有風(fēng)時(shí)大型油罐密封圈火災(zāi)下油罐間的安全距離

關(guān)新鳳，劉德俊，魏亞峰，祝 賀，葛 嵐，楊 萍

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2. 營(yíng)口港務(wù)局集團(tuán)公司，遼寧 營(yíng)口 115009； 3. 中國(guó)石油撫順石化公司催化劑廠，遼寧 撫順 113001）

工藝與裝備

有風(fēng)時(shí)大型油罐密封圈火災(zāi)下油罐間的安全距離

關(guān)新鳳1，劉德俊1，魏亞峰2，祝 賀1，葛 嵐1，楊 萍3

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2. 營(yíng)口港務(wù)局集團(tuán)公司，遼寧 營(yíng)口 115009； 3. 中國(guó)石油撫順石化公司催化劑廠，遼寧 撫順 113001）

針對(duì)有風(fēng)時(shí)大型原油儲(chǔ)罐火災(zāi)安全問(wèn)題，以密封圈火災(zāi)著火油罐作為研究對(duì)象，采用編程軟件對(duì)著火油罐的輻射區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)而確定儲(chǔ)罐間的安全距離。研究結(jié)果表明，風(fēng)速一定時(shí)，輻射熱量隨著距火焰的距離增加而降低；同一著火油罐，熱輻射情況隨著風(fēng)速的加大而加劇；風(fēng)速為4 m/s時(shí)，相鄰油罐間的安全距離為31.2 m。

熱輻射；原油儲(chǔ)罐；密封圈火災(zāi)；安全距離

油庫(kù)安全問(wèn)題是整個(gè)石油石化行業(yè)安全問(wèn)題的重中之重，而罐區(qū)的火災(zāi)防護(hù)工作有是油庫(kù)安全工作的重心。 在我國(guó)大型原油儲(chǔ)罐主要以10×104m3以上的浮頂油罐為主，并且隨著各國(guó)對(duì)石油儲(chǔ)備量的不斷加大，大型原油儲(chǔ)罐已成為石油儲(chǔ)罐發(fā)展行業(yè)的大趨勢(shì)，但油罐罐量的增加必然伴隨著油罐風(fēng)險(xiǎn)性的增大。據(jù)資料顯示[1]，從20世紀(jì)60年代到90年代的幾十年間，油罐火災(zāi)數(shù)量由年均不足3起上升到年均量超過(guò)16起，其中所占比重較大的是20×104m3以上的油罐，并且引發(fā)臨近油罐火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量也呈逐年上升的趨勢(shì)。大型油罐火災(zāi)主要以雷擊而產(chǎn)生的密封圈火災(zāi)的形式。火災(zāi)發(fā)生后，如何避免著火油罐對(duì)臨近油罐的熱輻射導(dǎo)致臨近油罐火災(zāi)，發(fā)生連鎖反應(yīng)，可以通過(guò)油罐間的防火安全距離得到有效的控制。

諸多學(xué)者對(duì)儲(chǔ)罐火災(zāi)的輻射熱分布及儲(chǔ)罐間安全距離的確定進(jìn)行了大量的研究。楊國(guó)梁[1[2]應(yīng)用SAFETI軟件，研究了著火油罐在風(fēng)速的影響下對(duì)臨近油罐的熱輻射分布情況；朱建華等[3]對(duì)油品地面池火災(zāi)和儲(chǔ)罐池火災(zāi)對(duì)周?chē)鸁彷椛涞姆植疾煌M(jìn)行了論證對(duì)比；種秀華等[4]通過(guò)對(duì)風(fēng)速及風(fēng)向兩個(gè)因素對(duì)池火災(zāi)輻射分布的影響進(jìn)行了探討與分析；李麗霞[5]通過(guò)對(duì)苯池火災(zāi)在有風(fēng)條件下的熱輻射研究，得到兩油罐間最小安全防火間距；魏欣等[6]對(duì)油罐池火災(zāi)的連鎖效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出預(yù)防連鎖效應(yīng)發(fā)生的預(yù)防措施；孫標(biāo)[7]研究了兩種不同火焰模型及風(fēng)速、溫度等其他因素對(duì)池火災(zāi)熱輻射安全距離的影響?；诖?，為方便計(jì)算，密封圈火災(zāi)簡(jiǎn)化為為當(dāng)量圓柱形池火災(zāi)模型?？紤]到風(fēng)速的影響，采用池火災(zāi)斜圓柱模型。由此分析，不同風(fēng)速條件下著火油罐的輻射熱分布情況，進(jìn)而確定油罐間的安全防火距離。

