原油儲罐火災熱輻射危險分析及其應用

陳華利

（北京市朝陽區公安消防支隊，北京）

摘要：原油儲罐發生火災后所產生的輻射熱值大，對著火罐的燃燒過程存在著熱反饋作用，加劇其自身的燃燒。還能夠通過熱輻射作用烘烤臨近罐，有可能引燃臨近罐促使火勢蔓延。同時所釋放出的熱量還會威脅到現場滅火救援人員的安全，為此本文以中石化某原油儲罐為例，利用半經驗公式方法分析了原油儲罐火焰熱輻射的危害范圍，以期為此類儲罐的防護防爆安全設計和現場應急救援提供技術參考與支持。

關鍵詞：原油儲罐；火災；熱輻射；危險分析

1　引言

隨著我國對石油的需求量不斷提高，為了避免國際石油價格波動給我國經濟帶來的高風險，我國原油儲罐正向著大型化方向發展。

原油儲罐一旦發生火災，燃燒持續時間一般較長，其熱輻射往往對周圍環境、人員造成很大傷害，且易導致爆炸、罐體破損、引燃鄰近罐體等其他事故。本文選取中石化某罐區罐區原油儲罐可能發生的火災事故進行分析，運用C語言編程輔助計算原油儲罐發生池火災時一定范圍內的熱輻射強度，根據計算結果分析熱輻射對人員安全、鄰近儲罐及滅火戰斗的影響，為此類儲罐的防護防爆安全設計和現場應急救援提供技術參考與支持。

2　原油儲罐火災熱輻射傷害研究動態

原油儲罐火災熱輻射傷害主要是基于池火災模型進行研究。

目前其計算模型可分為兩類：場模型和半經驗模型。其中，場模型又叫計算流體力學模型、CFD模型，運用計算流體力學中的NavieStokes方程控制的流體流動，同時結合描述火災中化學及物理過程的分模型，預測火災的特性。場模型的優點在于提供比半經驗模型更精密靈活的系統來解決燃燒問題。因此，一旦確定原油儲罐火災的外形數據，結果就能夠達到更高的置信度，但是，使用場模型的缺點在于需要專業人員且工作量大。半經驗模型通過無因次關系描述火災的幾何和輻射特點，并且其中的關系式由大量的實驗數據得出，如果應用沒有超過有效范圍，可以得到合理的預測^［1］。半經驗模型由于相對簡便，更多地使用在風險評估領域中，其常用估算池火災熱輻射通量的方法又可分為簡單判別法和詳細計算法，較為常用的是點源模型、Shokri-Beyler計算法和Mudan計算法。

3　原油儲罐火災熱輻射危險分析

本文選用半經驗模型進行分析，模型中計算目標熱輻射強度是整個計算模型的關鍵。通過熱輻射強度的計算判斷著火罐對人員及鄰近儲罐的影響。影響目標熱輻射強度的因素很多，主要有泄漏量、現場地形、火焰高度、目標到火焰中心的距離等等，計算過程比較復雜^［2］。

3.1　火焰高度及等效火災池直徑的確定

首先確定火災池的面積。這是由現場的地形決定的，泄漏原油如果沒有受到阻擋，將向四周流淌、擴展，形成具有一定厚度的液池，它的面積可由S=W/H_min×ρ求得，式中，S是火災池的最大可能面積，m²；W是泄漏可燃液體的質量kg；ρ是液體的密度，kg/m³；H_min是最小油層厚度，m，它的取值和地面性質有關，見表1。如果受到防火堤、圍堰的阻擋，液體將在限定區域內得以積聚，形成一定范圍的液池，面積可以由現場測得。本文中，由于儲罐設有防火堤，防火堤距罐體3m，因此火災池面積為

　　 （1） 　　

式中，R₀是儲罐中心至防火堤半徑，m。

然后，根據火災池的面積（1）和經驗公式（2）計算火焰高度L。在計算火焰高度時，需要知道火災池的直徑，可以把形狀不規則的火災池等效成為圓形火災池，這樣可以較容易得到火災池的等效直徑D

　　 （2） 　　

式中，D是火災池的等效直徑，m；L是火焰高度，m；m_f是原油的燃燒速率，kg/（m²·s）；ρ₀是空氣密度，kg/m³；g是引力常數（取g=9.8m²/s）。

在式（2）中，m_f確定如下。

由于所選罐區儲存原油的沸點高于周圍環境溫度，所以，m_f應按式（3）確定

　　 （3） 　　

式中，c是常數，10^-3kg/（m²·s）；ΔH_c是液體燃燒熱，J/kg；H_v是液體在常壓沸點下的蒸發熱，J/kg；c_p是液體的定壓比熱，J/（kg·K）；T_b是液體的沸點，K；T₀是環境溫度，K。

3.2　目標周圍熱輻射強度的確定

確定好火災池的等效直徑D；火焰高度L；原油的燃燒速率m_f后，便可根據經驗公式（4）計算火焰表面熱通量。假定能量由圓柱形火焰側面和頂部向四周均勻輻射，這樣便可以得到火焰表面的熱通量

