有風時大型油罐密封圈火災下油罐間的安全距離

關新鳳，劉德俊，魏亞峰，祝 賀，葛 嵐，楊 萍

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2. 營口港務局集團公司，遼寧 營口 115009； 3. 中國石油撫順石化公司催化劑廠，遼寧 撫順 113001）

工藝與裝備

有風時大型油罐密封圈火災下油罐間的安全距離

關新鳳1，劉德俊1，魏亞峰2，祝 賀1，葛 嵐1，楊 萍3

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2. 營口港務局集團公司，遼寧 營口 115009； 3. 中國石油撫順石化公司催化劑廠，遼寧 撫順 113001）

針對有風時大型原油儲罐火災安全問題，以密封圈火災著火油罐作為研究對象，采用編程軟件對著火油罐的輻射區域進行模擬計算，進而確定儲罐間的安全距離。研究結果表明，風速一定時，輻射熱量隨著距火焰的距離增加而降低；同一著火油罐，熱輻射情況隨著風速的加大而加劇；風速為4 m/s時，相鄰油罐間的安全距離為31.2 m。

熱輻射；原油儲罐；密封圈火災；安全距離

油庫安全問題是整個石油石化行業安全問題的重中之重，而罐區的火災防護工作有是油庫安全工作的重心。 在我國大型原油儲罐主要以10×104m3以上的浮頂油罐為主，并且隨著各國對石油儲備量的不斷加大，大型原油儲罐已成為石油儲罐發展行業的大趨勢，但油罐罐量的增加必然伴隨著油罐風險性的增大。據資料顯示[1]，從20世紀60年代到90年代的幾十年間，油罐火災數量由年均不足3起上升到年均量超過16起，其中所占比重較大的是20×104m3以上的油罐，并且引發臨近油罐火災發生的數量也呈逐年上升的趨勢。大型油罐火災主要以雷擊而產生的密封圈火災的形式。火災發生后，如何避免著火油罐對臨近油罐的熱輻射導致臨近油罐火災，發生連鎖反應，可以通過油罐間的防火安全距離得到有效的控制。

諸多學者對儲罐火災的輻射熱分布及儲罐間安全距離的確定進行了大量的研究。楊國梁[1[2]應用SAFETI軟件，研究了著火油罐在風速的影響下對臨近油罐的熱輻射分布情況；朱建華等[3]對油品地面池火災和儲罐池火災對周圍熱輻射的分布不同進行了論證對比；種秀華等[4]通過對風速及風向兩個因素對池火災輻射分布的影響進行了探討與分析；李麗霞[5]通過對苯池火災在有風條件下的熱輻射研究，得到兩油罐間最小安全防火間距；魏欣等[6]對油罐池火災的連鎖效應進行了研究，提出預防連鎖效應發生的預防措施；孫標[7]研究了兩種不同火焰模型及風速、溫度等其他因素對池火災熱輻射安全距離的影響。基于此，為方便計算，密封圈火災簡化為為當量圓柱形池火災模型。考慮到風速的影響，采用池火災斜圓柱模型。由此分析，不同風速條件下著火油罐的輻射熱分布情況，進而確定油罐間的安全防火距離。

1 模型的選取及計算

1.1 基本模型的建立

大型油罐火災主要以密封圈火災為主，而密封圈火災為方便計算需等效成相應的池火災進行模擬計算。考慮到油罐的自身高度問題，將池火災分為地面池火災和儲罐池火災。密封圈火災的并沒有使整個罐體燃燒，因此屬于儲罐池火災范疇。池火災的火焰實際上接近圓柱體，在有風的情況下，火焰發生傾斜，可以看做是一個傾斜的圓柱。如圖1所示，下面圓柱為著火油罐，上面的斜圓柱為火焰。

