城市人口密集區(qū)加油站池火災(zāi)熱輻射后果的模擬研究

王 濤,王平平

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071；2.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.國家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中心，山東 青島 266071)

加油站作為面向社會(huì)為車輛添加油品的場所，儲(chǔ)存和經(jīng)營著大量的易燃、易爆、易揮發(fā)、易泄漏的油品(汽柴油)。近年來，隨著城市發(fā)展速度的加快，許多城市加油站被周邊的建(構(gòu))筑物所包圍，有的加油站甚至位于市區(qū)人口密集的繁華地段，造成加油站與周圍建(構(gòu))筑物的安全距離不符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，時(shí)刻威脅著周邊居民和設(shè)備設(shè)施的安全，一旦發(fā)生事故，將給周邊區(qū)域環(huán)境帶來難以估量的損失。已有統(tǒng)計(jì)資料[1]表明，我國約25.5%的加油站分布在城區(qū)，近些年加油站的安全生產(chǎn)事故主要為火災(zāi)和爆炸。因此,本文針對(duì)城市人口密集區(qū)的加油站，識(shí)別出其運(yùn)營過程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)，并采用事故后果模擬定量風(fēng)險(xiǎn)分析的方法對(duì)城市人口密集區(qū)加油站發(fā)生油品泄漏引發(fā)池火災(zāi)事故熱輻射的后果進(jìn)行了模擬分析，為判斷加油站安全狀況提供科學(xué)依據(jù)。

1 加油站直接作業(yè)環(huán)節(jié)的潛在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

加油站一般由罐區(qū)(柴油罐和汽油罐均埋地敷設(shè))、站房、加油機(jī)、加油島等組成，加油站在運(yùn)營過程中直接作業(yè)環(huán)節(jié)為：油罐槽車通過接卸油管將油品(汽柴油)送至地下儲(chǔ)油罐，儲(chǔ)油罐中的油品經(jīng)吸油管送至加油機(jī)，再通過加油槍給機(jī)動(dòng)車輛加油，見圖1。

圖1 加油站直接作業(yè)環(huán)節(jié)流程示意圖Fig.1 Process diagram of gas station operation

由于加油站直接作業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)都不同程度地存在油品，而成品油具有易揮發(fā)、易燃易爆等特性，其蒸氣比空氣重，一般能在低位擴(kuò)散到較遠(yuǎn)處，與空氣混合后能形成爆炸性混合物，如果油品發(fā)生泄漏，達(dá)到爆炸極限，一旦遇到明火、靜電火花等點(diǎn)火源，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故[2]。本文按照《加油站作業(yè)安全規(guī)范》(AQ 3010—2007)中規(guī)定的卸油、加油、油罐計(jì)量、設(shè)備維護(hù)等作業(yè)過程[3]，對(duì)加油站運(yùn)營過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別。

1.1 卸油作業(yè)

卸油作業(yè)環(huán)節(jié)中如果遇到卸油膠管破裂、密封墊破損、快速接頭螺絲松動(dòng)、儲(chǔ)罐或管道腐蝕穿孔等情況，將會(huì)導(dǎo)致油品泄漏，遇到點(diǎn)火源會(huì)形成流淌火或油膜火。

1.2 加油作業(yè)

加油作業(yè)中如果出現(xiàn)油品外溢，在加油口附近會(huì)形成爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，一旦遇到明火(如加油車輛在油區(qū)排煙帶火，現(xiàn)場吸煙或者違章動(dòng)火)都可以導(dǎo)致火災(zāi),甚至使用手機(jī)、金屬碰撞、電器打火、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管噴火等也有可能導(dǎo)致火災(zāi)事故。

1.3 計(jì)量作業(yè)

