基于兩種典型火災事故的分析

武彥濤，王保明，李瑞峰

(1．山西興新安全生產技術服務中心，山西 太原 030002;2．中北大學 化工與環境學院，山西 太原 030051)

火災是火失去控制蔓延的一種災害性燃燒現象，是各種災害中發生最頻繁且極具毀滅性的一種。火災種類很多，通常包括森林、建筑、油類及可燃氣體和粉塵爆炸所引起的火災［1］。國內相關學者采用基于可能性分布的模糊事故樹分析法，對引發火災事故的可能因素進行了定量分析。系統分析了LPG(液化石油氣)的火災爆炸危險性，比較了LPG儲罐區池火、沸騰液體擴展蒸汽爆炸和蒸汽云爆炸事故后果分析方法，提出了預防LPG儲罐區火災爆炸事故的技術措施。本文對兩種火災事故發生機理做了詳細分析。

1 池火災

1．1 池火災的定義與特征

池火災是指由罐或防油堤盛著的液體燃燒產生的火災，大多數液體火災屬于這種情況。

發生池火災的特征有：

1)池火災的大小是由單位時間有多少燃料被點燃來決定的。單位時間內的燃料有效消耗量稱為燃燒速度，通常以液面下降速度或燃料消耗的重量來表示。

2)由池火災產生的火焰一般火焰高接近于容器直徑的兩倍。這就是說池火災的規模不僅取決于液體燃料的量，而且也同時取決于燃油的面積，燃油的面積越大，則火災規模越大。因此，要減小火災必須防止油面的擴大。否則，罐火災轉化為防油堤火災，甚至轉化為場地火災，擴大危險范圍。

3)池火災還有一個危險性要注意，即沸溢現象，也就是象原油那樣含水的油發生的火災現象。當含水油發生火災時，火災使油溫上升，表面近處的油溫達到200℃ ～300℃，高溫逐漸成為熱波而下降，接觸水分的結果使水突然沸騰，以劇烈的形式將著火的油噴出來。

1．2 無縫式火焰高度H的計算

應用Thomas經驗公式：

式中：

R—火焰半徑，m;

H—火焰高度，m;

ρa—周圍環境空氣密度;

dm/dt—單位液池面積物質質量燃燒速率;

g—微重力加速度，m/s2，取 9．81。

對于非圓形火災池的有效半徑可以按同面積的圓形火災池的半徑經行計算：

式中：

S—非圓形池液面積，m2。

對于一般性的池火災，起火高度接近于等效圓形火池直徑的2倍。所以對于該類火災事故的處理可以按此經驗值進行消防設施的合理使用。同時也為許多理論研究提供了較為方便的數值計算方法。

1．3 池液總輻射通量的計算

火災池液體的總輻射通量計算公式：

式中：

Q—池輻射總熱量，kW;

Hc—物質的燃燒熱;

η—效率因子，取0．13 ～0．35。

池火災的總輻射通量是發火后火災池所具有的輻射能力的數值體現，輻射通量越大，表明火災池所具有的危險性越高，對確定消防的安全距離具有現實的指導意義，而且能夠對火災發生后周圍建筑物的毀壞程度進行定量分析，便于進行火災危險性等級評定。

1．4 被輻射物體到池中心的距離

火災池中，被輻射物體到火焰核心的距離見公式：

式中：

r—目標到池中心的距離，m;

I—目標接受的熱強度，kW/m2;

T—空氣路徑的熱輻射透過率，取1。

在模型研究中，采用熱輻射強度的一般影響準則作為對輻射物破壞程度的判斷依據，不同熱輻射強度所造成傷害/破壞的判斷標準［2］見表1。被輻射物體的破壞程度以被輻射目標所接受到的有效熱輻射作為目標是否被破壞的唯一參數，當輻射目標在發生火災時接收到的熱輻射強度大于或等于目標破壞臨界熱輻射強度時目標被破壞;否則，目標不被破壞。

1．5 池火災安全評價的理想假設

當裝有可燃液體或油品的容器在不安全因素的觸發下發生池火災時，池內油品、可燃液體等可燃物被高于著火點的熱源點燃并充分燃燒干凈，裝可燃物的設備在一定程度受到破壞。對于防火堤外的周圍物體及人員也會造成不同程度的傷害。本文為了描述這種關系及計算方便，對池火災的研究模型做如下理想化假設：

1)池火災發火面積為圓形，上升火焰為圓柱形火焰。

表1 不同輻射強度所造成傷害/破壞的判斷標準

2)在發火燃燒的高溫輻射區，因為可燃氣體的輻射能力與炭黑粒子相比較小，所以認為主要的輻射物是固體的炭黑粒子。

3)將池火災發火火焰對周圍物體的熱輻射理想化為火焰圓柱型外表面對周圍的輻射。

4)火災為穩態池火災，研究區域外圍為黑體。

5)通常來說，氣體的輻射能力低于固體顆粒，故可以認為池火災過程中火焰的主要輻射物質為炭黑微粒。一般來講，罐區火災發生的時間都是短暫的，但是在消防過程的防火間距定義為：在消防能力的范圍內，一個儲罐發生火災導致另一個儲罐不發生火災的最小安全距離。而本文假設火災發生的時間是連續的、長時間的、可連續觀察的。此類簡化便于火災模型的定量分析，從而確定各種火災參數，而且能夠模擬分析出火災射通量閾值，該方法具有非常廣泛的意義。

2 噴射火

2．1 噴射火事故后果分析思路

跟池火災的作用機理類似，噴射火火災事故發生的主要表現形式也是燃燒火焰產生的熱輻射。為了簡化模型，通常理想化的認為噴射出的火焰是由大量具有相同輻射通量的熱源點沿著火焰中心軸線聚集疊加而成的。通常可根據式(9)計算出輻射點源的射通量。

