武彥濤，王保明，李瑞峰

(1．山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，山西 太原 030002;2．中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

火災(zāi)是火失去控制蔓延的一種災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象，是各種災(zāi)害中發(fā)生最頻繁且極具毀滅性的一種?；馂?zāi)種類很多，通常包括森林、建筑、油類及可燃?xì)怏w和粉塵爆炸所引起的火災(zāi)［1］。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者采用基于可能性分布的模糊事故樹(shù)分析法，對(duì)引發(fā)火災(zāi)事故的可能因素進(jìn)行了定量分析。系統(tǒng)分析了LPG(液化石油氣)的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性，比較了LPG儲(chǔ)罐區(qū)池火、沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸和蒸汽云爆炸事故后果分析方法，提出了預(yù)防LPG儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故的技術(shù)措施。本文對(duì)兩種火災(zāi)事故發(fā)生機(jī)理做了詳細(xì)分析。

1 池火災(zāi)

1．1 池火災(zāi)的定義與特征

池火災(zāi)是指由罐或防油堤盛著的液體燃燒產(chǎn)生的火災(zāi)，大多數(shù)液體火災(zāi)屬于這種情況。

發(fā)生池火災(zāi)的特征有：

1)池火災(zāi)的大小是由單位時(shí)間有多少燃料被點(diǎn)燃來(lái)決定的。單位時(shí)間內(nèi)的燃料有效消耗量稱為燃燒速度，通常以液面下降速度或燃料消耗的重量來(lái)表示。

2)由池火災(zāi)產(chǎn)生的火焰一般火焰高接近于容器直徑的兩倍。這就是說(shuō)池火災(zāi)的規(guī)模不僅取決于液體燃料的量，而且也同時(shí)取決于燃油的面積，燃油的面積越大，則火災(zāi)規(guī)模越大。因此，要減小火災(zāi)必須防止油面的擴(kuò)大。否則，罐火災(zāi)轉(zhuǎn)化為防油堤火災(zāi)，甚至轉(zhuǎn)化為場(chǎng)地火災(zāi)，擴(kuò)大危險(xiǎn)范圍。

3)池火災(zāi)還有一個(gè)危險(xiǎn)性要注意，即沸溢現(xiàn)象，也就是象原油那樣含水的油發(fā)生的火災(zāi)現(xiàn)象。當(dāng)含水油發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)使油溫上升，表面近處的油溫達(dá)到200℃ ～300℃，高溫逐漸成為熱波而下降，接觸水分的結(jié)果使水突然沸騰，以劇烈的形式將著火的油噴出來(lái)。

1．2 無(wú)縫式火焰高度H的計(jì)算

應(yīng)用Thomas經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

R—火焰半徑，m;

H—火焰高度，m;

ρa(bǔ)—周圍環(huán)境空氣密度;

dm/dt—單位液池面積物質(zhì)質(zhì)量燃燒速率;

g—微重力加速度，m/s2，取 9．81。

對(duì)于非圓形火災(zāi)池的有效半徑可以按同面積的圓形火災(zāi)池的半徑經(jīng)行計(jì)算：

式中：

S—非圓形池液面積，m2。

對(duì)于一般性的池火災(zāi)，起火高度接近于等效圓形火池直徑的2倍。所以對(duì)于該類火災(zāi)事故的處理可以按此經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行消防設(shè)施的合理使用。同時(shí)也為許多理論研究提供了較為方便的數(shù)值計(jì)算方法。

1．3 池液總輻射通量的計(jì)算

火災(zāi)池液體的總輻射通量計(jì)算公式：

式中：

Q—池輻射總熱量，kW;

Hc—物質(zhì)的燃燒熱;

η—效率因子，取0．13 ～0．35。

池火災(zāi)的總輻射通量是發(fā)火后火災(zāi)池所具有的輻射能力的數(shù)值體現(xiàn)，輻射通量越大，表明火災(zāi)池所具有的危險(xiǎn)性越高，對(duì)確定消防的安全距離具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，而且能夠?qū)馂?zāi)發(fā)生后周圍建筑物的毀壞程度進(jìn)行定量分析，便于進(jìn)行火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)定。

1．4 被輻射物體到池中心的距離

火災(zāi)池中，被輻射物體到火焰核心的距離見(jiàn)公式：

式中：

r—目標(biāo)到池中心的距離，m;

I—目標(biāo)接受的熱強(qiáng)度，kW/m2;

T—空氣路徑的熱輻射透過(guò)率，取1。

在模型研究中，采用熱輻射強(qiáng)度的一般影響準(zhǔn)則作為對(duì)輻射物破壞程度的判斷依據(jù)，不同熱輻射強(qiáng)度所造成傷害/破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)［2］見(jiàn)表1。被輻射物體的破壞程度以被輻射目標(biāo)所接受到的有效熱輻射作為目標(biāo)是否被破壞的唯一參數(shù)，當(dāng)輻射目標(biāo)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)接收到的熱輻射強(qiáng)度大于或等于目標(biāo)破壞臨界熱輻射強(qiáng)度時(shí)目標(biāo)被破壞;否則，目標(biāo)不被破壞。