按規(guī)定要求，油罐槽車卸油到儲(chǔ)油罐后應(yīng)靜置穩(wěn)油15 min，待靜電消除后方可開蓋量油。如果油罐槽車卸完油立即開蓋量油，靜電未完全消除，將可能引起靜電起火；如果儲(chǔ)油罐量油孔鋁質(zhì)(銅質(zhì))鑲槽脫落，在量油時(shí)，量尺與鋼質(zhì)管口摩擦產(chǎn)生火花，也可能引起火災(zāi)、爆炸事故。

此外，儲(chǔ)油罐作為油品儲(chǔ)存的主要容器，由于油品本身的危險(xiǎn)特性，使其具備了火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)性[4]。如汽油閃點(diǎn)為-50℃～-20℃,爆炸極限為1.3%～6.0%，其火災(zāi)危險(xiǎn)性屬甲B類，當(dāng)埋地儲(chǔ)油罐內(nèi)非液體部分的混合氣體達(dá)到爆炸極限時(shí)，遇到火源就會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸。

1.4 設(shè)備維護(hù)作業(yè)

設(shè)備維護(hù)作業(yè)主要包括清洗油罐、加油機(jī)維修等，其中潛在風(fēng)險(xiǎn)高的環(huán)節(jié)為油罐清洗作業(yè)，這是由于在清洗油罐過程中無法徹底清除掉罐內(nèi)油氣和沉淀物，而殘余油氣遇到靜電、摩擦、電火花等都可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)事故。

2 加油站池火災(zāi)熱輻射后果計(jì)算模型的建立

根據(jù)加油站典型事故案例統(tǒng)計(jì)，加油站事故形態(tài)主要有4種:火災(zāi)、爆炸、火災(zāi)后引起爆炸、爆炸后引起火災(zāi)[5]。其中，火災(zāi)、爆炸事故是加油站事故主體，危害性最大，造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失最嚴(yán)重。

在加油站直接作業(yè)環(huán)節(jié)中，加油/卸油作業(yè)環(huán)節(jié)是油品泄漏事故易發(fā)環(huán)節(jié)，靜電、電器、明火等是主要點(diǎn)火源。加油/卸油過程中一旦加油槍、卸車軟管、輸送管道等設(shè)備失效，將會(huì)發(fā)生油品泄漏事故，導(dǎo)致油品在地面流淌，遇到點(diǎn)火源形成流淌火和油膜火[6]。因此，合理地評(píng)估加油站卸油/加油過程中油品泄漏池火災(zāi)事故的影響范圍，對(duì)合理確定加油站安全距離和安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

2.1 池火災(zāi)模擬理論

由于設(shè)備、管線損壞(破裂)或操作失誤引起物料泄漏，導(dǎo)致大量易燃、易爆物質(zhì)釋放，易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等重大事故發(fā)生。

危險(xiǎn)性物質(zhì)的泄漏有兩種方式，即連續(xù)性泄漏和瞬時(shí)性泄漏。所謂連續(xù)性泄漏是指泄漏源是連續(xù)源或泄漏時(shí)間大于或等于擴(kuò)散時(shí)間的泄漏；而瞬時(shí)泄漏是指泄漏時(shí)間比擴(kuò)散時(shí)間短的泄漏[7]。泄漏事故的危害后果不僅與泄漏物質(zhì)的數(shù)量、易燃性、毒性有關(guān)，而且還與泄漏物質(zhì)的相態(tài)、壓力、溫度等狀態(tài)有關(guān)。

加油站油品泄漏會(huì)形成液池，隨著泄漏的持續(xù)，液池將會(huì)不斷擴(kuò)展。液池的擴(kuò)展受液池高度的影響，液池高度差帶來的重力驅(qū)使液池?cái)U(kuò)展，而地面的摩擦力和地面物體將阻礙液池運(yùn)動(dòng),當(dāng)液池的蒸發(fā)率和油品泄漏率相等時(shí)，液池將達(dá)到平衡狀態(tài)。液池的擴(kuò)展還受到所處地形、建(構(gòu))筑物、工藝設(shè)備等周邊環(huán)境的影響[8]。

