海上溢油池火災(zāi)災(zāi)害的計算方法研究

段慶昊， 余建星， 梁 峰， 趙羿羽， 樊志遠

(1. 天津大學 建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 300451)

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海上溢油池火災(zāi)災(zāi)害的計算方法研究

段慶昊1,2， 余建星1,2， 梁 峰3， 趙羿羽1,2， 樊志遠1,2

(1. 天津大學 建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 300451)

基于國內(nèi)外池火災(zāi)研究的理論,建立海面上有風情況下溢油火災(zāi)模型,并提出對海上作業(yè)溢油事故引發(fā)的池火災(zāi)新計算方法。其驗證表明,風對池火災(zāi)的影響主要體現(xiàn)在火焰傾角上,風速越大,火焰傾角也越大,隨著池火災(zāi)直徑的增加,風的影響作用逐漸減??；風的影響還體現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生區(qū)域上風向及下風向的熱輻射分布上,導致同一熱輻射強度下下風向的距離要大于上風向的距離。研究了給定風速下不同直徑池火災(zāi)熱輻射分布,確定不同傷害準則下的上風向和下風向的安全距離公式,可以為溢油火災(zāi)現(xiàn)場人員疏散和安全技術(shù)管理提供有效依據(jù)。

海上溢油；池火災(zāi)；安全距離

0 引言

在海洋油氣開發(fā)、生產(chǎn)以及運輸作業(yè)中，易燃、易爆、有毒的危險化學品應(yīng)用十分廣泛，使得火災(zāi)、爆炸等惡性事件屢屢發(fā)生，這類事件的破壞作用一般并不僅僅作用于事故發(fā)生區(qū)域的人員和設(shè)施，其周圍一定范圍內(nèi)的人員和設(shè)施都會受到不同程度的傷害：一方面會導致更大范圍內(nèi)人員死亡、受傷概率增加；另一方面，周圍的一些特殊設(shè)施在熱輻射、爆炸波等作用下可能會引發(fā)更為嚴重的事故，其造成的損失是難以估計的。

國外對石油化工行業(yè)火災(zāi)事故的研究起步較早，主要有實驗研究和數(shù)值模擬研究兩個方面。在實驗研究方面，Thomas[1]、Heskestad[2]等人根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，提出了池火災(zāi)相關(guān)的數(shù)學模型。數(shù)值模擬方面，Sinai從大量的數(shù)值模擬結(jié)果同實驗結(jié)果相吻合得出結(jié)論，利用CFD 技術(shù)對火災(zāi)進行數(shù)值模擬是可行的[3]。國內(nèi)主要有大連海事大學、上海海事大學、天津大學等幾所院校[4]和科研機構(gòu)[5]在積極開展海上安全風險評估技術(shù)的研究，目前我國在溢油事故引起的危害及后果方面還缺乏系統(tǒng)全面的研究工作。現(xiàn)階段海洋油氣開發(fā)事業(yè)高速發(fā)展，對海洋油氣泄漏事故提出有效的預(yù)防和救助措施顯的尤其重要。

該文在國內(nèi)外學者研究的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件進行海上溢油池火災(zāi)事故模擬，確定不同直徑池火災(zāi)對應(yīng)的安全距離，為海上溢油火災(zāi)事故的處理工作提供安全保障。

1 池火災(zāi)理論基礎(chǔ)

1.1 池火災(zāi)概念

池火災(zāi)[6]一般是指可燃液體泄漏后遇到點火源成為固定形狀或者不定形狀的液池火災(zāi)，其對周圍環(huán)境的主要傷害來源為熱輻射。

1.2 熱通量準則

熱通量準則[7]主要依據(jù)目標接受的熱通量來衡量目標是否被傷害破壞，該準則主要適用于熱通量的作用時間比目標達到熱平衡所需要的時間長的情況。其中的熱通量臨界值需要通過對不同物質(zhì)的大量實驗來確定。如果目標接受的熱通量處于被傷害破壞的臨界值之上，就會受到傷害破壞作用，否則，目標就不會受到傷害破壞。在較長時間內(nèi)能夠比較穩(wěn)定地燃燒的穩(wěn)態(tài)火災(zāi)熱輻射作用下，人員傷害和設(shè)備破壞的臨界值見表1。