對于噴射火焰宏觀狀態下最終熱輻射的確定，還要根據氣體泄漏速度以及噴射管道內部氣體壓力的大小進行數值計算，根據事故后火災現場所調查的各種數據由式(6)、(7)可計算出噴射氣體的泄露速度。再根據式(6)、(9)、(10)可計算出輻射強度。

2．2 熱輻射強度計算模型

對于理想狀態下的點源熱輻射可按下式計算：

式中：

q—點熱源熱輻射通量，W;

Q0— 泄露速度，kg/s;

Hc—燃燒熱，J/kg;

η—效率因子，可取 0．35。

2．3 燃氣泄漏速度

對于不同狀態不同條件下的氣體泄漏量以及泄露速度的計算是不同的，當滿足時氣體流動屬于聲速流動，其泄漏速度為：

以上兩式中：

P0—環境壓力，Pa;

P—管道內燃氣壓力，Pa;

k—氣體絕熱指數，即定壓比熱Cp，與定容比熱Cv之比;

Q0—泄漏速度，kg/s;

Cd—氣體泄漏系數，當裂口形狀為圓形時取1．00，三角形時取 0．95，長方形時取 0．90;

M—氣體摩爾質量，kg/kmol;

T—氣體溫度，K;

A—裂口面積，m2;

R—氣體常數，J/mol·K。

2．4 熱輻射強度

在火災事故后的原因調查過程中，對于噴射火火焰的輻射強度的計算用疊加的方式進行處理，一般把沿著火焰中心線的5個點熱源作為計算的中心點，然后按與這些點的不同距離用公式(8)進行計算：其泄漏速度為：

式中：

Ii—點熱源 i至目標點 z處的熱輻射強度，W/m2;

x—點熱源到目標點的距離，m;

λ—輻射率，一般取 0．2。

對于噴射火焰作用下的周圍物體接受到的輻射強度，按疊加原理看作是由所有點熱源單獨作用于該點的數值疊加：

一般情況下，在發生噴射火事故的現場存在許多不確定因素，這直接影響到噴射火焰的噴射形狀、速度等作用的范圍和強度，在本文的模型分析中引入一個理想化的模型，及認為火焰的形狀是一個能量集中的點，從而便于模型建立，對于距離該點x處的目標點可以近似的應用式(10)進行計算：

i處為理想化的能量集中點，它對目標的輻射強度代入式(10)后即可求出噴射火焰的作用強度，見圖1。

圖1 簡化模型示意圖

雖然經過理想化的處理，但是對于事故后的計算非常便捷可行。

2．5 噴射火焰的傷害面積

噴射火焰的突然發生會導致周圍物體和人員的意外傷害，對于不同輻射強度的火焰按表1中給出了造成的不同損失值。根據表l中的數據，結合公式(8)可以計算出噴射火焰的輻射半徑和面積。

輻射半徑：

輻射面積：

輻射面積示意圖見圖2。

根據輻射面積示意圖，O代表噴射火源;區域SR代表“操作設備全部損壞，人員1%死亡/l0 s、100%死亡/1 min”;區域So代表“在無火焰、長時間輻射下，木材燃燒;人員重大損傷/10 s、100%死亡/1min”;區域SY代表“有火焰時，木材燃燒，塑料熔化;人員1度燒傷/10 s、l%死亡/1 min”。

圖2 輻射面積示意圖

該3個公式給出了距離輻射中心的不同區域內的輻射造成的危害大小，對于發生噴射火災事故后的現場指導及對救援力量的分配具體有一定的現實意義。

2．6 噴射火后果模型

目前，國內外計算熱輻射的經典數學模型主要有兩種：點源模型和固體火焰模型［3］。本文采用固體火焰模型(Thornton模型)［4］來描述噴射火的幾何形狀及輻射強度。該模型假定噴射火形狀為平截頭圓錐形，描述平截頭圓錐體的參數有火焰長度、火焰錐體長度、錐體抬升高度等，有風條件下的噴射火形狀示意圖見圖3。

圖3 有風條件下噴射火形狀示意圖

根據該模型顯示，對于噴射火災事故后災害擴散方向有一定的預測作用以及對消防人員控制火災的擴大具有一定的指導意義。

3 結束語

為了更準確地分析事故，本文針對池火災和噴射火事故建立了相應的數學模型，在建立的數學模型基礎上又做了詳細的事故數學分析。文中闡述的火災事故分析方法和事故分析過程可以準確地分析出火災事故的破壞作用，對于發生該類事故后的應急處理措施以及消防力量的布置與分配具有一定的指導意義。

本文在兩種火災模型的建立過程中運用了數學和物理研究方面的理想化假設，把復雜的問題做了簡單化處理，目的是為了便于模型的建立和研究的方便，但是這并不影響其現實意義，相反對于池火災和噴射火災這樣常見且破壞比較大的事故的處理具有方便快捷的意義，更符合研究應用于實踐的理念。

［1］ 常萬森．火災現場保護和火災事故調查［J］．消防技術與產品信息，2009，25(6)：63－64．

［2］ 宋文華，苗 欣，王世英．池火災評價法在三乙胺儲罐區的應用研究［J］．消防科學與技術，2008，27(4)：243－245．

［3］ 肖建蘭，呂保和，王明賢．氣體管道泄漏模型的研究進展［J］．安全與環境工程，2006(2)：15－18．

［4］ 王大慶，高惠林，霍春勇．天然氣管道泄漏射流火焰形貌研究［J］．安全與環境工程，2006(2)：29－32．