摘要：大型原油儲罐火災(zāi)事故具有多發(fā)性和災(zāi)難性，而且大型原油儲罐火災(zāi)的燃燒行為易受環(huán)境風(fēng)的影響，因此對環(huán)境風(fēng)作用下大型原油儲罐火災(zāi)進行后果模擬研究具有重要意義?，F(xiàn)利用FDS軟件對水平環(huán)境風(fēng)速分別為0m/s、4m/s、8m/s和12m/s的大型原油儲罐全表面火災(zāi)進行數(shù)值模擬，分析環(huán)境風(fēng)對火焰形態(tài)、輻射的影響規(guī)律，并進一步基于熱輻射通量準(zhǔn)則，評價環(huán)境風(fēng)作用下火災(zāi)對鄰罐的損害程度，提出了相應(yīng)的安全防治對策。

關(guān)鍵詞：FDS；環(huán)境風(fēng)；儲罐火災(zāi)；火焰輻射

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）05-0001-03

大型原油儲罐火災(zāi)事故具有多發(fā)性和災(zāi)難性。一旦發(fā)生此類事故，火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射會對周圍環(huán)境造成巨大的傷害[1-3]。由于大型原油儲罐火災(zāi)的燃燒行為易受環(huán)境風(fēng)等自然環(huán)境條件影響且大型原油儲罐火災(zāi)事故發(fā)生時往往存在著環(huán)境風(fēng)，而環(huán)境風(fēng)會加快原油表面氣體的混合和流動速度，同時會使火焰發(fā)生傾斜，影響液面與火焰之間的熱量傳遞機制，從而顯著影響大型原油儲罐火災(zāi)事故的發(fā)展與蔓延[4]。因此，研究環(huán)境風(fēng)作用下大型原油儲罐火災(zāi)的特征與危害對于預(yù)防這類火災(zāi)事故的發(fā)生、控制此類火災(zāi)事故的發(fā)展和蔓延等具有重要意義。

國內(nèi)外主要從實驗、理論分析和數(shù)值模擬這三個方面開展對大型油罐火災(zāi)的研究[4-6]。隨著大型油罐火災(zāi)實驗和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷成熟，利用數(shù)值模擬軟件對大型油罐火災(zāi)進行分析研究越來越廣泛。張日鵬[7]等人通過使用FDS軟件對直徑11.5m油池火災(zāi)的熱輻射進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)模擬與實驗值基本一致。陳虹燕[5]等人通過使用FDS軟件對不同風(fēng)速下甲醇油罐的燃燒火焰和輻射強度的變化情況開展了研究。在對大型原油儲罐火災(zāi)的數(shù)值模擬研究中，大多是在無環(huán)境風(fēng)作用下或是特定環(huán)境風(fēng)速時對大型油罐火災(zāi)進行后果模擬研究，而對于不同環(huán)境風(fēng)作用下大型油罐火災(zāi)的后果模擬研究較少[8]。因此，開展環(huán)境風(fēng)作用下大型油罐火災(zāi)模擬研究，并基于模擬結(jié)果進行安全風(fēng)險分析具有重要意義。

1 模擬及工況設(shè)置

在本研究設(shè)置的大型原油儲罐火災(zāi)模擬場景中，有4個大型原油儲罐，分為兩排，每排2個原油儲罐，儲罐編號分別為T1儲罐、T2儲罐、T3儲罐和T4儲罐。大型原油儲罐容積均為106m3，儲罐直徑80m，高21.8m，儲罐中原油液面高度為20m。根據(jù)GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》，對于外浮頂儲罐的大型原油儲罐區(qū)，罐組內(nèi)相鄰原油儲罐間的防火間距應(yīng)不小于0.4D。本研究中，大型原油儲罐的直徑D=80m，故罐組內(nèi)相鄰原油儲罐間的防火間距應(yīng)不小于32m，取32m作為大型原油儲罐的防火間距。

基于FDS對以上儲罐火災(zāi)模擬場景進行建模，除左邊界的通風(fēng)口和地面外，模擬區(qū)域的邊界條件均設(shè)置成“OPEN”表面，罐組中的T1儲罐為發(fā)生全表面火災(zāi)的油罐。最終構(gòu)建的大型原油儲罐組幾何模型見圖1。

圖1" 大型原油儲罐組幾何模型圖

大型原油儲罐中的燃料為原油，由于C19H30與原油的燃燒特性較為相似，因此在進行FDS數(shù)值模擬中，選用C19H30作為原油的替代燃料。本研究中設(shè)置的火災(zāi)場景工況共4個，主要分析在水平環(huán)境風(fēng)速分別為0m/s、4m/s、8m/s和12m/s的情況下，油罐發(fā)生全表面火災(zāi)時火災(zāi)的特征與危害。

經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證表明，合適的網(wǎng)格尺寸一般設(shè)置為火焰特征直徑的1/4～1/16之間。經(jīng)計算本研究中火焰特征直徑為41.85m，可得合適的網(wǎng)格尺寸為2.62m～10.46m。綜合考慮大渦模擬的精度與計算的時間和成本，本文將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3m×3m×3m，網(wǎng)格區(qū)域為360m×150m×210m（長×寬×高），網(wǎng)格總數(shù)為420000個。

2 結(jié)果與討論

2.1" 火焰形態(tài)