表1 熱輻射傷害準則

1.3 物理幾何模型

海上溢油引發(fā)的池火災(zāi)，屬于非預(yù)混燃燒，燃燒產(chǎn)物中主要的輻射物質(zhì)為CO2、H2O 等氣體，以及炭黑微粒、焦炭微粒和灰粒?；鹧嬷袣怏w成分的輻射能力比固體微粒的輻射能力低，所以，可以將氣體成分的輻射疊加到固體微粒的輻射上。

(1) 物理模型[8]

為了方便計算，對池火災(zāi)燃燒模型做出如下簡化：

(a) 池火災(zāi)火焰簡化為圓柱形，有風情況下為傾斜圓柱。

(b) 將火焰對周圍的熱輻射歸結(jié)為火焰外表面對周圍的輻射，并假定為灰體輻射，黑度取0.96炭黑的黑度。

(c) 假定火災(zāi)為穩(wěn)態(tài)，研究區(qū)域外圍為黑體。

(2) 幾何模型

研究區(qū)域為里面圓柱到外面圓柱的中間部分，里面圓柱的尺寸為假定火焰的尺寸，外面圓柱的尺寸根據(jù)經(jīng)驗取得，幾何模型示意圖如圖1所示。

圖1 幾何模型示意圖

1.4 火焰模型的尺寸計算

1.4.1 燃燒速率v

液池中液體沸點高于環(huán)境溫度時其燃燒速率為：

(1)

式中：v為單位表面積燃燒速度；m為常，取0.001；Hc為液體燃燒熱；Cp為液體的定壓比熱；Tb為液體的沸點；Ta為環(huán)境溫度；H為液體的氣化熱。

液池中液體沸點低于環(huán)境溫度時，其燃燒速率為：

(2)

1.4.2 有風情況下火焰高度h

池火災(zāi)火焰高度的關(guān)系模型是基于實驗數(shù)據(jù)及量綱分析等所得到的經(jīng)驗公式，應(yīng)用較多的是Thomas關(guān)系模型。

(3)

式中：h為火焰高度；D為液池直徑；g為重力加速度；ρ0為空氣密度；uc為特征風速，由下式計算：

(4)

1.4.3 火焰傾角θ

火焰受到風的作用就會產(chǎn)生一定的傾角，該角度大小與風速有直接關(guān)系，通常定義火焰傾角為火焰流在垂直方向上的傾斜角度。

關(guān)于火焰傾角θ的預(yù)測模型，一般采用SFPE(2002)的規(guī)定，即：

當計算得uc≥1時，

(5)

當計算得uc≤1時，

(6)

總結(jié)大量實驗，得出不同的預(yù)測模型下B、C的取值見表2。

表2 火焰傾角預(yù)測模型B與C取值

1.4.4 研究區(qū)域的確定

模型研究區(qū)域是火焰與外圓柱中間部分，經(jīng)過多次試算，研究區(qū)域高度取2.5H，半徑取液池半徑的20倍，既保證了研究區(qū)域足夠大，也考慮到了模型的計算速度。

2 新計算方法

為了達到研究的目的，選取丙烷(C3H8)作為研究對象，已知燃燒熱為49 036 kJ/kg，氣化熱為410.5 kJ/kg、沸點為-42.1℃。初步擬定取10組不同的池火災(zāi)直徑進行計算分析，分別為D=5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m。

以D=30 m直徑池火災(zāi)為例介紹計算過程，由式(1)～式(6)計算得出h=45 m，θ=40.8℃。

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分選用ICEM軟件，最低網(wǎng)格質(zhì)量0.45，網(wǎng)格數(shù)量146 851。模型底面和火焰表面網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 模型底面和火焰網(wǎng)格

2.2 邊界條件

四周以及頂部壁面黑度為1，溫度為0。地面黑度為1，溫度為0。輻射熱源黑度取0.96，溫度取1 300 K，大氣介質(zhì)吸收系數(shù)為0.261/m。

2.3 結(jié)果分析

將模型運用Fluent求解，熱輻射強度在垂直面的分布如圖3所示?？紤]到安全的因素，取海面上5 m處平面為參考平面，熱輻射強度δ的分布如圖4所示。

圖3 垂直面熱輻射強度分布

圖4 h=5 m水平面熱輻射強度分布

分別計算D=5 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m的池火災(zāi)模型，將每個模型上風向和下風向?qū)?yīng)各個傷害準則的安全距離整理見表3。

