基于火焰燃燒機(jī)理和熱輻射特性確定儲罐防火距離的探討

蔡亮（中國航油集團(tuán)津京管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司）

我國石油戰(zhàn)略儲備庫快速發(fā)展，儲罐建設(shè)也呈大型化，已掌握最大儲罐20×104m3建設(shè)和施工技術(shù)[1]。儲罐防火距離是油庫設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要參數(shù)。我國儲罐設(shè)計(jì)主要考慮投資成本和節(jié)約用地，儲罐防火距離偏小，只能防御密封圈一般性火災(zāi)，如發(fā)生儲罐全面積火災(zāi)或者罐群火災(zāi)，可能造成嚴(yán)重后果[2]?，F(xiàn)行的商業(yè)油庫儲罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已不適用超大型油庫的安全要求。提高大型儲罐安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義，應(yīng)研究確定大型儲罐合理、安全的防火距離，提高油庫的本質(zhì)安全性。研究了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于儲罐防火距離的規(guī)定，指出現(xiàn)行儲罐防火距離存在的問題。介紹了較為公認(rèn)的著火罐火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性[3]。以1×104m3、2×104m3、5×104m3和 10×104m3儲存汽油和柴油的外浮頂儲罐為例，計(jì)算鄰近油罐在火焰熱輻射作用下的熱輻射量，根據(jù)熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則，確定科學(xué)、合理、安全的儲罐防火距離。

1 儲罐防火距離國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異分析

我國新建儲罐工程設(shè)計(jì)執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50074—2014《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 50074規(guī)定地上儲罐組內(nèi)相鄰儲罐之間的防火距離應(yīng)符合下列要求（表1）。

表1 地上儲罐組內(nèi)相鄰儲罐之間的防火距離 m

美國儲罐設(shè)計(jì)執(zhí)行美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30—2012《易燃和可燃液體規(guī)范》。NFPA 30在儲罐防火距離章節(jié)中定義了不穩(wěn)定液體（Unstable Liquid）和穩(wěn)定液體（Stable Liquid）的術(shù)語。不穩(wěn)定液體指商業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中，在一定壓力、溫度或振動條件下，可能產(chǎn)生劇烈反應(yīng)的液體；原油、汽油、柴油、煤油屬于穩(wěn)定液體。針對儲存Ⅰ級、Ⅱ級、ⅢA級穩(wěn)定液體的儲罐間距見表2。

可以看出，中美標(biāo)準(zhǔn)針對儲罐防火距離差異較大。以國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的15×104m3浮頂罐為例（儲罐直徑約80 m），按照我國標(biāo)準(zhǔn)儲罐防火距離為32 m，如儲存丙B類可燃液體，甚至可取值15 m，美國標(biāo)準(zhǔn)為40 m。美國標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。

2 浮頂罐火災(zāi)類型

浮頂罐火災(zāi)主要是雷擊導(dǎo)致的環(huán)形密封圈處的局部小型火災(zāi)。挪威NDV公司研究了1981—1995年世界33 906座浮頂罐的62次火災(zāi)事故數(shù)據(jù)，其中密封處火災(zāi)55次，浮頂溢油1次，浮頂沉沒1次，防火堤內(nèi)火災(zāi)2次，隔堤內(nèi)火災(zāi)3次，況且4次發(fā)展為整個(gè)儲罐區(qū)的火災(zāi)[4]。國外有浮頂沉沒造成儲罐全面積敞口火災(zāi)的示例，1989年位于Dar Es Salaam的1座儲存12 720 m3原油的外浮頂罐遭受雷擊導(dǎo)致密封圈著火，大火持續(xù)燃燒了5 d。儲罐發(fā)生全面積敞口火災(zāi)，撲救難度大，特別是原油儲罐可能會發(fā)生沸溢，固定式消防系統(tǒng)不足以應(yīng)對，需要大功率的移動消防設(shè)施。例如，美國使用遠(yuǎn)距離泡沫炮成功撲救直徑60 m的儲罐火災(zāi)，泡沫炮射程152 m，流量高于250 L/s。

