大型油罐火災爆炸危害范圍研究*

陳利瓊，馮雨翔，宋利強，李　京，馬　赫

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610000；2.中石油吉林天然氣管道有限責任公司，吉林 長春 130000；3.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710000)

0　引言

隨著大型油庫的不斷建設與完善，我國國內油庫庫容保持快速增長態勢。到2011年底，我國油品儲備總量已達5 756萬m3，預計到2020年，我國石油儲備將達8 500萬m3，油罐的大型化將成為發展的必然趨勢[1]。由于油罐罐容越來越大，一旦發生因油品跑、冒、滴、漏等引起的火災爆炸事故，可導致嚴重的人員傷亡、經濟損失。如2015年7月16日，山東省石大科技石化有限公司發生液化氣球罐著火爆炸事故[2]，導致2名消防員輕傷，7輛消防車毀壞。

目前，針對油罐火災爆炸的研究主要以理論分析和模擬預測等方法來分析事故可能的危害范圍。莊磊等[3]對直徑20 m的柴油罐燃燒進行數值模擬，得出無風和有風情況下油罐燃燒熱輻射的空間分布規律；劉志勇[4]研究了池火災的傷害模型，分析了風向、風速、距池火中心距離等因素對熱輻射通量的影響；趙承建等[5]應用SAFETI軟件對原油儲罐發生池火災的熱輻射傷害區域進行了定量計算和模擬分析，探討了合理確定原油罐區防火間距在工程中應用的可行性。雖然前人已對該問題有了一定研究，但缺乏針對影響油罐火災爆炸危害范圍的各因素進行系統而全面的分析，對各因素進行綜合作用和主導作用分析的研究較少。

為此，本文基于油品泄漏源模型，針對大型油罐火災爆炸事故，利用PHAST 7.11軟件對池火災和蒸氣云爆炸事故的危害范圍進行模擬分析，研究初始條件(泄漏點離地高度和泄漏孔當量直徑)、外部環境(風速、大氣穩定度和空氣濕度)和防火堤面積對危害范圍的影響，并對外部環境以及初始條件中起主導作用的因素進行了分析，以期為事故中相關作業人員的應急撤離提供決策參考。

1　數學模型

油罐火災爆炸的形式包括池火災、蒸氣云爆炸等，產生的危害包括火災的熱輻射、爆炸的沖擊波，以及爆炸的拋射物，由于爆炸產生的拋射物危害性通常相對有限，因此，這里重點討論事故產生的熱輻射和沖擊波危害范圍。

1.1　熱輻射危害范圍分析

可燃液體泄漏至地面形成液池，遇到火源燃燒形成池火災。池火災產生的破壞作用主要通過熱輻射實現[6]。常用于量化分析烴類池火災熱輻射通量的模型有點源模型、Mudan模型和Shokri-Beyler模型[7]，這里主要介紹點源模型。點源模型假定池火焰集中在液池軸線火焰高度的中心點處，熱量從該點發出，目標接受的熱輻射通量[8]為：

(1)

式中：I為目標接受的熱輻射通量，kW/m2；T為大氣傳遞系數，無量綱，一般取1；Q為火焰熱釋放速率，kW；R為目標到火焰中心的距離，m。

點源模型中使用Heskestad方程計算火焰高度：

H=0.235Q0.4-1.02D

(2)

式中：D為液池直徑，m。

1.2　沖擊波危害范圍分析

蒸氣云爆炸的定量模擬計算的模型主要有TNT當量模型和多能模型等。這里主要介紹TNT當量模型。TNT當量模型將蒸氣云爆炸的破壞作用轉化為相同當量TNT的破壞作用[12]，轉化公式為：

(4)

式中：ηf為爆炸效率系數，一般取平均值0.04；Wf為蒸氣云中油品質量，kg；Qf為油品的燃燒熱，MJ/kg；QTNT為TNT炸藥的燃燒熱，4.56 MJ/kg。

沖擊波超壓模型為：

ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(5)

式中：ΔP為沖擊超壓變化率，無量綱；Z為范圍系數，無量綱。

2　計算方法與模型驗證

本文采用挪威船級社開發的火災爆炸定量分析軟件PHAST對大型油庫火災爆炸事故后果進行分析。該軟件[13]計算范圍較廣，預測精度較高，對各類火災爆炸事故的研究被許多國內外企業及相關設計規范所采用。

為驗證PHAST軟件在油庫火災爆炸事故的預測效果，本文通過對比文獻[14]和[15]的實驗數據進行模型驗證。廖宇凡等[14]通過實驗研究了油池火的燃燒過程以及對周圍輻射影響，實驗環境溫度為5℃、無風。魏東等[15]通過對油罐火災的實驗研究，獲得了油罐發生火災時的熱輻射分布，試驗環境溫度為25℃、無風。模擬結果與實驗結果和經驗公式進行了對比，其中，熱輻射強度模擬結果驗證見圖1，沖擊波超壓模擬結果驗證見圖2，可見模擬結果與實驗和經驗公式結果吻合得較好，表明PHAST可以較準確地預測上述模型。

