航油儲(chǔ)罐著火熱輻射特性影響研究

耿曉茹，劉帥帥，李世昌，李 欣

（中國航空油料有限責(zé)任公司青島分公司，山東青島 266108）

在20世紀(jì)60年代，國外發(fā)達(dá)國家的研究院開始進(jìn)行儲(chǔ)罐泄漏相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，在油氣生產(chǎn)行業(yè)，主要集中在儲(chǔ)罐泄漏之后引起的池火研究工作[1]。由于火災(zāi)費(fèi)用高昂且具有極大的危險(xiǎn)性，基于CFD技術(shù)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析方法已經(jīng)成為主要的發(fā)展方向。閆家偉等[2]以SAFETI軟件為工具，研究了大型儲(chǔ)油罐區(qū)中的一個(gè)儲(chǔ)罐泄漏引發(fā)池火災(zāi)后，相鄰儲(chǔ)罐的熱輻射分布及影響；史光梅等[3]利用FLUENT軟件研究煤油發(fā)生池火后的火焰特征參數(shù)；周彥奪等[4]采用PHAST軟件對(duì)大型原油罐區(qū)進(jìn)行了事故模擬，建立了針對(duì)性強(qiáng)的后果模型；韋善陽等[5]研究了距離、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度對(duì)火焰熱輻射的影響；郭欣等[6]采用FDS軟件計(jì)算得到火災(zāi)環(huán)境下臨近油罐正對(duì)著火罐方向罐壁輻射作用大，熱輻射值從罐頂至罐底逐漸降低，從中心向兩邊呈軸對(duì)稱降低。S.S.Li等[7]建立了原油儲(chǔ)罐火災(zāi)熱輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量了儲(chǔ)罐火災(zāi)的熱輻射分布，分析了開放面積、水平距離和垂直距離對(duì)儲(chǔ)罐火災(zāi)輻射熱通量的影響。曾嬌[8]主要通過數(shù)值模擬計(jì)算研究開放空間油池火的燃燒特性。莊磊[9]通過理論分析建立了航空煤油池火焰形態(tài)的預(yù)測(cè)模型，揭示了油池燃燒熱傳遞規(guī)律。孟亦飛等[10]以視角因子的基本計(jì)算理論為基礎(chǔ)對(duì)有風(fēng)情況下池火災(zāi)視角因子的計(jì)算問題進(jìn)行研究，解決了目前經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o法解決的有風(fēng)情況下池火災(zāi)視角因子的計(jì)算問題。

常見的池火災(zāi)有油罐火災(zāi)、油井火災(zāi)和可燃液體或可燃固體泄漏到地面或水面上遇到點(diǎn)火源發(fā)生的火災(zāi)。本文以某油庫一航煤油罐為研究對(duì)象，討論在不同風(fēng)速以及大氣濕度條件下，該油罐發(fā)生池火之后，對(duì)周邊油罐的熱輻射影響情況。

1 池火災(zāi)理論計(jì)算模型

在池火模型[11]計(jì)算中，共分為12個(gè)計(jì)算步驟，主要有以下幾步：

（a）計(jì)算液池直徑

式中，D為液池直徑，m；Ap為液池面積，m2。

（b）計(jì)算燃燒速率

式中，ΔHv是物質(zhì)的蒸發(fā)焓，J/kg；ΔHc是物質(zhì)的燃燒熱，J/kg；cp是物質(zhì)的比熱，J/（kg·℃）。

（c）計(jì)算池火形狀

式中，uc是特征風(fēng)速，m/s；g是重力加速度，9.81 m/s2；m"是靜止空氣中的燃燒速率，kg/（m2·s）；ρa(bǔ)ir是空氣的密度，kg/m3；uw是風(fēng)速，m/s。

將火焰形狀簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體，對(duì)于圓柱形火焰來說：

式中，D′是實(shí)際的火焰底部直徑，m，D是液池直徑，m。

（d）計(jì)算表面輻射率

式中，SEPmax是最大表面輻射率，J/（m2·s）；Fs是火焰表面熱輻射因子（0.1～0.4）；L是火焰的平均高度 ，m；SEPact是 實(shí) 際 的 表 面 輻 射 率 ，J/（m2·s）；SEPsoot是煙灰的表面輻射率。

