基于火焰燃燒機理和熱輻射特性確定儲罐防火距離的探討

蔡亮（中國航油集團津京管道運輸有限責任公司）

我國石油戰略儲備庫快速發展，儲罐建設也呈大型化，已掌握最大儲罐20×104m3建設和施工技術[1]。儲罐防火距離是油庫設計的一項重要參數。我國儲罐設計主要考慮投資成本和節約用地，儲罐防火距離偏小，只能防御密封圈一般性火災，如發生儲罐全面積火災或者罐群火災，可能造成嚴重后果[2]。現行的商業油庫儲罐設計標準已不適用超大型油庫的安全要求。提高大型儲罐安全設計標準具有重要意義，應研究確定大型儲罐合理、安全的防火距離，提高油庫的本質安全性。研究了國內外標準關于儲罐防火距離的規定，指出現行儲罐防火距離存在的問題。介紹了較為公認的著火罐火焰燃燒機理和火焰熱輻射傳遞特性[3]。以1×104m3、2×104m3、5×104m3和 10×104m3儲存汽油和柴油的外浮頂儲罐為例，計算鄰近油罐在火焰熱輻射作用下的熱輻射量，根據熱輻射損害程度判定準則，確定科學、合理、安全的儲罐防火距離。

1 儲罐防火距離國內外標準差異分析

我國新建儲罐工程設計執行國家標準GB 50074—2014《石油庫設計規范》，GB 50074規定地上儲罐組內相鄰儲罐之間的防火距離應符合下列要求（表1）。

表1 地上儲罐組內相鄰儲罐之間的防火距離 m

美國儲罐設計執行美國消防協會標準NFPA 30—2012《易燃和可燃液體規范》。NFPA 30在儲罐防火距離章節中定義了不穩定液體（Unstable Liquid）和穩定液體（Stable Liquid）的術語。不穩定液體指商業生產、運輸過程中，在一定壓力、溫度或振動條件下，可能產生劇烈反應的液體；原油、汽油、柴油、煤油屬于穩定液體。針對儲存Ⅰ級、Ⅱ級、ⅢA級穩定液體的儲罐間距見表2。

可以看出，中美標準針對儲罐防火距離差異較大。以國內外廣泛應用的15×104m3浮頂罐為例（儲罐直徑約80 m），按照我國標準儲罐防火距離為32 m，如儲存丙B類可燃液體，甚至可取值15 m，美國標準為40 m。美國標準更嚴格。

2 浮頂罐火災類型

浮頂罐火災主要是雷擊導致的環形密封圈處的局部小型火災。挪威NDV公司研究了1981—1995年世界33 906座浮頂罐的62次火災事故數據，其中密封處火災55次，浮頂溢油1次，浮頂沉沒1次，防火堤內火災2次，隔堤內火災3次，況且4次發展為整個儲罐區的火災[4]。國外有浮頂沉沒造成儲罐全面積敞口火災的示例，1989年位于Dar Es Salaam的1座儲存12 720 m3原油的外浮頂罐遭受雷擊導致密封圈著火，大火持續燃燒了5 d。儲罐發生全面積敞口火災，撲救難度大，特別是原油儲罐可能會發生沸溢，固定式消防系統不足以應對，需要大功率的移動消防設施。例如，美國使用遠距離泡沫炮成功撲救直徑60 m的儲罐火災，泡沫炮射程152 m，流量高于250 L/s。

表2 儲罐防火距離

3 現行儲罐防火距離存在的問題

我國儲罐設計中，認為儲罐發生大規模火災爆炸為小概率事件，防火距離基本按照0.4D設計，用地緊張情況下直接取值15 m，防火距離偏小，固定消防系統只能防御環形密封處的一般性火災。若發生儲罐全面積火災或者防火堤池火災，消防冷卻水供給強度只能撲救著火儲罐，不能同時冷卻相鄰儲罐，存在安全隱患。應研究確定大型儲罐合理、安全的防火距離的方法，提高油庫的本質安全性。

4 儲罐火災火焰燃燒機理和火焰熱輻射傳遞特性

防火堤內池火災是大型浮頂原油儲罐火災類型之一，池火災指儲罐罐體破裂導致油品泄漏，油品在罐區防火堤內地面流淌擴散，在防火堤或隔堤限定的區域內積聚，形成一定厚度油池，遇點火源發生的火災。儲罐火災事故損失的主要原因是池火災熱輻射作用。研究儲罐池火災火焰燃燒機理和火焰熱輻射傳遞特性，計算鄰近油罐在火焰熱輻射作用下熱輻射通量的分布情況，進而確定科學、合理、安全的儲罐防火距離[5]。

4.1 儲罐火災直徑

根據防火堤型式、尺寸、面積等，計算油池火災直徑，即

式中：D——防火堤油池火災直徑，m；

S——防火堤面積，m2。

4.2 儲罐火焰高度

無風狀態下儲罐火災火焰高度的經驗公式為

式中：h——儲罐火災火焰高度，m；

g——重力加速度，m/s2；

ρ0——油氣混合物，kg/m3；

mf——油品燃燒速率，kg/(m2·s)。

4.3 火焰表面熱通量

通過儲罐火災火焰頂部和側面，熱輻射能量向外部均勻輻射，火焰表面熱通量可由下式求得：

式中：q表——火焰表面熱通量，kW/m2；

Hc——油品熱值，kJ/kg；

f——熱輻射系數。

4.4 儲罐火災熱輻射量

儲罐火災燃燒產生的熱輻射量可由下式求得：

式中：q總——儲罐火災燃燒產生的熱輻射量，kW；

η——效率因子。

4.5 熱輻射強度

假定儲罐火災火焰向外輻射的熱量全部從火災中心點源的球面擴散而來，距離儲罐中心x位置處的熱輻射強度，見公式（5）；或者計算熱輻射強度I對應的距離儲罐火災中心的位置x，見公式（6）。

