石油儲備庫區域安全間距模型的確立及應用

于倩秀

中國石化管道儲運公司華東管道設計研究院，江蘇 徐州 221008

0 前言

隨著世界經濟的快速發展，石油資源開始面臨短缺，油價高位振蕩，世界各國都在加強石油戰略儲備，主要表現為整體庫容及單罐容量的增大，目前我國已建成多座整體庫容達500×104m3的石油戰略儲備庫 （如湛江國家石油儲備庫、鐵嶺原油商業儲備庫等），石油儲備庫安全性日益重要。石油儲備庫區域安全防火間距是石油化工企業平面設計的一個重要參數，既涉及到油庫的安定，又關系到生產運行的安全和總投資效益的高低。所以，石油儲備庫區域防火間距作為一個關系到系統整體效益的設計參數，越來越受到重視［1］。

目前油庫總平面圖布置主要依據GB 50737-2011《石油儲備庫設計規范》，并參照GB 50183-2004《石油天然氣工程設計防火規范》及 GB 50074-2002 《石油庫設計規范》來進行，其安全間距很大程度是參照國外標準、工程實踐經驗及教訓等制定的，本文試圖從流體力學、燃燒學的角度出發，模擬預測石油儲罐區火災對周圍環境的熱輻射影響，結合熱輻射準則得出石油儲備庫區域安全防火間距［2］。

1 模型的確立

石油儲罐及其附屬設備發生泄漏事故時，原油將從儲罐、閥門或管道泄漏到罐區地面，然后向罐區四周流淌擴散，由于受到防火堤、隔堤的阻礙，原油將在防火堤或隔堤所限定的區域內積聚，形成一定范圍、一定厚度的油池。池火災所產生的強烈熱輻射，不僅對相鄰罐體、建構筑物的安全造成威脅，而且使消防救援人員很難靠近，造成石油儲罐火災事故不斷擴大，因此池火災事故模型適用于石油儲罐火災輻射熱及輻射距離的計算［3］。

1.1 儲罐火災直徑

對于油罐應根據防護堤所圍面積S計算火災池直徑D：

在罐區防火堤或隔堤受損的情況下，石油儲罐所泄漏的原油經過充分擴散且無滲透與蒸發，根據原油泄漏量和地面性質，最大池火災面積可按式（2）～（3）計算：

式中：S為防火堤面積，m2；D為火災池當量直徑，m；ρ為原油密度，kg/m3；m為儲罐內原油質量，kg；Hmin為最小油層厚度，m。

常見地面最小油層厚度見表1。

表1 地面最小油層厚度

1.2 火災燃燒速率

當池火災中可燃液體的沸點高于環境溫度時，單位液體表面積燃燒速率為：

式中：mf為單位液體表面積燃燒速率,kg/(m2·s)；Cp為液體的定壓比熱，kJ/(kg·K)；T0為環境溫度,K；Tb為液體的沸點，K；H為液體的氣化熱，kJ/kg；Hc為液體的燃燒熱，kJ/kg。

當池火災中可燃液體的沸點低于環境溫度時，單位液體表面積燃燒速率為：

常見可燃液體的燃燒速率見表2。

表2 常見可燃液體的燃燒速率

1.3 火災火焰高度

儲罐火災無風時火焰高度用下述經驗公式表示：

儲罐火災有風時火焰高度用下述經驗公式表示：

式中：ρL為空氣的密度，kg/m3； g 為重力加速度，（m/s2）；U 為風速，m/s； ρo為油蒸汽的密度，kg/m3。

1.4 火焰表面的熱通量

通過圓柱形火焰的頂部和側面，熱輻射的能量向四周均勻輻射，火焰表面的熱通量［4］可用下式表示：

式中：q表為火焰表面的熱通量，kW/m2；Hc為油品的燃燒熱，kJ/kg； f為熱輻射系數，0.15。

1.5 儲罐火災熱輻射量

儲罐燃燒時的總熱輻射量為：

式中：q總為儲罐燃燒時的總熱輻射量，kW；η為0.13～0.35，效率因子。

1.6 熱輻射強度

假定全部能量從火災中心點的球面輻射而來，則距儲罐中心某一距離x處的熱輻射強度qx及火災的持續時間T分別為：

式中：qx為熱輻射強度，kW/m2；T為火災燃燒的持續時間，d；x為某處距燃燒儲罐中心的距離，m。

1.7 熱輻射損害的判別準則

火災周圍物體在足夠強度熱輻射作用下會產生燃燒現象或變形，造成人員傷亡和設備損害[5]。熱輻射損害判定準則，反映的是目標所接收熱輻射強度與設備、設施損壞及人員傷亡狀況的對應關系，見表3。

