大型油罐火災(zāi)爆炸危害范圍研究*

陳利瓊，馮雨翔，宋利強(qiáng)，李　京，馬　赫

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610000；2.中石油吉林天然氣管道有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；3.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

0　引言

隨著大型油庫(kù)的不斷建設(shè)與完善，我國(guó)國(guó)內(nèi)油庫(kù)庫(kù)容保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。到2011年底，我國(guó)油品儲(chǔ)備總量已達(dá)5 756萬(wàn)m3，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)石油儲(chǔ)備將達(dá)8 500萬(wàn)m3，油罐的大型化將成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。由于油罐罐容越來(lái)越大，一旦發(fā)生因油品跑、冒、滴、漏等引起的火災(zāi)爆炸事故，可導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失。如2015年7月16日，山東省石大科技石化有限公司發(fā)生液化氣球罐著火爆炸事故[2]，導(dǎo)致2名消防員輕傷，7輛消防車毀壞。

目前，針對(duì)油罐火災(zāi)爆炸的研究主要以理論分析和模擬預(yù)測(cè)等方法來(lái)分析事故可能的危害范圍。莊磊等[3]對(duì)直徑20 m的柴油罐燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，得出無(wú)風(fēng)和有風(fēng)情況下油罐燃燒熱輻射的空間分布規(guī)律；劉志勇[4]研究了池火災(zāi)的傷害模型，分析了風(fēng)向、風(fēng)速、距池火中心距離等因素對(duì)熱輻射通量的影響；趙承建等[5]應(yīng)用SAFETI軟件對(duì)原油儲(chǔ)罐發(fā)生池火災(zāi)的熱輻射傷害區(qū)域進(jìn)行了定量計(jì)算和模擬分析，探討了合理確定原油罐區(qū)防火間距在工程中應(yīng)用的可行性。雖然前人已對(duì)該問(wèn)題有了一定研究，但缺乏針對(duì)影響油罐火災(zāi)爆炸危害范圍的各因素進(jìn)行系統(tǒng)而全面的分析，對(duì)各因素進(jìn)行綜合作用和主導(dǎo)作用分析的研究較少。

為此，本文基于油品泄漏源模型，針對(duì)大型油罐火災(zāi)爆炸事故，利用PHAST 7.11軟件對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸事故的危害范圍進(jìn)行模擬分析，研究初始條件(泄漏點(diǎn)離地高度和泄漏孔當(dāng)量直徑)、外部環(huán)境(風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度和空氣濕度)和防火堤面積對(duì)危害范圍的影響，并對(duì)外部環(huán)境以及初始條件中起主導(dǎo)作用的因素進(jìn)行了分析，以期為事故中相關(guān)作業(yè)人員的應(yīng)急撤離提供決策參考。

1　數(shù)學(xué)模型

油罐火災(zāi)爆炸的形式包括池火災(zāi)、蒸氣云爆炸等，產(chǎn)生的危害包括火災(zāi)的熱輻射、爆炸的沖擊波，以及爆炸的拋射物，由于爆炸產(chǎn)生的拋射物危害性通常相對(duì)有限，因此，這里重點(diǎn)討論事故產(chǎn)生的熱輻射和沖擊波危害范圍。

1.1　熱輻射危害范圍分析

可燃液體泄漏至地面形成液池，遇到火源燃燒形成池火災(zāi)。池火災(zāi)產(chǎn)生的破壞作用主要通過(guò)熱輻射實(shí)現(xiàn)[6]。常用于量化分析烴類池火災(zāi)熱輻射通量的模型有點(diǎn)源模型、Mudan模型和Shokri-Beyler模型[7]，這里主要介紹點(diǎn)源模型。點(diǎn)源模型假定池火焰集中在液池軸線火焰高度的中心點(diǎn)處，熱量從該點(diǎn)發(fā)出，目標(biāo)接受的熱輻射通量[8]為：

(1)

式中：I為目標(biāo)接受的熱輻射通量，kW/m2；T為大氣傳遞系數(shù)，無(wú)量綱，一般取1；Q為火焰熱釋放速率，kW；R為目標(biāo)到火焰中心的距離，m。

點(diǎn)源模型中使用Heskestad方程計(jì)算火焰高度：

H=0.235Q0.4-1.02D

(2)

式中：D為液池直徑，m。

1.2　沖擊波危害范圍分析

蒸氣云爆炸的定量模擬計(jì)算的模型主要有TNT當(dāng)量模型和多能模型等。這里主要介紹TNT當(dāng)量模型。TNT當(dāng)量模型將蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)化為相同當(dāng)量TNT的破壞作用[12]，轉(zhuǎn)化公式為：