表3 結(jié)果統(tǒng)計各傷害準則對應(yīng)的安全距離

將計算結(jié)果做統(tǒng)計學分析，可以看出，池直徑(m)與安全距離(m)的線性關(guān)系良好，以池直徑為自變量，安全距離為因變量做線性擬合。

圖5 q=4 000計算結(jié)果線性擬合

圖6 q=12 500計算結(jié)果線性擬合

上風向： y=12.27+3.9·x

下風向： y=23.47+4.0·x

上風向： y=5.8+2.6·x(9)

下風向： y=18.07+2.6·x

圖7 q=25 000計算結(jié)果線性擬合

圖8 q=375 000計算結(jié)果線性擬合

上風向： y=3.8+1.94·x

下風向： y=14.53+1.93·x

上風向： y=-0.73+1.75·x

下風向： y=11.27+1.73·x

3 結(jié)論

該文研究了有風情況下池火災(zāi)模型，模型相關(guān)參數(shù)選取主要依據(jù)國內(nèi)外普遍使用的經(jīng)驗公式，通過實例驗證，提出了上風向以及下風向安全距離的數(shù)學經(jīng)驗公式，具有可靠性和適用性。

由計算分析，可以得出下述規(guī)律：

(1) 相同傷害準則下，隨著池直徑的增加，對應(yīng)的安全距離增大。

(2) 上風向安全距離直線與下風向安全距離擬合直線近似平行。

(3) 不同的傷害準則下，擬合直線的斜率不同，隨著熱輻射強度臨界值的增加，直線的斜率減小。

[1] Thomas P H.The Size of Flames from Natural Fires[J]. Symposium(International) on Combustion,1963,9(1):844-859.

[2] Heskestad G. Engineering Relations for Fire Plumes[J].Fire Safety,1987(7):25-32.

[3] Sinai Y L, Owens M P. Validation of CFD Modeling of Unconfined Pool Fires with Cross-Wind:Flame Geometry[J].Fire Safety,1995(24):1-34.

[4] Fan P, Liu Q Q, Li J C, et al.Numerical simulations of the infiltration of rain on the crack slope[J]. Sciences in China, 2005：107-120.

[5] Li X S, Yang B, Li G, et al. Numerical Simulation of Gas Production from Natural Gas Hydrate Using a Single Horizontal Well by Depressurization in Qilian Mountain Permafrost[J]. Ind Eng Chem Res， 2012，51(11):24-32.

[6] 王曉寧，李麗霞，王明賢.有風情況下池火災(zāi)的數(shù)值模擬[J].江蘇大學學報(自然科學版),2006,27(4):328-331.

[7] 宇德明,馮長根,曾慶軒,等.熱輻射的破壞準則和池火災(zāi)的破壞半徑[J].中國安全科學報,1996,6(2):5-10.

[8] 李慧,蔣軍成,王若菌.池火災(zāi)熱輻射的數(shù)值研究[J].中國安全科學報,2005,15(10):7-10.

The New Calculation Method on the Fire Hazards by Oil Spill Pool Fire at Sea

DUAN Qing-hao1,2, YU Jian-xing1,2, LIANG Feng3，ZHAO Yi-yu1,2, Fan Zhi-yuan1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety ,Tianjin University, Tianjin 300072,China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-sea Exploration, Shanghai 200240,China; 3. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Designing Company, Tianjin 300451,China)

Based on the theory of pool fire research at home and abroad, the model of oil spill was set up, and the method of CFD simulation was adopted to research pool fire caused by offshore oil spill accidents.The results show that the effect of wind is mainly reflected in the flame angle. The higher the wind speeds, the greater the flame angle was. With the increasing of pool fire diameter, the influence of wind decreased;also the influence of wind is the distribution of thermal radiation in the fire area, at the same thermal radiation intensity ,the distance of down wind direction is greater than the up winddirection.Studying the different diameter of pool fires for a given wind speed, and determining the safety distance formula, can provide effective basis for the fire evacuation and the technology management of oil spill.

oil spill at sea; pool fire; safety distance

2015-07-23

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2014CB046803)，國家自然科學基金(批準號：51239008)資助項目，國家自然科學基金(批準號：51379145)資助項目，“海洋工程作業(yè)安全模擬系統(tǒng)及工程應(yīng)用研究(首期)”項目資助。

段慶昊(1989-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2016)05-0034-06

TE56

A