油罐库区火灾事故危险区域模拟计算研究

●管佳林，俞祚福，况凯骞

(广州中国科学院工业技术研究院 城市公共安全技术研究中心，广东 广州 511458)

●消防理论研究

油罐库区火灾事故危险区域模拟计算研究

●管佳林，俞祚福，况凯骞

(广州中国科学院工业技术研究院 城市公共安全技术研究中心，广东 广州 511458)

大型油罐库区的出现给消防监管和火灾应急扑救工作提出了更高的要求，为了制定科学的大型油罐火灾应急处置策略，保障应急扑救消防人员的安全，同时实现最大的灭火救援效率，需要科学确定油罐火灾事故发生时油罐周边危险区域。为此，结合某大型油库储罐工程实际，采用火灾动力学软件构建模型对油罐火灾发展过程进行模拟计算，并基于辐射热计算模型，计算油池火灾辐射热，根据辐射热强度确定油罐火灾周边危险区域。油罐火灾事故发生时油罐周边危险区域确定可为火灾应急扑救处置策略提供科学依据。

油罐库区；应急扑救；油罐火灾；处置策略

0 引言

为了保障地区社会经济的快速发展，为经济建设提供充足的能源动力，一些局部区域陆续出现了大型油气储备库区和大型石油储罐区。石油储罐区的出现对消防安全监管与应急火灾扑救提出了更高的要求。储罐是储罐区储存原油、成品油等油品的最重要的设备，储罐内储存的各种油品一般都具有易挥发、易流失、易燃烧、易爆炸等性质，一旦发生火灾，燃烧猛烈，火焰温度高，辐射热强，控制和扑救难度很大[1-2]。大型油罐库区一旦发生火灾，应急扑救难度大，事故损失大，同时容易造成恶劣的环境破坏和社会影响。

油罐处于开放环境中，油罐火灾造成人员伤亡和财产损失的主要原因是热辐射效应[3-5]。因此，研究油罐火灾的热辐射危害特性，可为储油罐区平面布局设计、火灾控制和扑救提供科学依据。油罐中储存的汽油泄漏后极易挥发与空气形成爆炸性混合物，遇点火源可能形成蒸汽云爆炸火灾事故。可燃液体一旦着火并完成液面上的传播过程之后，就进入稳定燃烧的状态。液体的稳定燃烧一般呈水平平面的“池状”燃烧形式。

油罐火灾以及油罐泄漏形成的防火堤火灾是典型的油池火灾，对于油池火灾的发展过程和火灾规律，国内外研究人员展开了大量的试验和数值模拟研究[6-8]，得出了池火灾特征参数的经验模型。大型油罐火灾试验研究成本高、实施难度大，致使油罐火灾事故相应的试验数据相对匮乏。随着计算机模拟技术的日益成熟，利用计算流体力学技术研究大型油罐火灾问题已成为当前的主流技术手段[9-11]。为了科学确定油罐火灾事故发生时油罐周边危险区域，本文采用火灾动力学模拟软件FDS研究油罐火灾燃烧的热辐射特性，得出无风和有风情况下热辐射传播规律，分析热辐射对周围目标物体的破坏程度。采用现有池火灾经验模型分析计算大面积防火堤火灾时热辐射传播规律，以确定大面积防火堤火灾时对人体伤害及对建构筑物破坏的后果。

1 油罐火灾模拟计算分析

对于大型油罐库区，最为常见的火灾事故为密封圈火灾。密封圈火灾是指在大型外浮顶储罐浮顶与罐壁接触的位置密闭失效，在密封圈位置发生整个环状或局部弧形带状火灾，密封圈火灾通常是由雷击造成。浮顶局部火灾是指大型外浮顶储罐的浮顶发生倾斜下沉，储罐上表面部分面积的储存介质直接暴露在空气中并形成火灾。油罐全表面火灾是指大型外浮顶储罐整个浮顶浮力失效或断裂，整个浮顶发生沉没，罐顶整个直径表面与空气接触，并形成火灾。