液池模型主要用來模擬泄漏的油品受外界條件阻礙后的流動(dòng)、蒸發(fā)和擴(kuò)散過程，該模型采用二維淺水方程進(jìn)行求解,液池高度主要由以下方程控制：

(1)

(2)

2.2 熱輻射對(duì)人員的傷害

火球、池火及噴射火的死亡概率值可按照下式計(jì)算[10]：

(3)

式中:Pr熱為熱輻射暴露下的死亡概率值；Q為熱輻射強(qiáng)度(W/m2) ；t為暴露時(shí)間(s)，最大值為20 s。

根據(jù)GuideforPressure-RelievingandDepressuringSystems(API RP521—1997)及有關(guān)資料的規(guī)定，不同熱輻射強(qiáng)度下人的允許暴露時(shí)間見表1[11]。

2.3 熱輻射對(duì)建(構(gòu))筑物的影響

火災(zāi)熱輻射對(duì)建(構(gòu))筑物的破壞主要取決于作用時(shí)間的長短，即火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間?；馂?zāi)的持續(xù)時(shí)間又與可燃物質(zhì)量的多少有關(guān)，可表示為

(4)

其中，Mc=mf·S

式中:W為可燃物的質(zhì)量(kg)；Mc為單位時(shí)間燃燒的可燃物質(zhì)量(kg/s);S為池面積(m2)；mf為燃燒速度(kg /m2·s)。

2.4 目標(biāo)接收的熱輻射通量

在開放環(huán)境下的池火災(zāi)，對(duì)鄰近人員及設(shè)備設(shè)施的熱輻射影響主要體現(xiàn)在熱輻射的強(qiáng)度和時(shí)間上。

假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點(diǎn)的小球面輻射出，則在距離液池中心某一距離(X)處的入射熱輻射強(qiáng)度為[8]:

(5)

式中:I為熱輻射強(qiáng)度(kW/m2);Q為總熱輻射通量(kW);tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)， 在無相對(duì)理想的數(shù)據(jù)時(shí)，可取值為1;X為目標(biāo)點(diǎn)到液池中心的距離(m)。

不同熱輻射強(qiáng)度對(duì)鄰近人員的傷害和對(duì)設(shè)備設(shè)施的損壞情況詳見表2[10]，界區(qū)外允許的最大熱輻射強(qiáng)度見表3。

表2 不同熱輻射強(qiáng)度對(duì)設(shè)備和人員造成的損壞和傷害[10]Table 2 Damage of different intensity of thermal radiation to devices and human

表3 界區(qū)外允許的最大熱輻射強(qiáng)度Table 3 Allowed thermal radiation intensity of outside the limitted area

注：a指人跡罕至的地區(qū)，如沼澤地、農(nóng)田、沙漠;b指可能是極其重要的無防護(hù)地區(qū)，該地區(qū)人員任何時(shí)候都不穿防護(hù)服，應(yīng)急期間或危險(xiǎn)時(shí)刻很難把人員立即疏散，如體育館、運(yùn)動(dòng)場、戶外劇場。

3 人口密集區(qū)加油站池火災(zāi)熱輻射后果的模擬分析

加油站油品泄漏后流至低洼地面形成液池，遇到點(diǎn)火源燃燒而形成池火，并在燃燒后迅速放出大量的熱能。由于池火災(zāi)產(chǎn)生的火焰能夠向周圍散發(fā)強(qiáng)烈的熱輻射，使燃燒的范圍不斷擴(kuò)大，可能會(huì)使附近的人員受到傷害，建(構(gòu))筑物遭到損壞，增加了撲救的難度。池火災(zāi)熱輻射后果的模擬分析(即危險(xiǎn)性分析)主要目的是估算池火災(zāi)對(duì)周圍目標(biāo)的破壞程度。

3.1 事故場景假設(shè)