表2 儲罐防火距離

3 現(xiàn)行儲罐防火距離存在的問題

我國儲罐設(shè)計(jì)中，認(rèn)為儲罐發(fā)生大規(guī)?；馂?zāi)爆炸為小概率事件，防火距離基本按照0.4D設(shè)計(jì)，用地緊張情況下直接取值15 m，防火距離偏小，固定消防系統(tǒng)只能防御環(huán)形密封處的一般性火災(zāi)。若發(fā)生儲罐全面積火災(zāi)或者防火堤池火災(zāi)，消防冷卻水供給強(qiáng)度只能撲救著火儲罐，不能同時(shí)冷卻相鄰儲罐，存在安全隱患。應(yīng)研究確定大型儲罐合理、安全的防火距離的方法，提高油庫的本質(zhì)安全性。

4 儲罐火災(zāi)火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性

防火堤內(nèi)池火災(zāi)是大型浮頂原油儲罐火災(zāi)類型之一，池火災(zāi)指儲罐罐體破裂導(dǎo)致油品泄漏，油品在罐區(qū)防火堤內(nèi)地面流淌擴(kuò)散，在防火堤或隔堤限定的區(qū)域內(nèi)積聚，形成一定厚度油池，遇點(diǎn)火源發(fā)生的火災(zāi)。儲罐火災(zāi)事故損失的主要原因是池火災(zāi)熱輻射作用。研究儲罐池火災(zāi)火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性，計(jì)算鄰近油罐在火焰熱輻射作用下熱輻射通量的分布情況，進(jìn)而確定科學(xué)、合理、安全的儲罐防火距離[5]。

4.1 儲罐火災(zāi)直徑

根據(jù)防火堤型式、尺寸、面積等，計(jì)算油池火災(zāi)直徑，即

式中：D——防火堤油池火災(zāi)直徑，m；

S——防火堤面積，m2。

4.2 儲罐火焰高度

無風(fēng)狀態(tài)下儲罐火災(zāi)火焰高度的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：h——儲罐火災(zāi)火焰高度，m；

g——重力加速度，m/s2；

ρ0——油氣混合物，kg/m3；

mf——油品燃燒速率，kg/(m2·s)。

4.3 火焰表面熱通量

通過儲罐火災(zāi)火焰頂部和側(cè)面，熱輻射能量向外部均勻輻射，火焰表面熱通量可由下式求得：

式中：q表——火焰表面熱通量，kW/m2；

Hc——油品熱值，kJ/kg；

f——熱輻射系數(shù)。

4.4 儲罐火災(zāi)熱輻射量

儲罐火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱輻射量可由下式求得：

式中：q總——儲罐火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱輻射量，kW；

η——效率因子。

4.5 熱輻射強(qiáng)度

假定儲罐火災(zāi)火焰向外輻射的熱量全部從火災(zāi)中心點(diǎn)源的球面擴(kuò)散而來，距離儲罐中心x位置處的熱輻射強(qiáng)度，見公式（5）；或者計(jì)算熱輻射強(qiáng)度I對應(yīng)的距離儲罐火災(zāi)中心的位置x，見公式（6）。

式中：qx——任意位置x處的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；

x——任意位置和儲罐中心的距離，m；

I——給定的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2。

表3 熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則

表4 汽油儲罐和柴油儲罐在臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲罐防火距離

4.6 熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則

儲罐火災(zāi)狀態(tài)下，著火儲罐熱輻射如果達(dá)到一定程度，可能造成臨近儲罐罐壁變形，甚至破裂爆炸，也是儲罐火災(zāi)蔓延、造成人員傷亡和設(shè)施損壞的主要原因。熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則規(guī)定了目標(biāo)所承受的熱輻射強(qiáng)度與造成設(shè)備損壞及人員傷亡程度的對應(yīng)關(guān)系（表3）。研究儲罐科學(xué)、合理、安全的防火距離的前提條件是首先保證著火儲罐的臨近儲罐不被引燃，其次防火距離滿足消防設(shè)備操作的空間要求，同時(shí)必須保證消防人員零死亡。

確定相鄰儲罐不發(fā)生變形的臨界熱輻射強(qiáng)度，在相關(guān)研究中還存在差異，美國化學(xué)工程師學(xué)會（AICHE）的規(guī)定是相鄰油罐受輻射熱小于13.5 kW/m2；英國石油協(xié)會(BritainIs Institute of Petroleum)的規(guī)定是小于8 kW/m2。綜合考慮，著火儲罐的臨界熱輻射強(qiáng)度確定為10 kW/m2比較適宜[5]。