大多数池火灾都是发生在室外，由于氧气供应充足，燃烧比较完全，产生的有毒、有害烟气也容易消散掉，从这个角度来看，室外池火灾的伤害力比室内火灾要小。但是，池火灾产生的火焰能够向四周发出强烈的热辐射，强度要比室内火灾大得多。因此，火焰产生的热辐射是室外池火灾的主要危害。

燃料的热物性质参数是采用火灾动力学软件进行模拟计算的基本参数，通过查阅有关文献选取了具有代表性的汽油热物性，如表1所示。

表1 汽油热物性

结合某大型石油储罐区工程实际，构建相应的油罐物理几何模型，如图1所示。模拟参数设置包括模拟时间、输出选项、外界环境等。由于汽油池火灾发展极为迅速，即从火灾开始到火焰达到相对稳定的时间非常短。因此，为了减少运算量，将模拟时间定义为60 s。环境初始温度设置为20 ℃，并考虑环境风速的影响。具体火灾场景模拟参数设置如表2所示。

1.1 场景1模拟结果分析

平均风速为4 m·s-1时，汽油罐浮顶全表面火灾的燃烧发展过程如图2所示。可以看出，在火灾发展初期，由于此时热释放速率较小，产生的热羽流惯性较小，因此，在风的作用下火焰偏向风的下游，然而随着时间的推移，火势发展迅速，很快达到最大的热释放速率，此时热羽流表现出强烈的向上惯性动量，因此，减弱了风对火焰的影响作用。平均风速为4 m·s-1时，汽油罐浮顶全表面火灾产生的热辐射在模拟研究罐区的影响范围如图3所示。

图1 FDS模型示意图

序号场景描述环境风条件环境初始温度场景1浮顶全表面火灾,燃料为汽油4m·s-120℃场景2浮顶全表面火灾,燃料为汽油无风20℃

(a)6 s

(b) 21 s

(c)30 s

(d)60 s

(a)37.5 kW·m-2影响范围(严重损害)

(b)25 kW·m-2影响范围(严重影响)

1.2 场景2模拟结果分析

无环境风速影响时，汽油罐浮顶全表面火灾的燃烧发展过程如图4所示。可以看出，汽油罐浮顶全表面火灾的发展十分迅速，在无风条件下火焰的发展集中在储罐的中心轴线位置。无环境风速影响时，汽油罐浮顶全表面火灾产生的热辐射在模拟研究罐区的影响范围如图5所示。

(c)12.5 kW·m-2影响范围(中等影响)

(d)4 kW·m-2影响范围(中度影响)

(a)6 s

(b)21 s

(c) 30 s

(d) 60 s

2 防火堤油池火灾模拟计算分析

防火堤内火灾是指储罐或链接管道发生泄漏，在防火堤内形成液池，并发生池火。结合某大型石油储罐区工程实际，某防火堤区域内有两只10 000 m3的储罐，设储存物质为汽油，由于防火堤所围成的体积小于最大罐的体积，储罐发生泄漏时能够流淌到整个防火堤所围的面积，形成汽油液池，遇明火形成池火灾。汽油的燃烧热为43 700 kJ·kg-1，汽油的燃烧速度取0.025 6 kg·m-2·s-1，空气的密度为1.293 kg·m-3，所研究防火堤所围的面积为4 536 m2。

(a)37.5 kW·m-2影响范围(严重损害)

(b) 25 kW·m-2影响范围(严重影响)

(c) 12.5 kW·m-2影响范围(中等影响)

(d)4 kW·m-2影响范围(中度影响)

2.1 防火堤池火灾火焰高度

设液池为一半径为r的圆池，火焰高度可按照下式计算：

(1)

式中，h——火焰高度，m；

r——液池的当量半径，m；

ρ0——周围空气密度，取1.293kg·m-3；

g——重力加速度，取9.8m·s-2;

dm/dt——单位面积的质量燃烧速度。

对于非圆形的液池，采用当量半径的方法计算。液池的有效半径r的计算公式为：

(2)