本文根據(jù)加油站卸油和加油工藝流程，假設(shè)油罐槽車卸車點(diǎn)管線泄漏、加油機(jī)軟管泄漏2個(gè)事故場景(見表4)，并針對(duì)人口密集區(qū)加油站復(fù)雜的外部環(huán)境，結(jié)合周邊民用建(構(gòu))筑物類別，模擬發(fā)生池火災(zāi)事故后熱輻射造成的影響范圍。

表4 加油站油品泄漏事故場景假設(shè)Table 4 Hypothesis of the oil leakage accidents at the gas station

3.2 卸車點(diǎn)泄漏引發(fā)的池火災(zāi)事故模擬分析

假設(shè)加油站卸車點(diǎn)發(fā)生80 L/min油品泄漏，泄漏的油品將在卸車點(diǎn)處流淌，并以泄漏點(diǎn)為中心向四周流淌，由于受到圍墻的阻隔作用，1 min后泄漏油品形成的液池(最大厚度為0.004 9 m)形狀見圖2。

圖2 加油站卸車點(diǎn)油品泄漏1 min后形成的最大液池Fig.2 Maximum liquid pool formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

在遇到點(diǎn)火源前，加油站卸車點(diǎn)油品泄漏形成的液池最大面積為32.9 m2；當(dāng)遇到點(diǎn)火源后形成池火，液池池火災(zāi)熱輻射場在約50 s后穩(wěn)定。本文分別給出了距離地表0.5 m、1.5 m處的最大熱輻射的影響范圍(見圖3，圖中不同顏色代表不同時(shí)間段熱輻射的范圍)和不同高度上最大熱輻射的影響范圍(見圖4)。

圖3 加油站卸車點(diǎn)油品泄漏1 min后形成池火災(zāi)在距離地表0.5 m、1.5 m處最大熱輻射的影響范圍Fig.3 Maximum thermal radiation influence scope pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

圖4 加油站卸車點(diǎn)油品泄漏1 min后形成池火災(zāi)在不同高度上最大熱輻射的影響范圍Fig.4 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

由圖3和圖4可見：池火災(zāi)中火焰內(nèi)部最大的熱輻射強(qiáng)度達(dá)208.3 kW/m2；下風(fēng)向熱輻射強(qiáng)度為5 kW/m2的最大波及范圍距離卸車點(diǎn)(即泄漏點(diǎn))約16 m。

3.3 加油點(diǎn)泄漏引發(fā)的池火災(zāi)事故模擬分析

假設(shè)加油站加油點(diǎn)發(fā)生70 L/min油品泄漏，泄漏的油品受到加油島的阻隔，1 min后泄漏油品形成的液池(最大厚度為0.004 5 m)形狀見圖5。

圖5 加油站加油點(diǎn)油品泄漏1 min后形成的最大液池Fig.5 Maximum liquid pool formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

在遇到點(diǎn)火源前，加油站加油點(diǎn)油品泄漏形成的液池最大面積為28 m2；當(dāng)遇到點(diǎn)火源后形成池火，液池池火災(zāi)熱輻射場在約50 s后穩(wěn)定。本文分別給出了距離地表0.5 m、1.5 m處最大熱輻射的影響范圍(見圖6)和不同高度上最大熱輻射的影響范圍(見圖7)。

圖6 加油站加油點(diǎn)油品泄漏1 min后形成池火災(zāi)在距離地表0.5 m、1.5 m處最大熱輻射的影響范圍Fig.6 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

圖7 加油站加油點(diǎn)油品泄漏1 min后形成池火災(zāi)在不同高度上最大熱輻射的影響范圍Fig.7 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

由圖6和圖7可見：池火災(zāi)中火焰內(nèi)部最大的熱輻射強(qiáng)度值為245.5 kW/m2；下風(fēng)向熱輻射強(qiáng)度為5 kW/m2的最大波及范圍距離加油點(diǎn)(即泄漏點(diǎn))約為15 m。

