石油储备库区域安全间距模型的确立及应用

于倩秀

中国石化管道储运公司华东管道设计研究院，江苏 徐州 221008

0 前言

随着世界经济的快速发展，石油资源开始面临短缺，油价高位振荡，世界各国都在加强石油战略储备，主要表现为整体库容及单罐容量的增大，目前我国已建成多座整体库容达500×104m3的石油战略储备库 （如湛江国家石油储备库、铁岭原油商业储备库等），石油储备库安全性日益重要。石油储备库区域安全防火间距是石油化工企业平面设计的一个重要参数，既涉及到油库的安定，又关系到生产运行的安全和总投资效益的高低。所以，石油储备库区域防火间距作为一个关系到系统整体效益的设计参数，越来越受到重视［1］。

目前油库总平面图布置主要依据GB 50737-2011《石油储备库设计规范》，并参照GB 50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》及 GB 50074-2002 《石油库设计规范》来进行，其安全间距很大程度是参照国外标准、工程实践经验及教训等制定的，本文试图从流体力学、燃烧学的角度出发，模拟预测石油储罐区火灾对周围环境的热辐射影响，结合热辐射准则得出石油储备库区域安全防火间距［2］。

1 模型的确立

石油储罐及其附属设备发生泄漏事故时，原油将从储罐、阀门或管道泄漏到罐区地面，然后向罐区四周流淌扩散，由于受到防火堤、隔堤的阻碍，原油将在防火堤或隔堤所限定的区域内积聚，形成一定范围、一定厚度的油池。池火灾所产生的强烈热辐射，不仅对相邻罐体、建构筑物的安全造成威胁，而且使消防救援人员很难靠近，造成石油储罐火灾事故不断扩大，因此池火灾事故模型适用于石油储罐火灾辐射热及辐射距离的计算［3］。

1.1 储罐火灾直径

对于油罐应根据防护堤所围面积S计算火灾池直径D：

在罐区防火堤或隔堤受损的情况下，石油储罐所泄漏的原油经过充分扩散且无渗透与蒸发，根据原油泄漏量和地面性质，最大池火灾面积可按式（2）～（3）计算：

式中：S为防火堤面积，m2；D为火灾池当量直径，m；ρ为原油密度，kg/m3；m为储罐内原油质量，kg；Hmin为最小油层厚度，m。

常见地面最小油层厚度见表1。

表1 地面最小油层厚度

1.2 火灾燃烧速率

当池火灾中可燃液体的沸点高于环境温度时，单位液体表面积燃烧速率为：

式中：mf为单位液体表面积燃烧速率,kg/(m2·s)；Cp为液体的定压比热，kJ/(kg·K)；T0为环境温度,K；Tb为液体的沸点，K；H为液体的气化热，kJ/kg；Hc为液体的燃烧热，kJ/kg。

当池火灾中可燃液体的沸点低于环境温度时，单位液体表面积燃烧速率为：

常见可燃液体的燃烧速率见表2。

表2 常见可燃液体的燃烧速率

1.3 火灾火焰高度

储罐火灾无风时火焰高度用下述经验公式表示：

储罐火灾有风时火焰高度用下述经验公式表示：

式中：ρL为空气的密度，kg/m3； g 为重力加速度，（m/s2）；U 为风速，m/s； ρo为油蒸汽的密度，kg/m3。

1.4 火焰表面的热通量

通过圆柱形火焰的顶部和侧面，热辐射的能量向四周均匀辐射，火焰表面的热通量［4］可用下式表示：

式中：q表为火焰表面的热通量，kW/m2；Hc为油品的燃烧热，kJ/kg； f为热辐射系数，0.15。

1.5 储罐火灾热辐射量

储罐燃烧时的总热辐射量为：

式中：q总为储罐燃烧时的总热辐射量，kW；η为0.13～0.35，效率因子。

1.6 热辐射强度

假定全部能量从火灾中心点的球面辐射而来，则距储罐中心某一距离x处的热辐射强度qx及火灾的持续时间T分别为：

式中：qx为热辐射强度，kW/m2；T为火灾燃烧的持续时间，d；x为某处距燃烧储罐中心的距离，m。

1.7 热辐射损害的判别准则

火灾周围物体在足够强度热辐射作用下会产生燃烧现象或变形，造成人员伤亡和设备损害[5]。热辐射损害判定准则，反映的是目标所接收热辐射强度与设备、设施损坏及人员伤亡状况的对应关系，见表3。

