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10万m3原油罐罐顶火灾热辐射强度和烟气浓度影响分析论文

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  关键词:原油储罐;火灾模拟;热辐射;烟气

  0引言

10万m3原油罐罐顶火灾热辐射强度和烟气浓度影响分析论文

  随着石化行业的快速发展,对原油的需求持续增长。作为一种不可再生资源,石油已成为众多国家战略储备和经济发展中不可或缺的资源。中国对进口原油的依赖度相对较高,因此早在2004年,中国便开始建设大规模的原油储存设施,以增加战略石油储备,并逐步建立了多个原油仓储基地。为了降低储存成本,原油仓储基地的规模日益扩大,自动化程度不断提高,公共设施日趋完善,并朝着规模化、复杂化、综合化的方向迅速发展。

  石油是一种由碳氢化合物组成的黏稠深棕色液体,具有低闪点、自燃点的特性,因此极易发生挥发性燃烧和爆炸。这使得原油储存基地的安全问题日益凸显,各类火灾和爆炸事故时有发生。对于原油存储企业而言,油罐火灾事故的消防救援成为首要解决的问题。为了深入探究原油储罐火灾的燃烧规律,并制定有针对性且合理有效的预防和应急措施[1-4],国内外专家学者对此进行了广泛研究。HESKESTAD[5]通过建立池火火焰模型,模拟计算了火灾的高度、燃烧产物浓度和燃烧速度等特性参数;杨君涛等[6]基于火灾燃烧理论,计算得到火焰燃烧温度及扩散速度等燃烧特性参数的变化规律;WANG等[7]通过FLUENT软件模拟,计算了原油储罐发生池火情况下热辐射强度的分布范围。

  上述研究主要集中在原油储罐内池火灾模型建立、参数影响分析以及原油储罐周围热辐射分布规律等方面,而原油储罐罐顶火灾热辐射和烟气危害对消防安全设计的影响分析相对较少。本文将对10万m3原油储罐罐顶火灾热辐射分布和烟气扩散分布进行计算,确定原油罐顶火灾产生的热辐射和烟气对储罐周边人员和设施的影响程度,并给出消防安全方面的建议。

  1 10万m3原油储罐罐顶火灾的热辐射危害分析

  10万m3原油储罐罐顶发生火灾时,罐顶池火产生的热辐射将对地面消防扑救人员、周边社区人员以及邻近的原油储罐等人和设施构成严重威胁。如果热辐射强度过高,可能会导致人员伤亡和财产损失。

  1.1不同风速下的热辐射通量分布规律

  对原油储罐罐顶发生全面火灾后对地面不同位置的热辐射影响进行计算分析。计算模型中,罐顶高为20 m,直径为80 m,起火时液位为18 m。计算工况按照不同风速(2.0 m/s、4.7m/s、8.0 m/s、10.5 m/s)进行计算,环境温度设定为30℃,大气为稳态D(在我国气象局的规定中,D类为中性,多见于阴天或大风天气)。采用工艺危害分析软件PHAST进行罐顶对地面的热辐射计算,得到如表1、表2及图1~图5的结果。

  池火热辐射值的大小主要受液池面积的影响。在液池面积相同的情况下,不同风速对热辐射的影响并不显著。然而,总体来看,在距离储罐较近的位置,由于风速越高,火焰越容易被吹向水平方向,因此地面的热辐射值会相应增大。相反,在距离储罐较远的位置,风的冷却效果起主导作用,所以风速越高,地面的热辐射值反而越小。

  在四种风速工况条件下,地面热辐射值的最大值均出现在距离储罐边缘下风向27.3 m位置处,2.0 m/s风速热辐射值最大值为27.09 kW/m2,4.7 m/s风速热辐射值最大值为27.32 kW/m2,8.0 m/s风速热辐射值最大值为27.81 kW/m2,10.5 m/s风速热辐射值最大值为28.16 kW/m2。

  在2.0 m/s的风速条件下,轻伤半径和重伤半径达到最大值,分别为211.5 m和99.3 m。因此,在这个范围内,应避免出现未受保护的工作人员和普通公众,且消防员在执行灭火降温等任务时,应穿戴好消防服,与着火储罐保持一定的距离。