1．5 池火災(zāi)安全評(píng)價(jià)的理想假設(shè)

當(dāng)裝有可燃液體或油品的容器在不安全因素的觸發(fā)下發(fā)生池火災(zāi)時(shí)，池內(nèi)油品、可燃液體等可燃物被高于著火點(diǎn)的熱源點(diǎn)燃并充分燃燒干凈，裝可燃物的設(shè)備在一定程度受到破壞。對(duì)于防火堤外的周圍物體及人員也會(huì)造成不同程度的傷害。本文為了描述這種關(guān)系及計(jì)算方便，對(duì)池火災(zāi)的研究模型做如下理想化假設(shè)：

1)池火災(zāi)發(fā)火面積為圓形，上升火焰為圓柱形火焰。

表1 不同輻射強(qiáng)度所造成傷害/破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)

2)在發(fā)火燃燒的高溫輻射區(qū)，因?yàn)榭扇細(xì)怏w的輻射能力與炭黑粒子相比較小，所以認(rèn)為主要的輻射物是固體的炭黑粒子。

3)將池火災(zāi)發(fā)火火焰對(duì)周圍物體的熱輻射理想化為火焰圓柱型外表面對(duì)周圍的輻射。

4)火災(zāi)為穩(wěn)態(tài)池火災(zāi)，研究區(qū)域外圍為黑體。

5)通常來(lái)說(shuō)，氣體的輻射能力低于固體顆粒，故可以認(rèn)為池火災(zāi)過(guò)程中火焰的主要輻射物質(zhì)為炭黑微粒。一般來(lái)講，罐區(qū)火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間都是短暫的，但是在消防過(guò)程的防火間距定義為：在消防能力的范圍內(nèi)，一個(gè)儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致另一個(gè)儲(chǔ)罐不發(fā)生火災(zāi)的最小安全距離。而本文假設(shè)火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間是連續(xù)的、長(zhǎng)時(shí)間的、可連續(xù)觀察的。此類簡(jiǎn)化便于火災(zāi)模型的定量分析，從而確定各種火災(zāi)參數(shù)，而且能夠模擬分析出火災(zāi)射通量閾值，該方法具有非常廣泛的意義。

2 噴射火

2．1 噴射火事故后果分析思路

跟池火災(zāi)的作用機(jī)理類似，噴射火火災(zāi)事故發(fā)生的主要表現(xiàn)形式也是燃燒火焰產(chǎn)生的熱輻射。為了簡(jiǎn)化模型，通常理想化的認(rèn)為噴射出的火焰是由大量具有相同輻射通量的熱源點(diǎn)沿著火焰中心軸線聚集疊加而成的。通?？筛鶕?jù)式(9)計(jì)算出輻射點(diǎn)源的射通量。

對(duì)于噴射火焰宏觀狀態(tài)下最終熱輻射的確定，還要根據(jù)氣體泄漏速度以及噴射管道內(nèi)部氣體壓力的大小進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)事故后火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)所調(diào)查的各種數(shù)據(jù)由式(6)、(7)可計(jì)算出噴射氣體的泄露速度。再根據(jù)式(6)、(9)、(10)可計(jì)算出輻射強(qiáng)度。

2．2 熱輻射強(qiáng)度計(jì)算模型

對(duì)于理想狀態(tài)下的點(diǎn)源熱輻射可按下式計(jì)算：

式中：

q—點(diǎn)熱源熱輻射通量，W;

Q0— 泄露速度，kg/s;

Hc—燃燒熱，J/kg;

η—效率因子，可取 0．35。

2．3 燃?xì)庑孤┧俣?/h3>

對(duì)于不同狀態(tài)不同條件下的氣體泄漏量以及泄露速度的計(jì)算是不同的，當(dāng)滿足時(shí)氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng)，其泄漏速度為：

以上兩式中：

P0—環(huán)境壓力，Pa;

P—管道內(nèi)燃?xì)鈮毫?，Pa;

k—?dú)怏w絕熱指數(shù)，即定壓比熱Cp，與定容比熱Cv之比;

Q0—泄漏速度，kg/s;

Cd—?dú)怏w泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時(shí)取1．00，三角形時(shí)取 0．95，長(zhǎng)方形時(shí)取 0．90;

M—?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg/kmol;

T—?dú)怏w溫度，K;

A—裂口面積，m2;

R—?dú)怏w常數(shù)，J/mol·K。

2．4 熱輻射強(qiáng)度

在火災(zāi)事故后的原因調(diào)查過(guò)程中，對(duì)于噴射火火焰的輻射強(qiáng)度的計(jì)算用疊加的方式進(jìn)行處理，一般把沿著火焰中心線的5個(gè)點(diǎn)熱源作為計(jì)算的中心點(diǎn)，然后按與這些點(diǎn)的不同距離用公式(8)進(jìn)行計(jì)算：其泄漏速度為：

式中：

Ii—點(diǎn)熱源 i至目標(biāo)點(diǎn) z處的熱輻射強(qiáng)度，W/m2;

x—點(diǎn)熱源到目標(biāo)點(diǎn)的距離，m;

