戰員，應組織一定數量的水槍對他們進行冷卻防止灼傷。對登高強攻作業的消防指戰員不僅要冷卻保護，還要佩戴隔熱服，同時要加強對一些發生沸溢、噴濺后處于流淌區域的水帶、消防車的保護，防止不必要的裝備損失，特別是針對原油沸溢、噴濺的情形，在撲救中，火場消防指揮員應實時監測油罐的火焰變化情況，當出現沸溢、噴濺的征兆時，應及時組織現場救援人員撤退，以減少人員傷亡，保障消防車輛及裝備的安全。

4 結論

4.1 無風情況下，大型油罐發生浮頂全表面火災時，消防隊員滅火不受二度燒傷威脅的安全距離約為64m；有風情況下消防隊員不受二度燒傷威脅的安全距離約為80m，不受死亡威脅的滅火安全距離約為62m。對于大型油罐庫區火災事故，應急救援時消防隊員應與著火油罐保持必要的安全距離，以避免消防隊員的傷亡。

4.2 面積為4 536m2的防火堤，一旦發生汽油池火災事故，在半徑0～34.45m范圍內將造成嚴重損害，對操作設備全部損壞，對人造成10s內1%死亡；在半徑34.45～42.20m范圍內將造成嚴重影響，達到無火焰、長時間輻射木材燃燒的最小能量，但對鋼鐵無損害，對人造成10s內重大傷亡，1min內100%死亡；在半徑42.20～52.74m范圍內將對人造成暴露5s后嚴重灼傷；在半徑52.74～59.67m范圍內將造成中等影響，有火焰時，達到木材燃燒塑料熔化的最低能量，對人造成10s內一度燒傷，1min內1%死亡；在半徑59.67～83.40m范圍內，對人造成20s后二度灼傷，暴露8s感覺疼痛；在半徑83.40～105.49m范圍內，造成輕度影響，人暴露20s以上感覺疼痛，可能燒傷；在半徑105.49～159.49m范圍內，人暴露1min以上感覺疼痛；在半徑166.79m范圍外，人長期輻射無不舒服。

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(本欄責任編輯、校對 馬 龍)

Research on Simulation Calculation of Dangerous Fire-occurring Areas in Oil Tank Reservoir Zones

GUAN Jia-lin, YU Zuo-fu, KUANG Kai-qian

(ResearchCenterofUrbanPublicSafety,InstituteofIndustrialTechnologyGuangzhou&ChineseAcademyofScience,Guangzhou,GuangdongProvince511458,China)

It has put forward higher requirements for fire regulation and emergency fire fighting and rescuing work as large oil tank reservoir area appears. In order to formulate a scientific emergency response strategy for large oil tank fire, to protect the safety of fire fighters in emergency fighting and to achieve the maximum efficiency of fire-fighting and rescuing, to locate the dangerous area around oil tanks when fire starts is required. Therefore, combined with a large oil depot tank engineering practice, a fire dynamics software is taken to construct a model which is used to so some simulation calculation for the developing process of oil tank fire. Based on radiant heat calculation model, fire radiant heat in oil pool is to be calculated; also, the surrounding dangerous area of oil tanks will be identified according to the intensity of radiant heat. The identification of the dangerous surrounding areas of oil tanks while fire accident occurring will provide scientific basis for the disposal strategy of fire fighting and rescuing work.

oil tank reservoir zone; emergency fighting; oil tank fire; disposal strategy

2014-12-20

廣東省科技計劃項目“基于火災風險分析的高危區域安全評估關鍵技術研究及在臨港經濟區的示范應用”(2012B031500012)

管佳林(1989— )，男，山東菏澤人，助理工程師； 俞祚福(1957— )，男，江蘇南京人，高級工程師； 況凱騫(1981— )，男，江西高安人，副研究員。

D631.6

A

1008-2077(2015)02-0005-07