(4)

式中：ηf為爆炸效率系數(shù)，一般取平均值0.04；Wf為蒸氣云中油品質(zhì)量，kg；Qf為油品的燃燒熱，MJ/kg；QTNT為TNT炸藥的燃燒熱，4.56 MJ/kg。

沖擊波超壓模型為：

ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(5)

式中：ΔP為沖擊超壓變化率，無(wú)量綱；Z為范圍系數(shù)，無(wú)量綱。

2　計(jì)算方法與模型驗(yàn)證

本文采用挪威船級(jí)社開(kāi)發(fā)的火災(zāi)爆炸定量分析軟件PHAST對(duì)大型油庫(kù)火災(zāi)爆炸事故后果進(jìn)行分析。該軟件[13]計(jì)算范圍較廣，預(yù)測(cè)精度較高，對(duì)各類火災(zāi)爆炸事故的研究被許多國(guó)內(nèi)外企業(yè)及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。

為驗(yàn)證PHAST軟件在油庫(kù)火災(zāi)爆炸事故的預(yù)測(cè)效果，本文通過(guò)對(duì)比文獻(xiàn)[14]和[15]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。廖宇凡等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了油池火的燃燒過(guò)程以及對(duì)周圍輻射影響，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為5℃、無(wú)風(fēng)。魏東等[15]通過(guò)對(duì)油罐火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了油罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)的熱輻射分布，試驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃、無(wú)風(fēng)。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了對(duì)比，其中，熱輻射強(qiáng)度模擬結(jié)果驗(yàn)證見(jiàn)圖1，沖擊波超壓模擬結(jié)果驗(yàn)證見(jiàn)圖2，可見(jiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果吻合得較好，表明PHAST可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)上述模型。

圖1　熱輻射強(qiáng)度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.1　Comparison of simulated results and experimental results of thermal radiation intensity

圖2　沖擊波超壓的模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.2　Comparison of simulation results of shock wave overpressure and empirical formula

3　模擬分析

3.1　初始條件影響的模擬分析

3.1.1泄漏點(diǎn)離地高度的影響

利用PHAST軟件模擬泄漏點(diǎn)離地高度對(duì)池火災(zāi)以及蒸氣云爆炸的影響?？紤]大氣穩(wěn)定度為D級(jí)，風(fēng)速為6 m/s，泄漏點(diǎn)離地高度分別為1，2，3，4，5 m，PHAST模擬了泄漏點(diǎn)離地高度對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸傷害距離的影響，結(jié)果如圖3所示。池火災(zāi)傷害距離為早期池火災(zāi)下風(fēng)向重傷或輕傷半軸距離；蒸氣云爆炸傷害距離為人員輕傷或重傷半徑?？梢钥闯?，隨著泄漏點(diǎn)離地高度的增加，池火災(zāi)的傷害距離呈近似線性上升趨勢(shì)；蒸氣云爆炸的傷害距離呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并于泄漏點(diǎn)離地高度為3 m時(shí)，傷害距離達(dá)到最大。

圖3　泄漏點(diǎn)離地高度對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.3　Effect of the height of leakage point on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.1.2泄漏孔當(dāng)量直徑的影響

考慮大氣穩(wěn)定度為D級(jí)，風(fēng)速為6 m/s，泄漏孔當(dāng)量直徑分別為0.05，0.1，0.15，0.2，0.3 m，模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，隨著泄漏孔直徑的增大，池火災(zāi)輕傷的傷害距離呈近似線性增長(zhǎng)，重傷的傷害距離在油罐發(fā)生小泄漏時(shí)變化不大，當(dāng)達(dá)到大泄漏[16]后(泄漏孔當(dāng)量直徑大于0.15 m)，重傷的傷害距離隨泄漏孔當(dāng)量直徑的增加而線性增加；蒸氣云爆炸的輕傷傷害距離增長(zhǎng)幅度比重傷傷害距離增長(zhǎng)幅度略大?？傮w而言，由于泄漏孔當(dāng)量直徑的大小直接影響泄漏量，池火災(zāi)和蒸氣云爆炸的傷害距離均隨泄漏孔當(dāng)量直徑的增大而增大。

圖4　泄漏孔當(dāng)量直徑對(duì)池火災(zāi)及蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.4　Effect of equivalent diameter of the leakage hole on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.1.3初始條件的綜合影響

