輕質(zhì)油品罐區(qū)流淌火災(zāi)發(fā)展特征和危害研究*

張 琰，任常興，李 晉，黃天相，王凱鴻

(1.應(yīng)急管理部 天津消防研究所，天津 300381；2.中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京 100007)

0 引言

在油品儲存和運(yùn)輸過程中，泄露事故引發(fā)的火災(zāi)時有發(fā)生。當(dāng)泄露量較大時，可燃油品在重力作用下會沿地面流淌，遇到點(diǎn)火源時著火，形成邊流淌邊著火的情況。流淌火災(zāi)具有運(yùn)動的特點(diǎn)，容易隨地勢變化擴(kuò)展成大面積火災(zāi)，影響范圍廣，危害程度大[1]。

國內(nèi)外針對溢油泄漏、蔓延和燃燒過程進(jìn)行了較多的研究。美國聯(lián)邦航空管理局開展了航空燃油在斜面上的全尺寸流淌火試驗(yàn)；Christopher Mealy和Benfer[2-4]基于流淌動力學(xué)和燃燒動力學(xué)研究了液體燃料擴(kuò)散燃燒的過程，測量了燃燒過程的熱釋放速率并估算了泄露油膜厚度和最大燃燒面積，分析了流淌火最大燃燒面積和燃燒速率的影響因素。王如君[5]設(shè)計(jì)了單個容積為3 m3的臥式儲罐被4 m2池火包圍燃燒的情境，得到流淌火不同階段時罐壁和罐體內(nèi)部溫度分布，并分析了對鄰近儲罐的影響；劉全義[6]搭建了流淌槽坡度可調(diào)式正庚烷流淌火燃燒試驗(yàn)平臺，發(fā)現(xiàn)坡度對正庚烷流淌火影響顯著，且平均穩(wěn)定燃燒速率隨流淌槽坡度的增加反而減小?？紤]到成本和安全性問題，目前國內(nèi)關(guān)于儲罐區(qū)發(fā)生泄露形成流淌火災(zāi)的研究主要以小尺度試驗(yàn)為主，尚無全尺度的儲罐區(qū)流淌火試驗(yàn)，為此數(shù)值模擬成為替代大尺度試驗(yàn)的最佳工具，目前模擬流淌火災(zāi)時將其簡化為池火進(jìn)行計(jì)算[7-9]，忽略了池火與流淌火的本質(zhì)區(qū)別，且通常情況下池火的燃燒速率高于流淌火，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大[10-12]。Kameleon FireEx是目前在氣體擴(kuò)散、火炬和火災(zāi)模擬方面處于國際領(lǐng)導(dǎo)地位的火災(zāi)計(jì)算軟件，并逐漸成為燃燒和火災(zāi)領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。

本文設(shè)計(jì)并搭建了流淌火燃燒試驗(yàn)平臺，研究了汽油在試驗(yàn)平臺上的流淌燃燒特性；采用Kameleon FireEx軟件按照流淌火燃燒試驗(yàn)平臺建立模型，得到火災(zāi)發(fā)展特征、輻射場、溫度場等特征參數(shù)，并與汽油流淌火試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了Kameleon FireEx模擬計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，以防火堤內(nèi)儲存汽油的4個2 000 m3儲罐罐組為研究對象，計(jì)算輸油管道泄漏至防火堤內(nèi)引發(fā)流淌性火災(zāi)的燃燒蔓延規(guī)律和危害特性，為輕質(zhì)油品儲存和管道運(yùn)輸過程中泄漏事故的防火防爆提供理論指導(dǎo)。

1 小尺度流淌火驗(yàn)證試驗(yàn)

