运用池火灾模型对某原油储罐的火灾危险性分析

张 珂

(中国石油化工股份有限公司济南分公司 安全环保处，山东 济南 250101)

石近年来随着国家"供给侧改革"的推进，促进产业升级，淘汰技术落后、规模不经济产能，石化产业朝着大型炼化一体化快速发展，其中原油储罐也随之向大型化方向发展。随着原油储罐数量越来越多，规模越来越大，随之而来的安全问题也愈发突出。因原油储罐泄漏而导致的事故，常见的有罐内池火灾、罐外流淌火、蒸气云爆炸等。其中罐区防火堤池火灾，火焰温度能达到1000℃左右。火灾热辐射会对周边人员及设施造成危害，还有可能导致附近储罐的破裂，进而导致二次事故。特别是随着我国城镇化进程的持续快速推进，导致一些炼化企业逐渐被城镇包围或靠近城市主城区，“城围炼厂”的问题日益突出[1]。一些炼化企业的罐区已日渐处于城市的包围中，如果发生火灾、爆炸事故，在造成经济损失和人员伤亡的同时，还会造成强烈的社会负面影响，制约企业的长远健康发展。英国邦斯菲尔德油库火灾事故、印度西部拉贾斯坦邦油库火灾事故、中国石油大连875号柴油罐火灾事故就全部造成了严重的社会负面影响。

本文通过研究某城市型炼厂的原油储罐区，采用池火灾模型计算出池火的液池半径、火焰高度及热辐射强度，从而得出事故发生后的重伤、死亡距离，为城市型炼厂的安全管理和应急管理提供可靠的依据。

1 池火灾模型

本文以企业20000m3原油储罐为例，储罐北侧、西侧均为企业围墙，最近点各距离储罐150m，企业围墙外为市政道路及零散居民区。池火灾是指储罐可燃液体泄露形成液池后，遇点火源而形成的火灾。常见的池火灾模型有点源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型等[2]。其中点模型是将池火抽象为火焰中心的一个点，假设所有的热辐射都是由这一点释放而出，具有计算简单，数据直观等优点, 池火灾点源模型见图1。

图1 池火灾点源模型

2 基于池火灾模型的某企业原油储罐计算

20000m3外浮顶式原油储罐两座，单独各设防火堤。防火堤长宽各80m，高2m。选定其中一座进行分析计算。

2.1 液池半径的计算[3]

原油罐区防火堤液池面积为：

S=802=6400m2

液池半径按下式计算：

r=(S/3.14)0.5= 45.1m

式中:r——液池半径，m；

S——防火堤所围池面积，m2。

当液池中可燃液体的沸点高于周围环境温度时，液体表面单位面积的燃烧速度按下式计算：

式中，dm/dt——单位面积的燃烧速度，kg/(m2·s)；

Hc——液体燃烧热，J/kg；

Cp——液体的定压热容，J/(kg·K)；

Tb——原油的沸点，K；

T0——环境温度，K，取当年平均温度12℃，即285K；

H——液体的汽化热，J/kg。

原油的燃烧速度可以从手册中直接查得为0.0781 kg/(m2·s)[4]。

2.2 计算火焰高度[5]

无风时，池火灾火焰高度：

式中:h——火焰高度，m；

r——液池当量圆半径，m；

ρ0——周围空气密度，kg/m3，计算取值1.293 kg/m3(标准大气压条件)；

g——重力加速度，9.8m2·s；

dm/dt——燃烧速度，0.0781 kg/(m2·s)。

计算得到池火燃烧火焰高度h=84×45.1×[0.0781/1.293×(2×9.8×45.1)0.5]0.6=91.9m。

2.3 计算池火燃烧时放出的总热辐射通量

无风时，池火燃烧放出的总热辐射通量计算见公式：

式中:Q——总热辐射通量，W；

η——效率因子，范围0.13～0.35，取平均值0.24；

Hc——液体燃烧热，原油的燃烧热为41030 kJ/kg。

经计算得，Q=

2.4 计算目标入射热辐射强度

假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离(X)处的热辐射强度见公式：

式中：I——热辐射强度，W/m2；

Tc——热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为1；

X——目标点到液池中心距离，m。

已知总热辐射通量Q=1502439kW，热传导系数Tc=1，公式可简化为I=1502439/4πX2。

从公式可以看出，热辐射强度与目标到液池中心距离的平方成反比的关系。

表1 热辐射强度所造成的伤害和损失

将表1中不同的热辐射通量数值代入热辐射强度公式，分别求得目标点距离池火中心的数值分别如表2。

表2 不同热辐射强度目标点距离池火中心的数值

3 结论

由计算可以看出，原油储罐泄漏发生池火灾时，只有在273.4m范围外才可避免受到热辐射伤害。其中需要注意的是，在上述原油罐区池火灾分析计算中，没有考虑风对火焰的影响。在实际情况中，必须考虑风的影响。

结合本文计算采用某城市型炼厂原油储罐的计算模型来看，储罐距离企业围墙最近点150m，距离273.4m的安全距离还有一定差距，一旦发生火灾爆炸事故将对企业围墙外的市政道路、零散居民区产生影响，必须通过采取管理措施来降低事故状态下的风险。

4 罐区安全管理措施建议

(1) 通过计算过程可以看出，储罐池火灾火焰高度与随着池半径成正比，伤害、破坏半径与暴露时间成正比。热辐射对人的伤害(轻伤、重伤或死亡)需要一定的时间，企业可通过完善罐区火灾视频报警系统，在罐顶及罐区高位设置视频监控，及时发现异常进行处置。同时，企业应加强消防设施资金投入与维护保养，加强火灾事故应急预案演练，从而进一步提高现场应急反应和处置能力，减少和避免造成更严重的伤害。在无法改变平面布局、储罐与周边设施安全距离的情况下，可采取降低储罐储存量的措施降低事故状态下损失。

(2)加强原油储罐日常安全管理。原油储罐进出口管线设置紧急切断阀，在事故状态下及时切断物料；保持罐区防火堤完好，确保电缆穿管缝隙处的密封完好，防止可燃液体泄漏后任意蔓延，也可减轻池火灾的危害。在条件允许情况下，还应进一步提高耐火极限、提高防火堤的有效容积，设置充足的事故存液池，在发生大量油品泄漏的情况下，保证油品不溢泄至防火堤外[6]。

(3)在当前城围炼厂的形式下，企业一旦发生事故，会造成公众的恐慌对企业的不信任，制约着企业的长远健康发展。城市型炼厂必须通过不断提高“本质安全环保”水平，坚决杜绝事故发生，做到与周边生态和谐共存，来谋取发展之路。