5 計(jì)算示例

某成品油儲備庫容量72×104m3，共4個(gè)罐組，每個(gè)罐組由4座1×104m3、2×104m3、5×104m3和10×104m3外浮頂儲罐組成，儲罐直徑分別是28.5 m、40.5 m、60 m和80 m，單罐防火堤尺寸分別是60 m×55 m、70 m×60 m、100 m×90 m和120 m×110 m，儲罐充裝系數(shù)0.85。汽油和柴油密度分別為750 kg/m3和820 kg/m3；汽油和柴油燃燒速率分別為0.025 6 kg/（m2·s）和0.013 7 kg/（m2·s）；油蒸汽密度1.29 kg/m3；汽油和柴油燃燒熱為46×103kJ/kg。根據(jù)上述計(jì)算模型可得到該儲備庫中汽油儲罐和柴油儲罐在臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲罐防火距離（表4）。

綜上所述可得出如下結(jié)論：

1）臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲罐防火距離均大于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲罐防火距離，即現(xiàn)行儲罐防火距離不能保證發(fā)生全面積敞口火災(zāi)時(shí)臨近儲罐和人員的安全。

2）汽油儲罐防火距離要高于柴油儲罐防火距離。根據(jù)GB 50074液體火災(zāi)危險(xiǎn)性分類，原油、汽油屬于甲B類液體，煤油屬于乙A類液體，輕柴油屬于乙B類液體。表1中儲存甲B、乙類液體儲罐防火距離是一致的，應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化油品類型、危險(xiǎn)性等級和物性參數(shù)規(guī)定相應(yīng)油品儲罐的防火距離。

3）隨著儲罐容積增加，臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲罐防火距離與國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲罐防火距離趨于接近。以10×104m3為例，臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲罐防火距離為40.6 m，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲罐防火距離為32 m，美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲罐防火距離為40 m。說明相對中小型儲罐，大型儲罐更容易滿足臨界熱輻射強(qiáng)度的安全條件，大型儲罐本質(zhì)安全性更高，中小型儲罐遭受熱輻射危害的危險(xiǎn)性更大。

4）根據(jù)儲罐火災(zāi)火焰燃燒機(jī)理和火焰熱輻射傳遞特性的計(jì)算模型，儲罐防火距離的主要影響因素是防火堤尺寸（面積），決定了儲罐池火災(zāi)的直徑、火焰高度、熱通量等。應(yīng)研究儲罐防火堤尺寸、高度、坡度等參數(shù)對儲罐防火距離的影響。

5）確定儲罐防火距離的另一重要因素是油品性質(zhì)，體現(xiàn)在原油和成品油的燃燒熱、油品表面燃燒速率存在差異，應(yīng)根據(jù)油品性質(zhì)規(guī)定原油儲罐和成品油儲罐的防火距離。

6）新建儲罐防火距離應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。針對10×104m3以下中小型儲罐，應(yīng)盡可能增加儲罐防火距離，并根據(jù)儲罐防火堤尺寸、油品性質(zhì)核算儲罐可能承受的熱輻射強(qiáng)度，并配置相應(yīng)等級的消防系統(tǒng)；針對超過10×104m3大型儲罐，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火距離基本滿足安全要求。

6 結(jié)論和建議

1）針對儲罐防火距離，國外標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，以浮頂罐為例，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為0.4D，儲存丙B類油品甚至取值15 m，國外標(biāo)準(zhǔn)為0.5D。

2）現(xiàn)行儲罐防火距離只能防御環(huán)形密封處的小型火災(zāi)，不能保證發(fā)生儲罐全敞口火災(zāi)時(shí)臨近儲罐和消防人員的安全要求。

3）國外有浮頂罐全敞口火災(zāi)的實(shí)例，撲救難度大，需要配置大功率移動消防設(shè)施。

4）汽油儲罐防火距離要高于柴油儲罐防火距離，應(yīng)按照油品類型、危險(xiǎn)性等級和物性參數(shù)規(guī)定原油和成品油儲罐防火距離。

5）大型儲罐本質(zhì)安全性更高，更容易滿足臨界熱輻射強(qiáng)度的安全條件，中小型儲罐遭受熱輻射危害的危險(xiǎn)性更大。

6）應(yīng)研究儲罐防火堤尺寸、高度、坡度等參數(shù)對儲罐防火距離的影響。

7）針對10×104m3以下中小型儲罐，應(yīng)盡可能增加儲罐防火距離，并根據(jù)儲罐防火堤尺寸、油品性質(zhì)核算儲罐可能承受的熱輻射強(qiáng)度，并配置相應(yīng)等級的消防系統(tǒng)；針對超過10×104m3大型儲罐，現(xiàn)行國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火距離基本滿足安全要求。