1 模型的選取及計(jì)算

1.1 基本模型的建立

大型油罐火災(zāi)主要以密封圈火災(zāi)為主，而密封圈火災(zāi)為方便計(jì)算需等效成相應(yīng)的池火災(zāi)進(jìn)行模擬計(jì)算?？紤]到油罐的自身高度問(wèn)題，將池火災(zāi)分為地面池火災(zāi)和儲(chǔ)罐池火災(zāi)。密封圈火災(zāi)的并沒(méi)有使整個(gè)罐體燃燒，因此屬于儲(chǔ)罐池火災(zāi)范疇。池火災(zāi)的火焰實(shí)際上接近圓柱體，在有風(fēng)的情況下，火焰發(fā)生傾斜，可以看做是一個(gè)傾斜的圓柱。如圖1所示，下面圓柱為著火油罐，上面的斜圓柱為火焰。

圖1 儲(chǔ)罐池火災(zāi)模型Fig.1 The model of storage tank’s pool fire

1.2 模型的計(jì)算

（1）油品燃燒速率

當(dāng)油品沸點(diǎn)高于環(huán)境溫度時(shí)，可選用公式（1）[8]進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)油品沸點(diǎn)低于環(huán)境溫度時(shí)，可選用公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中:

mf——油品燃燒速率，kg/(m2·s)；

c ——常數(shù)，0.001 kg/(m2·s)；

Hc——油品的燃燒熱，J/kg；

Hv——油品在常壓沸點(diǎn)下的蒸發(fā)熱，J/kg；

cp——油品的比定壓熱容，J/(kg·K)；

Ta ——環(huán)境溫度，K；

Tb——油品的沸點(diǎn)，K。

（2）火焰高度

在有風(fēng)的條件下，計(jì)算火焰的平均高度，選用Thomas[9]在木垛實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式。其計(jì)算公式為：

式中:

H ——火焰高度，m；

D ——池火直徑，m；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

g ——重力加速度，9.81 m/s2；

u ——10 m高處風(fēng)速，m/s；

uc——特征風(fēng)速，m/s。

（3）火焰傾角

采用美國(guó)氣體協(xié)會(huì)提出的火焰傾斜角θ的關(guān)系式[10]，即：

（4）熱輻射通量

在計(jì)算池火表面的輻射熱量時(shí)，假設(shè)油品燃燒的所釋放的熱量是從圓柱形火焰的四周和上部均勻向外部輻射的，由此可選用公式1-5[10]計(jì)算火焰表面輻射熱量，即：

式中:

E ——火焰表面的輻射熱量，W/m2；

f ——熱輻射系數(shù)，取值范圍是0.13～0.35。

（5）接收點(diǎn)的熱輻射通量

針對(duì)圓柱形火焰的池火災(zāi)，在距離其火焰中心R處，物體所接收到的輻射熱量，可用以下公式進(jìn)行計(jì)算[9]：

式中:

q ——接收點(diǎn)出的輻射熱量，W/m2；

V ——視角系數(shù)；

τ ——大氣透射率。

其中視角系數(shù) 的計(jì)算公式如下[9]：

其中:VV及Vh分別是接收點(diǎn)物體垂直及水平方向上的視角系數(shù)，且均是關(guān)于D、L、θ、X間的函數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中：X ——距離火焰中心的距離，m。

