基于FDS的汽油儲罐池火噴淋冷卻防護效用研究

雷婷

中國石油管道局工程有限公司 （河北 廊坊 065000）

0 引言

油罐池火是油品儲運設施中較為危險的事故類型，亦是消防設計應對的重點[1-2]。依據我國現行規范如《石油天然氣工程設計防火規范》《石油庫設計規范》《石油儲備庫設計規范》，均要求對著火罐進行噴淋冷卻。但國際上常用的消防設計指導文件，如《易燃和可燃液體規范》（NFPA 30）[3]、《石油及石油化工行業固定式水噴霧消防系統應用規范》（API 2030）[4]中并未明確著火罐、相鄰罐的消防冷卻水的設置，是否設置噴淋冷卻需要根據熱輻射暴露進行計算。英國規范《石油煉廠及儲罐區防火規范》（IP 19）[5]則明確不考慮著火罐的罐壁冷卻，只進行相鄰罐的噴淋冷卻。同時，國外規范與國內規范在相鄰罐消防冷卻水供給強度上有較大的區別。

20世紀中后期，國內外對油罐池火噴淋冷卻效果的研究主要采用試驗方法，通過對各尺寸油品儲罐火災進行綜合試驗，積累了儲罐冷卻水最小強度、試驗油罐溫度控制等大量數據，但試驗研究具有環境影響大、可重復性差、試驗成本高昂等缺點。隨著計算機的廣泛應用及計算流體力學的發展，一些CFD軟件在火災學領域得到了較好的驗證和應用，包括FLUENT、FLOWD和FDS等。由美國標準與技術研究所（NIST）開發的火災動力學模擬FDS軟件，應用火災浮力驅動的納維—斯托克斯方程（N-S）進行數值模擬計算，可以得到真實的瞬態流場，且精確度較高，計算工作量小。Hostikka等對該軟件進行了闡述和驗證，另有研究表明該軟件對中小尺度油池火的模擬比較成功，具有較高的可信度[6]。同時，FDS是目前國際上兩款能完成火場噴淋冷卻仿真計算的軟件之一，因其完善的數學模型和試驗驗證，已廣泛應用于各類火災噴淋干預的數值計算。

面對國內外規范的顯著差異，本文分別對汽油儲罐池火在不同強度下的消防噴淋冷卻干預和無干預的情景進行數值仿真，通過模擬計算火場的熱輻射強度和溫度，分析著火罐在我國現有規范消防冷卻強度下的冷卻效果，以及噴淋冷卻對相鄰罐的冷卻防護效用。

1 油罐池火模型構建與計算

1.1 FDS冷卻噴淋數值模擬理論

FDS采用拉格朗日粒子標識煙氣的運輸過程，并模擬水噴淋冷卻和熱輻射的相互作用過程。冷卻水液滴對熱輻射強度的減弱主要通過散射和吸收的聯合作用實現，而熱輻射—液滴的相互作用是通過精確預測輻射強度場和液滴能量平衡解決[7]。

為簡化模型，假設氣相的吸收和散射作用暫時不考慮，則熱輻射傳輸方程如式（1）所示：

式中：s為熱輻射強度單位向量；ΔIλ為熱輻射強度向量微分；kd為液滴吸收因子；σd為液滴散射因子；Ib,d為液滴發射項因子；Φ(s,s′)為散射項函數，即方向從s′到s的散射強度。

局部的吸收和散射因子則通過局部液滴數量密度N（x）和平均粒徑dm（x）進行計算，如式（2）和式（3）所示。

式中：r為液滴直徑；Ca，Cs為相對應的吸收和散射橫截面積；f(r,dm)為液滴數量密度函數，假設與初始液滴粒徑分布保持一致，但平均直徑取決于坐標x。

數值模擬的實際應用，則通過公式（4）和（5）來實現：

式中：Ad為單位體積內液滴橫截面積之和，可通過一個計算網格內所有液滴的橫截面積和計算，通常乘以0.5的系數。

1.2 模型構建及參數設置

選用2 000 m3內浮頂汽油儲罐池火為模擬對象，該油罐罐體參數如下：①儲罐內徑D為15.8 m；②儲罐罐壁高度H1為11.8 m；③燃燒液面高度H2為11.3 m。