　　 （4） 　　

式中，q₀是火焰表面的熱通量，kW/m²；ΔH_c是原油的燃燒熱，kJ/kg；f是熱輻射系數（按照經驗一般可取0.15）。

最后，根據經驗公式（5）計算目標熱輻射強度

q（r）=q₀（1-0.058lnr）V　　（5）

式中，q（r）是目標接收到的熱輻射強度，kW/m²；r是目標到油區中心的水平距離，m；V為視角系數。

在上面的參量中，視角系數的計算方法如式（6）^［3，4］所示

　　 （6） 　　

式中，s是目標到火焰垂直軸的距離與火焰半徑D/2的比值；h是火焰的高度L和火焰半徑D/2的比值；a、b、K、J、V_v、A、B為中間變量。

4　原油儲罐火災熱輻射計算及其應用

中石化某罐區罐區原油儲罐火災熱輻射計算所需參數如表2所示。

本文采用TurboC 2.0編程語言，在假定原油儲罐罐頂發生池火災的情況下，對儲罐周圍50m范圍內的熱輻射強度進行了計算，得如表3結果。

從表3可以看出，在距離著火罐50m范圍內的熱輻射強度在26～45.4kW/m²之間。

著火罐附近某點處熱輻射強度與其距著火罐距離的關系曲線見圖1。

熱輻射對設備的破壞準則見表4。

原油著火的火焰溫度一般高達1050～1400℃。著火罐燃燒5min，罐壁溫度達500℃，罐體強度降低一半；燃燒10min，罐壁溫度達600～700℃，罐體強度降低90％左右，罐體發生變形；超過10min，罐壁隨時可能發生破裂，引起油品散失，造成火勢擴大，威脅臨近儲罐等建筑物的安全。

本文研究的儲罐間距為10m，對照表3和表4可以看出，一旦有儲罐發生火災，將對鄰近罐造成嚴重影響，使其結構明顯變形，造成嚴重后果，熱輻射對鄰罐的破壞還表現在易引起鄰罐內的油品溫度上升和壓力增大，進而可能導致罐體破損、油品泄漏甚至火災爆炸等事故發生。因此，一旦發生儲罐火災，應立即采取滅火、冷卻等措施，以防止火災事故升級。

由于本文討論儲罐間距較近，鄰近罐受到的熱輻射威脅很大，因此，建議對其進行高強度、大面積的冷卻。對于較遠處受輻射熱影響較小的儲罐，可考慮采用一定數量的移動水槍或間斷地開啟其固定消防冷卻水系統進行冷卻、保護，特別應注意的是，在有風的情況下，池火火焰將偏向甚至直接烘烤位于其下風向的鄰近罐，此時則應采取強有力的冷卻措施，保護鄰近罐的安全。

原油儲罐火災帶來的強烈熱輻射不僅給鄰近設施及消防設備帶來嚴重后果，同時也會影響到附近人員，如消防指戰員、罐區工作人員等。儲罐熱輻射對人員的傷害程度見表5。

本文研究的儲罐一旦發生火災，其熱輻射強度巨大，由表3、表5可以看出，如果次號罐區一旦發生火災，其工作人員將受到嚴重威脅。人員在熱輻射通量為21kW/m²的場所，暴露時間小于2s，無皮膚疼痛感，著防護服，30s無皮膚疼痛感，但是，一旦超過30s，在著防護服的情況下，人員也會受到影響^［5］。因此，在實際滅火戰斗中，消防戰斗人員即使身著避火服，在沒有水冷卻的保護下，也無法長時間直接參與儲罐的參與滅火戰斗，故本文建議消防戰斗人員優先參與流淌火的控制與撲救。而對于著火儲罐，應充分利用儲罐的固定水噴淋系統，或近距離無人操作的帶架水槍。

5　結論

石油庫一旦發生火災爆炸等突發事故，后果將不堪設想，損失也將是巨大，它會給臨近的工作人員和居民的生命財產安全及其他儲油設施等造成嚴重的威脅。因此，要對這些儲罐進行火災事故后果分析，將可能發生的事故損失降到最低——根據儲量和四周環境預測出池火災面積的大小及傷害范圍，從而判斷其對鄰近罐等設施及對消防人員車輛等的安全帶來的影響。

火災事故后果分析在原油儲罐消防安全中應用前景很大，其對于此類消防安全工作有著實際的指導意義。對原油儲罐火災事故后果的研究將為防止火災的發生，正確地制定滅火戰術，減少消防人員傷亡和財產損失，并為儲罐安全設計，罐區的布置提供可靠的科學依據。

參考文獻

［1］　李慧，蔣軍成，王若菌.池火災熱輻射的數值研究.中國安全科學學報，2005，15（10）：7-10.

［2］　宇德明.易燃、易爆、有毒危險品儲運過程定量風險評價.北京：中國鐵道出版社，2000.

［3］　開方明，馬夏康，尹謝平，等.油罐區泄漏及火災危險危害評價.安全與環境學報，2004，4（6）：3-6.

［4］　王志榮，蔣軍成，姜慧.室外池火災火焰環境研究進展.石油與天然氣化工，2005，34（4）：321-325.

［5］　馮力群.液化石油氣火災撲救中安全距離的確定.武警學院學報，2007，23（10）：19-21.