城市人口密集區加油站池火災熱輻射后果的模擬研究

王 濤,王平平

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071；2.化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266071；3.國家石化項目風險評估技術中心，山東 青島 266071)

加油站作為面向社會為車輛添加油品的場所，儲存和經營著大量的易燃、易爆、易揮發、易泄漏的油品(汽柴油)。近年來，隨著城市發展速度的加快，許多城市加油站被周邊的建(構)筑物所包圍，有的加油站甚至位于市區人口密集的繁華地段，造成加油站與周圍建(構)筑物的安全距離不符合國家標準規范的要求，時刻威脅著周邊居民和設備設施的安全，一旦發生事故，將給周邊區域環境帶來難以估量的損失。已有統計資料[1]表明，我國約25.5%的加油站分布在城區，近些年加油站的安全生產事故主要為火災和爆炸。因此,本文針對城市人口密集區的加油站，識別出其運營過程中潛在的風險，并采用事故后果模擬定量風險分析的方法對城市人口密集區加油站發生油品泄漏引發池火災事故熱輻射的后果進行了模擬分析，為判斷加油站安全狀況提供科學依據。

1 加油站直接作業環節的潛在風險識別

加油站一般由罐區(柴油罐和汽油罐均埋地敷設)、站房、加油機、加油島等組成，加油站在運營過程中直接作業環節為：油罐槽車通過接卸油管將油品(汽柴油)送至地下儲油罐，儲油罐中的油品經吸油管送至加油機，再通過加油槍給機動車輛加油，見圖1。

圖1 加油站直接作業環節流程示意圖Fig.1 Process diagram of gas station operation

由于加油站直接作業各個環節都不同程度地存在油品，而成品油具有易揮發、易燃易爆等特性，其蒸氣比空氣重，一般能在低位擴散到較遠處，與空氣混合后能形成爆炸性混合物，如果油品發生泄漏，達到爆炸極限，一旦遇到明火、靜電火花等點火源，極易引發火災、爆炸事故[2]。本文按照《加油站作業安全規范》(AQ 3010—2007)中規定的卸油、加油、油罐計量、設備維護等作業過程[3]，對加油站運營過程中的潛在風險進行了識別。

1.1 卸油作業

卸油作業環節中如果遇到卸油膠管破裂、密封墊破損、快速接頭螺絲松動、儲罐或管道腐蝕穿孔等情況，將會導致油品泄漏，遇到點火源會形成流淌火或油膜火。

1.2 加油作業

加油作業中如果出現油品外溢，在加油口附近會形成爆炸危險區域，一旦遇到明火(如加油車輛在油區排煙帶火，現場吸煙或者違章動火)都可以導致火災,甚至使用手機、金屬碰撞、電器打火、發動機排氣管噴火等也有可能導致火災事故。

1.3 計量作業

按規定要求，油罐槽車卸油到儲油罐后應靜置穩油15 min，待靜電消除后方可開蓋量油。如果油罐槽車卸完油立即開蓋量油，靜電未完全消除，將可能引起靜電起火；如果儲油罐量油孔鋁質(銅質)鑲槽脫落，在量油時，量尺與鋼質管口摩擦產生火花，也可能引起火災、爆炸事故。

此外，儲油罐作為油品儲存的主要容器，由于油品本身的危險特性，使其具備了火災、爆炸的危險性[4]。如汽油閃點為-50℃～-20℃,爆炸極限為1.3%～6.0%，其火災危險性屬甲B類，當埋地儲油罐內非液體部分的混合氣體達到爆炸極限時，遇到火源就會發生火災、爆炸。

1.4 設備維護作業

設備維護作業主要包括清洗油罐、加油機維修等，其中潛在風險高的環節為油罐清洗作業，這是由于在清洗油罐過程中無法徹底清除掉罐內油氣和沉淀物，而殘余油氣遇到靜電、摩擦、電火花等都可能會導致火災事故。

2 加油站池火災熱輻射后果計算模型的建立

根據加油站典型事故案例統計，加油站事故形態主要有4種:火災、爆炸、火災后引起爆炸、爆炸后引起火災[5]。其中，火災、爆炸事故是加油站事故主體，危害性最大，造成的人員傷亡和財產損失最嚴重。

在加油站直接作業環節中，加油/卸油作業環節是油品泄漏事故易發環節，靜電、電器、明火等是主要點火源。加油/卸油過程中一旦加油槍、卸車軟管、輸送管道等設備失效，將會發生油品泄漏事故，導致油品在地面流淌，遇到點火源形成流淌火和油膜火[6]。因此，合理地評估加油站卸油/加油過程中油品泄漏池火災事故的影響范圍，對合理確定加油站安全距離和安全風險具有重要意義。