表3 熱輻射損害判定表

2 實例分析

某石油儲備庫總庫容220×104m3。一期建設庫容80×104m3，2個罐組，每個罐組由4座10×104m3原油儲罐組成，其單罐防火堤尺寸為120m×110m；二期建設庫容140×104m3，3個罐組， 其中 2個罐組由 6座 10×104m3原油儲罐組成，其單罐防火堤尺寸為120 m×120 m，1個罐組由4座5×104m3原油儲罐組成，其單罐防火堤尺寸為100m×90m。原油密度 0.85 kg/m3，空氣密度為1.295 kg/m3，儲罐裝滿系數0.85，原油的燃燒熱49.5×103kJ/kg，原油燃燒速率為 0.013 7 kg/(m2·s)，原油燃燒時的效率因子為0.24、熱輻射系數為0.15，罐區風速不計。由上述計算模型可得該石油儲備庫各儲罐火災損害計算結果，見表4。

從表4可以看出，當距儲罐中心距離為170m及180m時，儲罐火災的熱輻射強度為1.45～2.00，而太陽光的熱輻射強度約為1.5，因此在此距離范圍內儲罐火災對人體基本無害，而GB 50737-2011《石油儲備庫設計規范》規定儲罐區防火堤距居住區及公共建筑物的最小距離為120m，再考慮防火堤距罐中心距離為50～60m，因此該規范所規定的儲罐區至人員密集場所的距離是合理的。當距儲罐中心距離為130m及140m時，儲罐火災的熱輻射強度為2.5～3.3，在此范圍內熱輻射不會對設備設施構成較大危害，因此，GB 50737-2011《石油儲備庫設計規范》規定儲罐區至工礦企業的最小距離為80m是可以接受的。

表4 儲罐火災損害計算表

3 結論

本文通過池火災事故后果傷害數學模型的建立，具體分析了大型石油儲罐發生火災事故時，不同目標距離處熱輻射強度同儲罐火災各影響因素之間的關系，確定了石油儲備庫同周邊人員密集場所及工礦企業的安全間距，使我們進行石油儲備庫總平面布置時對各種安全間距的把握更加具體和科學，計算方法更為多樣、靈活。

［1］郭開華，王文靜，皇甫立霞，等.LNG站場防火間距及安全性分析［J］.天然氣工業，2012，32(10)：90-94.Guo Kaihua，W ang W enjing，Huangpu Lixia，et al.Fireproof Spacing between Equipmentsand Safety Analysisat LNG Stations［J］.NaturalGas Industry， 2012，32(10)：90-94.

［2］楊成貴.淺談綜合油庫總圖設計［J］.天然氣與石油，1999,17（2）：32-38.Yang Chenggui.An Elementary Discussion on General Plan Design of Comprehensive OilDepot［J］.NaturalGasand O il，1999，17（2）：32-38.

［3］趙新穎.大型油庫安全評價方法研究［D］.東營：中國石油大學（華東），2006.Zhao Xinying.Research on Safety Assessment Methods in Large-Scale Tank Farm［D］.Dongying： China University of Petroleum（Eastern China）， 2006.

［4］郝永梅，邢志祥，沈 明，等.基于貝葉斯網絡的城市燃氣管道安全失效概率［J］.油氣儲運，2012，31(4):270-273.Hao Yongmei， Xing Zhixiang， Shen M ing， et al.Calculate the Failure Probability of U rban Gas Pipeline Based on Bayesian Network Mode［J］.O il&Gas Storage and Transportation， 2012，31(4):270-273.

［5］任自在.壓力管道安全評價的理論與方法研究［D］.東營：中國石油大學(華東)，2008.Ren Zizai.A Study on the Theory and Method for Assessment of the Pressure Pipelines［D］.Dongying： China University of Petroleum(Eastern China)，2008.