設(shè)傷害距離與各因素之間呈多項(xiàng)式關(guān)系，綜合上述模擬結(jié)果，擬合得出了池火災(zāi)輕傷、重傷傷害距離隨泄漏點(diǎn)離地高度和泄漏孔當(dāng)量直徑的關(guān)系式：

z1=312.6y1+1.8y2+23.1

(6)

(7)

式中：z1為輕傷傷害距離，m；z2為重傷傷害距離，m；y1為泄漏孔當(dāng)量直徑，m；y2為泄漏點(diǎn)離地高度，m。其模型如圖5所示。由式(6)可見(jiàn)，泄漏孔當(dāng)量直徑每增大0.1 m，池火災(zāi)輕傷傷害距離增加31.26 m；泄漏點(diǎn)離地高度每增加1 m，輕傷傷害距離增加1.8 m。

圖5　泄漏點(diǎn)離地高度和當(dāng)量直徑對(duì)池火災(zāi)傷害距離的影響Fig.5　Effect of height of the leakage point and the equivalentdiameter of leakage hole on the damage scope of pool fire

同時(shí)，擬合得出了蒸氣云爆炸輕傷、重傷傷害距離隨泄漏點(diǎn)離地高度和泄漏孔當(dāng)量直徑的關(guān)系式：

(8)

(9)

其模型如圖6所示。

圖6　泄漏點(diǎn)離地高度和泄漏孔直徑對(duì)蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.6　Effect of height of the leakage point and the equivalent diameter of leakage hole on the damage scope of vapor cloud explosion

可見(jiàn)，在初始條件影響中，對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸危害范圍而言，泄漏孔當(dāng)量直徑的影響均比泄漏點(diǎn)離地高度的影響更大。

為驗(yàn)證擬合結(jié)果的合理性，將擬合關(guān)系式計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)泄漏點(diǎn)離地高度為1 m、泄漏孔當(dāng)量直徑為0.1 m時(shí)，代入式(6)-(9)進(jìn)行計(jì)算，得到池火災(zāi)和蒸氣云爆炸的輕傷和重傷傷害距離的結(jié)果分別為56.2，24.7，34.8，21.7 m，代入經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別為55.8，23.9，35.0，21.9 m，相對(duì)誤差為3.6%?？梢?jiàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式吻合較好，在所考慮的條件范圍內(nèi)能較為準(zhǔn)確地反映池火災(zāi)和蒸氣云爆炸的傷害距離與各因素之間的關(guān)系。

3.2　外部環(huán)境影響的模擬分析

3.2.1風(fēng)速的影響

對(duì)于外部環(huán)境而言，風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度以及空氣濕度是影響池火災(zāi)及蒸氣云爆炸的危害范圍的主要因素。常用的大氣穩(wěn)定度分類方法修訂帕斯奎爾分類法，分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定6級(jí)，分別表示為A，B，C，D，E和F級(jí)?？紤]大氣穩(wěn)定度為D級(jí)[17]，不同風(fēng)速模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7　風(fēng)速對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.7　Effect of wind speed on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

由圖7可見(jiàn)，風(fēng)速對(duì)池火災(zāi)傷害距離的影響基本呈線性關(guān)系，這是由于高風(fēng)速導(dǎo)致池火災(zāi)火焰發(fā)展方向急劇向下風(fēng)向方向偏移所致[18]。此外，隨著風(fēng)速的增加，蒸氣云爆炸的傷害距離逐漸減少。這是由于高風(fēng)速迅速稀釋了泄漏出的油蒸汽的濃度，同時(shí)湍流運(yùn)動(dòng)加劇了氣云與周圍環(huán)境熱交換，擴(kuò)散出的過(guò)冷氣體溫度上升，氣體云密度下降，氣體云濃度下降，從而降低了蒸氣云爆炸的下風(fēng)向傷害距離[19]。

3.2.2大氣穩(wěn)定度的影響

考慮風(fēng)速為6 m/s，大氣穩(wěn)定度為A—F級(jí)，大氣穩(wěn)定度對(duì)池火災(zāi)傷害距離和蒸氣云爆炸傷害距離的影響PHAST模擬結(jié)果如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，大氣穩(wěn)定度對(duì)池火災(zāi)的傷害距離基本無(wú)影響；隨著大氣穩(wěn)定度的穩(wěn)定級(jí)增加，蒸氣云爆炸的傷害距離呈上升趨勢(shì)。因此，穩(wěn)定的大氣有助于爆炸的發(fā)展。

圖8　大氣穩(wěn)定度對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.8　Effect of atmospheric stability on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.2.3空氣濕度的影響