圖1 儲罐池火災模型Fig.1 The model of storage tank’s pool fire

1.2 模型的計算

（1）油品燃燒速率

當油品沸點高于環境溫度時，可選用公式（1）[8]進行計算：

當油品沸點低于環境溫度時，可選用公式（2）進行計算：

式中:

mf——油品燃燒速率，kg/(m2·s)；

c ——常數，0.001 kg/(m2·s)；

Hc——油品的燃燒熱，J/kg；

Hv——油品在常壓沸點下的蒸發熱，J/kg；

cp——油品的比定壓熱容，J/(kg·K)；

Ta ——環境溫度，K；

Tb——油品的沸點，K。

（2）火焰高度

在有風的條件下，計算火焰的平均高度，選用Thomas[9]在木垛實驗的基礎上推導出的經驗公式。其計算公式為：

式中:

H ——火焰高度，m；

D ——池火直徑，m；

ρa——空氣密度，kg/m3；

g ——重力加速度，9.81 m/s2；

u ——10 m高處風速，m/s；

uc——特征風速，m/s。

（3）火焰傾角

采用美國氣體協會提出的火焰傾斜角θ的關系式[10]，即：

（4）熱輻射通量

在計算池火表面的輻射熱量時，假設油品燃燒的所釋放的熱量是從圓柱形火焰的四周和上部均勻向外部輻射的，由此可選用公式1-5[10]計算火焰表面輻射熱量，即：

式中:

E ——火焰表面的輻射熱量，W/m2；

f ——熱輻射系數，取值范圍是0.13～0.35。

（5）接收點的熱輻射通量

針對圓柱形火焰的池火災，在距離其火焰中心R處，物體所接收到的輻射熱量，可用以下公式進行計算[9]：

式中:

q ——接收點出的輻射熱量，W/m2；

V ——視角系數；

τ ——大氣透射率。

其中視角系數 的計算公式如下[9]：

其中:VV及Vh分別是接收點物體垂直及水平方向上的視角系數，且均是關于D、L、θ、X間的函數，其表達式如下：

式中：X ——距離火焰中心的距離，m。

而公式(8)[10]中 為大氣透射率，可選用下式進行計算：

2 模擬計算及討論

選取十萬立浮頂原油儲罐為模擬對象，采用編程軟件計算模擬著火油罐的輻射分布情況，進而確定兩油罐間的安全距離。其中編程所需的相關參數為：原油的燃燒熱49 500 kJ/kg，蒸發熱400 kJ/kg，比熱容1.7 kJ/(kg·K)，沸點溫度393 K，環境溫度300 K，空氣密度1.259 kg/m3。

當風速取4 m/s時，在火焰傾斜方向上，由模擬計算可以得到距著火油罐不同距離下的輻射熱量，經擬合軟件擬合成如圖2所示的擬合曲線。

圖2 風速為4 m/s時的輻射熱分布情況Fig.2 The distribution of thermal radiation under speed wind of 4m/s

由圖2可以看出，在同一風速的條件下，距著火油罐的距離越遠，火焰所輻射的熱量就越低。距著火油罐的范圍在0～50 m之間時，隨著距離的增加，輻射熱量大幅度降低；在50～100 m之間，輻射熱量降低減慢；而在100 m之后，接受點的輻射熱量幾乎不變。

油罐火災安全距離的影響因素有很多，風速對有關安全距離的計算起著至關重要的作用。因此對同一著火油罐分別取風速為4、3及1.5 m/s時進行模擬，圖3給出了不同風速下，在火焰傾角方向上，伴隨距火焰距離的改變，火焰熱輻射強度的分布曲線狀況。

圖3 不同風速下輻射熱分布情況Fig.3 The distribution of thermal radiation under different speed winds

由圖3可以看出，不同風速對著火油罐的熱輻射分布的影響不同。圖中三條曲線分別代表風速為4、3及1.5 m/s時在距火焰相同距離的情況下，風速越大在火焰傾角方向上，同一接收點處的輻射熱量越高。

大型油罐一般以四個儲罐為一個罐組，其中著火油罐設為1號油罐，在其垂直和水平方向上的相鄰油罐分別設為2號和3號油罐。在著火油罐對角線方向上的油罐設為4號油罐。其分布圖如圖4所示。