2.1 池火災模擬理論

由于設備、管線損壞(破裂)或操作失誤引起物料泄漏，導致大量易燃、易爆物質釋放，易引發火災、爆炸等重大事故發生。

危險性物質的泄漏有兩種方式，即連續性泄漏和瞬時性泄漏。所謂連續性泄漏是指泄漏源是連續源或泄漏時間大于或等于擴散時間的泄漏；而瞬時泄漏是指泄漏時間比擴散時間短的泄漏[7]。泄漏事故的危害后果不僅與泄漏物質的數量、易燃性、毒性有關，而且還與泄漏物質的相態、壓力、溫度等狀態有關。

加油站油品泄漏會形成液池，隨著泄漏的持續，液池將會不斷擴展。液池的擴展受液池高度的影響，液池高度差帶來的重力驅使液池擴展，而地面的摩擦力和地面物體將阻礙液池運動,當液池的蒸發率和油品泄漏率相等時，液池將達到平衡狀態。液池的擴展還受到所處地形、建(構)筑物、工藝設備等周邊環境的影響[8]。

液池模型主要用來模擬泄漏的油品受外界條件阻礙后的流動、蒸發和擴散過程，該模型采用二維淺水方程進行求解,液池高度主要由以下方程控制：

(1)

(2)

2.2 熱輻射對人員的傷害

火球、池火及噴射火的死亡概率值可按照下式計算[10]：

(3)

式中:Pr熱為熱輻射暴露下的死亡概率值；Q為熱輻射強度(W/m2) ；t為暴露時間(s)，最大值為20 s。

根據GuideforPressure-RelievingandDepressuringSystems(API RP521—1997)及有關資料的規定，不同熱輻射強度下人的允許暴露時間見表1[11]。

2.3 熱輻射對建(構)筑物的影響

火災熱輻射對建(構)筑物的破壞主要取決于作用時間的長短，即火災的持續時間。火災的持續時間又與可燃物質量的多少有關，可表示為

(4)

其中，Mc=mf·S

式中:W為可燃物的質量(kg)；Mc為單位時間燃燒的可燃物質量(kg/s);S為池面積(m2)；mf為燃燒速度(kg /m2·s)。

2.4 目標接收的熱輻射通量

在開放環境下的池火災，對鄰近人員及設備設施的熱輻射影響主要體現在熱輻射的強度和時間上。

假設全部輻射熱量由液池中心點的小球面輻射出，則在距離液池中心某一距離(X)處的入射熱輻射強度為[8]:

(5)

式中:I為熱輻射強度(kW/m2);Q為總熱輻射通量(kW);tc為熱傳導系數， 在無相對理想的數據時，可取值為1;X為目標點到液池中心的距離(m)。

不同熱輻射強度對鄰近人員的傷害和對設備設施的損壞情況詳見表2[10]，界區外允許的最大熱輻射強度見表3。

表2 不同熱輻射強度對設備和人員造成的損壞和傷害[10]Table 2 Damage of different intensity of thermal radiation to devices and human

表3 界區外允許的最大熱輻射強度Table 3 Allowed thermal radiation intensity of outside the limitted area

注：a指人跡罕至的地區，如沼澤地、農田、沙漠;b指可能是極其重要的無防護地區，該地區人員任何時候都不穿防護服，應急期間或危險時刻很難把人員立即疏散，如體育館、運動場、戶外劇場。

3 人口密集區加油站池火災熱輻射后果的模擬分析

加油站油品泄漏后流至低洼地面形成液池，遇到點火源燃燒而形成池火，并在燃燒后迅速放出大量的熱能。由于池火災產生的火焰能夠向周圍散發強烈的熱輻射，使燃燒的范圍不斷擴大，可能會使附近的人員受到傷害，建(構)筑物遭到損壞，增加了撲救的難度。池火災熱輻射后果的模擬分析(即危險性分析)主要目的是估算池火災對周圍目標的破壞程度。

3.1 事故場景假設

本文根據加油站卸油和加油工藝流程，假設油罐槽車卸車點管線泄漏、加油機軟管泄漏2個事故場景(見表4)，并針對人口密集區加油站復雜的外部環境，結合周邊民用建(構)筑物類別，模擬發生池火災事故后熱輻射造成的影響范圍。

表4 加油站油品泄漏事故場景假設Table 4 Hypothesis of the oil leakage accidents at the gas station

3.2 卸車點泄漏引發的池火災事故模擬分析

假設加油站卸車點發生80 L/min油品泄漏，泄漏的油品將在卸車點處流淌，并以泄漏點為中心向四周流淌，由于受到圍墻的阻隔作用，1 min后泄漏油品形成的液池(最大厚度為0.004 9 m)形狀見圖2。

圖2 加油站卸車點油品泄漏1 min后形成的最大液池Fig.2 Maximum liquid pool formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

在遇到點火源前，加油站卸車點油品泄漏形成的液池最大面積為32.9 m2；當遇到點火源后形成池火，液池池火災熱輻射場在約50 s后穩定。本文分別給出了距離地表0.5 m、1.5 m處的最大熱輻射的影響范圍(見圖3，圖中不同顏色代表不同時間段熱輻射的范圍)和不同高度上最大熱輻射的影響范圍(見圖4)。