1.1 流淌火試驗(yàn)平臺

流淌火燃燒試驗(yàn)平臺主要由燃料供給系統(tǒng)、流淌槽、集流槽、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和攝錄裝置組成，如圖1(a)所示。其中流淌槽尺寸為長3 m，寬1 m，深0.2 m，鋼板厚度3 mm，并在流淌槽末端設(shè)置集流池，以收集未燃盡的油品；集流池的俯視圖為梯形，尺寸為上邊1.2 m，下邊1.5 m，長1 m，深0.5 m。試驗(yàn)時，液體燃料從燃油供給系統(tǒng)中按照流速Q(mào)=0.83 L/s的速度流淌至一定傾斜角度的流淌槽中，燃料流經(jīng)流淌槽時立即被引火源點(diǎn)燃，進(jìn)行流淌火燃燒試驗(yàn)，未燃燒完全的燃料流至集流槽內(nèi)。試驗(yàn)過程中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對燃燒過程中的參數(shù)進(jìn)行測定，并對整個試驗(yàn)過程進(jìn)行多角度錄制，其中熱電偶布置位置如圖1(b)所示。

圖1 流淌火燃燒試驗(yàn)平臺Fig.1 Spill fire experimental platform

1.2 流淌火模擬計(jì)算

采用Kameleon FireEx軟件按照上述的流淌火燃燒試驗(yàn)平臺建立幾何模型，計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m×20 m×15 m，采用六面體網(wǎng)格劃分區(qū)域，并對油池區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。數(shù)值計(jì)算采用連續(xù)方程、動量方程、能量方程和組分傳遞方程描述液體燃料流淌過程，采用渦耗散模型描述燃料燃燒過程，采用DTM模型描述熱輻射傳遞過程。

1.3 數(shù)據(jù)對比分析

通過攝錄裝置對流淌火蔓延發(fā)展過程進(jìn)行了拍攝，火災(zāi)發(fā)展特征如圖2(a)所示，圖中展示了流淌火災(zāi)初起階段、發(fā)展階段、猛烈燃燒階段和衰竭階段，其中火災(zāi)發(fā)展階段和猛烈燃燒階段的火焰高度較大，超出攝錄裝置的拍攝范圍。數(shù)值計(jì)算得到的汽油流淌火災(zāi)發(fā)展過程的火焰渲染圖如圖2(b)所示，由此可見，模擬計(jì)算試驗(yàn)的流淌火災(zāi)也經(jīng)歷了初起、發(fā)展、猛烈燃燒和衰竭階段，且火焰渲染圖與全尺寸試驗(yàn)的攝錄過程大致相同。此外，由于試驗(yàn)場地風(fēng)速和風(fēng)向時刻處于變化狀態(tài)，模擬計(jì)算中風(fēng)速和風(fēng)向的設(shè)置較難與實(shí)際情況保持一致，故火焰形貌和煙氣蔓延發(fā)展?fàn)顩r存在一些差異?？傮w來說，根據(jù)模擬計(jì)算得到的整個燃燒的發(fā)展過程與全尺寸試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致。

此外，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到全尺寸流淌火燃燒過程中采集點(diǎn)溫度隨時間的變化規(guī)律，并與數(shù)值計(jì)算得到的溫度場進(jìn)行對比分析。選取距流淌火液面1.0 m(1#)和2.0 m(2#)處的2只熱電偶，全尺寸試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，1#熱電偶和2#熱電偶的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合較好，其中模擬計(jì)算得到的1#熱電偶最高溫度為932.0 ℃，試驗(yàn)得到的最高溫度為873.7℃，誤差為6.7%；模擬計(jì)算得到的2#熱電偶最高溫度為982.0 ℃，試驗(yàn)得到的最高溫度為898.0 ℃，誤差為9.3%。經(jīng)過分析，2種方法的誤差主要是由于模擬計(jì)算的邊界條件設(shè)置不能完全描述試驗(yàn)場景，如風(fēng)速和風(fēng)向、流淌地面粗糙度等，也正是由于試驗(yàn)時風(fēng)速和風(fēng)向的不斷變化導(dǎo)致燃燒火焰不斷波動，部分偏離了熱電偶位置，故150 s后的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度劣于150 s前的結(jié)果?？傮w而言，流淌火試驗(yàn)與CFD數(shù)值計(jì)算的結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi)。

圖3 流淌火的溫度隨時間變化Fig.3 Relationship between temperature of spill fire and time

2 輕質(zhì)油品罐區(qū)流淌火數(shù)值計(jì)算

通過對比全尺寸流淌火試驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果，可知數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。以防火堤內(nèi)儲存汽油的4個2 000 m3儲罐罐組為研究對象，計(jì)算輸油管道泄漏至防火堤內(nèi)引發(fā)流淌性火災(zāi)的燃燒蔓延規(guī)律和危害特性。

