基于FDS环氧乙烷储罐火灾安全间距模拟研究

魏 尧，凌标灿，汪修全

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601；2.中矿龙科能源科技(北京)股份有限公司，北京 100083；3安徽理工大学，安徽淮南 232001)

基于FDS环氧乙烷储罐火灾安全间距模拟研究

魏 尧1,2，凌标灿1,2，汪修全3

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601；2.中矿龙科能源科技(北京)股份有限公司，北京 100083；3安徽理工大学，安徽淮南 232001)

以LK公司化工厂区为工程应用背景，通过对环氧乙烷储罐区计算模型的建立，应用FDS火灾模拟软件对不同工况下着火储罐对临近储罐的影响进行研究，结果确认了对于小型储罐，不适合按规定的距离布置，当两储罐相距4.72 m时可以使临近储罐保持安全状态，或者在喷淋系统的强度为50 L/min时可以缩短两罐之间距离至2.72 m。从环氧乙烷罐区的整体安全性出发，提出了具体布置措施和建议，为企业的安全管理工作提供了参考依据。

环氧乙烷；燃烧数值模拟；压力容器

0 引言

石油化工生产过程中经常使用大量的压力容器，特别是储罐来充装可燃液体或气体，同时这些储罐区也是火灾爆炸危险的多发区域。石油化工储罐区一般储存有大量易燃易爆物质，储罐一旦发生泄漏引起火灾，就会迅速蔓延。储罐发生火灾时，会严重威胁周围的储罐，产生的辐射热往往会使周围的储罐损坏、坍塌，进而燃烧、爆炸，灾害升级、扑救困难。罐区发生火灾事故时会伴有大量的有毒有害气体，危及周边的人员，并给环境带来污染。为了保证环氧乙烷储罐区的安全，通过利用FDS软件对LK公司储区的燃烧数值模拟的研究，研究在不同的条件下着火罐对临近罐的影响，同时也为储区布置提供指导意义。

1 环氧乙烷危险性分析

环氧乙烷是最小的一种环醚,又称恶烷。化学式为C2H4O，分子量为44，闪点为-17.7℃，沸点为10.4℃，燃点为447℃，蒸发热为569.87 kJ/kg，燃烧热为1262.8 kJ/mol。环氧乙烷是杂环类化合物，是重要的石油化工产品，主要用于和水发生反应生成乙二醇，用做各种生活及生产用剂。环氧乙烷气体的密度比空气大，因此能够在较低的地方沿着空气流动的方向传播，造成人员的中毒。其与空气形成的混合物具有爆炸性，并且威力非凡，其爆炸强度是TNT炸药的3～5倍，影响范围为等量TNT爆炸的1.4倍，冲击波持续的时间也比TNT长。

2 模型的建立

2.1 LK公司概况

环氧乙烷罐区位于某石化公司的厂区内，车间现有员工110多人，罐区总投资1700多万元，采用立式储罐，储罐容量为10 m3，储罐的公称直径为1800 mm，壁厚12 mm，设计压力为1.2 MPa，设计储存温度为50℃。环氧乙烷储量为8 t，罐区面积为500 m2。

2.2 模拟参数设定

模型中各种参数的设置是模拟结果正确与否的前提。考虑着火罐体对临近罐体的影响，在建模过程中应对其所涉及到的各种材料参数进行收集，包括EO密度、储罐厚度、比热、热传导率、火焰热释放率等。

表1 模拟参数设置

模拟研究的储罐容量为10 m3，高3.4 m，直径为1.8 m。储罐壁为0Cr18Ni9型，边界条件设为热厚层。地面为混凝土材质，边界条件也为热厚层。(两个储存的罐体间的防火间距是有规定的，但是各规定之间有差距。我国《石油化工企业设计防火规范》规定的防火间距一般为0.4D(D为储罐直径)，美国的标准为1/6(D1+D2)，英国、日本和俄罗斯分别为D/2，D/3，3/4D。)这些规定往往根据本国实际情况确定，为了能进一步研究环氧乙烷储罐防火间距对其影响，设定不同的工况，研究环氧乙烷储罐在不同着火条件下与临罐的安全距离。

2.3 火源设定

采用设置给定的热释放率来定义火灾的大小，探讨距离对火灾的影响。国外的研究认为储罐直径越大，热释放率越大，但是储罐直径扩大到一定的程度热释放率不会增加，热释放率的大小为3280 kW/m2。本文研究的储罐直径为1.8 m，因此，热释放速率低于3280 kW/m2。储罐受外界其他因素影响罐内压力升高，当罐内压力升高到一定值后就会发生物理性的爆炸，在爆炸的过程中如果产生火花或空气急剧压缩升温，极有可能会造成储罐的燃烧。据统计大部分的爆炸破坏的是顶盖部分，并且顶盖只损毁一部分，并非所有的顶盖都受到破坏，为此本文设置开口为罐体顶部的一部分。

2.4 水喷淋系统

在储罐喷淋中常常使用水幕喷头。水幕喷头喷出的水可以形成雾状和膜状的效果，水喷淋的位置如下图所示，位于临近罐主体上方0.5 m的位置处。各国对水喷淋的强度的规定是不同的，美国规定水喷淋的强度为50 L/min，而按国家标准是10 L/min。为了研究在此种情况下水喷淋的强度对灾害的处置是否有效，将分别对这两种情况进行对比分析。