式中，S——非圆形液池的面积，m2。

=41.73m

经计算可以得到防火堤池火灾火焰高度为41.73 m。

2.2 目标接收热辐射通量

液池燃烧时放出的总热辐射通量，可以按照下式计算：

(3)

式中，Q——总热辐射通量，kW；

η——效率因子，可取0.13～0.35；

Hc——液体燃烧热，kJ·kg-1。

=(3.14×382+2×3.14×38×41.73)

×0.0256×0.3×43700÷[72

=559 074.81kW

经计算可得到防火堤池火灾时放出的总热辐射通量为559 074.81 kW。

距离液池中心某一距离x处的入射热辐射强度可以通过下式计算：

(4)

式中，I——热辐射强度，kW·m-2；

tc——热传导系数，取1；

x——目标点至液池中心距离。

(5)

目标接收到热辐射通量为37.5kW·m-2的影响半径：

同样，可计算出目标接收到不同热辐射通量的影响半径，产生的损失情况，如表3所示。

表3 不同入射热辐射通量造成的损失情况

3 油罐库区火灾应急处置策略分析

油罐发生火灾时，应由消防队负责统一指挥灭火。作为火场指挥既要精通各种灭火技术，又要能根据火场实际情况，当机立断，作出对策。同时还要合理地调动消防力量和正确使用各种灭火器材，有胆量、有魄力地组织灭火工作，以确保灭火工作的顺利进行。

3.1 灭火救援力量调配

油罐火灾发展变化快，燃烧迅速，因此所需灭火救援力量多，在接警调派过程中，必须坚持加强第一出动的原则，迅速调集应急救援力量，集中兵力于火场，为灭火做好人力、物力上的准备。在救援力量调配上，冷却力量以大功率泵车为主，主要任务是对燃烧罐和受火势威胁的相邻油罐实施冷却降温，预防爆炸；灭火力量以泡沫车为主，调集大功率大流量泡沫车、云梯车、曲臂登高车、移动炮、泡沫挂钩、泡沫发生器等，主要任务是为扑灭燃烧罐体火灾做准备；抢险力量以器材装备保障车、给养保障车、泡沫运输车为主，为顺利进行灭火战斗提供后勤保障。

3.2 火灾现场侦查

首批到达火场的消防救援力量，必须进行火情侦查，通过亲自查看和询问单位技术人员和消防人员，做好火场情况的收集工作，为初步灭火作战和后援力量调配实施总攻提供有力依据。油罐发生火灾后，首批到场消防人员应考虑以下情况：燃烧罐与邻近罐的情况，如品种、数量、结构以及是否有水垫层和罐顶破损等；油罐区的固定与半固定消防设施，如泡沫储存量、种类、喷射形式；邻近罐受火威胁程度、呼吸阀的完好形状等；防护堤的完好情况，物品流淌途径；排水管道的完好情况以及进出油管道线路及阀门的完好情况；邻近罐的储油情况；起火罐区的水源情况等。

3.3 罐区消防设施灭火

火灾燃烧初期，在燃烧面积较小、强度不高的情况下，当油罐装有固定灭火设施并完整可靠时，应立即启动罐区灭火设施，通过喷淋冷却和泡沫灭火，迅速控制火势。一旦火灾被扑灭，不要立即停止冷却，应继续供给水和泡沫，防止复燃。当首批灭火力量已经到场时，应迅速实施战斗展开，利用移动灭火装置进行冷却和灭火。当火势发展到猛烈燃烧阶段后，燃烧罐的固定灭火设施遭到破坏，但邻近罐的固定消防设施可能保持完好，也要考虑其水喷淋系统的作用，同时进行冷却，灭火效果更佳。

3.4 冷却与覆盖不间断进行

在油罐火灾扑救过程中，消防人员应首先考虑实施冷却，对燃烧罐和邻近罐的罐壁以及至关重要的附件进行不间断冷却，直至恢复到常温为止，以防止油质遇高温物体复燃，同时对流淌火也要进行不间断的泡沫覆盖，以防形成回火，造成人员伤亡。