而公式(8)[10]中 為大氣透射率，可選用下式進(jìn)行計(jì)算：

2 模擬計(jì)算及討論

選取十萬(wàn)立浮頂原油儲(chǔ)罐為模擬對(duì)象，采用編程軟件計(jì)算模擬著火油罐的輻射分布情況，進(jìn)而確定兩油罐間的安全距離。其中編程所需的相關(guān)參數(shù)為：原油的燃燒熱49 500 kJ/kg，蒸發(fā)熱400 kJ/kg，比熱容1.7 kJ/(kg·K)，沸點(diǎn)溫度393 K，環(huán)境溫度300 K，空氣密度1.259 kg/m3。

當(dāng)風(fēng)速取4 m/s時(shí)，在火焰傾斜方向上，由模擬計(jì)算可以得到距著火油罐不同距離下的輻射熱量，經(jīng)擬合軟件擬合成如圖2所示的擬合曲線。

圖2 風(fēng)速為4 m/s時(shí)的輻射熱分布情況Fig.2 The distribution of thermal radiation under speed wind of 4m/s

由圖2可以看出，在同一風(fēng)速的條件下，距著火油罐的距離越遠(yuǎn)，火焰所輻射的熱量就越低。距著火油罐的范圍在0～50 m之間時(shí)，隨著距離的增加，輻射熱量大幅度降低；在50～100 m之間，輻射熱量降低減慢；而在100 m之后，接受點(diǎn)的輻射熱量幾乎不變。

油罐火災(zāi)安全距離的影響因素有很多，風(fēng)速對(duì)有關(guān)安全距離的計(jì)算起著至關(guān)重要的作用。因此對(duì)同一著火油罐分別取風(fēng)速為4、3及1.5 m/s時(shí)進(jìn)行模擬，圖3給出了不同風(fēng)速下，在火焰傾角方向上，伴隨距火焰距離的改變，火焰熱輻射強(qiáng)度的分布曲線狀況。

圖3 不同風(fēng)速下輻射熱分布情況Fig.3 The distribution of thermal radiation under different speed winds

由圖3可以看出，不同風(fēng)速對(duì)著火油罐的熱輻射分布的影響不同。圖中三條曲線分別代表風(fēng)速為4、3及1.5 m/s時(shí)在距火焰相同距離的情況下，風(fēng)速越大在火焰傾角方向上，同一接收點(diǎn)處的輻射熱量越高。

大型油罐一般以四個(gè)儲(chǔ)罐為一個(gè)罐組，其中著火油罐設(shè)為1號(hào)油罐，在其垂直和水平方向上的相鄰油罐分別設(shè)為2號(hào)和3號(hào)油罐。在著火油罐對(duì)角線方向上的油罐設(shè)為4號(hào)油罐。其分布圖如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)罐區(qū)布置圖Fig.4 The distribution map of tank filed

風(fēng)速對(duì)油罐安全距離的影響較大，因此選取較為惡劣的情況作為來(lái)進(jìn)行研究。根據(jù)前人的研究成果，在油罐接受的輻射熱量達(dá)到12.5 kW/m2時(shí)，就會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)損壞。模擬計(jì)算可得，取風(fēng)速為4 m/s，當(dāng)風(fēng)正面吹向4號(hào)油罐并且保證其輻射熱量不超過(guò)12.5 kW/m2時(shí)，著火油罐距4號(hào)儲(chǔ)油罐的安全距離為42.5 m，由此得到距2號(hào)和3號(hào)油罐的安全距離為31.2 m。為當(dāng)風(fēng)向直接吹向2號(hào)或3號(hào)油罐時(shí)，會(huì)增加儲(chǔ)罐區(qū)的占地面積，結(jié)合實(shí)際投資經(jīng)費(fèi)和土地資源問(wèn)題，此種情況不予以考慮。