圖4 儲罐區布置圖Fig.4 The distribution map of tank filed

風速對油罐安全距離的影響較大，因此選取較為惡劣的情況作為來進行研究。根據前人的研究成果，在油罐接受的輻射熱量達到12.5 kW/m2時，就會使設備出現損壞。模擬計算可得，取風速為4 m/s，當風正面吹向4號油罐并且保證其輻射熱量不超過12.5 kW/m2時，著火油罐距4號儲油罐的安全距離為42.5 m，由此得到距2號和3號油罐的安全距離為31.2 m。為當風向直接吹向2號或3號油罐時，會增加儲罐區的占地面積，結合實際投資經費和土地資源問題，此種情況不予以考慮。

3 結 論

密封圈火災在大型原油儲罐火災中占相當大的比重，同時在火災發生后，臨近油罐的安全問題成為首要問題。因此儲罐間安全距離的確定對油庫安全具有相當重大的意義。由上述研究可得到以下三點：

（1）在風速一定的情況下，距離著火油罐的距離越遠輻射熱量就越低；

（2）在距離火焰同一距離處，不同風速情況下，輻射熱量分布不同。風速越大，同一接受點處的輻射熱強度就越大；

（3）在風速為4 m/s時，著火油罐與垂直或水平方向上油罐間的安全距離為31.2 m，與對角線上油罐的安全距離為42.5 m。

［1］ 楊國梁. 基于風險的大型原油儲罐防火間距研究[D]. 北京：中國礦業大學，2010.

［2］ 閆家偉，王青.大型儲油罐區池火災熱輻射數值模擬[J].消防理論研究，2012，10(31):1036-1040.

［3］ 朱建華，陳鈞舫. 油罐區池火熱輻射危害評價[J]. 水運科學研究所學報，1999, 3(1): 20-26．［4］ 種秀華，任志國，王博儒. 油庫池火災模型的數值模擬[J]. 安全、健康和環境，2007, 7(11) : 37-39．

［5］ 李麗霞. 有風情況池火災熱輻射下的最小安全距離[J]. 安全與環境學報，2006, 7(6): 113-117．

［6］ 魏欣，何雨謙，鐘月華，肖澤儀. 化工儲罐群池火災連鎖效應分析[J]. 工藝與設備，2013, 16(1): 41-43．

［7］ 孫標，郭開華. LNG池火熱輻射模型及安全距離影響因素研究[J].中國安全科學學報，2010, 20(9): 51-55．

［8］Tomakomai．Tomakomai Large Scale Crude Oil Fire Experiments [J]．Fire Technology，2000，36(1)：24-38．

［9］ SAMI ATALLAH and DONALD S．ALLAN．Safe Separation Distances from Liquid Fuel Fires[J]．Fire Technology，1971，7：47-56．

［10］趙雪娥，孟亦非，劉秀玉. 燃燒與爆炸理論[M]. 北京：化學工業出版社，2012．

Safe Distance of Large Storage Tank’s Seal Ring Fire Under Wind Condition

GUAN Xin-feng1，LIU De-jun1，WEI Ya-feng2，ZHU He1，GE Lan1， YANG Ping3
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. Yingkou Port Group Corp, Liaoning Yingkou 115009, China；3. PetroChina Fushun Petrochemical Company Catalyst Plant, Liaoning Fushun 113001, China）

With respect to the security issue of large storage tanks’ fire, taking crude oil tank’s seal ring fire as the research object, programming software was used to simulate and calculate the thermal radiation of burning storage tank, which can get the safe distance between the tanks. The study results show that, under the condition of certain weed speed, the thermal radiation decreases with increasing of the distance reaching the burning storage tank. For the same burning tank, with increasing of the wind speed, the thermal radiation increases. When the wind speed is 4 m/s, the safe distance between the tanks is 31.2 m.

Thermal radiation；Crude oil storage tank；Seal ring fire；Safe distance

TE 88

： A

： 1671-0460（2015）10-2395-03

2015-03-16

關新鳳（1989-），女，遼寧人，碩士研究生，研究方向：主要從事油庫安全評價方面的研究。E-mail：535042703@qq.com。

劉德俊（1967-），男，副教授，碩士，研究方向：主要從事輸油管道油庫安全評價方面的研究。E-mail：ldj8448@163.com。