環境風作用下大型原油儲罐火災的后果模擬研究

摘要：大型原油儲罐火災事故具有多發性和災難性，而且大型原油儲罐火災的燃燒行為易受環境風的影響，因此對環境風作用下大型原油儲罐火災進行后果模擬研究具有重要意義。現利用FDS軟件對水平環境風速分別為0m/s、4m/s、8m/s和12m/s的大型原油儲罐全表面火災進行數值模擬，分析環境風對火焰形態、輻射的影響規律，并進一步基于熱輻射通量準則，評價環境風作用下火災對鄰罐的損害程度，提出了相應的安全防治對策。

關鍵詞：FDS；環境風；儲罐火災；火焰輻射

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）05-0001-03

大型原油儲罐火災事故具有多發性和災難性。一旦發生此類事故，火災產生的熱輻射會對周圍環境造成巨大的傷害[1-3]。由于大型原油儲罐火災的燃燒行為易受環境風等自然環境條件影響且大型原油儲罐火災事故發生時往往存在著環境風，而環境風會加快原油表面氣體的混合和流動速度，同時會使火焰發生傾斜，影響液面與火焰之間的熱量傳遞機制，從而顯著影響大型原油儲罐火災事故的發展與蔓延[4]。因此，研究環境風作用下大型原油儲罐火災的特征與危害對于預防這類火災事故的發生、控制此類火災事故的發展和蔓延等具有重要意義。

國內外主要從實驗、理論分析和數值模擬這三個方面開展對大型油罐火災的研究[4-6]。隨著大型油罐火災實驗和數值模擬技術的不斷成熟，利用數值模擬軟件對大型油罐火災進行分析研究越來越廣泛。張日鵬[7]等人通過使用FDS軟件對直徑11.5m油池火災的熱輻射進行了數值模擬研究，發現模擬與實驗值基本一致。陳虹燕[5]等人通過使用FDS軟件對不同風速下甲醇油罐的燃燒火焰和輻射強度的變化情況開展了研究。在對大型原油儲罐火災的數值模擬研究中，大多是在無環境風作用下或是特定環境風速時對大型油罐火災進行后果模擬研究，而對于不同環境風作用下大型油罐火災的后果模擬研究較少[8]。因此，開展環境風作用下大型油罐火災模擬研究，并基于模擬結果進行安全風險分析具有重要意義。

1 模擬及工況設置

在本研究設置的大型原油儲罐火災模擬場景中，有4個大型原油儲罐，分為兩排，每排2個原油儲罐，儲罐編號分別為T1儲罐、T2儲罐、T3儲罐和T4儲罐。大型原油儲罐容積均為106m3，儲罐直徑80m，高21.8m，儲罐中原油液面高度為20m。根據GB50160—2008《石油化工企業設計防火規范》，對于外浮頂儲罐的大型原油儲罐區，罐組內相鄰原油儲罐間的防火間距應不小于0.4D。本研究中，大型原油儲罐的直徑D=80m，故罐組內相鄰原油儲罐間的防火間距應不小于32m，取32m作為大型原油儲罐的防火間距。

基于FDS對以上儲罐火災模擬場景進行建模，除左邊界的通風口和地面外，模擬區域的邊界條件均設置成“OPEN”表面，罐組中的T1儲罐為發生全表面火災的油罐。最終構建的大型原油儲罐組幾何模型見圖1。

圖1" 大型原油儲罐組幾何模型圖

大型原油儲罐中的燃料為原油，由于C19H30與原油的燃燒特性較為相似，因此在進行FDS數值模擬中，選用C19H30作為原油的替代燃料。本研究中設置的火災場景工況共4個，主要分析在水平環境風速分別為0m/s、4m/s、8m/s和12m/s的情況下，油罐發生全表面火災時火災的特征與危害。

經過網格獨立性驗證表明，合適的網格尺寸一般設置為火焰特征直徑的1/4～1/16之間。經計算本研究中火焰特征直徑為41.85m，可得合適的網格尺寸為2.62m～10.46m。綜合考慮大渦模擬的精度與計算的時間和成本，本文將網格尺寸設置為3m×3m×3m，網格區域為360m×150m×210m（長×寬×高），網格總數為420000個。

2 結果與討論

2.1" 火焰形態

根據不同風速下火焰分布模擬結果，環境風會顯著影響火焰形態。隨著水平環境風速的增大，T1儲罐全表面火災產生的火焰和煙氣會逐漸向下風向傾斜。水平環境風速越大，火焰和煙氣向下風向傾斜的角度也越大，對下風向儲罐的熱輻射危害也越大。當風速從0m/s升高至4m/s時，火焰和煙氣傾角開始緩慢從0°增大至16°；當風速從4m/s升高至8m/s時，火焰和煙氣傾角的增加速率顯著增大，由16°增大至46°；當風速從8m/s升高至12m/s時，火焰和煙氣傾角的增加速率又略微減小，由46°增大至65°。總體來看，隨著風速的增加，火災傾角會逐漸增加，煙氣逐漸向地面擴散，這嚴重妨礙了在應急救援過程中消防人員對火情的判斷和人員疏散，加大了滅火救援工作的難度。