3 結(jié) 論

密封圈火災(zāi)在大型原油儲(chǔ)罐火災(zāi)中占相當(dāng)大的比重，同時(shí)在火災(zāi)發(fā)生后，臨近油罐的安全問(wèn)題成為首要問(wèn)題。因此儲(chǔ)罐間安全距離的確定對(duì)油庫(kù)安全具有相當(dāng)重大的意義。由上述研究可得到以下三點(diǎn)：

（1）在風(fēng)速一定的情況下，距離著火油罐的距離越遠(yuǎn)輻射熱量就越低；

（2）在距離火焰同一距離處，不同風(fēng)速情況下，輻射熱量分布不同。風(fēng)速越大，同一接受點(diǎn)處的輻射熱強(qiáng)度就越大；

（3）在風(fēng)速為4 m/s時(shí)，著火油罐與垂直或水平方向上油罐間的安全距離為31.2 m，與對(duì)角線上油罐的安全距離為42.5 m。

［1］ 楊國(guó)梁. 基于風(fēng)險(xiǎn)的大型原油儲(chǔ)罐防火間距研究[D]. 北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010.

［2］ 閆家偉，王青.大型儲(chǔ)油罐區(qū)池火災(zāi)熱輻射數(shù)值模擬[J].消防理論研究，2012，10(31):1036-1040.

［3］ 朱建華，陳鈞舫. 油罐區(qū)池火熱輻射危害評(píng)價(jià)[J]. 水運(yùn)科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，1999, 3(1): 20-26．［4］ 種秀華，任志國(guó)，王博儒. 油庫(kù)池火災(zāi)模型的數(shù)值模擬[J]. 安全、健康和環(huán)境，2007, 7(11) : 37-39．

［5］ 李麗霞. 有風(fēng)情況池火災(zāi)熱輻射下的最小安全距離[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006, 7(6): 113-117．

［6］ 魏欣，何雨謙，鐘月華，肖澤儀. 化工儲(chǔ)罐群池火災(zāi)連鎖效應(yīng)分析[J]. 工藝與設(shè)備，2013, 16(1): 41-43．

［7］ 孫標(biāo)，郭開(kāi)華. LNG池火熱輻射模型及安全距離影響因素研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 20(9): 51-55．

［8］Tomakomai．Tomakomai Large Scale Crude Oil Fire Experiments [J]．Fire Technology，2000，36(1)：24-38．

［9］ SAMI ATALLAH and DONALD S．ALLAN．Safe Separation Distances from Liquid Fuel Fires[J]．Fire Technology，1971，7：47-56．

［10］趙雪娥，孟亦非，劉秀玉. 燃燒與爆炸理論[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．

Safe Distance of Large Storage Tank’s Seal Ring Fire Under Wind Condition

GUAN Xin-feng1，LIU De-jun1，WEI Ya-feng2，ZHU He1，GE Lan1， YANG Ping3
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. Yingkou Port Group Corp, Liaoning Yingkou 115009, China；3. PetroChina Fushun Petrochemical Company Catalyst Plant, Liaoning Fushun 113001, China）

With respect to the security issue of large storage tanks’ fire, taking crude oil tank’s seal ring fire as the research object, programming software was used to simulate and calculate the thermal radiation of burning storage tank, which can get the safe distance between the tanks. The study results show that, under the condition of certain weed speed, the thermal radiation decreases with increasing of the distance reaching the burning storage tank. For the same burning tank, with increasing of the wind speed, the thermal radiation increases. When the wind speed is 4 m/s, the safe distance between the tanks is 31.2 m.

Thermal radiation；Crude oil storage tank；Seal ring fire；Safe distance

TE 88

： A

： 1671-0460（2015）10-2395-03

2015-03-16

關(guān)新鳳（1989-），女，遼寧人，碩士研究生，研究方向：主要從事油庫(kù)安全評(píng)價(jià)方面的研究。E-mail：535042703@qq.com。

劉德俊（1967-），男，副教授，碩士，研究方向：主要從事輸油管道油庫(kù)安全評(píng)價(jià)方面的研究。E-mail：ldj8448@163.com。