  1.2邻近储罐不同高度水平的热辐射分布规律

  着火储罐周边主要储罐及罐壁间距如表3所示。

  对邻近储罐A、B、C、D地面(0 m)、罐壁中部(10 m)和罐顶(20 m)三种高度水平的热辐射分布情况进行分析,结果如图6所示。对于距离着火储罐较近的原油储罐(A、D),罐顶至地面位置的热辐射强度逐渐减小。具体来说,罐顶对应的最大热辐射强度分别为43 kW/m2和65 kW/m2。而对于距离着火储罐较远的原油储罐(B、C),不同水平高度的热辐射强度差异很小。这些储罐上对应的最大热辐射强度分别为8 kW/m2和18 kW/m2。

  表4中列出了原油储罐的热辐射临界值,即13.5 kW/m2。该临界值对应的最大下风距离为133 m。因此,当储罐发生全面池火时,应对相邻的储罐A、C、D(罐壁间距小于93 m)采取喷水冷却降温措施,避免出现储罐受损情况,造成事故进一步扩大。

  2 10万m3原油储罐罐顶火灾烟尘危害分析

  10万m3原油储罐发生火灾时,将会伴随大量烟尘产生。这些烟尘除了对大气造成危害外,还可能会对周边社区居民的健康造成危害。本文采用美国国家标准技术局开发的火灾动力学模拟工具FDS(fire dynamics simulator)对罐顶全面火灾产生的烟气扩散分布情况进行模拟。该软件是基于计算流体力学(CFD)的一种数学模型,能够模拟火灾燃烧的能量驱动流体流动。

  采用2.0 m/s、4.7 m/s、8.0 m/s等三种不同风速进行10万m3原油储罐罐顶火灾烟尘模拟,得到如图7~图9三个烟气飘散模型。

  由图7~图9的计算结果可知,风速大小对烟尘扩散产生明显的影响。风速越大,烟气扩散越靠近地面,影响范围也就越大。当风速大于或超过4.7 m/s时,罐顶火灾产生的烟气将会扩散到围墙外,可能对周边社区的普通公众的健康造成损害。因此,在原油储罐发生全面火灾初期,应立即疏散周边群众至安全区域。

  3结语

  (1)罐顶火灾虽然不会产生致命级别的热辐射对地面人员构成生命威胁,但会对距离储罐罐体211 m范围内的人员造成可能导致轻伤的热辐射(4 kW/m2)。因此,现场消防人员在处理火灾时应穿戴隔热服和消防战斗服,并间断使用消防水进行冷却。对于外部社区和非救援人员,则无需采取特别措施。

  (2)本次分析的原油罐罐顶火灾热辐射会对罐壁间距93 m内的相邻储罐(A、C、D)造成影响(储罐热辐射达到13.5 kW/m2),应采取喷水冷却降温措施,避免出现储罐受损情况,造成事故进一步扩大。

  (3)在三种风速条件下的烟气扩散模拟中,风速等于或超过4.7 m/s时,烟尘可能会在库区围墙外散落,对周边社区人员的健康造成潜在威胁。当风速等于或超过8.0 m/s时,烟尘将覆盖周边社区及设施,对人员健康造成严重损害。因此,建议在原油储罐发生罐顶密封环火灾,但是在尚未形成罐顶全表面火灾时,立即启动周边社区预警,组织周边群众撤离到安全区域,防止烟气对周边社区人员造成损害。

  参考文献:

  [1]韩帅,李玉,李伟东,等.基于CFD的大型储油罐区池火灾数值模拟[J].中国安全生产科学技术,2020,16(9):133-139.

  [2]朱颖超,张在旭,朱渊超,等.我国石油战略储备问题研究[J].油气储运,2007,26(9):8-12.

  [3]张智,魏捍东.从大连油库火灾谈大型油(气)罐库区火灾扑救[J].消防科学与技术,2011,30(12):1166-1169.

  [4]张启波,袁凤丽,付钰.大型浮顶油罐的危险性分析及安全对策[J].中国安全生产科学技术,2012,8(6):134-138.

  [5]HESKESTAD G.Engineering relations for fire plumes[J].Fire safety journal,1984,7(1):25-32.

  [6]杨君涛,魏东,张学魁,等.着火油罐燃烧特性的理论分析[J].工程热物理学报,2006(1):151-154.

  [7]WANG WH,XU Z S,SUN B J.Numerical simulation offire thermal radiationfield for large crude oil tank exposed to pool fire[J].Procedia engineering,2013(52):395-400.

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