模型假設浮盤傾斜，油罐表面有一半面積著火，即著火面積為98 m2。以95號汽油的物性參數進行模型設置，包括油品密度、比熱、熱傳導率、火焰對外的輻射分數、熱釋放速率等參數。

本例中油罐間距依據我國規范大于0.6D，設為9.5 m。本次模擬共設置了3個油罐，其中著火罐位于中間，其兩側分別布置一個同型號油罐，火源位置及油罐布置如圖1所示。

根據GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》第8.4.7條規定，消防冷卻水供水強度為2.5 L/（min·m2），對模型進行消防設計計算，在高度為10 m和7 m處設置兩層噴頭；相鄰罐冷卻罐壁表面積的1/2，噴淋冷卻噴頭設置如圖1中藍色圓點所示。

圖1 油罐布置及噴淋冷卻水噴頭設置

為研究各項火場參數，模型設置了多個熱輻射強度探測點、溫度探測點，用于測量著火罐及相鄰罐的罐壁溫度及所受的熱輻射強度，如圖2中的黃色圓點所示。

圖2 熱輻射及溫度探測點布置圖

2 仿真結果分析

2.1 儲罐對熱輻射強度及溫度的響應

理論和試驗研究均表明，在開敞空間的儲罐油品類池火，著火罐壁溫會迅速升高，油品燃燒5 min左右，油面以上罐壁溫度可接近500℃，鋼結構承載能力下降約35%；8～10 min后達到甚至超過700℃，油面以上的罐壁鋼板將失去支撐能力，發生坍塌變形造成著火油品外溢，增大撲救難度。

大型儲罐熱傳遞的主導模式為熱輻射，有研究表明儲罐燃燒時熱傳導、熱對流和熱輻射在反饋熱量所占的比例分別接近1%、9%和90%。因此著火罐火焰形成的高強度熱輻射也是導致相鄰儲罐失效和人員傷亡的主要原因。表1為常用的熱輻射毀傷準則[8]。

相鄰儲罐的冷卻水供給強度國內至今未開展過試驗，目前國家規范中的冷卻強度是根據已有試驗的熱輻射強度進行經驗公式推算確定的。本文通過計算機流體力學仿真計算，對照熱輻射毀傷準則及罐壁溫度影響，對著火罐及相鄰罐在不同噴淋冷卻強度下的防護效果進行分析研究。

2.2 著火罐在噴淋冷卻干預與無干預下的仿真分析

模型分別在有噴淋冷卻干預和無干預的條件下仿真運行，對距離罐頂0.5 m高度的罐壁編號為106的溫度測點和罐壁編號為106熱輻射測點的數據進行分析處理，繪制著火罐在該點的罐壁溫度變化曲線和罐壁所受熱輻射強度變化曲線，分別如圖3～圖6所示。

表1 熱輻射毀傷準則

圖3 無干預的著火罐罐壁編號106測點溫度曲線

圖4 無干預的著火罐罐壁編號106所受熱輻射強度曲線

圖5 標準冷卻強度下的著火罐罐壁溫度曲線

通過對比發現，油罐池火發展成熟后，在我國現行規范規定的標準消防冷卻強度2.5 L/（min·m2）下，相同溫度測點處，著火罐罐壁溫度依然隨時間呈線性升高，且升高速率與無干預情形下基本一致，說明噴淋冷卻水對于降低著火罐罐壁溫度的作用微乎其微。

圖6 標準冷卻強度下的著火罐罐壁編號106所受熱輻射強度曲線

受湍流作用影響，罐壁所受熱輻射強度波動較大，但整體穩定在250 kW/m2，噴淋冷卻與無干預作用下的熱輻射數值幾乎相同，表明噴淋冷卻對于降低著火罐罐壁所受熱輻射的作用也不明顯。

為進一步檢驗不同冷卻強度對著火罐冷卻的有效性，增大噴淋冷卻強度到3.0 L/（min·m2）對著火罐進行噴淋冷卻。模擬結果表明，增大噴淋強度后罐壁溫度以及所受熱輻射變化趨勢，與無噴淋作用以及標準噴淋強度作用下的特征值相似，表明即使增大我國現有規范中的冷卻強度，對于著火罐的保護作用也非常微弱。