（e）計(jì)算某一距離上的輻射通量

式中，pw是環(huán)境溫度Ta下水的分壓，N/m2；RH是相對(duì)濕度（0～1）是環(huán)境溫度Ta下水的飽和蒸氣壓，N/m2。

式中，F(xiàn)view是距離x處的觀測(cè)因子，Q為輻射通量，kW/m2，τa是距離火焰x處空氣透射率。

2 油罐區(qū)模型建立

2.1 油罐區(qū)布局

該油庫占地面積約57 000 m2，庫區(qū)分為油罐區(qū)、卸油區(qū)和輔助功能區(qū)，其中油罐區(qū)位于庫區(qū)西北側(cè)，共設(shè)10 000 m3儲(chǔ)罐3座，南北向布置成一列，油罐之間間距12 m。罐區(qū)四周設(shè)置防火堤，油罐按單罐單堤的要求隔開，防火堤高度1.2 m，隔堤高度0.8 m。罐區(qū)分布如圖1所示，其中最左邊的為第一號(hào)油罐，中間的為第二號(hào)油罐，最右邊的為第三號(hào)油罐。

2.2 天氣場(chǎng)景

青島地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬溫帶季風(fēng)氣候，受風(fēng)速以及濕度影響較大，根據(jù)青島氣象站的氣象資料，得到常年平均氣溫為13℃，風(fēng)速以及大氣濕度如表1所示。

表1 天氣場(chǎng)景Table 1 Weather scene

2.3 物性選取

曾文等[12]對(duì)航空煤油替代燃料的著火與燃燒特性進(jìn)行了研究，分析了雙組分燃料中兩種組分體積分?jǐn)?shù)對(duì)著火與燃燒特性的影響。結(jié)果表明，在預(yù)測(cè)JET A-1航空煤油的著火特性與預(yù)混燃燒特性上，兩種雙組分混合燃料性能更好，更符合實(shí)際情況。同時(shí)，兩種雙組分混合燃料中兩種組分的體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃料的著火與燃燒特性影響顯著。因此本文選取正葵烷與甲苯7∶3的混合摩爾比作為航空煤油的替代燃料進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.4 熱輻射傷害準(zhǔn)則

該準(zhǔn)則可作為衡量目標(biāo)是否受到破壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)[13]，如表2所示。一般認(rèn)為，在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)燃燒的影響下，人體在20 s內(nèi)感到疼痛的臨界熱通量值為4 kW/m2，設(shè)備結(jié)構(gòu)明顯變形的臨界熱通量是25 kW/m2。

表2 熱通量傷害準(zhǔn)則Table 2 Heat flux injury criteria

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

本文采用PHAST軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，當(dāng)?shù)谝惶?hào)油罐著火，研究不同風(fēng)速和大氣濕度對(duì)周圍油罐熱輻射變化規(guī)律的影響。

3.1 風(fēng)速影響

3.1.1 對(duì)第二號(hào)油罐的影響 第一號(hào)油罐中心距離第二號(hào)油罐水平距離為27 m，設(shè)風(fēng)向吹向第二、三號(hào)油罐，第二號(hào)油罐罐體不同高度處受到的熱輻射值如圖2所示。

圖2 不同風(fēng)速下熱輻射值隨罐體高度的變化（二號(hào)油罐）Fig.2 Curves of heat radiation with tank height at different wind speeds

由圖2可知，在風(fēng)速一定時(shí)，熱輻射值從罐底到罐頂逐漸增加，且增加趨勢(shì)逐漸變緩。在同樣高度處，熱輻射值的大小隨著風(fēng)速的增加而增加，當(dāng)高度為地面高度時(shí)，三種風(fēng)速下熱輻射值基本重合，當(dāng)高度為10 m，無風(fēng)時(shí)的熱輻射值為4.69 kW/m2，平均風(fēng)速時(shí)的熱輻射值為6.30 kW/m2，最大風(fēng)速的熱輻射值為10.44 kW/m2，且隨著風(fēng)速的增加，熱輻射值增加得越快，在該高度處，平均風(fēng)速時(shí)的熱輻射值相對(duì)于無風(fēng)時(shí)增加了34.3%，最大風(fēng)速時(shí)的熱輻射值相對(duì)于平均風(fēng)速時(shí)增加了65.7%。

3.1.2 對(duì)第三號(hào)油罐的影響 第三號(hào)油罐距離池火中心的水平距離為69 m，第三號(hào)油罐罐體不同高度處受到的熱輻射值如圖3所示。

圖3 不同風(fēng)速下熱輻射值隨罐體高度的變化（三號(hào)油罐）Fig.3 Curve of heat radiation with tank height at different wind speeds

由圖3可知，第三號(hào)油罐接收到的熱輻射值相對(duì)較小，在平均風(fēng)速下，熱輻射平均值為1.2 kW/m2，最大風(fēng)速下，熱輻射平均值為1.1 kW/m2?？梢缘玫阶畲箫L(fēng)速下的熱輻射值小于平均風(fēng)速下的熱輻射值，是因?yàn)樵诰嚯x較遠(yuǎn)處，風(fēng)速小不利于氣體的擴(kuò)散，有利于形成高輻射值區(qū)域，而風(fēng)速大有利于氣體擴(kuò)散，輻射值相對(duì)較小，從影響程度上，風(fēng)速對(duì)距離較遠(yuǎn)的儲(chǔ)罐影響較小。