2.1 幾何模型

以某成品油儲備庫內(nèi)汽油儲罐罐組為研究對象，4個儲罐容積均為2 000 m3，儲罐直徑為14.5 m，高度為13.0 m，儲罐間距為8.0 m，計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m×80 m×60 m，模型如圖4所示。假設(shè)出料管道發(fā)生破裂，泄漏點(diǎn)位置坐標(biāo)為(11，-2)，裂口之上液位高5.0 m，根據(jù)伯努利方程計(jì)算得到流體的泄漏速度為42.3 kg/s[15]，高度10 m處的風(fēng)速為3 m/s，方向沿x軸正方向。當(dāng)泄漏發(fā)生10 s后被罐區(qū)內(nèi)點(diǎn)火源引燃，泄漏油品一邊燃燒一邊流淌，形成流淌性火災(zāi)。計(jì)算區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在泄漏位置附近區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，并設(shè)置邊界條件[16]。

圖4 汽油儲罐模型Fig.4 Model of the gasoline tanks

2.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值計(jì)算采用連續(xù)方程、動量方程、能量方程和組分傳遞方程描述液體燃料流淌過程，采用渦耗散模型描述燃料燃燒過程，碳煙模型包括煙塵形成模型和煙塵燃燒模型，其中煙塵形成模型是對Tesner二步模型的改進(jìn)，煙塵燃燒模型與渦耗散模型類似，煙塵及核心的燃燒速率與燃料的燃燒速率成正比，采用DTM模型描述熱輻射傳遞過程，離散方式采用一階迎風(fēng)格式。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 流淌火蔓延過程

防火堤內(nèi)某儲罐出油管路發(fā)生破裂10 s后被引火源點(diǎn)燃，罐組內(nèi)油料流淌和火災(zāi)蔓延過程如圖5所示，圖5(a)顯示出料管路破裂后剛剛被引燃，圖5(b)～5(g)展示了流淌火不斷蔓延和發(fā)展的過程。隨著泄漏的汽油不斷涌出，防火堤內(nèi)的流淌火不斷向前蔓延，燃燒面積也逐漸變大，火焰高度和煙氣濃度隨之增大，隨著時間推移，臨近泄漏點(diǎn)的儲罐逐漸被流淌火包圍，其余儲罐也受到流淌火的炙烤。當(dāng)t=120 s時距離泄漏點(diǎn)最近的儲罐一側(cè)被流淌火火焰包圍，當(dāng)t=200 s時流淌火的蔓延速率逐漸變小，燃燒逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)點(diǎn)火時間大于300 s時，罐區(qū)內(nèi)流淌火火焰高度基本不再增大，流淌面積最大增長到357.3 m2并不再增大，流淌火燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 罐組流淌火蔓延過程Fig.5 Spill fire spreading process of the gasoline tanks

2.3.2 燃燒面積

汽油儲罐出料管路在泄漏發(fā)生后，汽油的溢油流淌面積不斷增大，被點(diǎn)燃前的油品流淌面積隨時間的變化如圖6(a)所示，可以看出油品的流淌面積以近似線性特征增長，泄漏發(fā)生10 s時泄漏油品的流淌面積達(dá)到96.2 m2，油膜厚度增長至6.57 mm。泄漏汽油被引燃后形成流淌性火災(zāi)，流淌面積和燃料的燃燒速率繼續(xù)增大，燃料被引燃后罐區(qū)內(nèi)流淌面積如圖6(b)所示，流淌面積呈二次函數(shù)特征逐漸增大，增長速率不斷減小，這是由于泄漏燃料的燃燒速率不斷增大，單位時間消耗的燃料數(shù)量增長導(dǎo)致。當(dāng)泄漏燃料被引燃120 s后，汽油的泄漏量與燃燒消耗量趨于動態(tài)平衡，流淌火蔓延的面積達(dá)到356.0 m2，流淌火處于穩(wěn)定燃燒階段。