考慮空氣濕度分別為10%，30%，50%，70%，90%，風(fēng)速為6 m/s，大氣穩(wěn)定度為D級(jí)，PHAST模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，空氣濕度對(duì)蒸氣云爆炸傷害距離基本沒(méi)有影響，對(duì)池火災(zāi)傷害距離有微弱影響，總體趨勢(shì)是隨著空氣濕度的增加，池火災(zāi)傷害距離降低。

圖9　空氣濕度對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.9　Effect of air humidity on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.2.4外部環(huán)境的綜合影響

模擬結(jié)果顯示池火災(zāi)和蒸氣云爆炸傷害距離與空氣濕度關(guān)系不大，故只考慮風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的影響，擬合公式如式(10)，(11)，模型如圖10所示。

z1=3.3lnx1+53.2

(10)

z2=3.4lnx1+25.3

(11)

式中：z1為輕傷傷害距離，m；z2為重傷傷害距離，m；x1為風(fēng)速，m/s。

圖10　大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速對(duì)池火災(zāi)傷害距離的影響Fig.10　Effect of atmospheric stability and wind speed on the damage scope of pool fire

同時(shí)，擬合得出了蒸氣云爆炸輕傷、重傷傷害距離隨風(fēng)速以及大氣穩(wěn)定度的關(guān)系式：

z1=-15.3lnx1+50.5e0.052x2+7.1

(12)

z2=-9.5lnx1+30.6e0.053x2+4.5

(13)

式中：x2為大氣穩(wěn)定度，其模型如圖11。

圖11　大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速對(duì)蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.11　Effect of atmospheric stability and wind speed on the damage scope of vapor cloud explosion

由圖11可見(jiàn)，在外部環(huán)境影響中，對(duì)池火災(zāi)危害范圍而言，風(fēng)速比大氣穩(wěn)定度的影響更明顯。

當(dāng)風(fēng)速為2 m/s，大氣穩(wěn)定度為C級(jí)時(shí)，得到池火災(zāi)和蒸氣云爆炸的輕傷和重傷傷害距離的結(jié)果分別為55.4，27.6，52.5，31.9 m，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果分別為55.8，27.9，52.9，32.3 m，相對(duì)誤差為2.1%。可見(jiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式吻合較好，在所考慮的條件范圍內(nèi)能較為準(zhǔn)確地反映池火災(zāi)和蒸氣云爆炸的傷害距離與各因素之間的關(guān)系。

圖12　防火堤面積對(duì)池火災(zāi)傷害距離的影響Fig.12　Effect of area of bound on the damage scope of pool fire

3.3　其他因素影響的模擬分析

防火堤面積也是影響池火災(zāi)傷害距離的關(guān)鍵因素，考慮防火堤面積分別為1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 m2，泄漏點(diǎn)離地高度為1 m，泄漏孔當(dāng)量直徑為0.1 m，風(fēng)速為6 m/s，大氣穩(wěn)定度為D級(jí)時(shí)傷害距離的變化，模擬結(jié)果如圖12所示。結(jié)果顯示，對(duì)于早期池火[20](液池質(zhì)量達(dá)到平衡階段)，由于液池尚未蔓延至防火堤，因此傷害距離與防火堤的面積無(wú)關(guān)；對(duì)于晚期池火(液池半徑達(dá)到最大狀態(tài))，由于液池已蔓延至防火堤，隨著防火堤面積的增加，液池面積隨之增加，則傷害距離增加，且輕傷傷害距離較重傷傷害距離增長(zhǎng)的更快。

4　結(jié)論

1)池火災(zāi)危害范圍隨風(fēng)速、泄漏點(diǎn)離地高度、泄漏孔當(dāng)量直徑和防火堤面積的增加而增加，隨空氣濕度的增加而略微降低，而與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系不大。

2)蒸氣云爆炸危害范圍隨風(fēng)速的增加而降低，隨大氣穩(wěn)定度和泄漏孔當(dāng)量直徑的增加而增加，而受泄漏點(diǎn)離地高度以及空氣濕度的影響不大。

3)在初始條件影響中，對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸危害范圍而言，泄漏孔當(dāng)量直徑的影響比泄漏點(diǎn)離地高度更大；在外部環(huán)境影響中，對(duì)池火災(zāi)危害范圍而言，風(fēng)速比大氣穩(wěn)定度的影響更明顯。

4)綜合考慮了外部環(huán)境和泄漏初始條件等多因素對(duì)火災(zāi)爆炸的影響，擬合得到各因素與危害范圍的關(guān)系，可為大型油罐火災(zāi)爆炸事故中傷害程度的估計(jì)以及相關(guān)人員的安全撤離提供參考。

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