石油罐区火灾事故典型情景构建与推演

张嘉亮，郑雅梅，马浩然，张 海，丁子洋

(1.青岛诺诚化学品安全科技有限公司，山东青岛 2660712.中国石化安全工程研究院，山东青岛 266101)

石油罐区火灾事故典型情景构建与推演

张嘉亮1，郑雅梅1，马浩然2，张 海1，丁子洋1

(1.青岛诺诚化学品安全科技有限公司，山东青岛2660712.中国石化安全工程研究院，山东青岛266101)

在情景构建理论指导下，结合FDS火灾模拟分析，针对石油罐区火灾事故进行情景构建，建立推演过程，实现基于情景推演的决策支持，为提出具有针对性和实效性应急培训和演练提供重要参考。

油罐火灾 数值模拟 情景构建 应急管理

随着石油管道建设和国家、企业建立战略石油储备油库及商储库的快速发展，大型油库、油罐不断增多，储油库区成为典型的重大工业危险源。在油库潜在的危害事故中，油罐火灾是常见的一类灾害[1]。

如何积极应对石油罐区突发事故并做出正确决策，以往采用的多是案例推理方法，如王天戌开展了基于案例推理的应急预案管理研究[2]，但个体案例一般都会存在高度差异性，导致其在应急管理领域中受到很大制约。而情景不同于传统的“典型案例”，它不是一个具体事件的投影，而是无数同类事件和预期风险的集合。虽然情景的数量有限，但其具有广泛的代表性和可信的前瞻性[3]。事故情景的构建对应急规划、应急预案编制及应急培训演练能够提供更具针对性和有效性的支撑工具[4]。

1 情景构建基本理论

事故情景构建理念起源于美国“9·11”恐怖袭击事件。“9·11”之后，美国政府组织实施《国家应急规划情景》重大研究计划，总结提出15种重大突发事件情景，并形成了完整的重大突发事件情景构建理论和方法[3]。

所谓情景，是对未来场景的一般描述，它是通过一系列当时图景通过概率来界定和判断未来可能出现的一系列的状况，具有较强的不确定性，但同时也具有很强的预见性，因其在整个过程中具有很强的因果关系，层层相扣，是基于真实细节的未来状况预测。因此，事件情景能清晰刻画未来可能面对的最主要威胁，描述事件可预期的演变过程和可能涌现的“焦点事件”。基于“情景-应对”模式[5]的情景构建可以在面临突发事故时，各级各层应急机构都可根据事先设定的情景，明确了解各自的任务和处置程序，且相关的任务都是根据各级各层的应急机构的“能力”而预先设定的，即明确了在应急处理时由“谁”来“做什么”和“怎么做”，且更容易发挥基层应急力量，提高应急效率，降低应急管理成本[6]。

情景要素是情景的构成单元，也是分析情景间关系的重要依据。研究情景，就必须研究情景要素。情景要素是指表现、反映非常规突发事件发生发展状态与趋势的主要因素，包括指标、数据等[7]。情景构建实际上是通过资料收集、评估收敛、统计分析，提炼出不同情景要素并构建相应情景的过程。事故情景构建流程见图1，首先描述情景概要，其次是假设事故可能产生的后果，最后提出应对任务，应对任务是安全事故情景中最核心内容。

图1 事故情景构建流程

2 罐区火灾特点及数值模拟

2.1 罐区火灾特点

a)爆炸危险性大。石油及其制品在一定的温度下，会产生大量蒸气，当这些油气与空气混合达到一定比例时，遇到明火即发生爆炸。此外，储油容器在火焰或高温作用下，油气压力急剧增加，当超过容器能承受的极限压力时，容器即发生爆炸。

b)火焰温度高、辐射热强。一旦发生石油及其制品火灾，其周围环境温度较高，辐射热强烈。如油罐发生火灾，其火焰中心温度达1 050～1 400 ℃，罐壁温度达1 000 ℃以上。油罐火灾的热辐射强度与发生火灾的时间成正比。燃烧时间越长，辐射热越强。

c)易形成大面积火灾。石油及其制品火灾发展蔓延速度快，极易造成大面积火灾。如石油及其制品储存容器发生火灾，伴随着容器的爆炸，油品的沸溢、喷溅、流散，便会在容器周围发生大面积火灾。如果火灾周围有其他油罐，后果更加严重。

d)具有复燃性、复爆性。扑灭石油及其制品火灾后，在没有切断可燃源的情况下，遇到火源或高温将产生复燃、复爆。对于灭火后的油罐、输油管道，由于壁温过高，如不继续进行冷却处理，会重新引起油品的燃烧。

