城市人口密集区加油站池火灾热辐射后果的模拟研究

王 涛,王平平

(1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 266071；2.化学品安全控制国家重点实验室，山东 青岛 266071；3.国家石化项目风险评估技术中心，山东 青岛 266071)

加油站作为面向社会为车辆添加油品的场所，储存和经营着大量的易燃、易爆、易挥发、易泄漏的油品(汽柴油)。近年来，随着城市发展速度的加快，许多城市加油站被周边的建(构)筑物所包围，有的加油站甚至位于市区人口密集的繁华地段，造成加油站与周围建(构)筑物的安全距离不符合国家标准规范的要求，时刻威胁着周边居民和设备设施的安全，一旦发生事故，将给周边区域环境带来难以估量的损失。已有统计资料[1]表明，我国约25.5%的加油站分布在城区，近些年加油站的安全生产事故主要为火灾和爆炸。因此,本文针对城市人口密集区的加油站，识别出其运营过程中潜在的风险，并采用事故后果模拟定量风险分析的方法对城市人口密集区加油站发生油品泄漏引发池火灾事故热辐射的后果进行了模拟分析，为判断加油站安全状况提供科学依据。

1 加油站直接作业环节的潜在风险识别

加油站一般由罐区(柴油罐和汽油罐均埋地敷设)、站房、加油机、加油岛等组成，加油站在运营过程中直接作业环节为：油罐槽车通过接卸油管将油品(汽柴油)送至地下储油罐，储油罐中的油品经吸油管送至加油机，再通过加油枪给机动车辆加油，见图1。

图1 加油站直接作业环节流程示意图Fig.1 Process diagram of gas station operation

由于加油站直接作业各个环节都不同程度地存在油品，而成品油具有易挥发、易燃易爆等特性，其蒸气比空气重，一般能在低位扩散到较远处，与空气混合后能形成爆炸性混合物，如果油品发生泄漏，达到爆炸极限，一旦遇到明火、静电火花等点火源，极易引发火灾、爆炸事故[2]。本文按照《加油站作业安全规范》(AQ 3010—2007)中规定的卸油、加油、油罐计量、设备维护等作业过程[3]，对加油站运营过程中的潜在风险进行了识别。

1.1 卸油作业

卸油作业环节中如果遇到卸油胶管破裂、密封垫破损、快速接头螺丝松动、储罐或管道腐蚀穿孔等情况，将会导致油品泄漏，遇到点火源会形成流淌火或油膜火。

1.2 加油作业

加油作业中如果出现油品外溢，在加油口附近会形成爆炸危险区域，一旦遇到明火(如加油车辆在油区排烟带火，现场吸烟或者违章动火)都可以导致火灾,甚至使用手机、金属碰撞、电器打火、发动机排气管喷火等也有可能导致火灾事故。

1.3 计量作业

按规定要求，油罐槽车卸油到储油罐后应静置稳油15 min，待静电消除后方可开盖量油。如果油罐槽车卸完油立即开盖量油，静电未完全消除，将可能引起静电起火；如果储油罐量油孔铝质(铜质)镶槽脱落，在量油时，量尺与钢质管口摩擦产生火花，也可能引起火灾、爆炸事故。

此外，储油罐作为油品储存的主要容器，由于油品本身的危险特性，使其具备了火灾、爆炸的危险性[4]。如汽油闪点为-50℃～-20℃,爆炸极限为1.3%～6.0%，其火灾危险性属甲B类，当埋地储油罐内非液体部分的混合气体达到爆炸极限时，遇到火源就会发生火灾、爆炸。

1.4 设备维护作业

设备维护作业主要包括清洗油罐、加油机维修等，其中潜在风险高的环节为油罐清洗作业，这是由于在清洗油罐过程中无法彻底清除掉罐内油气和沉淀物，而残余油气遇到静电、摩擦、电火花等都可能会导致火灾事故。

2 加油站池火灾热辐射后果计算模型的建立

根据加油站典型事故案例统计，加油站事故形态主要有4种:火灾、爆炸、火灾后引起爆炸、爆炸后引起火灾[5]。其中，火灾、爆炸事故是加油站事故主体，危害性最大，造成的人员伤亡和财产损失最严重。

在加油站直接作业环节中，加油/卸油作业环节是油品泄漏事故易发环节，静电、电器、明火等是主要点火源。加油/卸油过程中一旦加油枪、卸车软管、输送管道等设备失效，将会发生油品泄漏事故，导致油品在地面流淌，遇到点火源形成流淌火和油膜火[6]。因此，合理地评估加油站卸油/加油过程中油品泄漏池火灾事故的影响范围，对合理确定加油站安全距离和安全风险具有重要意义。

