基于FDS 的甲醇罐區(qū)池火災(zāi)事故后果模擬研究

陳虹燕，徐昕，王浩

(1.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221004；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221100)

0 引言

連續(xù)化、流程化生產(chǎn)是現(xiàn)代智能化工生產(chǎn)的特點，但大量易燃物質(zhì)集中儲存會帶來一定的火災(zāi)風(fēng)險。應(yīng)急管理部《關(guān)于公開征求強制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)〈化工企業(yè)可燃液體常壓儲罐區(qū)安全管理規(guī)范(征求意見稿)〉意見的函》于2023 年9 月5 日發(fā)布，附件中的《化工企業(yè)可燃液體常壓儲罐區(qū)安全管理規(guī)范》處于征求意見階段，其中對于應(yīng)急救援明確要求“應(yīng)急救援處置過程中以人為本、科學(xué)研判，防止次生事故發(fā)生”，因此罐區(qū)火災(zāi)風(fēng)險及應(yīng)急處置的研究應(yīng)在貫徹國家安全管理政策的同時落實落地。

甲醇是一種有機的基礎(chǔ)化工原料，被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、塑料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等領(lǐng)域，是低閃點易燃液體，屬于重點監(jiān)管危險化學(xué)品，其火災(zāi)特性被學(xué)者廣泛研究。周千軍等[1]針對1 m 尺度甲醇油池火應(yīng)用不同模型進行模擬計算；蘇忠波等[2]對大型甲醇池火的泡沫疊加滅火進行試驗和研究；程宗律等[3]對甲醇池火進行氣液耦合中等尺度火災(zāi)模擬。通過不同的假設(shè)條件和計算模型進行甲醇池火的仿真模擬為甲醇池火的防滅火提供參考。

本文以徐州某化工廠甲醇罐區(qū)為研究對象，計算并模擬真實環(huán)境中無風(fēng)、平均風(fēng)速、中等風(fēng)速和最大風(fēng)速條件下甲醇儲罐泄漏燃燒，形成8 m×8 m 的池火產(chǎn)生的輻射強度及傷害范圍，重點分析甲醇儲罐之間的相互影響，并建立FDS 模型，模擬燃燒過程中不同測點熱輻射強度并輸出三維仿真效果，為選取最佳滅火點的設(shè)置提供建議。

1 池火災(zāi)輻射模型

池火災(zāi)是以可燃液體作為燃料的火災(zāi)，其主要危害是輻射熱作用在容器和設(shè)備上，引起容器和設(shè)備的破裂；輻射熱作用于可燃物，引起可燃物燃燒；輻射熱作用于人體，引起燒傷甚至死亡。研究甲醇池火災(zāi)的輻射熱涉及的模型參數(shù)有甲醇的燃燒速率、火焰高度、總熱輻射通量、火焰表面平均輻射通量和目標(biāo)接收熱輻射通量。

1.1 燃燒速率

經(jīng)分析，甲醇的沸點值高于環(huán)境溫度，因此甲醇表面的燃燒速率為：

式中：m為單位表面積燃燒速度(kg/m2·s)，Hc為液體燃燒熱(kJ/kg)，Cp為液體的定壓比熱(kJ/(kg·k))；Tb為液體的沸點(K)；T0為環(huán)境溫度(K)；H為液體的汽化熱(kJ/kg)。

1.2 火焰高度

甲醇泄漏形成液池，因此研究火焰高度時，把液池假設(shè)為一個圓形的液池來研究：

式中：h為火焰高度；r為液池半徑；m為可燃液體單位面積的質(zhì)量燃燒速率(kg/(m2·s))；0ρ為環(huán)境空氣密度(kg/m3)，環(huán)境溫度20 ℃時，取1.205 kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s。

1.3 總熱輻射通量

熱輻射通量與形成液池的面積和火焰的高度成正比，燃燒時甲醇釋放出的總熱輻射通量為：

式中：Q為總熱輻射通量(kW)；η為效率因子，可取0.24；h為火焰高度(m)；m為燃燒速率(kg/(m2·s))；Hc為液體燃燒熱(kJ/kg)；π 為圓周率，取3.14；r為液池半徑(m)。

