運(yùn)用池火災(zāi)模型對(duì)某原油儲(chǔ)罐的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

張 珂

(中國(guó)石油化工股份有限公司濟(jì)南分公司 安全環(huán)保處，山東 濟(jì)南 250101)

石近年來(lái)隨著國(guó)家"供給側(cè)改革"的推進(jìn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，淘汰技術(shù)落后、規(guī)模不經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能，石化產(chǎn)業(yè)朝著大型煉化一體化快速發(fā)展，其中原油儲(chǔ)罐也隨之向大型化方向發(fā)展。隨著原油儲(chǔ)罐數(shù)量越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大，隨之而來(lái)的安全問(wèn)題也愈發(fā)突出。因原油儲(chǔ)罐泄漏而導(dǎo)致的事故，常見(jiàn)的有罐內(nèi)池火災(zāi)、罐外流淌火、蒸氣云爆炸等。其中罐區(qū)防火堤池火災(zāi)，火焰溫度能達(dá)到1000℃左右?；馂?zāi)熱輻射會(huì)對(duì)周邊人員及設(shè)施造成危害，還有可能導(dǎo)致附近儲(chǔ)罐的破裂，進(jìn)而導(dǎo)致二次事故。特別是隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)快速推進(jìn)，導(dǎo)致一些煉化企業(yè)逐漸被城鎮(zhèn)包圍或靠近城市主城區(qū)，“城圍煉廠”的問(wèn)題日益突出[1]。一些煉化企業(yè)的罐區(qū)已日漸處于城市的包圍中，如果發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，在造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的同時(shí)，還會(huì)造成強(qiáng)烈的社會(huì)負(fù)面影響，制約企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展。英國(guó)邦斯菲爾德油庫(kù)火災(zāi)事故、印度西部拉賈斯坦邦油庫(kù)火災(zāi)事故、中國(guó)石油大連875號(hào)柴油罐火災(zāi)事故就全部造成了嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面影響。

本文通過(guò)研究某城市型煉廠的原油儲(chǔ)罐區(qū)，采用池火災(zāi)模型計(jì)算出池火的液池半徑、火焰高度及熱輻射強(qiáng)度，從而得出事故發(fā)生后的重傷、死亡距離，為城市型煉廠的安全管理和應(yīng)急管理提供可靠的依據(jù)。

1 池火災(zāi)模型

本文以企業(yè)20000m3原油儲(chǔ)罐為例，儲(chǔ)罐北側(cè)、西側(cè)均為企業(yè)圍墻，最近點(diǎn)各距離儲(chǔ)罐150m，企業(yè)圍墻外為市政道路及零散居民區(qū)。池火災(zāi)是指儲(chǔ)罐可燃液體泄露形成液池后，遇點(diǎn)火源而形成的火災(zāi)。常見(jiàn)的池火災(zāi)模型有點(diǎn)源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型等[2]。其中點(diǎn)模型是將池火抽象為火焰中心的一個(gè)點(diǎn)，假設(shè)所有的熱輻射都是由這一點(diǎn)釋放而出，具有計(jì)算簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)直觀等優(yōu)點(diǎn), 池火災(zāi)點(diǎn)源模型見(jiàn)圖1。

圖1 池火災(zāi)點(diǎn)源模型

2 基于池火災(zāi)模型的某企業(yè)原油儲(chǔ)罐計(jì)算

20000m3外浮頂式原油儲(chǔ)罐兩座，單獨(dú)各設(shè)防火堤。防火堤長(zhǎng)寬各80m，高2m。選定其中一座進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 液池半徑的計(jì)算[3]

原油罐區(qū)防火堤液池面積為：

S=802=6400m2

液池半徑按下式計(jì)算：

r=(S/3.14)0.5= 45.1m

式中:r——液池半徑，m；

S——防火堤所圍池面積，m2。

當(dāng)液池中可燃液體的沸點(diǎn)高于周圍環(huán)境溫度時(shí)，液體表面單位面積的燃燒速度按下式計(jì)算：

式中，dm/dt——單位面積的燃燒速度，kg/(m2·s)；

Hc——液體燃燒熱，J/kg；

Cp——液體的定壓熱容，J/(kg·K)；

Tb——原油的沸點(diǎn)，K；

T0——環(huán)境溫度，K，取當(dāng)年平均溫度12℃，即285K；

H——液體的汽化熱，J/kg。

原油的燃燒速度可以從手冊(cè)中直接查得為0.0781 kg/(m2·s)[4]。

2.2 計(jì)算火焰高度[5]