根據(jù)不同風(fēng)速下火焰分布模擬結(jié)果，環(huán)境風(fēng)會顯著影響火焰形態(tài)。隨著水平環(huán)境風(fēng)速的增大，T1儲罐全表面火災(zāi)產(chǎn)生的火焰和煙氣會逐漸向下風(fēng)向傾斜。水平環(huán)境風(fēng)速越大，火焰和煙氣向下風(fēng)向傾斜的角度也越大，對下風(fēng)向儲罐的熱輻射危害也越大。當(dāng)風(fēng)速從0m/s升高至4m/s時，火焰和煙氣傾角開始緩慢從0°增大至16°；當(dāng)風(fēng)速從4m/s升高至8m/s時，火焰和煙氣傾角的增加速率顯著增大，由16°增大至46°；當(dāng)風(fēng)速從8m/s升高至12m/s時，火焰和煙氣傾角的增加速率又略微減小，由46°增大至65°。總體來看，隨著風(fēng)速的增加，火災(zāi)傾角會逐漸增加，煙氣逐漸向地面擴散，這嚴(yán)重妨礙了在應(yīng)急救援過程中消防人員對火情的判斷和人員疏散，加大了滅火救援工作的難度。

2.2" 熱輻射強度

在FDS中通過設(shè)置Y=78m的2D切片可得到油罐中心縱截面處的熱輻射強度分布。根據(jù)不同風(fēng)速下的火災(zāi)輻射場分布可知，環(huán)境風(fēng)改變了大型原油儲罐全表面火災(zāi)輻射場分布。在環(huán)境風(fēng)的作用下，火焰向下風(fēng)向傾斜，增大了火災(zāi)對下風(fēng)向儲罐的熱輻射危害。風(fēng)速為0m/s時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為1275kW/m2；風(fēng)速為4m/s

時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為1109kW/m2；風(fēng)速為8m/s時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為360.7kW/m2；風(fēng)速為12m/s

時，著火罐中心縱截面處的熱輻射強度最高值為193.4kW/m2。

為了進一步基于數(shù)值模擬結(jié)果，評價環(huán)境風(fēng)作用下火災(zāi)對鄰罐的損害程度。本研究采用穩(wěn)態(tài)池火災(zāi)中常被使用的熱輻射通量準(zhǔn)則。當(dāng)熱輻射通量的范圍在0～12.5kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為基本無損傷；當(dāng)熱輻射通量的范圍在12.5～25kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為輕度損傷；當(dāng)熱輻射通量的范圍在25～37.5kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為中度損傷；當(dāng)熱輻射通量大于37.5kW/m2時，對儲罐造成的損壞分級為重度損傷。在FDS中通過設(shè)置熱輻射強度測點得到了熱輻射強度數(shù)據(jù)，下文中的熱輻射強度取值均為穩(wěn)定燃燒階段熱輻射測點處的熱輻射強度的平均值。

從圖2可以看出，不同風(fēng)速下T2罐壁處熱輻射強度均隨著罐壁高度的增加呈不斷增大的變化趨勢。當(dāng)風(fēng)速為0m/s時，在罐壁高度大于14.4m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷。當(dāng)風(fēng)速為4m/s時，在罐壁高度大于13.5m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷。當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，在罐壁高度為0～13m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷；在罐壁高度為13～18m時，熱輻射強度介于25kW/m2和37.5kW/m2

之間，T2罐壁被中度損傷；在罐壁高度大于18m時，熱輻射強度超過37.5kW/m2，T2罐壁被重度損傷。當(dāng)風(fēng)速為12m/s時，在罐壁高度為0～12m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2罐壁被輕度損傷；在罐壁高度為12～19m時，熱輻射強度介于25kW/m2和37.5kW/m2之間，T2罐壁被中度損傷；在罐壁高度大于19m時，熱輻射強度超過37.5kW/m2，T2罐壁被重度損傷。

圖2" 不同風(fēng)速下T2罐壁處熱輻射強度垂直分布

隨著T2罐頂測點距T1儲罐中心水平距離的增大，不同風(fēng)速下T2儲罐浮頂處的熱輻射強度均呈先增大后減小的變化趨勢。這是因為在靠近T2左側(cè)罐壁的位置處，儲罐壁板對熱輻射具有很強的遮擋作用，浮頂處接收的熱輻射強度較??；隨著水平距離的增大，儲罐壁板對熱輻射的遮擋作用逐漸減弱，浮頂處接收的熱輻射強度開始逐漸增大；隨著水平距離的進一步增大，浮頂處與火焰的距離也不斷增大，且超出了儲罐壁板對熱輻射的影響范圍，浮頂處接收的熱輻射強度不斷減小。當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，在T2罐頂測點距T1儲罐中心的水平距離為81～89m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2儲罐浮頂被輕度損傷；當(dāng)風(fēng)速為12m/s時，在T2罐頂測點距T1儲罐中心的水平距離為78～91m時，熱輻射強度介于12.5kW/m2和25kW/m2之間，T2儲罐浮頂被輕度損傷。

3 結(jié)束語

本文通過FDS開展了環(huán)境風(fēng)作用下大型原油儲罐火災(zāi)研究，分析環(huán)境風(fēng)對火焰形態(tài)、輻射的影響規(guī)律，并進一步基于熱輻射通量準(zhǔn)則，評價了環(huán)境風(fēng)作用下對鄰罐的損害程度。在有風(fēng)條件下油罐發(fā)生火災(zāi)時，火焰會向下風(fēng)向傾斜，增強了熱輻射對下風(fēng)向油罐的危害，故除了主要對著火罐進行滅火保護，也應(yīng)重點對其下風(fēng)向的油罐采取相應(yīng)的冷卻保護措施，如使用水槍、移動式消防水炮等，保證鄰罐的安全，防止火災(zāi)的發(fā)展和蔓延。

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