3.4 模擬結(jié)果分析

安全間距一般認(rèn)為是加油站發(fā)生火災(zāi)時(shí),不向鄰近設(shè)備或建(構(gòu))筑物蔓延的最小距離，從本質(zhì)上來講，安全間距是由發(fā)生災(zāi)害的模式和影響范圍決定的。因此，安全間距是加油站設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。目前國內(nèi)汽車加油站的設(shè)計(jì)和施工主要依據(jù)《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(GB 50156—2012)[12]，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了加油站、加油加氣合建站的站內(nèi)汽油設(shè)備與站外建(構(gòu))筑物的安全間距。

本文根據(jù)人口密集區(qū)加油站加油點(diǎn)和卸車點(diǎn)油品泄漏發(fā)生池火災(zāi)事故熱輻射后果的模擬結(jié)果，將其與GB 50156—2012標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相關(guān)安全間距要求進(jìn)行了對(duì)比分析，其結(jié)果見表5。

表5 安全間距模擬值與GB 50156—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的對(duì)比Table 5 Comparison of simulation result and standard of safety distance

由表5可知：

(1) 從加油站加油/卸油作業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)生油品泄漏引發(fā)池火災(zāi)事故熱輻射后果的模擬結(jié)果來看，加油站卸車點(diǎn)發(fā)生池火災(zāi)事故熱輻射的影響范圍要大于加油點(diǎn)池火災(zāi)事故熱輻射的影響范圍。

(2) 通過對(duì)加油站油品泄漏引發(fā)池火災(zāi)事故熱輻射后果的模擬，得到加油站加油點(diǎn)和卸車點(diǎn)發(fā)生油品泄漏后引發(fā)池火災(zāi)事故熱輻射的影響范圍大于《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(GB 50156—2012)中所規(guī)定的與站外民用建(構(gòu))筑物(二、三類保護(hù)物)的安全間距要求，造成傷害的程度均屬于不可接受的范疇。

(3) 在給定的事故條件下，當(dāng)加油站發(fā)生油品泄漏并起火，在考慮風(fēng)的影響時(shí)，汽油火災(zāi)最大燃燒面積將隨泄漏速率的增大而增大，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)對(duì)周邊區(qū)域造成嚴(yán)重的影響。

4 結(jié)論與建議

(1) 城市人口密集區(qū)的加油站外部安全風(fēng)險(xiǎn)主要存在于加油點(diǎn)和卸車點(diǎn)，因此加油站在日常安全管理和運(yùn)營過程中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)高后果和高風(fēng)險(xiǎn)的卸車點(diǎn)和加油點(diǎn)火災(zāi)事故的預(yù)防與控制。

(2) 對(duì)于分布在城市人口密集區(qū)且與外部重要建(構(gòu))筑物和民用保護(hù)物安全間距不足的加油站，應(yīng)加強(qiáng)加油機(jī)日常維護(hù)和加油作業(yè)管理，嚴(yán)格按照規(guī)范要求控制相應(yīng)的安全間距，在條件許可的情況下設(shè)置安全間隔(如防爆墻等)，防止加油站火災(zāi)事故的發(fā)生。

(3) 池火災(zāi)熱輻射對(duì)人的傷害和建(構(gòu))筑物的損壞需要一定的時(shí)間，建議城市人口密集區(qū)加油站應(yīng)提高現(xiàn)場應(yīng)急反應(yīng)和應(yīng)急處置的能力，加強(qiáng)火災(zāi)事故應(yīng)急預(yù)案演練，減少或避免造成更嚴(yán)重的傷害。

(4) 為了從根本上解決人口密集區(qū)加油站外部安全間距不足的問題，減少和防止油品泄漏火災(zāi)事故的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)作業(yè)現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)管控，對(duì)加油站固有風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)相比較，以判斷實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)水平是否可以接受。如果評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)超出允許的上限，則應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施，直到滿足風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)為止。