式中：qx——任意位置x處的熱輻射強度，kW/m2；

x——任意位置和儲罐中心的距離，m；

I——給定的熱輻射強度，kW/m2。

表3 熱輻射損害程度判定準則

表4 汽油儲罐和柴油儲罐在臨界熱輻射強度下的儲罐防火距離

4.6 熱輻射損害程度判定準則

儲罐火災狀態下，著火儲罐熱輻射如果達到一定程度，可能造成臨近儲罐罐壁變形，甚至破裂爆炸，也是儲罐火災蔓延、造成人員傷亡和設施損壞的主要原因。熱輻射損害程度判定準則規定了目標所承受的熱輻射強度與造成設備損壞及人員傷亡程度的對應關系（表3）。研究儲罐科學、合理、安全的防火距離的前提條件是首先保證著火儲罐的臨近儲罐不被引燃，其次防火距離滿足消防設備操作的空間要求，同時必須保證消防人員零死亡。

確定相鄰儲罐不發生變形的臨界熱輻射強度，在相關研究中還存在差異，美國化學工程師學會（AICHE）的規定是相鄰油罐受輻射熱小于13.5 kW/m2；英國石油協會(BritainIs Institute of Petroleum)的規定是小于8 kW/m2。綜合考慮，著火儲罐的臨界熱輻射強度確定為10 kW/m2比較適宜[5]。

5 計算示例

某成品油儲備庫容量72×104m3，共4個罐組，每個罐組由4座1×104m3、2×104m3、5×104m3和10×104m3外浮頂儲罐組成，儲罐直徑分別是28.5 m、40.5 m、60 m和80 m，單罐防火堤尺寸分別是60 m×55 m、70 m×60 m、100 m×90 m和120 m×110 m，儲罐充裝系數0.85。汽油和柴油密度分別為750 kg/m3和820 kg/m3；汽油和柴油燃燒速率分別為0.025 6 kg/（m2·s）和0.013 7 kg/（m2·s）；油蒸汽密度1.29 kg/m3；汽油和柴油燃燒熱為46×103kJ/kg。根據上述計算模型可得到該儲備庫中汽油儲罐和柴油儲罐在臨界熱輻射強度下的儲罐防火距離（表4）。

綜上所述可得出如下結論：

1）臨界熱輻射強度下的儲罐防火距離均大于國內標準和美國標準規定的儲罐防火距離，即現行儲罐防火距離不能保證發生全面積敞口火災時臨近儲罐和人員的安全。

2）汽油儲罐防火距離要高于柴油儲罐防火距離。根據GB 50074液體火災危險性分類，原油、汽油屬于甲B類液體，煤油屬于乙A類液體，輕柴油屬于乙B類液體。表1中儲存甲B、乙類液體儲罐防火距離是一致的，應進一步細化油品類型、危險性等級和物性參數規定相應油品儲罐的防火距離。

3）隨著儲罐容積增加，臨界熱輻射強度下的儲罐防火距離與國內外標準規定的儲罐防火距離趨于接近。以10×104m3為例，臨界熱輻射強度下的儲罐防火距離為40.6 m，國內標準規定的儲罐防火距離為32 m，美國標準規定的儲罐防火距離為40 m。說明相對中小型儲罐，大型儲罐更容易滿足臨界熱輻射強度的安全條件，大型儲罐本質安全性更高，中小型儲罐遭受熱輻射危害的危險性更大。

4）根據儲罐火災火焰燃燒機理和火焰熱輻射傳遞特性的計算模型，儲罐防火距離的主要影響因素是防火堤尺寸（面積），決定了儲罐池火災的直徑、火焰高度、熱通量等。應研究儲罐防火堤尺寸、高度、坡度等參數對儲罐防火距離的影響。

5）確定儲罐防火距離的另一重要因素是油品性質，體現在原油和成品油的燃燒熱、油品表面燃燒速率存在差異，應根據油品性質規定原油儲罐和成品油儲罐的防火距離。

6）新建儲罐防火距離應嚴格執行國家標準規定。針對10×104m3以下中小型儲罐，應盡可能增加儲罐防火距離，并根據儲罐防火堤尺寸、油品性質核算儲罐可能承受的熱輻射強度，并配置相應等級的消防系統；針對超過10×104m3大型儲罐，現行國家標準規定的防火距離基本滿足安全要求。

6 結論和建議

1）針對儲罐防火距離，國外標準更嚴格，以浮頂罐為例，國內標準為0.4D，儲存丙B類油品甚至取值15 m，國外標準為0.5D。

2）現行儲罐防火距離只能防御環形密封處的小型火災，不能保證發生儲罐全敞口火災時臨近儲罐和消防人員的安全要求。

3）國外有浮頂罐全敞口火災的實例，撲救難度大，需要配置大功率移動消防設施。

4）汽油儲罐防火距離要高于柴油儲罐防火距離，應按照油品類型、危險性等級和物性參數規定原油和成品油儲罐防火距離。

5）大型儲罐本質安全性更高，更容易滿足臨界熱輻射強度的安全條件，中小型儲罐遭受熱輻射危害的危險性更大。

6）應研究儲罐防火堤尺寸、高度、坡度等參數對儲罐防火距離的影響。

7）針對10×104m3以下中小型儲罐，應盡可能增加儲罐防火距離，并根據儲罐防火堤尺寸、油品性質核算儲罐可能承受的熱輻射強度，并配置相應等級的消防系統；針對超過10×104m3大型儲罐，現行國內標準規定的防火距離基本滿足安全要求。