石油儲(chǔ)備庫(kù)區(qū)域安全間距模型的確立及應(yīng)用

于倩秀

中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司華東管道設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221008

0 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油資源開(kāi)始面臨短缺，油價(jià)高位振蕩，世界各國(guó)都在加強(qiáng)石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備，主要表現(xiàn)為整體庫(kù)容及單罐容量的增大，目前我國(guó)已建成多座整體庫(kù)容達(dá)500×104m3的石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備庫(kù) （如湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備庫(kù)、鐵嶺原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)等），石油儲(chǔ)備庫(kù)安全性日益重要。石油儲(chǔ)備庫(kù)區(qū)域安全防火間距是石油化工企業(yè)平面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，既涉及到油庫(kù)的安定，又關(guān)系到生產(chǎn)運(yùn)行的安全和總投資效益的高低。所以，石油儲(chǔ)備庫(kù)區(qū)域防火間距作為一個(gè)關(guān)系到系統(tǒng)整體效益的設(shè)計(jì)參數(shù)，越來(lái)越受到重視［1］。

目前油庫(kù)總平面圖布置主要依據(jù)GB 50737-2011《石油儲(chǔ)備庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》，并參照GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》及 GB 50074-2002 《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)進(jìn)行，其安全間距很大程度是參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)等制定的，本文試圖從流體力學(xué)、燃燒學(xué)的角度出發(fā)，模擬預(yù)測(cè)石油儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)對(duì)周?chē)h(huán)境的熱輻射影響，結(jié)合熱輻射準(zhǔn)則得出石油儲(chǔ)備庫(kù)區(qū)域安全防火間距［2］。

1 模型的確立

石油儲(chǔ)罐及其附屬設(shè)備發(fā)生泄漏事故時(shí)，原油將從儲(chǔ)罐、閥門(mén)或管道泄漏到罐區(qū)地面，然后向罐區(qū)四周流淌擴(kuò)散，由于受到防火堤、隔堤的阻礙，原油將在防火堤或隔堤所限定的區(qū)域內(nèi)積聚，形成一定范圍、一定厚度的油池。池火災(zāi)所產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射，不僅對(duì)相鄰罐體、建構(gòu)筑物的安全造成威脅，而且使消防救援人員很難靠近，造成石油儲(chǔ)罐火災(zāi)事故不斷擴(kuò)大，因此池火災(zāi)事故模型適用于石油儲(chǔ)罐火災(zāi)輻射熱及輻射距離的計(jì)算［3］。

1.1 儲(chǔ)罐火災(zāi)直徑

對(duì)于油罐應(yīng)根據(jù)防護(hù)堤所圍面積S計(jì)算火災(zāi)池直徑D：

在罐區(qū)防火堤或隔堤受損的情況下，石油儲(chǔ)罐所泄漏的原油經(jīng)過(guò)充分?jǐn)U散且無(wú)滲透與蒸發(fā)，根據(jù)原油泄漏量和地面性質(zhì)，最大池火災(zāi)面積可按式（2）～（3）計(jì)算：

式中：S為防火堤面積，m2；D為火災(zāi)池當(dāng)量直徑，m；ρ為原油密度，kg/m3；m為儲(chǔ)罐內(nèi)原油質(zhì)量，kg；Hmin為最小油層厚度，m。

常見(jiàn)地面最小油層厚度見(jiàn)表1。

表1 地面最小油層厚度

1.2 火災(zāi)燃燒速率

當(dāng)池火災(zāi)中可燃液體的沸點(diǎn)高于環(huán)境溫度時(shí)，單位液體表面積燃燒速率為：

式中：mf為單位液體表面積燃燒速率,kg/(m2·s)；Cp為液體的定壓比熱，kJ/(kg·K)；T0為環(huán)境溫度,K；Tb為液體的沸點(diǎn)，K；H為液體的氣化熱，kJ/kg；Hc為液體的燃燒熱，kJ/kg。

當(dāng)池火災(zāi)中可燃液體的沸點(diǎn)低于環(huán)境溫度時(shí)，單位液體表面積燃燒速率為：

常見(jiàn)可燃液體的燃燒速率見(jiàn)表2。

表2 常見(jiàn)可燃液體的燃燒速率

1.3 火災(zāi)火焰高度

儲(chǔ)罐火災(zāi)無(wú)風(fēng)時(shí)火焰高度用下述經(jīng)驗(yàn)公式表示：

儲(chǔ)罐火災(zāi)有風(fēng)時(shí)火焰高度用下述經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中：ρL為空氣的密度，kg/m3； g 為重力加速度，（m/s2）；U 為風(fēng)速，m/s； ρo為油蒸汽的密度，kg/m3。

1.4 火焰表面的熱通量

通過(guò)圓柱形火焰的頂部和側(cè)面，熱輻射的能量向四周均勻輻射，火焰表面的熱通量［4］可用下式表示：

式中：q表為火焰表面的熱通量，kW/m2；Hc為油品的燃燒熱，kJ/kg； f為熱輻射系數(shù)，0.15。

1.5 儲(chǔ)罐火災(zāi)熱輻射量

儲(chǔ)罐燃燒時(shí)的總熱輻射量為：

式中：q總為儲(chǔ)罐燃燒時(shí)的總熱輻射量，kW；η為0.13～0.35，效率因子。

1.6 熱輻射強(qiáng)度

假定全部能量從火災(zāi)中心點(diǎn)的球面輻射而來(lái)，則距儲(chǔ)罐中心某一距離x處的熱輻射強(qiáng)度qx及火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間T分別為：