3.5 做好火灾现场安全防护

火灾扑救过程中，应加强对一线指战员的安全保护，减少不必要的人员伤亡，特别是处于防护堤内的指战员，应组织一定数量的水枪对他们进行冷却防止灼伤。对登高强攻作业的消防指战员不仅要冷却保护，还要佩戴隔热服，同时要加强对一些发生沸溢、喷溅后处于流淌区域的水带、消防车的保护，防止不必要的装备损失，特别是针对原油沸溢、喷溅的情形，在扑救中，火场消防指挥员应实时监测油罐的火焰变化情况，当出现沸溢、喷溅的征兆时，应及时组织现场救援人员撤退，以减少人员伤亡，保障消防车辆及装备的安全。

4 结论

4.1 无风情况下，大型油罐发生浮顶全表面火灾时，消防队员灭火不受二度烧伤威胁的安全距离约为64m；有风情况下消防队员不受二度烧伤威胁的安全距离约为80m，不受死亡威胁的灭火安全距离约为62m。对于大型油罐库区火灾事故，应急救援时消防队员应与着火油罐保持必要的安全距离，以避免消防队员的伤亡。

4.2 面积为4 536m2的防火堤，一旦发生汽油池火灾事故，在半径0～34.45m范围内将造成严重损害，对操作设备全部损坏，对人造成10s内1%死亡；在半径34.45～42.20m范围内将造成严重影响，达到无火焰、长时间辐射木材燃烧的最小能量，但对钢铁无损害，对人造成10s内重大伤亡，1min内100%死亡；在半径42.20～52.74m范围内将对人造成暴露5s后严重灼伤；在半径52.74～59.67m范围内将造成中等影响，有火焰时，达到木材燃烧塑料熔化的最低能量，对人造成10s内一度烧伤，1min内1%死亡；在半径59.67～83.40m范围内，对人造成20s后二度灼伤，暴露8s感觉疼痛；在半径83.40～105.49m范围内，造成轻度影响，人暴露20s以上感觉疼痛，可能烧伤；在半径105.49～159.49m范围内，人暴露1min以上感觉疼痛；在半径166.79m范围外，人长期辐射无不舒服。

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(本栏责任编辑、校对 马 龙)

Research on Simulation Calculation of Dangerous Fire-occurring Areas in Oil Tank Reservoir Zones

GUAN Jia-lin, YU Zuo-fu, KUANG Kai-qian

(ResearchCenterofUrbanPublicSafety,InstituteofIndustrialTechnologyGuangzhou&ChineseAcademyofScience,Guangzhou,GuangdongProvince511458,China)

It has put forward higher requirements for fire regulation and emergency fire fighting and rescuing work as large oil tank reservoir area appears. In order to formulate a scientific emergency response strategy for large oil tank fire, to protect the safety of fire fighters in emergency fighting and to achieve the maximum efficiency of fire-fighting and rescuing, to locate the dangerous area around oil tanks when fire starts is required. Therefore, combined with a large oil depot tank engineering practice, a fire dynamics software is taken to construct a model which is used to so some simulation calculation for the developing process of oil tank fire. Based on radiant heat calculation model, fire radiant heat in oil pool is to be calculated; also, the surrounding dangerous area of oil tanks will be identified according to the intensity of radiant heat. The identification of the dangerous surrounding areas of oil tanks while fire accident occurring will provide scientific basis for the disposal strategy of fire fighting and rescuing work.

oil tank reservoir zone; emergency fighting; oil tank fire; disposal strategy

2014-12-20

广东省科技计划项目“基于火灾风险分析的高危区域安全评估关键技术研究及在临港经济区的示范应用”(2012B031500012)

管佳林(1989— )，男，山东菏泽人，助理工程师； 俞祚福(1957— )，男，江苏南京人，高级工程师； 况凯骞(1981— )，男，江西高安人，副研究员。

D631.6

A

1008-2077(2015)02-0005-07