海上溢油池火灾灾害的计算方法研究

段庆昊， 余建星， 梁 峰， 赵羿羽， 樊志远

(1. 天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451)



海上溢油池火灾灾害的计算方法研究

段庆昊1,2， 余建星1,2， 梁 峰3， 赵羿羽1,2， 樊志远1,2

(1. 天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451)

基于国内外池火灾研究的理论,建立海面上有风情况下溢油火灾模型,并提出对海上作业溢油事故引发的池火灾新计算方法。其验证表明,风对池火灾的影响主要体现在火焰倾角上,风速越大,火焰倾角也越大,随着池火灾直径的增加,风的影响作用逐渐减小；风的影响还体现在火灾发生区域上风向及下风向的热辐射分布上,导致同一热辐射强度下下风向的距离要大于上风向的距离。研究了给定风速下不同直径池火灾热辐射分布,确定不同伤害准则下的上风向和下风向的安全距离公式,可以为溢油火灾现场人员疏散和安全技术管理提供有效依据。

海上溢油；池火灾；安全距离

0 引言

在海洋油气开发、生产以及运输作业中，易燃、易爆、有毒的危险化学品应用十分广泛，使得火灾、爆炸等恶性事件屡屡发生，这类事件的破坏作用一般并不仅仅作用于事故发生区域的人员和设施，其周围一定范围内的人员和设施都会受到不同程度的伤害：一方面会导致更大范围内人员死亡、受伤概率增加；另一方面，周围的一些特殊设施在热辐射、爆炸波等作用下可能会引发更为严重的事故，其造成的损失是难以估计的。

国外对石油化工行业火灾事故的研究起步较早，主要有实验研究和数值模拟研究两个方面。在实验研究方面，Thomas[1]、Heskestad[2]等人根据实验数据，提出了池火灾相关的数学模型。数值模拟方面，Sinai从大量的数值模拟结果同实验结果相吻合得出结论，利用CFD 技术对火灾进行数值模拟是可行的[3]。国内主要有大连海事大学、上海海事大学、天津大学等几所院校[4]和科研机构[5]在积极开展海上安全风险评估技术的研究，目前我国在溢油事故引起的危害及后果方面还缺乏系统全面的研究工作。现阶段海洋油气开发事业高速发展，对海洋油气泄漏事故提出有效的预防和救助措施显的尤其重要。

该文在国内外学者研究的基础上，利用Fluent软件进行海上溢油池火灾事故模拟，确定不同直径池火灾对应的安全距离，为海上溢油火灾事故的处理工作提供安全保障。

1 池火灾理论基础

1.1 池火灾概念

池火灾[6]一般是指可燃液体泄漏后遇到点火源成为固定形状或者不定形状的液池火灾，其对周围环境的主要伤害来源为热辐射。

1.2 热通量准则

热通量准则[7]主要依据目标接受的热通量来衡量目标是否被伤害破坏，该准则主要适用于热通量的作用时间比目标达到热平衡所需要的时间长的情况。其中的热通量临界值需要通过对不同物质的大量实验来确定。如果目标接受的热通量处于被伤害破坏的临界值之上，就会受到伤害破坏作用，否则，目标就不会受到伤害破坏。在较长时间内能够比较稳定地燃烧的稳态火灾热辐射作用下，人员伤害和设备破坏的临界值见表1。

表1 热辐射伤害准则

1.3 物理几何模型

海上溢油引发的池火灾，属于非预混燃烧，燃烧产物中主要的辐射物质为CO2、H2O 等气体，以及炭黑微粒、焦炭微粒和灰粒。火焰中气体成分的辐射能力比固体微粒的辐射能力低，所以，可以将气体成分的辐射叠加到固体微粒的辐射上。

(1) 物理模型[8]

为了方便计算，对池火灾燃烧模型做出如下简化：

(a) 池火灾火焰简化为圆柱形，有风情况下为倾斜圆柱。

(b) 将火焰对周围的热辐射归结为火焰外表面对周围的辐射，并假定为灰体辐射，黑度取0.96炭黑的黑度。

(c) 假定火灾为稳态，研究区域外围为黑体。

(2) 几何模型

研究区域为里面圆柱到外面圆柱的中间部分，里面圆柱的尺寸为假定火焰的尺寸，外面圆柱的尺寸根据经验取得，几何模型示意图如图1所示。

图1 几何模型示意图

1.4 火焰模型的尺寸计算

1.4.1 燃烧速率v

液池中液体沸点高于环境温度时其燃烧速率为：

(1)

式中：v为单位表面积燃烧速度；m为常，取0.001；Hc为液体燃烧热；Cp为液体的定压比热；Tb为液体的沸点；Ta为环境温度；H为液体的气化热。

液池中液体沸点低于环境温度时，其燃烧速率为：

(2)

1.4.2 有风情况下火焰高度h

池火灾火焰高度的关系模型是基于实验数据及量纲分析等所得到的经验公式，应用较多的是Thomas关系模型。

(3)

式中：h为火焰高度；D为液池直径；g为重力加速度；ρ0为空气密度；uc为特征风速，由下式计算：

(4)

1.4.3 火焰倾角θ

火焰受到风的作用就会产生一定的倾角，该角度大小与风速有直接关系，通常定义火焰倾角为火焰流在垂直方向上的倾斜角度。

关于火焰倾角θ的预测模型，一般采用SFPE(2002)的规定，即：

当计算得uc≥1时，

(5)

当计算得uc≤1时，

(6)

