汽油泄漏的池火灾危害特性及安全间距研究

齐玉凤,任家帆,杨 森,何中其

(1.南京理工大学化工学院,江苏 南京 210094;2.江苏省特种安全防护产品质量监督检验中心,江苏 泰州 225300)

柴油、汽油一直是工业生产中使用极为广泛的燃料，其储存场所的油料量大，一旦发生泄漏极易形成大面积的液池并引发火灾，会对周边人员和财产造成非常严重的损害。根据油料泄漏的池火灾特点，其对外界的伤害主要来源于热辐射。当热辐射强度为4 kW/m2时，该位置的现场暴露人员会被轻度烧伤；当热辐射强度为12.5 kW/m2时，该位置接收到的热辐射能量已达到塑料熔化的最低能量，该位置的现场暴露人员会被重度烧伤；当热辐射强度为25 kW/m2时，会引发木材燃烧，该位置的人员现场暴露时间超过1 min的死亡率将达到100%。此外，我国《石油库设计规范》(GB 50074—2014)中规定，当某油库起火时，相邻油库在该火源热辐射的作用下，即使没有任何保护措施，也不会起火的最小距离为安全间距。因此，根据各类油品储罐区域的实际情况，制定出合理的安全间距具有非常重要的意义。

近几年，我国发生了多起油料泄漏引发的池火灾事故。例如2013年6月，中石油大连石化分公司位于甘井子区厂区内的一联合车间939号油罐着火，火灾造成2人受伤、2人失踪，设备设施也遭到了不同程度的损坏。基于事故预防的角度，需要开展大存量油料储存设备设施泄漏引起的池火灾的危害特性及其安全防范措施方面的研究。国内外学者对油料泄漏引起的池火灾已进行了大量深入的研究，如Borja等[1]采用FLACS-Fire和CFD程序对柴油和汽油泄漏大规模池火灾进行了模拟，并对两种模型下池火灾的燃烧特性参数进行了定量误差估计，但没有对池火灾的安全距离进行分析；蒲金云等[2]利用CFD模型对庚烷油池火灾的热辐射效应进行了仿真研究，得出热辐射和热对流是庚烷持续燃烧的主要因素，但没有分析庚烷池火灾热辐射的影响范围；张培红等[3]对小尺寸柴油池火灾进行了研究，得出了主辅油盘间的安全间距，但没有对大尺寸柴油池火灾进行分析，工程应用性不高。鉴于近几年对汽油池火灾的大部分研究都是实验室内的小尺寸燃烧，利用CFD模拟室外大型汽油池火燃烧特性的研究很匮乏，本文以外泄汽油池火灾为例，根据经验估算和CFD仿真模拟，对汽油燃烧的热辐射通量和安全间距进行研究，以为制定罐区的安全间距提供参考。

1 汽油池火灾的燃烧特性参数

1.1 质量燃烧速率

小尺度汽油池火灾的燃烧速率有不同的表述方式，但多采用单位时间单位面积上燃烧掉的汽油质量来表示其质量燃烧速率，即：

(1)

式中:m″为汽油的质量燃烧速率[kg/(m2·s)];wf为汽油的质量(g)；Δt为汽油的燃烧时间(s);Af为油盘的面积(m2)。

对于大型室外汽油池火灾，采用Babrauskas[4]提出的适合于大直径池火灾的燃烧速率估算公式，可表示为

(2)

1.2 火焰高度

油池火燃烧可以分为三个阶段：增长阶段、稳定燃烧阶段、燃烧衰减阶段[6]。由于油池火燃烧的三个阶段中稳定燃烧阶段所用的时间最长，所以本文主要分析油池火稳定燃烧阶段的火焰高度。火焰高度的计算公式可表示为[7]

(3)

式中：h为汽油池火灾的火焰高度(m);r为汽油池火灾的半径(m)；ρ0为周围空气的密度，取值为1.293 kg/m3(标准状态)；g为重力加速度，取值为9.8 m/s2。