無(wú)風(fēng)時(shí)，池火災(zāi)火焰高度：

式中:h——火焰高度，m；

r——液池當(dāng)量圓半徑，m；

ρ0——周圍空氣密度，kg/m3，計(jì)算取值1.293 kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件)；

g——重力加速度，9.8m2·s；

dm/dt——燃燒速度，0.0781 kg/(m2·s)。

計(jì)算得到池火燃燒火焰高度h=84×45.1×[0.0781/1.293×(2×9.8×45.1)0.5]0.6=91.9m。

2.3 計(jì)算池火燃燒時(shí)放出的總熱輻射通量

無(wú)風(fēng)時(shí)，池火燃燒放出的總熱輻射通量計(jì)算見(jiàn)公式：

式中:Q——總熱輻射通量，W；

η——效率因子，范圍0.13～0.35，取平均值0.24；

Hc——液體燃燒熱，原油的燃燒熱為41030 kJ/kg。

經(jīng)計(jì)算得，Q=

2.4 計(jì)算目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度

假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點(diǎn)的小球面輻射出來(lái)，則在距離池中心某一距離(X)處的熱輻射強(qiáng)度見(jiàn)公式：

式中：I——熱輻射強(qiáng)度，W/m2；

Tc——熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無(wú)相對(duì)理想的數(shù)據(jù)時(shí)，可取值為1；

X——目標(biāo)點(diǎn)到液池中心距離，m。

已知總熱輻射通量Q=1502439kW，熱傳導(dǎo)系數(shù)Tc=1，公式可簡(jiǎn)化為I=1502439/4πX2。

從公式可以看出，熱輻射強(qiáng)度與目標(biāo)到液池中心距離的平方成反比的關(guān)系。

表1 熱輻射強(qiáng)度所造成的傷害和損失

將表1中不同的熱輻射通量數(shù)值代入熱輻射強(qiáng)度公式，分別求得目標(biāo)點(diǎn)距離池火中心的數(shù)值分別如表2。

表2 不同熱輻射強(qiáng)度目標(biāo)點(diǎn)距離池火中心的數(shù)值

3 結(jié)論

由計(jì)算可以看出，原油儲(chǔ)罐泄漏發(fā)生池火災(zāi)時(shí)，只有在273.4m范圍外才可避免受到熱輻射傷害。其中需要注意的是，在上述原油罐區(qū)池火災(zāi)分析計(jì)算中，沒(méi)有考慮風(fēng)對(duì)火焰的影響。在實(shí)際情況中，必須考慮風(fēng)的影響。

結(jié)合本文計(jì)算采用某城市型煉廠原油儲(chǔ)罐的計(jì)算模型來(lái)看，儲(chǔ)罐距離企業(yè)圍墻最近點(diǎn)150m，距離273.4m的安全距離還有一定差距，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故將對(duì)企業(yè)圍墻外的市政道路、零散居民區(qū)產(chǎn)生影響，必須通過(guò)采取管理措施來(lái)降低事故狀態(tài)下的風(fēng)險(xiǎn)。

4 罐區(qū)安全管理措施建議

(1) 通過(guò)計(jì)算過(guò)程可以看出，儲(chǔ)罐池火災(zāi)火焰高度與隨著池半徑成正比，傷害、破壞半徑與暴露時(shí)間成正比。熱輻射對(duì)人的傷害(輕傷、重傷或死亡)需要一定的時(shí)間，企業(yè)可通過(guò)完善罐區(qū)火災(zāi)視頻報(bào)警系統(tǒng)，在罐頂及罐區(qū)高位設(shè)置視頻監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行處置。同時(shí)，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)消防設(shè)施資金投入與維護(hù)保養(yǎng)，加強(qiáng)火災(zāi)事故應(yīng)急預(yù)案演練，從而進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急反應(yīng)和處置能力，減少和避免造成更嚴(yán)重的傷害。在無(wú)法改變平面布局、儲(chǔ)罐與周邊設(shè)施安全距離的情況下，可采取降低儲(chǔ)罐儲(chǔ)存量的措施降低事故狀態(tài)下?lián)p失。

(2)加強(qiáng)原油儲(chǔ)罐日常安全管理。原油儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線設(shè)置緊急切斷閥，在事故狀態(tài)下及時(shí)切斷物料；保持罐區(qū)防火堤完好，確保電纜穿管縫隙處的密封完好，防止可燃液體泄漏后任意蔓延，也可減輕池火災(zāi)的危害。在條件允許情況下，還應(yīng)進(jìn)一步提高耐火極限、提高防火堤的有效容積，設(shè)置充足的事故存液池，在發(fā)生大量油品泄漏的情況下，保證油品不溢泄至防火堤外[6]。

(3)在當(dāng)前城圍煉廠的形式下，企業(yè)一旦發(fā)生事故，會(huì)造成公眾的恐慌對(duì)企業(yè)的不信任，制約著企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展。城市型煉廠必須通過(guò)不斷提高“本質(zhì)安全環(huán)保”水平，堅(jiān)決杜絕事故發(fā)生，做到與周邊生態(tài)和諧共存，來(lái)謀取發(fā)展之路。