原油儲罐泄漏擴散影響因素分析

張偉鵬

(中油北京銷售有限公司，北京 100101)

隨著國民經濟的快速發展，中國油庫的單罐庫容和總庫容量均在不斷提高。截止到2018年底，國內原油和成品油庫總量為9.82×107m3，油庫的大型化將成為今后的發展趨勢。由于單罐庫容越來越大，一旦發生油品泄漏，會發生重大的火災爆炸事故[1-2]。目前，針對儲罐的火災爆炸研究主要集中在室內試驗和模擬分析。魏東等[3]通過對三種不同直徑的儲罐進行火災燃燒試驗，建立了穩定的熱輻射模型，并根據熱通量準則，預測了不同條件下的熱輻射規律；劉志勇[4]通過修正了池火災的傷害機理，研究了不同因素對熱輻射通量的影響；趙承建等[5]利用軟件模擬和計算了儲罐發生池火災時造成的熱輻射情況，得到了實際工況中儲罐的安全防火間距，具有一定的實際意義。綜上所述，科研人員研究了儲罐火災爆炸的危害，但缺乏對各因素影響程度的定量分析，對主導因素的分析也較少。

因此，采用PHAST軟件模擬分析了儲罐的池火災和蒸氣云爆炸事故后果，分析不同條件下的傷害范圍，并對數據采用綜合評價中的灰色關聯分析，得到影響傷害范圍的主導因素，以期為油氣站場內的操作人員提供安全撤離的參考。

1 數學模型

儲罐泄漏后的形式主要有池火災和蒸氣云爆炸兩種，池火災產生的危害主要有熱輻射，當目標接收到的熱輻射通量超過引起目標破壞的臨界值時，目標被摧毀；蒸氣云爆炸的危害來自于由內向外釋放的能量，以沖擊波、拋射物和壓力容器殘余變形三種形式表現，其中沖擊波占比較大，沖擊波的破壞作用由超壓值定量體現，不同的超壓值對建筑物和人體均有一定傷害[6-7]。

1.1 池火災模型

PHAST軟件內置了多種熱輻射通量的計算模型，在此選用點源模型進行計算[8]。點源模型是假設熱量集中在液池軸線火焰的中心位置，并由此向外輻射熱量，則目標接收到的熱輻射通量I為

(1)

式中：I——目標接受到的熱輻射通量，kW/m2；K——大氣傳遞系數，量綱一的量；Q——火焰釋放速率，kW；R——目標距離火焰中心點的距離，m。

采用Heskestad公式計算火焰高度H：

(2)

式中：D——液池流淌半徑，m；dS/dt——單位面積燃燒速度，kg/(m2·s)；ρ0——周圍空氣密度，kg/m3；g——重力加速度，9.8 m/s2。

1.2 蒸氣云爆炸模型

當泄漏原油蒸氣經過擴散后，遇火點燃會形成蒸氣云，當游離云團處于低速燃燒時，云團內的壓力一般不超過5 kPa，不會對人造成傷害，但油庫往往布局緊湊，在狹小的空間內，壓力值迅速上升。PHAST軟件內置了TNT當量模型、Baker-Strehlow模型和TNO multi-energy模型[9]，由于后兩種模型較為復雜，計算時間也較長，在此采用TNT當量模型進行計算。TNT當量模型是將蒸氣云爆炸所產生的能量以當量TNT的模式表現出來，公式如下：

(3)

式中：ηf——爆炸效率系數，在此取0.04；mf——泄漏油品的質量，kg；Qf——泄漏油品的熱值，取低位熱值計算，MJ/kg；QTNT——TNT炸藥爆炸時的熱值，取4.56 MJ/kg。

2 模型驗證

為驗證PHAST軟件所選模型的有效性，對比文獻[3]中的室內模擬實驗結果，文獻中環境溫度為20 ℃，相對濕度為50%，油罐直徑為2.7 m，泄漏點距離地面高度為0.4 m，得到池火災對應不同熱輻射的傷害距離l，熱輻射通量對比如圖1所示；蒸氣云爆炸產生的沖擊波超壓則采用the Kingerey and Bulmash經驗公式進行核算，超壓值p超壓對比如圖2所示。經過對比，得到模型結果與經驗公式擬合度較好，比試驗值略大，主要是文獻[3]中的試驗為工業級別，試驗采用了雙爆破安全閥裝置使泄漏短管的沿程壓力分布不均勻，造成一定誤差，但誤差處于可控范圍內，證明PHAST軟件所選模型可以進行有效預測。

圖1 熱輻射強度值對比示意

圖2 p超壓對比示意

3 結果與討論

3.1 泄漏孔徑

自定義原油泄漏源模型，在風速為2 m/s，大氣穩定度為C的條件下，對容積為5×103m3的原油儲罐進行泄漏模擬，對于池火災熱輻射，主要模擬熱輻射通量為4 kW/m2時，火災輕傷對應的順風風向半軸距離；對于蒸氣云爆炸，主要模擬超壓13 kPa 時，爆炸輕傷對應的順風風向半軸距離。按照API581《基于風險的檢驗》中對原油儲罐通用失效概率中定義的泄漏孔直徑50，100，150，200，300 mm進行模擬，不同泄漏孔直徑對輕傷的傷害距離如圖3所示。隨著泄漏孔直徑的增加，火災輕傷的傷害距離呈直線上升，爆炸輕傷的傷害距離在泄漏口直徑較小時變化不大，超過150 mm后呈直線上升，證明蒸氣云的傷害距離存在一個臨界泄漏孔直徑。但總體而言，在其他參數不變的情況下，泄漏孔徑的增加，泄漏量也增大，傷害距離增加。