1.3 热辐射通量

油池火的热辐射模型有两种：点源模型和固体火焰模型[8]。其中，点源模型将油池火假设为一个热辐射中心点，成半球状向周围空气辐射热量，并且假设地表完全吸热，蒸发的燃料完全燃烧；固体火焰模型又分为LNGFire3模型和POFMISE模型，这两种模型主要适用于储罐火灾[9]。本文所讨论的主要是外泄汽油池火灾，故选取点源模型来研究热辐射通量及下一节的热辐射强度。

大尺度汽油池火灾的总辐射热通量的计算公式可表示为[7]

(4)

式中：Hc为汽油的燃烧热[7]，取值为4.37×104kJ/kg；η为汽油的效率因子[7]，经调研取值为0.13～0.35，本文中取其平均值0.24。

1.4 热辐射强度

本文利用点源模型来研究油池火的热辐射强度，将油池火灾假设成一个在液池中心的点[5]，并且全部的辐射来自于这个中心点，那么位于点源一定距离的目标物所受到的热辐射强度可表示为

(5)

式中：I为距点源一定距离的目标物所受到的热辐射强度[J/(cm2·min)];tc为热传导系数，取值为1；X为目标物到液池中心点的距离(m)。

2 油池直径对安全间距影响的数值计算

作为汽油池火灾的重要影响因素，油池直径一直是国内外学者研究的重要内容[10]。有研究表明，汽油池火灾的热传递方式是随油池直径的变化而变化[11]的。火灾造成的损失除了来自初始火源自身外，还可能因为设备设施之间的安全距离不够，引发多米诺火灾效应而造成更严重的灾难(二次灾害)[12]，同时也给救援工作带来更大的困难。本文以92#汽油为例，对油池直径对火焰高度和热辐射通量两个因素的影响进行了数值计算，研究其对汽油池火灾燃烧特性参数的具体影响。

据统计，大型油库泄漏[13]油池直径大都在10～150 m之间，根据公式(2)、(3)、(4)可计算得出不同油池直径的汽油池火灾对应的火焰高度和热辐射通量，见表1。

表1 不同油池直径的汽油池火灾对应的火焰高度和热辐射通量

火焰高度和热辐射通量的增长率与油池直径的关系曲线，见图1。

图1 火焰高度和热辐射通量的增长率与油池直径的 关系曲线图Fig.1 Relationship between the growth rates of flame height and thermal radiation flux and the diameter of gasoline pool

由图1可以看出：

(1) 随着油池直径的增加，火焰高度显著增长；当油池直径在10～40 m的范围内时，火焰高度的增长率呈直线下降；当油池直径大于40 m后，火焰高度的增长率显著变慢，其增长率稳定在0.07%。

(2) 随着油池直径的增加，热辐射通量增长显著；当油池直径从10 m增加到40 m时，热辐射通量增大了11倍；当油池直径大于40 m后，热辐射通量随油池直径的增加以0.25倍的速率稳定增长。

3 案例数值计算与CFD仿真模拟分析

本文结合具体案例对汽油池火灾的热辐射危害范围进行了经验估算和CFD(Computational Fluicl Dynamics)仿真模拟分析。

3.1 案例设计与数值分析

广州某油库有4个150 m3内浮顶罐(见图2),其中储存92#汽油，单个储罐最大汽油存量为1.5×104t 。一汽油罐因油气泄漏发生闪燃致罐顶呼吸阀着火，10 min后火被扑灭。已知储罐防火堤内的有效液池面积约为15 000 m2,根据公式计算得到油池的直径D=138.23 m。

图2 广州某油库储罐区简图Fig.2 Diagram of the tank farm of an oil storage in Guangzhou

基于该油库具体的实际情况，对模型做出如下假设[14]：

(1) 地表完全吸热；

(2) 热辐射通量接收物体垂直于地表且远离火源；

(3) 蒸发的液体燃料完全燃烧；

(4) 选取油池火稳定燃烧阶段(假设应用于CFD仿真)。

本文采用Matlab软件根据公式(2)至(5)编制数值计算程序，对无风条件下进行数值计算，得出此次汽油泄漏引起的池火灾事故的相关数据如下：汽油的质量燃烧速率ms为0.055 kg/(m2·s);汽油池火灾的火焰高度h为100.37 m;汽油池火灾的热辐射通量Q为2.42×106kW。