3.1.3 距離與熱輻射之間的關(guān)系 圖4為三種風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度隨下風(fēng)向距離變化的曲線。由圖4可知，熱輻射值隨距離的增加而減小，開始降低較快，隨著距離變大，逐漸變緩。在距離地面高度為14 m時(shí)，有風(fēng)時(shí)下風(fēng)向受到的熱輻射強(qiáng)度比無風(fēng)時(shí)顯著增長，并且隨著風(fēng)速的增大，影響范圍變大，在下風(fēng)向距離為20 m時(shí)，最大風(fēng)速的熱輻射值下降為14 kW/m2，平均風(fēng)速時(shí)熱輻射值下降為10.2 kW/m2，最下風(fēng)速熱輻射值下降為9.2 kW/m2。

圖4 三種風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度隨下風(fēng)向距離變化的曲線Fig.4 Curve charts of thermal radiation intensity with distance of downwind direction at three wind speeds

由表2可知，大型航煤儲(chǔ)罐發(fā)生池火災(zāi)造成的影響范圍。連續(xù)暴露30 min以上，造成鋼結(jié)構(gòu)表面嚴(yán)重脫色，油漆剝落，結(jié)構(gòu)明顯變形的火焰熱輻射強(qiáng)度是25 kW/m2。由圖4可知，在高度為14 m時(shí)，熱輻射強(qiáng)度最大值為23.5 kW/m2，這種情況下即使發(fā)生全液面火災(zāi)，最大火焰熱輻射強(qiáng)度也小于25 kW/m2，所以當(dāng)?shù)谝缓矫簝?chǔ)罐發(fā)生池火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生的火焰熱輻射不會(huì)對(duì)相鄰罐造成影響，而該油庫航煤儲(chǔ)罐間距是12 m，完全符合儲(chǔ)罐間距設(shè)計(jì)要求以及儲(chǔ)罐之間的防火間距，但是產(chǎn)生的最大輻射值非常接近閾值25 kW/m2。所以由圖4可得，油罐的最安全間距為17 m，此時(shí)，即使是大風(fēng)情況下，產(chǎn)生的最大熱輻射值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輻射閾值。

3.1.4 池火災(zāi)俯視影響范圍 采用PHAST軟件對(duì)儲(chǔ)罐泄漏發(fā)生池火災(zāi)時(shí)的影響情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。設(shè)定風(fēng)速為平均風(fēng)速，熱輻射值為1.6 kW/m2，模擬結(jié)果可以得到俯視圖的影響區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)月牙形，這是因?yàn)槭茱L(fēng)速的影響，且影響范圍向風(fēng)速的方向偏移，x方向的影響范圍為58 m，y方向的影響范圍為104 m。最大風(fēng)速時(shí)影響范圍俯視圖如圖6所示。由圖6可知，最大風(fēng)速下熱輻射值為4 kW/m2時(shí)，x方向的影響范圍為36 m，y方向的影響范圍是67 m；最大風(fēng)速下熱輻射影響值為1.6 kW/m2時(shí)，x方向的影響范圍為65 m，y方向的影響范圍是117 m。

圖5 平均風(fēng)速時(shí)影響范圍俯視圖Fig.5 The influence range of the overhead view at the average wind speed

圖6 最大風(fēng)速時(shí)影響范圍俯視圖Fig.6 Top view scope of impact at maximum wind speed

3.2 濕度影響

3.2.1 距離與熱輻射之間的關(guān)系 設(shè)定風(fēng)速為平均風(fēng)速，距離地面高度為14 m，濕度分別為最小濕度64%，平均濕度75%，最大濕度92%，濕度對(duì)池火災(zāi)傷害距離以及熱輻射的影響模擬結(jié)果如圖7和表3所示。由圖7可知，三種濕度對(duì)池火災(zāi)熱輻射曲線基本重合，即濕度對(duì)池火災(zāi)熱輻射的影響很小。由表3可知，對(duì)池火災(zāi)傷害距離有微弱影響，濕度越大，熱輻射值越小，傷害范圍越小。

圖7 濕度對(duì)儲(chǔ)罐熱輻射值隨距離的影響變化曲線Fig.7 Curve of influence of humidity on thermal radiation value of storage tank with distance