1.4 火焰表面平均輻射通量

池火災(zāi)火焰表面平均熱輻射通量為：

式中：E為目標(biāo)表面平均熱輻射通量(kW/m2)；f為熱輻射系數(shù)，可取0.3；r為液池半徑(m)；h為火焰高度(m)；Hc為可燃液體的燃燒熱(kJ/kg)；m為可燃液體表面單位面積的質(zhì)量燃燒速率(kg/(m2·s))。

1.5 目標(biāo)接收熱輻射通量

在池火災(zāi)目標(biāo)接收熱輻射通量模型中，學(xué)者通過研究對比[4-5]，得到不同模型在不同情境下的應(yīng)用結(jié)論。其中以點源模型、Mudan 模型和Shokri-Beyler模型應(yīng)用研究較為廣泛。

1.5.1 點源模型

點源模型以液池中心發(fā)出輻射量，計算距離這一中心某一定點處的熱輻射通量[6-7]：

式中：I為目標(biāo)接收輻射熱通量(kW/m2)；Q為總熱輻射通量(kW)；tc為傳導(dǎo)系數(shù)，可取1.0；L為目標(biāo)到液池中心的距離(m)。

1.5.2 Mudan 模型

Mudan 模型把池火火焰作為垂直圓柱(無風(fēng)條件)或者傾斜圓柱(有風(fēng)條件)形成輻射源。該模型考慮池火表面的有效熱輻射通量和被輻射目標(biāo)與池火焰間的關(guān)系以及大氣透射系數(shù)的影響。目標(biāo)接收的熱輻射通量為[8-9]：

式中：q(R)為目標(biāo)接收到的熱通量(kW/m2)；E為火焰表面的熱通量(kW/m2)；R為目標(biāo)到油區(qū)中心的水平距離(m)；V為視角系數(shù)，按Rai&Kalelkan 提供的方法計算。

1.5.3 Shokri-Beyler 模型

Shokri-Beyler 模型將池火假設(shè)為均勻輻射的圓柱體輻射源，圓柱體的截面直徑為液池直徑、火焰高度為圓柱體高度。目標(biāo)接收的輻射熱通量為[10]：

式(7)～式(8)中：q為目標(biāo)接收的熱通量(kW/m2)；E為池火火焰表面平均熱輻射通量(kW/m2)；F12為視角系數(shù)，為水平和豎直兩個方向的矢量和。

1.6 熱輻射傷害準(zhǔn)則

熱輻射對設(shè)備和人體的傷害程度主要因目標(biāo)距離、作用時間和熱輻射強度的不同而不同，具體輻射傷害準(zhǔn)則如表1 所示。

表1 熱輻射傷害準(zhǔn)則

1.7 模型應(yīng)用分析

點源模型計算相對簡單，在理論驗證和實驗研究中被廣泛應(yīng)用，但是徐州某化工廠甲醇罐區(qū)實際因素較為復(fù)雜；Mudan 模型能夠考慮風(fēng)速影響下的熱輻射通量計算，但是預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果的偏差比Shokri-Beyler 模型稍大；Shokri-Beyler 模型通過擬合分析熱輻射通量的實驗數(shù)據(jù)得到用液池直徑表示池火焰表面的有效熱輻射通量，但是估算值存在一定的不確定性。

針對徐州某化工廠甲醇罐區(qū)實際情況，無法實現(xiàn)真實工況的現(xiàn)場實驗，無法確定模型計算的準(zhǔn)確性。為了保障計算的有效性，本文利用FDS 軟件，采用設(shè)定熱輻射傷害準(zhǔn)則數(shù)值反推傷害半徑的方式進行模擬計算。