圖3 加油站卸車點油品泄漏1 min后形成池火災在距離地表0.5 m、1.5 m處最大熱輻射的影響范圍Fig.3 Maximum thermal radiation influence scope pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

圖4 加油站卸車點油品泄漏1 min后形成池火災在不同高度上最大熱輻射的影響范圍Fig.4 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

由圖3和圖4可見：池火災中火焰內部最大的熱輻射強度達208.3 kW/m2；下風向熱輻射強度為5 kW/m2的最大波及范圍距離卸車點(即泄漏點)約16 m。

3.3 加油點泄漏引發的池火災事故模擬分析

假設加油站加油點發生70 L/min油品泄漏，泄漏的油品受到加油島的阻隔，1 min后泄漏油品形成的液池(最大厚度為0.004 5 m)形狀見圖5。

圖5 加油站加油點油品泄漏1 min后形成的最大液池Fig.5 Maximum liquid pool formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

在遇到點火源前，加油站加油點油品泄漏形成的液池最大面積為28 m2；當遇到點火源后形成池火，液池池火災熱輻射場在約50 s后穩定。本文分別給出了距離地表0.5 m、1.5 m處最大熱輻射的影響范圍(見圖6)和不同高度上最大熱輻射的影響范圍(見圖7)。

圖6 加油站加油點油品泄漏1 min后形成池火災在距離地表0.5 m、1.5 m處最大熱輻射的影響范圍Fig.6 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

圖7 加油站加油點油品泄漏1 min后形成池火災在不同高度上最大熱輻射的影響范圍Fig.7 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

由圖6和圖7可見：池火災中火焰內部最大的熱輻射強度值為245.5 kW/m2；下風向熱輻射強度為5 kW/m2的最大波及范圍距離加油點(即泄漏點)約為15 m。

3.4 模擬結果分析

安全間距一般認為是加油站發生火災時,不向鄰近設備或建(構)筑物蔓延的最小距離，從本質上來講，安全間距是由發生災害的模式和影響范圍決定的。因此，安全間距是加油站設計中的一個重要參數。目前國內汽車加油站的設計和施工主要依據《汽車加油加氣站設計與施工規范》(GB 50156—2012)[12]，該標準中規定了加油站、加油加氣合建站的站內汽油設備與站外建(構)筑物的安全間距。

本文根據人口密集區加油站加油點和卸車點油品泄漏發生池火災事故熱輻射后果的模擬結果，將其與GB 50156—2012標準中規定的相關安全間距要求進行了對比分析，其結果見表5。

表5 安全間距模擬值與GB 50156—2012標準規定值的對比Table 5 Comparison of simulation result and standard of safety distance

由表5可知：

(1) 從加油站加油/卸油作業環節發生油品泄漏引發池火災事故熱輻射后果的模擬結果來看，加油站卸車點發生池火災事故熱輻射的影響范圍要大于加油點池火災事故熱輻射的影響范圍。

(2) 通過對加油站油品泄漏引發池火災事故熱輻射后果的模擬，得到加油站加油點和卸車點發生油品泄漏后引發池火災事故熱輻射的影響范圍大于《汽車加油加氣站設計與施工規范》(GB 50156—2012)中所規定的與站外民用建(構)筑物(二、三類保護物)的安全間距要求，造成傷害的程度均屬于不可接受的范疇。

(3) 在給定的事故條件下，當加油站發生油品泄漏并起火，在考慮風的影響時，汽油火災最大燃燒面積將隨泄漏速率的增大而增大，嚴重時將會對周邊區域造成嚴重的影響。

4 結論與建議

(1) 城市人口密集區的加油站外部安全風險主要存在于加油點和卸車點，因此加油站在日常安全管理和運營過程中，應重點加強對高后果和高風險的卸車點和加油點火災事故的預防與控制。

(2) 對于分布在城市人口密集區且與外部重要建(構)筑物和民用保護物安全間距不足的加油站，應加強加油機日常維護和加油作業管理，嚴格按照規范要求控制相應的安全間距，在條件許可的情況下設置安全間隔(如防爆墻等)，防止加油站火災事故的發生。

(3) 池火災熱輻射對人的傷害和建(構)筑物的損壞需要一定的時間，建議城市人口密集區加油站應提高現場應急反應和應急處置的能力，加強火災事故應急預案演練，減少或避免造成更嚴重的傷害。

(4) 為了從根本上解決人口密集區加油站外部安全間距不足的問題，減少和防止油品泄漏火災事故的發生，應加強作業現場風險管控，對加油站固有風險進行量化評估，并將評估結果與風險可接受標準相比較，以判斷實際風險水平是否可以接受。如果評估的風險超出允許的上限，則應采取相應的安全措施，直到滿足風險可接受標準為止。