基于CFD模擬的池火災后果面積定量計算方法研究

于 闖 韓志遠 謝國山

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家市場監管技術創新中心（煉油與化工裝備風險防控） 北京 101300）

石化裝置在生產流程中包含一些危險介質，其中易燃介質在隔離失敗的情況下會泄漏引發火災，應用安全屏障可達到對事故傷害后果減緩的目的。目前國內GB／T 26610.5—2014《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第5部分：失效后果定量分析方法》考慮了安全屏障對后果的影響，給出了半定量的計算方法，然而這種方法相對簡單，沒有考慮安全屏障的具體參量，也無法定量計算后果的實際減少面積[1]。而對安全屏障進行定量評估能夠更加準確地對石化承壓設備進行后果和風險評估，以及對安全屏障的作用進行準確評價。

國內外學者多采用數值模擬的方法進行石化裝置火災的相關研究[2-3]。管佳林等人對油罐區火災事故進行了數值模擬，并計算熱輻射閾值得到人員安全距離[4]。王海燕等人通過數值模擬的方法得到熱輻射通量與距離的關系曲線[5]。前人的研究說明通過數值模擬的方法可以得到熱輻射和安全距離的定量關系，通過安全距離能夠對人員傷害后果面積進行定量評估。為定量評估池火災對人身安全的失效后果的影響面積，本文針對承壓設備失效的池火災場景，探究了基于所設置圍堰的關鍵參量，得到了盛裝危險介質的壓力容器池火災后果面積修正計算的方法。

1 池火計算方法

1.1 池火災傷害后果計算理論模型

彭新平等人對比了2種池火災傷害后果計算理論模型，發現其中的池火災后果計算理論模型結果相對完整，更適合在石化裝置事故后果計算中使用[6-7]。池火災后果計算理論模型如下：

1）根據燃燒速度計算火焰高度，見式（1）和式（2）：

式中：

S ——液池的面積，m2；

r ——池火災的當量半徑，m。

式中：

h ——火焰高度，m；

ρ0——空氣密度，取 1.293 kg／m3；

g ——重力加速度，取9.8 m／s2；

dm／dt ——單位面積的質量燃燒速度，kg／（m2·s)，根據美國消防協會推薦值取0.14。

2）總熱輻射通量計算，見式（3）：

式中：

Q ——總熱輻射通量，kW；

η ——效率因子，可取0.13～0.35，取最大值0.35計算；

Hc——液體燃燒熱，kJ／kg，甲烷液體燃燒熱為55 600 kJ／kg。

3）池火災人員安全距離計算，見式（4）：

式中：

I ——熱輻射強度，kW／m2，人員傷害閾值按照標準[8-9]取12.5 kW／m2；

tc——熱傳導系數，取1；

l ——池火災人員安全距離，m。

4）人員傷害后果面積計算，見式（5）：

式中：

A ——人員傷害后果面積，m2；

Φ ——人員傷害后果面積修正系數。

1.2 池火災CFD建模

本文應用Flacs軟件對池火災進行模擬計算，大多數火災場景涉及的是非預混或擴散火焰，本文選擇Flacs軟件非耦合池火模型進行火災的數值模擬，非耦合池火模型主要有池大小以及燃燒速率2個影響因素，通常使用面積泄漏建模來模擬非耦合池火模型的蒸發速率，池大小根據圍堰面積確定，燃燒速率根據Flacs軟件中經驗值選定。

池火災場景模型網格劃分如圖1所示，計算域網格數量3 198 720，網格最大尺寸16.1 m×11.5 m×3.6 m，對核心計算區域網格進行加密處理最小尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m，并與其他區域平滑過渡，最大增長系數1.1。

圖1 池火災場景建模網格劃分

模擬場景為球罐介質泄漏的池火災，燃燒介質為甲烷，泄漏面積與圍堰面積相同，觀測點變量為熱輻射通量，當熱輻射面積趨于穩定時停止計算，其余具體參數設置見表1。

表1 池火災模擬參數設置

2 池火火災模擬

如圖2所示，模擬了無圍堰時池火災后果面積并與理論模型計算后果面積的值進行對比，模擬了液池面積為9 m、16 m、36 m時的池火災，2種方法計算的后果面積趨勢相同，而數值模擬計算的后果面積與理論模型計算的后果面積相差最大為17%。這是由于理論計算模型在考慮火焰模型時將火焰形狀理想化為圓柱體，通過火焰表面發射輻射，而在Flacs軟件中更接近于火焰的真實形狀，并假設輻射為火焰長度方向的多個輻射源向四周發射，這導致了理論計算模型的輻射源更多，熱輻射傳播的面積更大；另一方面在Flacs軟件中考慮環境溫度、壓力以及煙氣吸收對熱輻射傳播帶來的影響，而在理論模型計算后果面積時效率因子取最大值0.35，也同樣會造成2種方法的結果存在差別。

圖2 無圍堰池火災后果面積與理論模型后果面積對比

圖3 是圍堰高度為1.2 m且面積分別為100 m2、225 m2、400 m2、625 m2和900 m2的池火所造成的熱輻射面積的云圖，并根據熱輻射對人員的傷害等級對云圖進行等級劃分[9]，其中x軸負方向為上風向，x軸正方向為下風向?？梢钥闯觯和粺彷椛涞燃壍那闆r下，隨著圍堰面積的增加，池火災后果面積也隨之增加；并且距火焰中心相同距離的位置，下風向熱輻射值大于上風向熱輻射值。

圖3 不同圍堰面積的池火熱輻射云圖

圖4 為池火災傷害后果計算模型和數值模擬計算的人員傷害后果面積與液池面積進行線性擬合得到的關系曲線?？梢钥闯觯涸趪吣苋刻幚斫橘|泄漏量的情況下，隨著液池面積的增加，池火所造成的人員傷害后果面積也會逐漸增加；并且在液池面積相同時，池火災傷害后果計算模型得到的后果面積均大于數值模擬計算的人員傷害后果面積。

圖4 人員傷害后果面積與液池面積關系曲線

由于池火災傷害后果理論計算模型未考慮圍堰的情況，因此用CFD數值模擬的有圍堰的池火災人員傷害后果面積曲線對池火災傷害后果計算模型計算的人員傷害后果面積曲線進行運算后擬合，得到修正系數曲線如圖5所示，擬合系數為0.999 97，擬合結果較好，修正系數曲線見式（6）。在本文的研究范圍之內，對有圍堰的情況下進行風險評估計算人員傷害后果面積時，可以應用修正后的池火災傷害后果計算模型進行計算。

圖5 池火災人員后果面積修正系數曲線

3 結論

本文研究了基于不同圍堰面積的池火災后果面積，在圍堰能全部處理介質泄漏量的情況下，隨著圍堰面積的增加，池火所造成的人員傷害后果面積也會逐漸增加。

對比了池火災傷害后果計算理論模型與Flacs軟件數值模擬的結果，發現在液池面積相同時，理論計算模型計算的后果面積均大于數值模擬的有圍堰時造成的人員傷害后果面積。

本文將池火災傷害后果計算模型計算的人員傷害后果面積曲線和Flacs軟件數值模擬的人員傷害后果面積曲線運算后進行線性擬合，得到了修正系數曲線，修正系數有助于對池火災快速進行風險評估，對人員傷害后果面積進行定量計算。