圖6 油品流淌面積隨時間變化Fig.6 Relationship bet ween theburning area of spill fire and time

2.3.3 溫度場分析

泄漏點(diǎn)與最近儲罐罐壁的距離為2.0 m，沿此罐壁的不同高度設(shè)置虛擬熱電偶，記錄流淌火發(fā)展過程中罐壁處的溫度變化，如圖7(a)所示，其中圖7(b)是前80 s的局部放大圖。流淌火發(fā)展前期，儲罐罐壁溫度逐漸上升且溫度上升速率較大，罐壁底部首先受到火焰炙烤，溫度迅速上升至1 000 ℃以上，隨著流淌火逐漸蔓延和風(fēng)速的影響，罐壁溫度不斷波動，罐壁底部逐漸被火焰包圍，底部處于火焰內(nèi)焰范圍內(nèi)，溫度隨之下降，如圖7h=1 m和h=3 m的溫度曲線所示；高處罐壁的溫度隨流淌火的逐步蔓延而逐漸增加，最終隨著流淌火進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段而趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定燃燒階段中，在設(shè)置的所有熱電偶中，儲罐罐壁高度h=5 m處的溫度最高，在1 300 ℃左右波動，其次為罐壁高度h=3 m和h=10 m處。

圖7 臨近儲罐罐壁溫度隨時間變化Fig.7 Temperature of monitor points on the tank wall varying with time near the leakage

2.3.4 輻射情況

圖8 臨近儲罐罐壁輻射強(qiáng)度隨時間變化Fig.8 Radiation of monitor points on the tank wall varying with time near the leakage

圖9 罐組周圍的熱輻場分布Fig.9 Radiation field varying around the tank group

模擬得到儲罐出料管道破裂形成流淌性火災(zāi)時，臨近儲罐距離泄漏點(diǎn)最近位置處的熱輻射情況，該儲罐罐壁不同高度處的熱輻射強(qiáng)度如圖8(a)所示，其中圖8(b)是前80 s的局部放大圖。由圖8可知，隨著流淌火的蔓延發(fā)展，臨近儲罐熱輻射波動性增長，輻射值增長至最高值后逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于泄漏油品與燃燒消耗達(dá)成動態(tài)平衡，流淌火進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。此外，燃燒穩(wěn)定階段時，臨近儲罐幾乎被流淌火包圍，處于完全被炙烤的狀態(tài)，儲罐罐壁高度h=5 m處的熱輻射值最大，在500 kW/m2左右波動。沿下風(fēng)側(cè)方向距離防火堤15 m處(x=37.5 m)的熱輻射分布如圖9(a)所示，該位置處的熱輻射強(qiáng)度最大值為25.6 kW/m2；沿上風(fēng)側(cè)方向距離防火堤15 m處(x=-37.5 m)的熱輻射分布如圖9(b)所示，該位置處的熱輻射強(qiáng)度最大值為6.5 kW/m2。

3 結(jié)論

1)得到了罐組內(nèi)汽油流淌火蔓延發(fā)展過程，點(diǎn)火300 s左右時流淌火火焰高度不再有大幅度增加，流淌火面積最大擴(kuò)展至357.3 m2，流淌火燃燒處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。

2)點(diǎn)火前油品的流淌面積以近似線性特征增長，泄漏發(fā)生10 s時泄漏油品的流淌面積達(dá)到96.2 m2。泄漏燃料被引燃后形成流淌性火災(zāi)，流淌面積隨時間呈二次函數(shù)特征逐漸增大，當(dāng)泄漏燃料被引燃120 s后，汽油的泄漏量與燃燒消耗量趨于動態(tài)平衡，流淌火蔓延的面積達(dá)到356.0 m2并不再增長。

3)隨著流淌火蔓延發(fā)展，臨近儲罐被火焰包圍，得到罐壁的溫度和輻射場分布。穩(wěn)定燃燒階段，在所有設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)中，高度為5 m處的罐壁溫度和輻射強(qiáng)度值最大，其中溫度穩(wěn)定于1 300 ℃左右，輻射強(qiáng)度在500 kW/m2上下波動。