2 數(shù)值模擬

2.1 甲醇罐區(qū)概況

徐州某化工廠甲醇罐區(qū)①設(shè)置5 000 m3甲醇儲罐2 座，毗連罐區(qū)②設(shè)置3 000 m3甲醇儲罐2 座，毗連罐區(qū)隔堤高1 m，如圖1 所示，1 號罐、4 號罐和2 號罐、3 號罐成軸對稱。受大氣環(huán)流、地形和其他因素影響，該地區(qū)風(fēng)向常年以東風(fēng)為主，多年平均風(fēng)速為2.33 m/s，中等風(fēng)速為13.3 m/s，最大風(fēng)速為18 m/s。3 號罐、4 號罐中間8 m×8 m 區(qū)域為甲醇泄漏后形成的液池區(qū)域。

圖1 徐州某化工廠甲醇罐區(qū)示意圖

2.2 甲醇理化性質(zhì)

經(jīng)徐州某化工廠甲醇試劑化驗分析，甲醇理化性質(zhì)如表2 所示。

表2 甲醇理化性質(zhì)取值表

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

以3 號儲罐泄漏、泄漏液池8 m×8 m 池火為前提，設(shè)置無風(fēng)、平均風(fēng)速、中等風(fēng)速和最大風(fēng)速四種情況，通過仿真模擬計算死亡半徑(設(shè)備損壞)、重傷半徑(設(shè)備長期暴露損壞)、輕傷半徑(周圍可燃物可燃燒)和灼燙半徑(設(shè)備殼體加速老化)，計算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表3 不同風(fēng)速影響下甲醇池火熱輻射傷害半徑

表3中模擬計算得到的傷害半徑值均是由傷害準(zhǔn)則反推的傷害半徑，在FDS 軟件中模擬后，根據(jù)曲線函數(shù)求得。

3 結(jié)果與討論

采用FDS 軟件對甲醇罐區(qū)建模，液池尺寸8 m×8 m，設(shè)置FDS 中的supply，改變環(huán)境風(fēng)速0、2.3、13.3 和18.0 m/s。設(shè)置輻射強度測點，記錄不同位置輻射強度值，通過設(shè)置2D 切片，得到池火在不同風(fēng)速下不同截面的溫度云圖。

3.1 不同風(fēng)速下池火熱輻射分布

以圖2 中3 號甲醇罐泄漏形成液池為研究對象，設(shè)置泄漏最不利點位于3 號罐北側(cè)，形成液池集中于3 號罐和4 號罐中間位置，模擬池火不同測點對隔堤西側(cè)5 000 m3甲醇儲罐的輻射強度。圖3 為環(huán)境風(fēng)速0、2.3、13.3 和18.0 m/s 情況下的不同測點熱輻射強度值隨輻射半徑改變的變化曲線圖。

圖2 甲醇罐區(qū)液池目標(biāo)示意圖

圖3 不同風(fēng)速熱輻射測點強度值

圖3上每一個點均為輻射強度穩(wěn)定后的平均值，通過預(yù)設(shè)的臨界輻射強度，得到不同風(fēng)速下的對應(yīng)臨界距離，且此臨界距離為目標(biāo)測點到火源邊緣的距離。針對徐州某化工廠甲醇罐區(qū)的實際情況，得到以下結(jié)論：隨著測點高度增加，輻射強度降低，在距液池中心8 m 外，輻射曲線基本重合，輻射值趨同≤4 kW/m2；隨著風(fēng)速增加，近火區(qū)域輻射強度顯著增加，因為火焰傾斜后導(dǎo)致火焰直接與溫度測點接觸，但風(fēng)速增加到一定值后輻射變化較小；輻射強度隨著輻射半徑的增加而降低。

圖3中縱坐標(biāo)為輻射強度值、橫坐標(biāo)為目標(biāo)離火源邊緣距離，并列舉了不同高度的測點。在模擬時，求解縱坐標(biāo)在輻射強度為37.5、25.0、12.5、4.0 kW/m2處的橫坐標(biāo)值，標(biāo)示該臨界輻射強度對應(yīng)的目標(biāo)臨界距離(即傷害半徑)，實現(xiàn)臨界輻射強度反推傷害半徑的目的。