2.2" 熱輻射強度

在FDS中通過設置Y=78m的2D切片可得到油罐中心縱截面處的熱輻射強度分布。根據不同風速下的火災輻射場分布可知，環境風改變了大型原油儲罐全表面火災輻射場分布。在環境風的作用下，火焰向下風向傾斜，增大了火災對下風向儲罐的熱輻射危害。風速為0m/s時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為1275kW/m2；風速為4m/s

時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為1109kW/m2；風速為8m/s時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為360.7kW/m2；風速為12m/s

時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為193.4kW/m2。

為了進一步基于數值模擬結果，評價環境風作用下火災對鄰罐的損害程度。本研究采用穩態池火災中常被使用的熱輻射通量準則。當熱輻射通量的范圍在0～12.5kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為基本無損傷；當熱輻射通量的范圍在12.5～25kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為輕度損傷；當熱輻射通量的范圍在25～37.5kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為中度損傷；當熱輻射通量大于37.5kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為重度損傷。在FDS中通過設置熱輻射強度測點得到了熱輻射強度數據，下文中的熱輻射強度取值均為穩定燃燒階段熱輻射測點處的熱輻射強度的平均值。

從圖2可以看出，不同風速下T2罐壁處熱輻射強度均隨著罐壁高度的增加呈不斷增大的變化趨勢。當風速為0m/s時，在罐壁高度大于14.4m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷。當風速為4m/s時，在罐壁高度大于13.5m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷。當風速為8m/s時，在罐壁高度為0～13m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷；在罐壁高度為13～18m時，熱輻射強度介于25kW/m2和37.5kW/m2

之間，T2罐壁被中度損傷；在罐壁高度大于18m時，熱輻射強度超過37.5kW/m2，T2罐壁被重度損傷。當風速為12m/s時，在罐壁高度為0～12m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷；在罐壁高度為12～19m時，熱輻射強度介于25kW/m2和37.5kW/m2之間，T2罐壁被中度損傷；在罐壁高度大于19m時，熱輻射強度超過37.5kW/m2，T2罐壁被重度損傷。

圖2" 不同風速下T2罐壁處熱輻射強度垂直分布

隨著T2罐頂測點距T1儲罐中心水平距離的增大，不同風速下T2儲罐浮頂處的熱輻射強度均呈先增大后減小的變化趨勢。這是因為在靠近T2左側罐壁的位置處，儲罐壁板對熱輻射具有很強的遮擋作用，浮頂處接收的熱輻射強度較小；隨著水平距離的增大，儲罐壁板對熱輻射的遮擋作用逐漸減弱，浮頂處接收的熱輻射強度開始逐漸增大；隨著水平距離的進一步增大，浮頂處與火焰的距離也不斷增大，且超出了儲罐壁板對熱輻射的影響范圍，浮頂處接收的熱輻射強度不斷減小。當風速為8m/s時，在T2罐頂測點距T1儲罐中心的水平距離為81～89m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2儲罐浮頂被輕度損傷；當風速為12m/s時，在T2罐頂測點距T1儲罐中心的水平距離為78～91m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2儲罐浮頂被輕度損傷。

3 結束語

本文通過FDS開展了環境風作用下大型原油儲罐火災研究，分析環境風對火焰形態、輻射的影響規律，并進一步基于熱輻射通量準則，評價了環境風作用下對鄰罐的損害程度。在有風條件下油罐發生火災時，火焰會向下風向傾斜，增強了熱輻射對下風向油罐的危害，故除了主要對著火罐進行滅火保護，也應重點對其下風向的油罐采取相應的冷卻保護措施，如使用水槍、移動式消防水炮等，保證鄰罐的安全，防止火災的發展和蔓延。

參考文獻

[1]許艷梅，翟中楊，魏星.原油罐區池火災多米諾事故概率定量核算方法研究[J].化工安全與環境，2023，36（12）：42-46.

[2]張網，王玥.可燃液體儲罐區固定式滅火系統管網布置方式的探討[J].消防科學與技術，2024，43（3）：362-368.

[3]張偉鵬.基于全表面火災的大型成品油儲罐安全間距研究[D].北京：中國石油大學（北京），2023.

[4]鄧文揚.環境風作用下大尺度油池火燃燒特性研究[D].合肥：中國科學技術大學，2022.

[5]陳虹燕，徐昕，王浩.基于FDS的甲醇罐區池火災事故后果模擬研究[J].化工管理，2024（9）：91-96.

[6]陳海翔，唐瓏枰，方偉.地震誘發儲罐火災多米諾效應的動態定量風險評估方法研究[J].安全與環境學報，2023，23（7）：2159-2166.

[7]張日鵬.大型儲罐全表面火災試驗與模擬研究及危害分析[J].消防科學與技術，2023，42（5）：603-608.

[8]程玉龍.油庫雷電火災耦合致災機理及防控策略[D].北京：中國地質大學（北京），2020.