2.2 罐区火灾数值模拟

2.2.1罐区火灾模拟构建

罐区火灾除了产生大量有毒有害烟气和直接火焰接触伤害以外，主要是热辐射伤害和破坏，不仅对人造成伤害，而且破坏环境和周围的建筑设施[8]。

FDS软件是一种火灾动力学场模拟程序，通过求解一系列的偏微分控制方程，包括连续方程、动量方程、组分方程和能量方程,来描述火灾现象[9]，在火灾安全工程领域应用广泛。本文模拟油库场景为8座50 000 m3原油储罐，高20 m，直径60 m。场景参数见表1。

表1 罐区火灾计算场景参数场景号燃料

图2描述了辐射强度平均值随L/D(L为距油罐中心距离，D为油罐直径)的变化曲线图。由图可知，大型油罐火灾产生的辐射强度在油池液面高度随着L/D的增大呈指数衰减的规律。在地面高度，受到的热辐射先随着L/D的增大而增大，当L/D继续增大，热辐射通量出现下降趋势。产生这一变化是由于靠近油罐处，罐体本身遮挡了燃烧辐射热流对地面目标物体的作用。随着L的增加，罐体的遮盖效应减少，接受到的热辐射逐渐增加。当L/D增加到2时，罐体对火焰的遮盖效应基本没有。随着L的继续增加，由于距离的增大使辐射强度呈指数衰减。

图2 直径60 m原油罐在不同高度不同风速情况下热辐射强度对比(稳定燃烧情况下)

2.2.2安全距离

热辐射对人员伤害一般采用热辐射强度-时间判据准则，该准则认为受体是否遭破坏取决于热通量及作用时间2个参数。根据文献[10]给出的方程，以人员伤害几率为50%为准，可得人员受伤的热辐射强度-时间准则临界曲线，如图3所示。

按照消防队员在地面高度进行作业时每5 min一轮换，即暴露时间为300 s的情况，得到人员Ⅰ级烧伤辐射热强度为0.95 kW/m2；Ⅱ级烧伤辐射热强度为2.2 kW/m2；致死辐射热强度为2.54 kW/m2。结合图2b)，在无风情况下消防员不受到二级烧伤的安全距离约为145 m(靠近油罐底部处热通量较小，但由于燃烧可能产生沸溢喷溅等现象，人员灭火会有很大危险)，而在有风情况下，消防队员不受二级烧伤的安全距离约为156 m，不受死亡的安全灭火距离约为138 m。

图3 人员受伤的热辐射强度—时间准则临界曲线(Pr=5)

由图2a)可以看出，有风情况下，距发生火灾的油罐中心距离60 m位置，受到的热辐射强度超过20 kW/m2，对照表2所示的破坏准则，应注意油罐周边是否存在相关设备结构，并及时采取相关冷却措施，以免火灾蔓延导致事故升级。

表2 热辐射对设备设施的破坏准则

3 石化企业罐区火灾情景构建实例

本文以某炼化公司作为试点，通过对大型储罐区火灾爆炸事件典型案例及潜在风险分析，构建原油储罐火灾爆炸最坏场景，情景概要见表3。

表3 情景简介

3.1 情景概要描述

XX炼化储罐区901号原油储罐(50 000 m3，外浮顶罐)因浮舱腐蚀发生泄漏，罐顶遇雷击着火，密封圈多段燃烧造成浮盘沉没，形成全表面火灾，在扑救过程中原油发生扬沸，造成临近的液化气罐区的606号液化气储罐(1 000 m3，球罐)罐体破损，液化气大量泄漏，随后液化气罐区发生连环爆炸，油气爆炸瞬间产生强烈的高压冲击波、高温热浪和无数高速碎片，接触到人体就会造成死亡、烧伤和严重内外伤，对周围建筑、车辆、管线等造成巨大破坏。

3.2 应急预案要点

地理信息：企业距离某市区18 km，交通便利。周边分布南洪(1 600人)、棉丰(1 500人)、陈家(1 300人)、俞范(1 600人)、石塘下村(4 900人)等乡村。

环境条件：企业原油罐区包括5×104m3原油储罐8座，高20.35 m，直径60 m，围堰面积222 m2。周边液化气罐区包括液化气球罐12座。如遇火灾可能引起周边气罐连锁事故。

气象条件：西北风向，风速3 m/s，温度25 ℃，湿度为50%。

扩散模型：依据罐区油品特性，参照地理和气象条件得到火灾模型。

次生与耦合事件：原油泄漏可能入海造成环境污染。

3.3 事件后果

人员伤亡：随着原油罐区火势发展，扑救流淌火过程中出现3名消防队员受伤，发生原油扬沸后造成3名消防队员死亡，另有7人受伤；另因原油扬沸引起606号液化气储罐法兰破损造成液化气泄漏，并发生连环爆炸，7名消防队员和企业人员死亡，12人受伤。事故共造成10人死亡，22人受伤。

