運用池火災模型對某原油儲罐的火災危險性分析

張 珂

(中國石油化工股份有限公司濟南分公司 安全環保處，山東 濟南 250101)

石近年來隨著國家"供給側改革"的推進，促進產業升級，淘汰技術落后、規模不經濟產能，石化產業朝著大型煉化一體化快速發展，其中原油儲罐也隨之向大型化方向發展。隨著原油儲罐數量越來越多，規模越來越大，隨之而來的安全問題也愈發突出。因原油儲罐泄漏而導致的事故，常見的有罐內池火災、罐外流淌火、蒸氣云爆炸等。其中罐區防火堤池火災，火焰溫度能達到1000℃左右。火災熱輻射會對周邊人員及設施造成危害，還有可能導致附近儲罐的破裂，進而導致二次事故。特別是隨著我國城鎮化進程的持續快速推進，導致一些煉化企業逐漸被城鎮包圍或靠近城市主城區，“城圍煉廠”的問題日益突出[1]。一些煉化企業的罐區已日漸處于城市的包圍中，如果發生火災、爆炸事故，在造成經濟損失和人員傷亡的同時，還會造成強烈的社會負面影響，制約企業的長遠健康發展。英國邦斯菲爾德油庫火災事故、印度西部拉賈斯坦邦油庫火災事故、中國石油大連875號柴油罐火災事故就全部造成了嚴重的社會負面影響。

本文通過研究某城市型煉廠的原油儲罐區，采用池火災模型計算出池火的液池半徑、火焰高度及熱輻射強度，從而得出事故發生后的重傷、死亡距離，為城市型煉廠的安全管理和應急管理提供可靠的依據。

1 池火災模型

本文以企業20000m3原油儲罐為例，儲罐北側、西側均為企業圍墻，最近點各距離儲罐150m，企業圍墻外為市政道路及零散居民區。池火災是指儲罐可燃液體泄露形成液池后，遇點火源而形成的火災。常見的池火災模型有點源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型等[2]。其中點模型是將池火抽象為火焰中心的一個點，假設所有的熱輻射都是由這一點釋放而出，具有計算簡單，數據直觀等優點, 池火災點源模型見圖1。

圖1 池火災點源模型

2 基于池火災模型的某企業原油儲罐計算

20000m3外浮頂式原油儲罐兩座，單獨各設防火堤。防火堤長寬各80m，高2m。選定其中一座進行分析計算。

2.1 液池半徑的計算[3]

原油罐區防火堤液池面積為：

S=802=6400m2

液池半徑按下式計算：

r=(S/3.14)0.5= 45.1m

式中:r——液池半徑，m；

S——防火堤所圍池面積，m2。

當液池中可燃液體的沸點高于周圍環境溫度時，液體表面單位面積的燃燒速度按下式計算：

式中，dm/dt——單位面積的燃燒速度，kg/(m2·s)；

Hc——液體燃燒熱，J/kg；

Cp——液體的定壓熱容，J/(kg·K)；

Tb——原油的沸點，K；

T0——環境溫度，K，取當年平均溫度12℃，即285K；

H——液體的汽化熱，J/kg。

原油的燃燒速度可以從手冊中直接查得為0.0781 kg/(m2·s)[4]。

2.2 計算火焰高度[5]

無風時，池火災火焰高度：

式中:h——火焰高度，m；

r——液池當量圓半徑，m；

ρ0——周圍空氣密度，kg/m3，計算取值1.293 kg/m3(標準大氣壓條件)；

g——重力加速度，9.8m2·s；

dm/dt——燃燒速度，0.0781 kg/(m2·s)。

計算得到池火燃燒火焰高度h=84×45.1×[0.0781/1.293×(2×9.8×45.1)0.5]0.6=91.9m。

2.3 計算池火燃燒時放出的總熱輻射通量

無風時，池火燃燒放出的總熱輻射通量計算見公式：

式中:Q——總熱輻射通量，W；

η——效率因子，范圍0.13～0.35，取平均值0.24；

Hc——液體燃燒熱，原油的燃燒熱為41030 kJ/kg。

經計算得，Q=

2.4 計算目標入射熱輻射強度

假設全部輻射熱量由液池中心點的小球面輻射出來，則在距離池中心某一距離(X)處的熱輻射強度見公式：

式中：I——熱輻射強度，W/m2；

Tc——熱傳導系數，在無相對理想的數據時，可取值為1；

X——目標點到液池中心距離，m。

已知總熱輻射通量Q=1502439kW，熱傳導系數Tc=1，公式可簡化為I=1502439/4πX2。

從公式可以看出，熱輻射強度與目標到液池中心距離的平方成反比的關系。

表1 熱輻射強度所造成的傷害和損失

將表1中不同的熱輻射通量數值代入熱輻射強度公式，分別求得目標點距離池火中心的數值分別如表2。

表2 不同熱輻射強度目標點距離池火中心的數值

3 結論

由計算可以看出，原油儲罐泄漏發生池火災時，只有在273.4m范圍外才可避免受到熱輻射傷害。其中需要注意的是，在上述原油罐區池火災分析計算中，沒有考慮風對火焰的影響。在實際情況中，必須考慮風的影響。

結合本文計算采用某城市型煉廠原油儲罐的計算模型來看，儲罐距離企業圍墻最近點150m，距離273.4m的安全距離還有一定差距，一旦發生火災爆炸事故將對企業圍墻外的市政道路、零散居民區產生影響，必須通過采取管理措施來降低事故狀態下的風險。

4 罐區安全管理措施建議

(1) 通過計算過程可以看出，儲罐池火災火焰高度與隨著池半徑成正比，傷害、破壞半徑與暴露時間成正比。熱輻射對人的傷害(輕傷、重傷或死亡)需要一定的時間，企業可通過完善罐區火災視頻報警系統，在罐頂及罐區高位設置視頻監控，及時發現異常進行處置。同時，企業應加強消防設施資金投入與維護保養，加強火災事故應急預案演練，從而進一步提高現場應急反應和處置能力，減少和避免造成更嚴重的傷害。在無法改變平面布局、儲罐與周邊設施安全距離的情況下，可采取降低儲罐儲存量的措施降低事故狀態下損失。

(2)加強原油儲罐日常安全管理。原油儲罐進出口管線設置緊急切斷閥，在事故狀態下及時切斷物料；保持罐區防火堤完好，確保電纜穿管縫隙處的密封完好，防止可燃液體泄漏后任意蔓延，也可減輕池火災的危害。在條件允許情況下，還應進一步提高耐火極限、提高防火堤的有效容積，設置充足的事故存液池，在發生大量油品泄漏的情況下，保證油品不溢泄至防火堤外[6]。

(3)在當前城圍煉廠的形式下，企業一旦發生事故，會造成公眾的恐慌對企業的不信任，制約著企業的長遠健康發展。城市型煉廠必須通過不斷提高“本質安全環保”水平，堅決杜絕事故發生，做到與周邊生態和諧共存，來謀取發展之路。