3.2.2 池火災(zāi)影響范圍俯視圖 圖8為池火災(zāi)俯視圖，設(shè)定熱輻射值大小為4 kW/m2，距地面為1 m。由8圖可知，由于受到風(fēng)速的影響，影響范圍為月牙形，濕度最大時(shí)，x方向的影響距離為11 m，y方向的影響距離為35 m；平均濕度時(shí)，x方向的影響距離為14 m，y方向的影響距離為38 m；最小濕度時(shí)，x方向的影響距離為16 m，y方向的影響距離為40 m。由此可見，濕度對(duì)傷害半徑有輕微的影響。

表3 三種濕度下熱輻射值隨距離的變化情況Table 3 Variation of heat radiation value with distance under three kinds of humidity

圖8 三種濕度下影響范圍俯視圖Fig.8 Influencing range of overhead view under three humidity conditions

4 理論模型與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由于公式比較復(fù)雜，將上述池火災(zāi)計(jì)算模型的公式以及相關(guān)數(shù)據(jù)代入MATLAB軟件中進(jìn)行理論模型的計(jì)算，得到火焰高度以及鄰近油罐接收熱輻射通量的大小。在油罐著火的條件下，對(duì)比鄰近油罐熱輻射的PHAST軟件模擬結(jié)果與MATLAB軟件理論計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由于PHAST軟件模擬的局限性，模擬出的火焰形狀的組分不能很好的描述炭黑等固體微粒的存在情況，這很大程度上導(dǎo)致火焰模擬時(shí)對(duì)周圍的輻射熱值偏小。由圖9可知，模擬計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果誤差較小，最大誤差為18.7%，兩者的平均誤差在20%以內(nèi)。

圖9 火焰的熱輻射理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of theoretical and numerical results of flame thermal radiation

5 結(jié) 論

火災(zāi)的燃燒與發(fā)展本身就是一個(gè)特別復(fù)雜的過程，外界因素對(duì)火災(zāi)的影響不同，火災(zāi)場(chǎng)的各種變量也隨之改變。本文通過理論分析、PHAST軟件模擬相結(jié)合的方式，研究不同工況下風(fēng)速以及大氣濕度對(duì)周邊儲(chǔ)罐熱輻射的影響。

（1）風(fēng)速對(duì)池火有較大的影響，風(fēng)速越大，熱輻射影響的范圍越大。最大風(fēng)速時(shí)的熱輻射值相對(duì)于平均風(fēng)速時(shí)的熱輻射值增加了65.7%。在風(fēng)速一定時(shí)，熱輻射值隨著罐體高度的增加而增加，且增加趨勢(shì)逐漸變緩。

（2）對(duì)于距離較遠(yuǎn)的油罐，風(fēng)速較小時(shí)不利于氣體的擴(kuò)散，有利于形成高輻射值區(qū)域，而風(fēng)速較大時(shí)有利于氣體擴(kuò)散，熱輻射值相對(duì)較小，并且從影響程度上來講，風(fēng)速對(duì)距離較遠(yuǎn)的儲(chǔ)罐影響較小。

（3）在最大風(fēng)速的情況下，第一號(hào)航煤儲(chǔ)罐發(fā)生油罐著火產(chǎn)生的火焰最大熱輻射值為23.5 kW/m2，該值小于最大熱輻射閾值25 kW/m2，因此不會(huì)對(duì)相鄰罐造成影響，該油罐間距設(shè)計(jì)符合要求，但是23.5 kW/m2接近于25 kW/m2的閾值，因此得到油罐的最安全間距為17 m。

（4）由于風(fēng)速的影響，池火災(zāi)的俯視影響范圍為月牙形，即影響范圍向風(fēng)速方向偏移，最大風(fēng)速下熱輻射影響值為1.6 kW/m2時(shí)，x方向的影響范圍為65 m，y方向的影響范圍是117 m，即軟件模擬的安全間距在水平方向?yàn)?5 m，垂直方向?yàn)?17 m。

（5）不同濕度對(duì)池火熱輻射的影響較小，其中濕度越大，熱輻射值越小，傷害范圍越小，在距離地面高度1 m處的位置，以人在20 s之內(nèi)感覺疼痛為標(biāo)準(zhǔn)，最小濕度時(shí)，x方向的影響距離為16 m，y方向的影響距離為40 m。由此可見，濕度對(duì)傷害半徑有輕微的影響。

（6）進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和理論公式的對(duì)比，由于模擬的局限性，模擬出的火焰形狀的組分不能很好的描述炭黑等固體微粒的存在情況，這很大程度上導(dǎo)致火焰模擬時(shí)對(duì)周圍的輻射熱值偏小。但是模擬計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果誤差較小，最大誤差18.7%，兩者的平均誤差在20%以內(nèi)。