2.1 池火灾模拟理论

由于设备、管线损坏(破裂)或操作失误引起物料泄漏，导致大量易燃、易爆物质释放，易引发火灾、爆炸等重大事故发生。

危险性物质的泄漏有两种方式，即连续性泄漏和瞬时性泄漏。所谓连续性泄漏是指泄漏源是连续源或泄漏时间大于或等于扩散时间的泄漏；而瞬时泄漏是指泄漏时间比扩散时间短的泄漏[7]。泄漏事故的危害后果不仅与泄漏物质的数量、易燃性、毒性有关，而且还与泄漏物质的相态、压力、温度等状态有关。

加油站油品泄漏会形成液池，随着泄漏的持续，液池将会不断扩展。液池的扩展受液池高度的影响，液池高度差带来的重力驱使液池扩展，而地面的摩擦力和地面物体将阻碍液池运动,当液池的蒸发率和油品泄漏率相等时，液池将达到平衡状态。液池的扩展还受到所处地形、建(构)筑物、工艺设备等周边环境的影响[8]。

液池模型主要用来模拟泄漏的油品受外界条件阻碍后的流动、蒸发和扩散过程，该模型采用二维浅水方程进行求解,液池高度主要由以下方程控制：

(1)

(2)

2.2 热辐射对人员的伤害

火球、池火及喷射火的死亡概率值可按照下式计算[10]：

(3)

式中:Pr热为热辐射暴露下的死亡概率值；Q为热辐射强度(W/m2) ；t为暴露时间(s)，最大值为20 s。

根据GuideforPressure-RelievingandDepressuringSystems(API RP521—1997)及有关资料的规定，不同热辐射强度下人的允许暴露时间见表1[11]。

2.3 热辐射对建(构)筑物的影响

火灾热辐射对建(构)筑物的破坏主要取决于作用时间的长短，即火灾的持续时间。火灾的持续时间又与可燃物质量的多少有关，可表示为

(4)

其中，Mc=mf·S

式中:W为可燃物的质量(kg)；Mc为单位时间燃烧的可燃物质量(kg/s);S为池面积(m2)；mf为燃烧速度(kg /m2·s)。

2.4 目标接收的热辐射通量

在开放环境下的池火灾，对邻近人员及设备设施的热辐射影响主要体现在热辐射的强度和时间上。

假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出，则在距离液池中心某一距离(X)处的入射热辐射强度为[8]:

(5)

式中:I为热辐射强度(kW/m2);Q为总热辐射通量(kW);tc为热传导系数， 在无相对理想的数据时，可取值为1;X为目标点到液池中心的距离(m)。

不同热辐射强度对邻近人员的伤害和对设备设施的损坏情况详见表2[10]，界区外允许的最大热辐射强度见表3。

表2 不同热辐射强度对设备和人员造成的损坏和伤害[10]Table 2 Damage of different intensity of thermal radiation to devices and human

表3 界区外允许的最大热辐射强度Table 3 Allowed thermal radiation intensity of outside the limitted area

注：a指人迹罕至的地区，如沼泽地、农田、沙漠;b指可能是极其重要的无防护地区，该地区人员任何时候都不穿防护服，应急期间或危险时刻很难把人员立即疏散，如体育馆、运动场、户外剧场。

3 人口密集区加油站池火灾热辐射后果的模拟分析

加油站油品泄漏后流至低洼地面形成液池，遇到点火源燃烧而形成池火，并在燃烧后迅速放出大量的热能。由于池火灾产生的火焰能够向周围散发强烈的热辐射，使燃烧的范围不断扩大，可能会使附近的人员受到伤害，建(构)筑物遭到损坏，增加了扑救的难度。池火灾热辐射后果的模拟分析(即危险性分析)主要目的是估算池火灾对周围目标的破坏程度。

3.1 事故场景假设

本文根据加油站卸油和加油工艺流程，假设油罐槽车卸车点管线泄漏、加油机软管泄漏2个事故场景(见表4)，并针对人口密集区加油站复杂的外部环境，结合周边民用建(构)筑物类别，模拟发生池火灾事故后热辐射造成的影响范围。

表4 加油站油品泄漏事故场景假设Table 4 Hypothesis of the oil leakage accidents at the gas station

3.2 卸车点泄漏引发的池火灾事故模拟分析

假设加油站卸车点发生80 L/min油品泄漏，泄漏的油品将在卸车点处流淌，并以泄漏点为中心向四周流淌，由于受到围墙的阻隔作用，1 min后泄漏油品形成的液池(最大厚度为0.004 9 m)形状见图2。

图2 加油站卸车点油品泄漏1 min后形成的最大液池Fig.2 Maximum liquid pool formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

在遇到点火源前，加油站卸车点油品泄漏形成的液池最大面积为32.9 m2；当遇到点火源后形成池火，液池池火灾热辐射场在约50 s后稳定。本文分别给出了距离地表0.5 m、1.5 m处的最大热辐射的影响范围(见图3，图中不同颜色代表不同时间段热辐射的范围)和不同高度上最大热辐射的影响范围(见图4)。