圖1　熱輻射強度的模擬結果與實驗結果對比Fig.1　Comparison of simulated results and experimental results of thermal radiation intensity

圖2　沖擊波超壓的模擬結果與經驗公式計算結果對比Fig.2　Comparison of simulation results of shock wave overpressure and empirical formula

3　模擬分析

3.1　初始條件影響的模擬分析

3.1.1泄漏點離地高度的影響

利用PHAST軟件模擬泄漏點離地高度對池火災以及蒸氣云爆炸的影響。考慮大氣穩定度為D級，風速為6 m/s，泄漏點離地高度分別為1，2，3，4，5 m，PHAST模擬了泄漏點離地高度對池火災和蒸氣云爆炸傷害距離的影響，結果如圖3所示。池火災傷害距離為早期池火災下風向重傷或輕傷半軸距離；蒸氣云爆炸傷害距離為人員輕傷或重傷半徑。可以看出，隨著泄漏點離地高度的增加，池火災的傷害距離呈近似線性上升趨勢；蒸氣云爆炸的傷害距離呈現先增大后減小的趨勢，并于泄漏點離地高度為3 m時，傷害距離達到最大。

圖3　泄漏點離地高度對池火災和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.3　Effect of the height of leakage point on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.1.2泄漏孔當量直徑的影響

考慮大氣穩定度為D級，風速為6 m/s，泄漏孔當量直徑分別為0.05，0.1，0.15，0.2，0.3 m，模擬結果如圖4所示。由圖4可見，隨著泄漏孔直徑的增大，池火災輕傷的傷害距離呈近似線性增長，重傷的傷害距離在油罐發生小泄漏時變化不大，當達到大泄漏[16]后(泄漏孔當量直徑大于0.15 m)，重傷的傷害距離隨泄漏孔當量直徑的增加而線性增加；蒸氣云爆炸的輕傷傷害距離增長幅度比重傷傷害距離增長幅度略大。總體而言，由于泄漏孔當量直徑的大小直接影響泄漏量，池火災和蒸氣云爆炸的傷害距離均隨泄漏孔當量直徑的增大而增大。

圖4　泄漏孔當量直徑對池火災及蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.4　Effect of equivalent diameter of the leakage hole on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.1.3初始條件的綜合影響

設傷害距離與各因素之間呈多項式關系，綜合上述模擬結果，擬合得出了池火災輕傷、重傷傷害距離隨泄漏點離地高度和泄漏孔當量直徑的關系式：

z1=312.6y1+1.8y2+23.1

(6)

(7)

式中：z1為輕傷傷害距離，m；z2為重傷傷害距離，m；y1為泄漏孔當量直徑，m；y2為泄漏點離地高度，m。其模型如圖5所示。由式(6)可見，泄漏孔當量直徑每增大0.1 m，池火災輕傷傷害距離增加31.26 m；泄漏點離地高度每增加1 m，輕傷傷害距離增加1.8 m。

圖5　泄漏點離地高度和當量直徑對池火災傷害距離的影響Fig.5　Effect of height of the leakage point and the equivalentdiameter of leakage hole on the damage scope of pool fire

同時，擬合得出了蒸氣云爆炸輕傷、重傷傷害距離隨泄漏點離地高度和泄漏孔當量直徑的關系式：

(8)

(9)

其模型如圖6所示。

圖6　泄漏點離地高度和泄漏孔直徑對蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.6　Effect of height of the leakage point and the equivalent diameter of leakage hole on the damage scope of vapor cloud explosion

可見，在初始條件影響中，對池火災和蒸氣云爆炸危害范圍而言，泄漏孔當量直徑的影響均比泄漏點離地高度的影響更大。

為驗證擬合結果的合理性，將擬合關系式計算結果與經驗公式計算結果進行對比。當泄漏點離地高度為1 m、泄漏孔當量直徑為0.1 m時，代入式(6)-(9)進行計算，得到池火災和蒸氣云爆炸的輕傷和重傷傷害距離的結果分別為56.2，24.7，34.8，21.7 m，代入經驗公式進行計算，計算結果分別為55.8，23.9，35.0，21.9 m，相對誤差為3.6%。可見，預測結果與經驗公式吻合較好，在所考慮的條件范圍內能較為準確地反映池火災和蒸氣云爆炸的傷害距離與各因素之間的關系。

3.2　外部環境影響的模擬分析

3.2.1風速的影響

對于外部環境而言，風速、大氣穩定度以及空氣濕度是影響池火災及蒸氣云爆炸的危害范圍的主要因素。常用的大氣穩定度分類方法修訂帕斯奎爾分類法，分為強不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、較穩定和穩定6級，分別表示為A，B，C，D，E和F級。考慮大氣穩定度為D級[17]，不同風速模擬結果如圖7所示。

圖7　風速對池火災和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.7　Effect of wind speed on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