λ—輻射率，一般取 0．2。

對(duì)于噴射火焰作用下的周圍物體接受到的輻射強(qiáng)度，按疊加原理看作是由所有點(diǎn)熱源單獨(dú)作用于該點(diǎn)的數(shù)值疊加：

一般情況下，在發(fā)生噴射火事故的現(xiàn)場(chǎng)存在許多不確定因素，這直接影響到噴射火焰的噴射形狀、速度等作用的范圍和強(qiáng)度，在本文的模型分析中引入一個(gè)理想化的模型，及認(rèn)為火焰的形狀是一個(gè)能量集中的點(diǎn)，從而便于模型建立，對(duì)于距離該點(diǎn)x處的目標(biāo)點(diǎn)可以近似的應(yīng)用式(10)進(jìn)行計(jì)算：

i處為理想化的能量集中點(diǎn)，它對(duì)目標(biāo)的輻射強(qiáng)度代入式(10)后即可求出噴射火焰的作用強(qiáng)度，見(jiàn)圖1。

圖1 簡(jiǎn)化模型示意圖

雖然經(jīng)過(guò)理想化的處理，但是對(duì)于事故后的計(jì)算非常便捷可行。

2．5 噴射火焰的傷害面積

噴射火焰的突然發(fā)生會(huì)導(dǎo)致周圍物體和人員的意外傷害，對(duì)于不同輻射強(qiáng)度的火焰按表1中給出了造成的不同損失值。根據(jù)表l中的數(shù)據(jù)，結(jié)合公式(8)可以計(jì)算出噴射火焰的輻射半徑和面積。

輻射半徑：

輻射面積：

輻射面積示意圖見(jiàn)圖2。

根據(jù)輻射面積示意圖，O代表噴射火源;區(qū)域SR代表“操作設(shè)備全部損壞，人員1%死亡/l0 s、100%死亡/1 min”;區(qū)域So代表“在無(wú)火焰、長(zhǎng)時(shí)間輻射下，木材燃燒;人員重大損傷/10 s、100%死亡/1min”;區(qū)域SY代表“有火焰時(shí)，木材燃燒，塑料熔化;人員1度燒傷/10 s、l%死亡/1 min”。

圖2 輻射面積示意圖

該3個(gè)公式給出了距離輻射中心的不同區(qū)域內(nèi)的輻射造成的危害大小，對(duì)于發(fā)生噴射火災(zāi)事故后的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)及對(duì)救援力量的分配具體有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2．6 噴射火后果模型

目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算熱輻射的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型主要有兩種：點(diǎn)源模型和固體火焰模型［3］。本文采用固體火焰模型(Thornton模型)［4］來(lái)描述噴射火的幾何形狀及輻射強(qiáng)度。該模型假定噴射火形狀為平截頭圓錐形，描述平截頭圓錐體的參數(shù)有火焰長(zhǎng)度、火焰錐體長(zhǎng)度、錐體抬升高度等，有風(fēng)條件下的噴射火形狀示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 有風(fēng)條件下噴射火形狀示意圖

根據(jù)該模型顯示，對(duì)于噴射火災(zāi)事故后災(zāi)害擴(kuò)散方向有一定的預(yù)測(cè)作用以及對(duì)消防人員控制火災(zāi)的擴(kuò)大具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了更準(zhǔn)確地分析事故，本文針對(duì)池火災(zāi)和噴射火事故建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上又做了詳細(xì)的事故數(shù)學(xué)分析。文中闡述的火災(zāi)事故分析方法和事故分析過(guò)程可以準(zhǔn)確地分析出火災(zāi)事故的破壞作用，對(duì)于發(fā)生該類事故后的應(yīng)急處理措施以及消防力量的布置與分配具有一定的指導(dǎo)意義。

本文在兩種火災(zāi)模型的建立過(guò)程中運(yùn)用了數(shù)學(xué)和物理研究方面的理想化假設(shè)，把復(fù)雜的問(wèn)題做了簡(jiǎn)單化處理，目的是為了便于模型的建立和研究的方便，但是這并不影響其現(xiàn)實(shí)意義，相反對(duì)于池火災(zāi)和噴射火災(zāi)這樣常見(jiàn)且破壞比較大的事故的處理具有方便快捷的意義，更符合研究應(yīng)用于實(shí)踐的理念。

［1］ 常萬(wàn)森．火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和火災(zāi)事故調(diào)查［J］．消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2009，25(6)：63－64．

［2］ 宋文華，苗 欣，王世英．池火災(zāi)評(píng)價(jià)法在三乙胺儲(chǔ)罐區(qū)的應(yīng)用研究［J］．消防科學(xué)與技術(shù)，2008，27(4)：243－245．

［3］ 肖建蘭，呂保和，王明賢．氣體管道泄漏模型的研究進(jìn)展［J］．安全與環(huán)境工程，2006(2)：15－18．

［4］ 王大慶，高惠林，霍春勇．天然氣管道泄漏射流火焰形貌研究［J］．安全與環(huán)境工程，2006(2)：29－32．