圖3 不同d對輕傷的l示意

3.2 泄漏點離地高度

在風速為2 m/s，大氣穩定度為C的條件下，對泄漏點離地高度h為1，2，3，4，5 m進行模擬，不同泄漏點離地高度對輕傷的傷害距離如圖4所示。隨著泄漏點離地高度的增加，火災輕傷的傷害距離呈緩慢上升趨勢，離地高度從1 m到5 m，傷害距離僅從23.52 m上升到了34.67 m，上升幅度不大；爆炸輕傷的傷害距離呈現先增大后減小的趨勢，在離地高度為3 m時，傷害距離達到最大值。

圖4 不同h對輕傷的l示意

3.3 風 速

原油儲罐發生泄漏后，事故的大小和發展趨勢與當地的大氣條件關聯度較大，因此在大氣穩定度C的條件下，對風速2，4，6，8，10 m/s進行模擬，不同風速對輕傷的傷害距離如圖5所示。隨著風速的增加，火災輕傷的傷害距離不斷增大，這是由于在高風速條件下，有利于池火災的火焰向順風風向偏移；爆炸輕傷的傷害距離先大幅降低隨后變化平穩，這是由于高風速有利于稀釋泄漏出來的油品蒸氣的濃度，同時高風速條件下的湍流作用加速了云團與周圍空氣之間的熱交換，冷空氣上浮，蒸氣云密度和濃度下降，傷害距離大幅降低，但隨著風速的進一步增加，擴散過程由空氣卷吸轉為被動擴散階段，大氣湍流作用減弱，傷害距離下降的幅度減緩。

圖5 不同v風對輕傷的l示意

3.4 大氣穩定度

Pasquill-Gifford根據白天光照輻射的強度和夜晚云層的覆蓋程度劃分了大氣穩定度，A為非常不穩定，B為不穩定，C為中等不穩定，D為中等，E為中等穩定，F為非常穩定。因此，按照A～F大氣穩定度等級進行模擬，不同大氣穩定度對輕傷的傷害距離如圖6所示。隨著大氣穩定度等級的提高，對火災輕傷的傷害距離幾乎沒有影響，因此可以忽略大氣穩定度對池火災的影響；對爆炸輕傷的傷害距離呈上升趨勢，證明穩定的大氣對蒸氣云的擴散有促進作用。

圖6 不同大氣穩定度對輕傷的l示意

3.5 空氣濕度

在風速2 m/s，大氣穩定度為C的條件下，對空氣濕度20%，40%，60%，80%進行模擬，不同空氣濕度對輕傷的傷害距離如圖7所示。隨著空氣濕度的增加，火災輕傷的傷害距離略有降低，爆炸輕傷的傷害距離基本不變，證明空氣濕度對池火災有輕微抑制作用。

圖7 不同空氣濕度對輕傷的l示意

4 灰色關聯分析

為了明確不同因素對池火災和蒸氣云爆炸傷害距離的影響程度，采用灰色關聯進行分析，將傷害距離作為參考序列，泄漏孔徑、泄漏點離地高度、風速、大氣穩定度、空氣濕度作為比較序列，利用前面的模擬實驗結果，將數據進行無量綱化處理，隨后求出各比較序列的差序列和關聯系數，最后對關聯系數取平均值后得到每個因素和傷害距離的關聯度。關聯度越大，表明對傷害距離的影響越大，綜合關聯度見表1所列。

表1 綜合關聯度

由表1可知，對池火災輕傷傷害距離的影響因素為： 泄漏孔徑>泄漏點離地高度>風速>空氣濕度>大氣穩定度；對蒸氣云爆炸輕傷傷害距離的影響因素為： 泄漏孔徑>風速>泄漏點離地高度>空氣濕度>大氣穩定度。總之，對于初始條件，泄漏孔徑的影響程度比泄漏點離地高度更大；對于外部條件，風速的影響程度比大氣穩定度和空氣濕度更大。

5 結束語

1)池火災輕傷傷害距離隨著泄漏孔徑、泄漏點離地高度、風速的增加而增大，隨空氣濕度的增加而略微減小，隨大氣穩定度基本不變。

2)蒸氣云爆炸輕傷傷害距離隨泄漏孔徑、大氣穩定度的增加而增大，隨泄漏點離地高度的增加先增大后減小，隨風速的增加而減小，受空氣濕度的影響不大。

3)對不同因素的影響程度進行了灰色關聯分析，對于初始條件，泄漏孔徑的影響程度比泄漏點離地高度更大；對于外部條件，風速的影響程度比大氣穩定度和空氣濕度更大。