由圖7可見，風速對池火災傷害距離的影響基本呈線性關系，這是由于高風速導致池火災火焰發展方向急劇向下風向方向偏移所致[18]。此外，隨著風速的增加，蒸氣云爆炸的傷害距離逐漸減少。這是由于高風速迅速稀釋了泄漏出的油蒸汽的濃度，同時湍流運動加劇了氣云與周圍環境熱交換，擴散出的過冷氣體溫度上升，氣體云密度下降，氣體云濃度下降，從而降低了蒸氣云爆炸的下風向傷害距離[19]。

3.2.2大氣穩定度的影響

考慮風速為6 m/s，大氣穩定度為A—F級，大氣穩定度對池火災傷害距離和蒸氣云爆炸傷害距離的影響PHAST模擬結果如圖8所示。由圖8可見，大氣穩定度對池火災的傷害距離基本無影響；隨著大氣穩定度的穩定級增加，蒸氣云爆炸的傷害距離呈上升趨勢。因此，穩定的大氣有助于爆炸的發展。

圖8　大氣穩定度對池火災和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.8　Effect of atmospheric stability on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.2.3空氣濕度的影響

考慮空氣濕度分別為10%，30%，50%，70%，90%，風速為6 m/s，大氣穩定度為D級，PHAST模擬結果如圖9所示。由圖9可見，空氣濕度對蒸氣云爆炸傷害距離基本沒有影響，對池火災傷害距離有微弱影響，總體趨勢是隨著空氣濕度的增加，池火災傷害距離降低。

圖9　空氣濕度對池火災和蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.9　Effect of air humidity on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.2.4外部環境的綜合影響

模擬結果顯示池火災和蒸氣云爆炸傷害距離與空氣濕度關系不大，故只考慮風速和大氣穩定度的影響，擬合公式如式(10)，(11)，模型如圖10所示。

z1=3.3lnx1+53.2

(10)

z2=3.4lnx1+25.3

(11)

式中：z1為輕傷傷害距離，m；z2為重傷傷害距離，m；x1為風速，m/s。

圖10　大氣穩定度和風速對池火災傷害距離的影響Fig.10　Effect of atmospheric stability and wind speed on the damage scope of pool fire

同時，擬合得出了蒸氣云爆炸輕傷、重傷傷害距離隨風速以及大氣穩定度的關系式：

z1=-15.3lnx1+50.5e0.052x2+7.1

(12)

z2=-9.5lnx1+30.6e0.053x2+4.5

(13)

式中：x2為大氣穩定度，其模型如圖11。

圖11　大氣穩定度和風速對蒸氣云爆炸傷害距離的影響Fig.11　Effect of atmospheric stability and wind speed on the damage scope of vapor cloud explosion

由圖11可見，在外部環境影響中，對池火災危害范圍而言，風速比大氣穩定度的影響更明顯。

當風速為2 m/s，大氣穩定度為C級時，得到池火災和蒸氣云爆炸的輕傷和重傷傷害距離的結果分別為55.4，27.6，52.5，31.9 m，經驗公式的計算結果分別為55.8，27.9，52.9，32.3 m，相對誤差為2.1%。可見預測結果與經驗公式吻合較好，在所考慮的條件范圍內能較為準確地反映池火災和蒸氣云爆炸的傷害距離與各因素之間的關系。

圖12　防火堤面積對池火災傷害距離的影響Fig.12　Effect of area of bound on the damage scope of pool fire

3.3　其他因素影響的模擬分析

防火堤面積也是影響池火災傷害距離的關鍵因素，考慮防火堤面積分別為1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 m2，泄漏點離地高度為1 m，泄漏孔當量直徑為0.1 m，風速為6 m/s，大氣穩定度為D級時傷害距離的變化，模擬結果如圖12所示。結果顯示，對于早期池火[20](液池質量達到平衡階段)，由于液池尚未蔓延至防火堤，因此傷害距離與防火堤的面積無關；對于晚期池火(液池半徑達到最大狀態)，由于液池已蔓延至防火堤，隨著防火堤面積的增加，液池面積隨之增加，則傷害距離增加，且輕傷傷害距離較重傷傷害距離增長的更快。

4　結論

1)池火災危害范圍隨風速、泄漏點離地高度、泄漏孔當量直徑和防火堤面積的增加而增加，隨空氣濕度的增加而略微降低，而與大氣穩定度的關系不大。

2)蒸氣云爆炸危害范圍隨風速的增加而降低，隨大氣穩定度和泄漏孔當量直徑的增加而增加，而受泄漏點離地高度以及空氣濕度的影響不大。

3)在初始條件影響中，對池火災和蒸氣云爆炸危害范圍而言，泄漏孔當量直徑的影響比泄漏點離地高度更大；在外部環境影響中，對池火災危害范圍而言，風速比大氣穩定度的影響更明顯。

4)綜合考慮了外部環境和泄漏初始條件等多因素對火災爆炸的影響，擬合得到各因素與危害范圍的關系，可為大型油罐火災爆炸事故中傷害程度的估計以及相關人員的安全撤離提供參考。

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