汽油池火灾不同热辐射强度下的安全间距见表2。

表2 汽油池火灾不同热辐射强度下的安全间距

根据不同的热辐射强度对设备和人员的伤害程度准则，可以得出：

(1) 在距离火源中心219.47 m处人员会被轻度烧伤；

(2) 在距离火源中心124.15 m处人员会被重度烧伤；

(3) 在距离火源中心87.79 m处人员会死亡；

(4) 在距离火源中心71.67 m处设备设施会全部损坏。

3.2 CFD仿真模拟与分析

3.2.1 基本控制方程

在Fluent软件中，可燃气体流动的模拟主要依据质量、动量和能量守恒三个定理来实现[15-16]：

质量守恒方程：

(6)

动量守恒方程：

(7)

能量守恒方程：

(8)

式中：ρ为密度(kg/m3)；t为时间(s)；为拉普拉斯算子；υ为速度矢量(m/s)；p为压力(Pa)；τ为应力张量；E为气体组分焓值(kJ/kg)；keff为有效导热系数;Jj为组分j的散热通量(kW/m2)。

3.2.2 计算域的设置

计算域为半球形，半径为600 m。采用拓扑切分的全六面体网格划分方式，对火焰附近区域进行网格加密，最小网格尺寸为1.5 m；从火焰中心位置往外围渐变过渡，网格增长比例为1.2，网格总数为452 400。假定地面为绝热边界，计算域外围为敞开环境边界，见图3。

图3 计算域示意图Fig.3 Schematic diagram of calculation area

3.2.3 模拟结果分析

(1) 温度场分析：设置温度场每35℃为一单元，仿真模拟得到温度场见图4。

图4 温度场示意图Fig.4 Schematic diagram of temperature field

由图4可见，模拟火焰的最高温度为900 K，分布于火焰面和外场计算域；火焰面的温度最高，随着热量向周围空气的扩散，温度逐渐降低至室温。

(2) 热辐射分析：仿真模拟得到不同热辐射强度的伤害范围见图5。

图5 不同热辐射强度的伤害范围示意图Fig.5 Schematic diagram of damage range of different thermal radiation intensity

由图5可见，越接近火焰，热辐射强度越大，相应温度也越高；根据不同的热辐射强度对设备和人员的伤害程度准则，距火焰最近的第一层是四级伤害区，第二层是死亡区，第三层是重伤区，火焰最远处为轻伤区，以外的区域则是安全区。

根据Fluent软件仿真模拟，得到油池直径为138.23 m、火焰高度为100.37 m下的热辐射强度及其对应的伤害范围，将该仿真模拟结果与数值计算结果进行了对比，两者具有很好的吻合性。

由此经验估算与仿真模拟的结果可以得出：人员和设备分别在距离汽油池火灾219.47 m和71.67 m的范围内遭受轻度烧伤和彻底损坏，故救援时人员应在距离火源大于220 m以外的区域展开救援。

4 结 论

本文通过对汽油池火灾的燃烧特性参数、安全距离影响因素以及具体案例的分析，可以得到以下结论：

(1) 随着油池直径的增加，火焰高度显著增长；当油池直径在10～40 m的范围内时，火焰高度的增长率呈直线下降；当油池直径大于40 m后，火焰高度的增长率显著变慢，其增长率稳定在0.07%。

(2) 随着油池直径的增加，热辐射通量增长显著；当油池直径从10 m增加到40 m时，即油池直径变大4倍，热辐射通量增大了11倍；当油池直径大于40 m后，热辐射通量随油池直径的增加以0.25倍的速率稳定增长。

(3) 通过对案例进行经验估算与CFD仿真模拟，结果表明：1.5×104t的油罐泄漏后，人员和设备分别在距离汽油池火灾219.47 m和71.67 m的范围内遭受轻度烧伤和彻底损坏。因此，故救援时人员应在距离火源大于220 m以外的区域展开救援。