表3 热辐射损害判定表

2 实例分析

某石油储备库总库容220×104m3。一期建设库容80×104m3，2个罐组，每个罐组由4座10×104m3原油储罐组成，其单罐防火堤尺寸为120m×110m；二期建设库容140×104m3，3个罐组， 其中 2个罐组由 6座 10×104m3原油储罐组成，其单罐防火堤尺寸为120 m×120 m，1个罐组由4座5×104m3原油储罐组成，其单罐防火堤尺寸为100m×90m。原油密度 0.85 kg/m3，空气密度为1.295 kg/m3，储罐装满系数0.85，原油的燃烧热49.5×103kJ/kg，原油燃烧速率为 0.013 7 kg/(m2·s)，原油燃烧时的效率因子为0.24、热辐射系数为0.15，罐区风速不计。由上述计算模型可得该石油储备库各储罐火灾损害计算结果，见表4。

从表4可以看出，当距储罐中心距离为170m及180m时，储罐火灾的热辐射强度为1.45～2.00，而太阳光的热辐射强度约为1.5，因此在此距离范围内储罐火灾对人体基本无害，而GB 50737-2011《石油储备库设计规范》规定储罐区防火堤距居住区及公共建筑物的最小距离为120m，再考虑防火堤距罐中心距离为50～60m，因此该规范所规定的储罐区至人员密集场所的距离是合理的。当距储罐中心距离为130m及140m时，储罐火灾的热辐射强度为2.5～3.3，在此范围内热辐射不会对设备设施构成较大危害，因此，GB 50737-2011《石油储备库设计规范》规定储罐区至工矿企业的最小距离为80m是可以接受的。

表4 储罐火灾损害计算表

3 结论

本文通过池火灾事故后果伤害数学模型的建立，具体分析了大型石油储罐发生火灾事故时，不同目标距离处热辐射强度同储罐火灾各影响因素之间的关系，确定了石油储备库同周边人员密集场所及工矿企业的安全间距，使我们进行石油储备库总平面布置时对各种安全间距的把握更加具体和科学，计算方法更为多样、灵活。

［1］郭开华，王文静，皇甫立霞，等.LNG站场防火间距及安全性分析［J］.天然气工业，2012，32(10)：90-94.Guo Kaihua，W ang W enjing，Huangpu Lixia，et al.Fireproof Spacing between Equipmentsand Safety Analysisat LNG Stations［J］.NaturalGas Industry， 2012，32(10)：90-94.

［2］杨成贵.浅谈综合油库总图设计［J］.天然气与石油，1999,17（2）：32-38.Yang Chenggui.An Elementary Discussion on General Plan Design of Comprehensive OilDepot［J］.NaturalGasand O il，1999，17（2）：32-38.

［3］赵新颖.大型油库安全评价方法研究［D］.东营：中国石油大学（华东），2006.Zhao Xinying.Research on Safety Assessment Methods in Large-Scale Tank Farm［D］.Dongying： China University of Petroleum（Eastern China）， 2006.

［4］郝永梅，邢志祥，沈 明，等.基于贝叶斯网络的城市燃气管道安全失效概率［J］.油气储运，2012，31(4):270-273.Hao Yongmei， Xing Zhixiang， Shen M ing， et al.Calculate the Failure Probability of U rban Gas Pipeline Based on Bayesian Network Mode［J］.O il&Gas Storage and Transportation， 2012，31(4):270-273.

［5］任自在.压力管道安全评价的理论与方法研究［D］.东营：中国石油大学(华东)，2008.Ren Zizai.A Study on the Theory and Method for Assessment of the Pressure Pipelines［D］.Dongying： China University of Petroleum(Eastern China)，2008.