式中：qx為熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；T為火災(zāi)燃燒的持續(xù)時(shí)間，d；x為某處距燃燒儲(chǔ)罐中心的距離，m。

1.7 熱輻射損害的判別準(zhǔn)則

火災(zāi)周?chē)矬w在足夠強(qiáng)度熱輻射作用下會(huì)產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象或變形，造成人員傷亡和設(shè)備損害[5]。熱輻射損害判定準(zhǔn)則，反映的是目標(biāo)所接收熱輻射強(qiáng)度與設(shè)備、設(shè)施損壞及人員傷亡狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表3。

表3 熱輻射損害判定表

2 實(shí)例分析

某石油儲(chǔ)備庫(kù)總庫(kù)容220×104m3。一期建設(shè)庫(kù)容80×104m3，2個(gè)罐組，每個(gè)罐組由4座10×104m3原油儲(chǔ)罐組成，其單罐防火堤尺寸為120m×110m；二期建設(shè)庫(kù)容140×104m3，3個(gè)罐組， 其中 2個(gè)罐組由 6座 10×104m3原油儲(chǔ)罐組成，其單罐防火堤尺寸為120 m×120 m，1個(gè)罐組由4座5×104m3原油儲(chǔ)罐組成，其單罐防火堤尺寸為100m×90m。原油密度 0.85 kg/m3，空氣密度為1.295 kg/m3，儲(chǔ)罐裝滿系數(shù)0.85，原油的燃燒熱49.5×103kJ/kg，原油燃燒速率為 0.013 7 kg/(m2·s)，原油燃燒時(shí)的效率因子為0.24、熱輻射系數(shù)為0.15，罐區(qū)風(fēng)速不計(jì)。由上述計(jì)算模型可得該石油儲(chǔ)備庫(kù)各儲(chǔ)罐火災(zāi)損害計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表4。

從表4可以看出，當(dāng)距儲(chǔ)罐中心距離為170m及180m時(shí)，儲(chǔ)罐火災(zāi)的熱輻射強(qiáng)度為1.45～2.00，而太陽(yáng)光的熱輻射強(qiáng)度約為1.5，因此在此距離范圍內(nèi)儲(chǔ)罐火災(zāi)對(duì)人體基本無(wú)害，而GB 50737-2011《石油儲(chǔ)備庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定儲(chǔ)罐區(qū)防火堤距居住區(qū)及公共建筑物的最小距離為120m，再考慮防火堤距罐中心距離為50～60m，因此該規(guī)范所規(guī)定的儲(chǔ)罐區(qū)至人員密集場(chǎng)所的距離是合理的。當(dāng)距儲(chǔ)罐中心距離為130m及140m時(shí)，儲(chǔ)罐火災(zāi)的熱輻射強(qiáng)度為2.5～3.3，在此范圍內(nèi)熱輻射不會(huì)對(duì)設(shè)備設(shè)施構(gòu)成較大危害，因此，GB 50737-2011《石油儲(chǔ)備庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定儲(chǔ)罐區(qū)至工礦企業(yè)的最小距離為80m是可以接受的。

表4 儲(chǔ)罐火災(zāi)損害計(jì)算表

3 結(jié)論

本文通過(guò)池火災(zāi)事故后果傷害數(shù)學(xué)模型的建立，具體分析了大型石油儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，不同目標(biāo)距離處熱輻射強(qiáng)度同儲(chǔ)罐火災(zāi)各影響因素之間的關(guān)系，確定了石油儲(chǔ)備庫(kù)同周邊人員密集場(chǎng)所及工礦企業(yè)的安全間距，使我們進(jìn)行石油儲(chǔ)備庫(kù)總平面布置時(shí)對(duì)各種安全間距的把握更加具體和科學(xué)，計(jì)算方法更為多樣、靈活。

［1］郭開(kāi)華，王文靜，皇甫立霞，等.LNG站場(chǎng)防火間距及安全性分析［J］.天然氣工業(yè)，2012，32(10)：90-94.Guo Kaihua，W ang W enjing，Huangpu Lixia，et al.Fireproof Spacing between Equipmentsand Safety Analysisat LNG Stations［J］.NaturalGas Industry， 2012，32(10)：90-94.

［2］楊成貴.淺談綜合油庫(kù)總圖設(shè)計(jì)［J］.天然氣與石油，1999,17（2）：32-38.Yang Chenggui.An Elementary Discussion on General Plan Design of Comprehensive OilDepot［J］.NaturalGasand O il，1999，17（2）：32-38.

［3］趙新穎.大型油庫(kù)安全評(píng)價(jià)方法研究［D］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2006.Zhao Xinying.Research on Safety Assessment Methods in Large-Scale Tank Farm［D］.Dongying： China University of Petroleum（Eastern China）， 2006.

［4］郝永梅，邢志祥，沈 明，等.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的城市燃?xì)夤艿腊踩Ц怕剩跩］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31(4):270-273.Hao Yongmei， Xing Zhixiang， Shen M ing， et al.Calculate the Failure Probability of U rban Gas Pipeline Based on Bayesian Network Mode［J］.O il&Gas Storage and Transportation， 2012，31(4):270-273.

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