财产损失：直接财产损失罐区储罐损坏10座，多处周边民房受损。经济损失达12亿之多。

环境影响：大量原油和消防废水排入雨水系统；事故原油泄漏造成单日最大油膜65 km2，泄漏入海的原油造成了海洋生物大量死亡。溢油燃烧后产生大量有毒有害烟气随风飘散至高层大气中。环境破坏波及土壤污染、海水污染及大气污染，造成了极大的环境破坏。

3.4 应对任务

作为情景构建中最为核心的应对任务部分，按照如下10项组织实施，最终实现情景-应对完成事故应急处置。

3.4.1预防

对涉及到的重点危险工艺和重点危险化学品可能发生的事故类型及影响进行辨识与评估；制定年度预案演练方案并定期组织演练及评估演练效果；生产经营实时数据监测监控；建立事故险情预警与信息报告制度；建立24 h应急值守与领导带班制度。

3.4.2监测和预警

发生事故后运行班组和安全部门应立即发出警报，启动应急预案并先期派出应急小组启动确认事故地点并评估事故危害。根据事故发展状况部署相应的监测手段；根据监测、评估结果进行人员疏散、卫生防疫等方面的预警。

3.4.3评估研判

依据已搜集的情报信息，从专业角度对事故原因、演变过程、事故后果、预期困难和应对措施效果、负面影响进行分析，为指挥行动做出初始评估并提出方案建议。可使用事先设定的罐区原油泄漏起火的场景结合现场环境与天气等实际情况推算泄漏扩散速率、范围和火势状况。

3.4.4应急响应

应急指挥平台和联合信息中心激活后，立即开展应急响应行动，持续发出警报和各类应急响应通告，与参加响应活动的相关单位建立联系和保持通畅，加强对重要基础设施和特殊人群的保护，为现场提供必备资源。

制定明确的现场处置方案；对危险物质进行有效控制；制定次生灾害防范措施；减小现场行动对环境的影响。

及时与政府主管部门进行信息对接；主动保持与媒体的沟通；有完善的信息发布的批准和审核程序。统一对外发布事件相关信息，使公众和媒体尽快了解事件真相并鼓励公众积极配合。

3.4.5减灾行动

设立事故警戒区域，划分警戒范围；对赶赴现场的应急人员和车辆进行引导；保证事故影响区域内正常治安秩序；减少灾害后果。

3.4.6疏散与庇护

如果需要，向应急指挥中心或地方政府提出周边人员的疏散建议(路线、时间、规模等)；并与当地政府机构进行协调、配合。可启动应急指挥疏散的模拟推演系统，对大规模人群疏散活动进行组织干预。

3.4.7医学救援

对现场人员急救和医疗服务；进行医疗卫生设备、物资和专业人员的调配；有效的协调、调集伤员运送车辆。

核实死者遗体并备案登记；搜寻失踪人员。

3.4.8清理现场

在确定安全的前提下，制定清理事故现场及恢复生产的具体方案，协调所需的器材和设备；在恢复期间进行持续监控。

3.4.9调查防控

查找事故原因，并做出事故调查报告，降低同类原因事故的发生率。

3.4.10评估总结

取消应急响应状态，对事故全过程进行调查评估，进行应急行动的评估和总结，使之能更有效地应对下一次生产安全事故。

4 结论

本文结合火灾场景数值模拟，在事故情景构建时能科学有效对事态进行评估研判，在此基础上编制应急预案，能够更具有效果和针对性。事故发生时，各级应急部门可参照执行，解决了应急指挥协调顶层设计欠缺的问题，提高了应急资源共享和信息整合的可操作性。应急资源投入也具有明确的方向。对于遏制生产安全事故提高企业应急管理能力具有较高的应用价值。

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StudyonTypicalScenarioConstructionandDeductionofOil-tankFireAccidents

Zhang Jialiang1, Zheng Yamei1, Ma Haoran2, Zhang Hai1, Ding Ziyang1

(1.Qingdao Nuocheng Chemical Safety Technology Co., Ltd., Shandong, Qingdao, 266071 2.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266101)

Under the guidance of scenario construction theory and FDS fire simulation analysis, this paper aims at constructing scenarios and establishing deduction process for fire accident in oil tank area, and making decision support based on scenario deduction. It provides important reference for practical and effective emergency training and exercises.

oil tank fire; numerical simulation; scenario construction; emergency management

2016-05-30

张嘉亮，工程师，注册安全工程师，2003年毕业于东北农业大学，现在青岛诺诚化学品安全科技有限公司从事化学品安全和应急救援技术应用方面工作。