图3 加油站卸车点油品泄漏1 min后形成池火灾在距离地表0.5 m、1.5 m处最大热辐射的影响范围Fig.3 Maximum thermal radiation influence scope pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

图4 加油站卸车点油品泄漏1 min后形成池火灾在不同高度上最大热辐射的影响范围Fig.4 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the unloading point

由图3和图4可见：池火灾中火焰内部最大的热辐射强度达208.3 kW/m2；下风向热辐射强度为5 kW/m2的最大波及范围距离卸车点(即泄漏点)约16 m。

3.3 加油点泄漏引发的池火灾事故模拟分析

假设加油站加油点发生70 L/min油品泄漏，泄漏的油品受到加油岛的阻隔，1 min后泄漏油品形成的液池(最大厚度为0.004 5 m)形状见图5。

图5 加油站加油点油品泄漏1 min后形成的最大液池Fig.5 Maximum liquid pool formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

在遇到点火源前，加油站加油点油品泄漏形成的液池最大面积为28 m2；当遇到点火源后形成池火，液池池火灾热辐射场在约50 s后稳定。本文分别给出了距离地表0.5 m、1.5 m处最大热辐射的影响范围(见图6)和不同高度上最大热辐射的影响范围(见图7)。

图6 加油站加油点油品泄漏1 min后形成池火灾在距离地表0.5 m、1.5 m处最大热辐射的影响范围Fig.6 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

图7 加油站加油点油品泄漏1 min后形成池火灾在不同高度上最大热辐射的影响范围Fig.7 Maximum thermal radiation influence scope of pool fire formed 1 min after the gasoline leakage at the fuel filling point

由图6和图7可见：池火灾中火焰内部最大的热辐射强度值为245.5 kW/m2；下风向热辐射强度为5 kW/m2的最大波及范围距离加油点(即泄漏点)约为15 m。

3.4 模拟结果分析

安全间距一般认为是加油站发生火灾时,不向邻近设备或建(构)筑物蔓延的最小距离，从本质上来讲，安全间距是由发生灾害的模式和影响范围决定的。因此，安全间距是加油站设计中的一个重要参数。目前国内汽车加油站的设计和施工主要依据《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156—2012)[12]，该标准中规定了加油站、加油加气合建站的站内汽油设备与站外建(构)筑物的安全间距。

本文根据人口密集区加油站加油点和卸车点油品泄漏发生池火灾事故热辐射后果的模拟结果，将其与GB 50156—2012标准中规定的相关安全间距要求进行了对比分析，其结果见表5。

表5 安全间距模拟值与GB 50156—2012标准规定值的对比Table 5 Comparison of simulation result and standard of safety distance

由表5可知：

(1) 从加油站加油/卸油作业环节发生油品泄漏引发池火灾事故热辐射后果的模拟结果来看，加油站卸车点发生池火灾事故热辐射的影响范围要大于加油点池火灾事故热辐射的影响范围。

(2) 通过对加油站油品泄漏引发池火灾事故热辐射后果的模拟，得到加油站加油点和卸车点发生油品泄漏后引发池火灾事故热辐射的影响范围大于《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156—2012)中所规定的与站外民用建(构)筑物(二、三类保护物)的安全间距要求，造成伤害的程度均属于不可接受的范畴。

(3) 在给定的事故条件下，当加油站发生油品泄漏并起火，在考虑风的影响时，汽油火灾最大燃烧面积将随泄漏速率的增大而增大，严重时将会对周边区域造成严重的影响。

4 结论与建议

(1) 城市人口密集区的加油站外部安全风险主要存在于加油点和卸车点，因此加油站在日常安全管理和运营过程中，应重点加强对高后果和高风险的卸车点和加油点火灾事故的预防与控制。

(2) 对于分布在城市人口密集区且与外部重要建(构)筑物和民用保护物安全间距不足的加油站，应加强加油机日常维护和加油作业管理，严格按照规范要求控制相应的安全间距，在条件许可的情况下设置安全间隔(如防爆墙等)，防止加油站火灾事故的发生。

(3) 池火灾热辐射对人的伤害和建(构)筑物的损坏需要一定的时间，建议城市人口密集区加油站应提高现场应急反应和应急处置的能力，加强火灾事故应急预案演练，减少或避免造成更严重的伤害。

(4) 为了从根本上解决人口密集区加油站外部安全间距不足的问题，减少和防止油品泄漏火灾事故的发生，应加强作业现场风险管控，对加油站固有风险进行量化评估，并将评估结果与风险可接受标准相比较，以判断实际风险水平是否可以接受。如果评估的风险超出允许的上限，则应采取相应的安全措施，直到满足风险可接受标准为止。