綜上所述，油罐池火事故中，著火罐外壁的冷卻噴淋系統對于罐體的保護作用十分有限，與國外規范中不要求對著火罐進行噴淋冷卻的理念非常相符。同時該類消防設施在事故發生時可能遭到破壞，火災現場的有效性值得商榷，著火罐發生火災后，控制火災局勢還應以著火罐的泡沫消防為主，撲滅火源為保證著火罐罐壁不發生過熱坍塌的根本。

2.3 相鄰罐在噴淋冷卻干預與無干預下的仿真分析

油罐池火為開敞空間的大型火災，火焰較高，火勢較猛，撲滅時間相對較長，相鄰罐在火災事故中受到長時間的高溫及熱輻射影響，易引發次生事故[9]，因此國內外規范均要求對相鄰罐進行噴淋冷卻，但對冷卻水供給強度的規定頗有差異。本文通過構建模型，對火災事故中相鄰罐受到的溫度及熱輻射傷害進行分析，探討不同強度的消防冷卻水的保護效果。

圖7為相鄰罐罐頂區域溫度及熱輻射強度測點布置圖，圖8是無干預、我國相鄰罐標準噴淋強度2.0 L/（min·m2）、1.5倍標準噴淋強度3.0 L/（min·m2）作用下，相鄰罐罐頂區域罐壁溫度測點數據變化曲線。

圖7 測點位置圖

仿真結果表明，油罐池火發生后，與著火罐相鄰的油罐其罐壁溫度隨時間呈現線性增大的趨勢，越靠近罐頂的區域，壁面溫度升高越快，并隨著時間有繼續增大的趨勢。在無干預情形下，燃燒100 s時距離罐頂0.5 m、2 m、3.5 m處測點的壁面溫度分別為130℃、85℃、60℃；在噴淋冷卻工況下，上述測點值依次為55℃、40℃、25℃，分別降低了57.7%、52.9%、58.3%。這說明相鄰罐的消防噴淋冷卻系統對于降低該罐罐壁溫度具有明顯作用。在1.5倍標準噴淋冷卻強度作用下，相鄰罐罐壁溫度變化與標準噴淋強度下的溫度變化趨勢幾乎相同，各溫度測點的數據變化速率相同，即在此情況下小幅增大噴淋冷卻強度并不能起到降低相鄰罐溫度的效果。

圖9分別是無干預、我國相鄰罐標準噴淋冷卻強度2.0L/（min·m2）、1.5倍標準噴淋冷卻強度3.0L/（min·m2）作用下，相鄰罐罐頂區域罐壁所受的熱輻射強度變化曲線。

圖8 相鄰罐罐壁溫度變化曲線

圖9 相鄰罐罐壁所受熱輻射強度變化曲線

從圖9可看出，標準噴淋冷卻強度作用下，在相鄰罐罐壁所受熱輻射達到穩定后，距離罐頂0.5 m、2 m、3.5 m處的壁面熱輻射值分別為18 kW/m2、10 kW/m2、5 kW/m2，與無干預下各測點值相比，分別降低了33%、23.1%、33%。參考熱輻射傷害準則，噴淋冷卻工況下只有靠近罐頂0.5 m高度區域的罐壁及附屬設施有小幅受損的風險，而其下部罐壁全部處于安全狀態，表明相鄰罐的噴淋冷卻是一種有效的防護手段。對比發現，目前兩種噴淋冷卻強度作用下，相鄰罐罐壁所受熱輻射強度的穩定值幾乎相同，說明1.5倍標準噴淋冷卻強度并不能明顯增大對鄰罐的防護作用。

3 結論

通過汽油儲罐池火仿真計算，分析著火罐及其相鄰罐在不同消防冷卻水供給強度下的溫度和所受熱輻射強度變化規律，總結得出以下兩條結論。

1)油罐發生池火后，采用我國現行規范的噴淋冷卻強度，對降低著火罐罐壁溫度及所受熱輻射強度效果微弱，一定程度上驗證了國外消防設計中著火罐不設噴淋冷卻的可行性，有助于在國際項目中提高消防設計的靈活性。

2)油罐火災事故中，對相鄰罐采用我國現行規范的消防噴淋冷卻強度，可有效降低相鄰罐罐壁溫度和所受熱輻射強度，對加強相鄰罐安全具有較好的效果。一定范圍內單純增大對相鄰罐的消防噴淋冷卻強度，并不能明顯增強對該罐的防護作用，表明我國現行規范中對相鄰罐的消防冷卻水供給強度的設定較為科學。