总结大量实验，得出不同的预测模型下B、C的取值见表2。

表2 火焰倾角预测模型B与C取值

1.4.4 研究区域的确定

模型研究区域是火焰与外圆柱中间部分，经过多次试算，研究区域高度取2.5H，半径取液池半径的20倍，既保证了研究区域足够大，也考虑到了模型的计算速度。

2 新计算方法

为了达到研究的目的，选取丙烷(C3H8)作为研究对象，已知燃烧热为49 036 kJ/kg，气化热为410.5 kJ/kg、沸点为-42.1℃。初步拟定取10组不同的池火灾直径进行计算分析，分别为D=5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m。

以D=30 m直径池火灾为例介绍计算过程，由式(1)～式(6)计算得出h=45 m，θ=40.8℃。

2.1 网格划分

网格划分选用ICEM软件，最低网格质量0.45，网格数量146 851。模型底面和火焰表面网格划分情况如图2所示。

图2 模型底面和火焰网格

2.2 边界条件

四周以及顶部壁面黑度为1，温度为0。地面黑度为1，温度为0。辐射热源黑度取0.96，温度取1 300 K，大气介质吸收系数为0.261/m。

2.3 结果分析

将模型运用Fluent求解，热辐射强度在垂直面的分布如图3所示。考虑到安全的因素，取海面上5 m处平面为参考平面，热辐射强度δ的分布如图4所示。

图3 垂直面热辐射强度分布

图4 h=5 m水平面热辐射强度分布

分别计算D=5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m的池火灾模型，将每个模型上风向和下风向对应各个伤害准则的安全距离整理见表3。

表3 结果统计各伤害准则对应的安全距离

将计算结果做统计学分析，可以看出，池直径(m)与安全距离(m)的线性关系良好，以池直径为自变量，安全距离为因变量做线性拟合。

图5 q=4 000计算结果线性拟合

图6 q=12 500计算结果线性拟合

上风向： y=12.27+3.9·x

下风向： y=23.47+4.0·x

上风向： y=5.8+2.6·x(9)

下风向： y=18.07+2.6·x

图7 q=25 000计算结果线性拟合

图8 q=375 000计算结果线性拟合

上风向： y=3.8+1.94·x

下风向： y=14.53+1.93·x

上风向： y=-0.73+1.75·x

下风向： y=11.27+1.73·x

3 结论

该文研究了有风情况下池火灾模型，模型相关参数选取主要依据国内外普遍使用的经验公式，通过实例验证，提出了上风向以及下风向安全距离的数学经验公式，具有可靠性和适用性。

由计算分析，可以得出下述规律：

(1) 相同伤害准则下，随着池直径的增加，对应的安全距离增大。

(2) 上风向安全距离直线与下风向安全距离拟合直线近似平行。

(3) 不同的伤害准则下，拟合直线的斜率不同，随着热辐射强度临界值的增加，直线的斜率减小。

[1] Thomas P H.The Size of Flames from Natural Fires[J]. Symposium(International) on Combustion,1963,9(1):844-859.

[2] Heskestad G. Engineering Relations for Fire Plumes[J].Fire Safety,1987(7):25-32.

[3] Sinai Y L, Owens M P. Validation of CFD Modeling of Unconfined Pool Fires with Cross-Wind:Flame Geometry[J].Fire Safety,1995(24):1-34.

[4] Fan P, Liu Q Q, Li J C, et al.Numerical simulations of the infiltration of rain on the crack slope[J]. Sciences in China, 2005：107-120.

[5] Li X S, Yang B, Li G, et al. Numerical Simulation of Gas Production from Natural Gas Hydrate Using a Single Horizontal Well by Depressurization in Qilian Mountain Permafrost[J]. Ind Eng Chem Res， 2012，51(11):24-32.

[6] 王晓宁，李丽霞，王明贤.有风情况下池火灾的数值模拟[J].江苏大学学报(自然科学版),2006,27(4):328-331.

[7] 宇德明,冯长根,曾庆轩,等.热辐射的破坏准则和池火灾的破坏半径[J].中国安全科学报,1996,6(2):5-10.

[8] 李慧,蒋军成,王若菌.池火灾热辐射的数值研究[J].中国安全科学报,2005,15(10):7-10.

The New Calculation Method on the Fire Hazards by Oil Spill Pool Fire at Sea

DUAN Qing-hao1,2, YU Jian-xing1,2, LIANG Feng3，ZHAO Yi-yu1,2, Fan Zhi-yuan1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety ,Tianjin University, Tianjin 300072,China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-sea Exploration, Shanghai 200240,China; 3. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Designing Company, Tianjin 300451,China)

Based on the theory of pool fire research at home and abroad, the model of oil spill was set up, and the method of CFD simulation was adopted to research pool fire caused by offshore oil spill accidents.The results show that the effect of wind is mainly reflected in the flame angle. The higher the wind speeds, the greater the flame angle was. With the increasing of pool fire diameter, the influence of wind decreased;also the influence of wind is the distribution of thermal radiation in the fire area, at the same thermal radiation intensity ,the distance of down wind direction is greater than the up winddirection.Studying the different diameter of pool fires for a given wind speed, and determining the safety distance formula, can provide effective basis for the fire evacuation and the technology management of oil spill.

oil spill at sea; pool fire; safety distance

2015-07-23

国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB046803)，国家自然科学基金(批准号：51239008)资助项目，国家自然科学基金(批准号：51379145)资助项目，“海洋工程作业安全模拟系统及工程应用研究(首期)”项目资助。

段庆昊(1989-)，男，硕士研究生。

1001-4500(2016)05-0034-06

TE56

A