图1 喷淋布置

2.5 温度探测点的布置

在实际的储罐中罐体是圆柱体，但FDS是一个在直线网格上解控的方程，因此描述的物体或区域必须是矩形以适应背景网格，根据经验考虑温度较高的面为靠近火源的面，因此选取了下列6个温度测点来测量储罐壁周围的温度。(如图1所示)

图2 温度测点布置

3 模拟结果及分析

3.1 罐体相距0.4D时临近罐受着火罐的影响研究

在无风的情况下，罐壁和罐顶都受到着火罐的作用温度上升，所测得三个点中，罐壁的最高温度为110℃，罐顶的最高温度为70℃，两者相差40℃；风速为3 m/s(根据当地气象条件一般风速不超过3 m/s)时，罐壁最高温度为180℃，罐顶最高温度为120℃，罐顶和罐壁温度相较与无风时都有所增加，罐壁处温度增加了70℃，罐顶处温度增加了50℃，罐顶和罐壁的温差为60℃。因此在风速为3 m/s的时候，罐顶和罐壁的温度上升，温差增大，这不利于临近罐的安全。

图2 风速为0 m/s罐壁、罐顶温度变化

图3 风速为3 m/s罐壁、罐顶温度变化

3.2 临近罐距着火罐不同距离罐壁周围温度变化研究

在风速为0 m/s，着火罐和临近罐相距不同距离，罐壁和罐顶周围温度的变化情况。随着距离的缩短，罐壁和罐顶周围不同测定的温度差异明显，相距为0.72 m时温差达到THCP11、THCP12和THCP13的温差约为20℃，而两罐距离为4.72 m时，温差几乎为0℃。罐顶的温度也有同样的趋势。两罐温度随距离的变化趋势为温度随距离的增大下降，但是在2.72 m处下降的幅度逐渐的减弱，最终保持不变。

图4 不同距离罐壁、罐顶处温度变化图

3.3 喷淋强度对临近罐体周围温度的影响

为研究喷淋强度对临近罐的影响，分别选取风速为3 m/s，两罐壁面距离2.72 m处测温点THCP11和THCP21加以研究。在10 L/min的喷淋强度下，罐体周围的温度基本还处于设计温度50℃附近，处于较危险；喷淋强度为50 L/min时，测温点THCP11和THCP21的温度为36℃和24℃，(储罐设计温度为50℃)处于安全水平。

3.4 临近罐安全距离研究

当两罐距离为4.72 m时，从温度切面云图中可知，风会将热量从着火罐带到临近罐附近，对临近罐产生影响，但是临近罐体周围的温度都远小于设计温度50℃，因此罐体不会升温到设计温度附近，即使喷淋设施失效或无喷淋设施，从罐壁温度角度可完全保证临近临近罐的安全。

图5 THCP11、THCP21点温度变化图

图6 风速1 m/s温度切面图

图7 风速3 m/s温度切面图

4 结论

(1) 通过对临近罐受着火罐影响的数值模拟分析，判断出临近罐距离着火罐最近的位置是温度升高最大的区域，临近罐该区域最易在事故中发生损坏从而导致事故的扩大，因此有必要重点加强相邻罐间区域的安全措施。

(2) 通过对不同风速大小工况和有无喷淋工况下临近罐受着火罐的影响的分析认为，当风速达到3 m/s时风增强了着火罐对临近罐的作用，即使两罐相距2.72 m时，风速达到3 m/s时，临近罐同样处于不安全的状态。对有无喷淋情况的工况比较发现环氧乙烷罐着火后，若按国家标准10 L/min的喷淋量不能很好的减弱临近罐的影响，当按美国标准50 L/min喷淋强度，两罐相距2.72 m风速达到3 m/s同样可以是临近罐保持安全状态。

(3) 为研究考虑到喷淋可能失效的情况下的安全距离，将两罐距离增大到4.72 m，模拟结果显示临近罐处于安全状态，这一距离相较于国内安全防火间距相差较大，但可以取得较好的防火效果。如按美国的标准不能确保喷淋失效时临罐仍处于安全状态。

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Numerical Simulation of Combustion of Ethylene Oxide Reservoir in LK Company

WEI Yao1，2,LING Biao-can1，2,WANG Xiu-quan3

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China;2.ZhongkuangLongkeEnergyandTechnology(Beijing)CoLtd,Beijing,100083,China;3.AuhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,232001,China)

With LK Company chemical plant as engineering application background,the research on influence of fire tank on the adjacent storage tank under different working conditions is conducted,using FDS fire simulation software.The results confirmed that for small tanks,arrangement in the specified distance is not suitable.When the two tanks are separated from the 4.72m,adjacent storage tank stays safe.Or when the strength of the spray system is 50L/min,the distance between two tanks could be reduced to 2.72m.Considering the overall safety of the EO Tank Farm,Specific arrangement measures and suggestions are brought up,which provides a reference for enterprises’ safety management.

Ethylene oxide;Numerical simulation of combustion;Pressure vessel

2016-08-23

中央高校基本科研业务费资助(3142015126)

魏尧(1990-)，男，河北石家庄人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：粉尘治理；危险化学品管理。E-mail：458711885@qq.com

TQ223.26

A

1672-7169(2016)05-0072-05