3.2 輻射強度與時間分布

隨著風(fēng)速的增加，對比風(fēng)速2.3 m/s 和13.3 m/s 時，火焰輻射強度波動增加，這是因為火焰傾斜后，火焰在風(fēng)力作用下不斷變化，從而導(dǎo)致火焰對于測點的輻射強度也在不斷變化；通過觀察圖4(c)和圖4(d)發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)速情境下波動范圍集中在4 m 內(nèi)，遠(yuǎn)火區(qū)波動較小。對比圖4 中4 個分圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速增加，火焰輻射強度波動越來越明顯，風(fēng)速越大，輻射強度平均值越高。這是因為在風(fēng)的作用下，不斷補充助燃物空氣致使甲醇充分燃燒而產(chǎn)生的現(xiàn)象，同時導(dǎo)致火源傾斜，火源直接與部分測點接觸；高風(fēng)速下，產(chǎn)生的輻射強度均值越高，對周圍設(shè)施造成的危險性越大。

圖4 不同風(fēng)速熱輻射測點輻射強度波動對比圖

3.3 有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)下溫度云圖對比

通過圖5(a)和圖5(b)無風(fēng)條件的溫度云圖可以觀測到，無風(fēng)狀態(tài)下池火燃燒對4 號罐體的高溫作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越對隔堤西側(cè)1 號罐體的影響，這是因為隔堤作為防火堤形成了一道防火屏障，在池火形成后阻隔火焰輻射，溫度傳遞受阻，起到很好的隔熱作用，且1 號罐相較于4 號罐距離液池較遠(yuǎn)，體現(xiàn)目標(biāo)距離越大受溫度影響越小的規(guī)律。圖5(c)和圖5(d)測定最大風(fēng)速18.0 m/s，池火熱輻射強度相較于無風(fēng)條件風(fēng)力越大，火焰傾斜度越大，輻射熱對1 號罐體的影響越大，對4 號罐體的影響逐漸減小。

通過觀察圖5(a)和(c)，黑色區(qū)域為溫度云圖模擬出的燃燒煙氣，在無風(fēng)條件下，煙氣較多集中于4 號儲罐罐側(cè)，而在有風(fēng)條件下，煙氣向1 號儲罐偏移，體現(xiàn)在風(fēng)力作用下高溫帶來的影響區(qū)域會發(fā)生變化，受影響的目標(biāo)設(shè)備會發(fā)生改變。通過觀察圖5(b)和圖5(d)，在無風(fēng)條件下1 號罐體外側(cè)接收到的溫度最高為22.25 ℃，而在有風(fēng)條件下，1 號罐體外側(cè)接收溫度為80～120 ℃，說明風(fēng)力越大，同一設(shè)備外側(cè)接收到的火焰輻射溫度增加。

4 結(jié)論

(1)以徐州某化工廠甲醇罐區(qū)實際場景進行仿真模擬，使用FDS 內(nèi)置輻射模型進行模擬計算，計算結(jié)果表明，輻射強度在主導(dǎo)風(fēng)向東風(fēng)作用下，有風(fēng)條件下在下風(fēng)側(cè)的熱輻射強度高于無風(fēng)條件，池火產(chǎn)生的輻射熱對1 號罐體的影響更大。

(2)防火隔堤在無風(fēng)條件下的防火阻隔作用明顯優(yōu)于有風(fēng)條件，主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng)，隨著風(fēng)力增大，池火對4 號罐體的輻射強度逐漸降低。隨著風(fēng)力增大，輻射強度值波動增大，且熱輻射強度均值隨測點的距離的增大而增大。在最大風(fēng)速18.0 m/s 時，其無傷害距離為≥7.65 m。

(3)使用FDS 進行仿真模擬，將池火溫度云圖可視化，可以直接分析切片處的溫度分布，有風(fēng)情況下，下風(fēng)側(cè)罐體溫度會更高。從消防的角度建議，在罐壁設(shè)置水幕噴淋以降低輻射強度帶來的影響。通過FDS模擬，得到了在設(shè)置防火堤的情況下，不同風(fēng)速下不同輻射傷害距離和罐區(qū)溫度分布，可以為實際罐區(qū)泄漏著火后消防員滅火位置的選取提供參考。