基于两种典型火灾事故的分析

武彦涛，王保明，李瑞峰

(1．山西兴新安全生产技术服务中心，山西 太原 030002;2．中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)

火灾是火失去控制蔓延的一种灾害性燃烧现象，是各种灾害中发生最频繁且极具毁灭性的一种。火灾种类很多，通常包括森林、建筑、油类及可燃气体和粉尘爆炸所引起的火灾［1］。国内相关学者采用基于可能性分布的模糊事故树分析法，对引发火灾事故的可能因素进行了定量分析。系统分析了LPG(液化石油气)的火灾爆炸危险性，比较了LPG储罐区池火、沸腾液体扩展蒸汽爆炸和蒸汽云爆炸事故后果分析方法，提出了预防LPG储罐区火灾爆炸事故的技术措施。本文对两种火灾事故发生机理做了详细分析。

1 池火灾

1．1 池火灾的定义与特征

池火灾是指由罐或防油堤盛着的液体燃烧产生的火灾，大多数液体火灾属于这种情况。

发生池火灾的特征有：

1)池火灾的大小是由单位时间有多少燃料被点燃来决定的。单位时间内的燃料有效消耗量称为燃烧速度，通常以液面下降速度或燃料消耗的重量来表示。

2)由池火灾产生的火焰一般火焰高接近于容器直径的两倍。这就是说池火灾的规模不仅取决于液体燃料的量，而且也同时取决于燃油的面积，燃油的面积越大，则火灾规模越大。因此，要减小火灾必须防止油面的扩大。否则，罐火灾转化为防油堤火灾，甚至转化为场地火灾，扩大危险范围。

3)池火灾还有一个危险性要注意，即沸溢现象，也就是象原油那样含水的油发生的火灾现象。当含水油发生火灾时，火灾使油温上升，表面近处的油温达到200℃ ～300℃，高温逐渐成为热波而下降，接触水分的结果使水突然沸腾，以剧烈的形式将着火的油喷出来。

1．2 无缝式火焰高度H的计算

应用Thomas经验公式：

式中：

R—火焰半径，m;

H—火焰高度，m;

ρa—周围环境空气密度;

dm/dt—单位液池面积物质质量燃烧速率;

g—微重力加速度，m/s2，取 9．81。

对于非圆形火灾池的有效半径可以按同面积的圆形火灾池的半径经行计算：

式中：

S—非圆形池液面积，m2。

对于一般性的池火灾，起火高度接近于等效圆形火池直径的2倍。所以对于该类火灾事故的处理可以按此经验值进行消防设施的合理使用。同时也为许多理论研究提供了较为方便的数值计算方法。

1．3 池液总辐射通量的计算

火灾池液体的总辐射通量计算公式：

式中：

Q—池辐射总热量，kW;

Hc—物质的燃烧热;

η—效率因子，取0．13 ～0．35。

池火灾的总辐射通量是发火后火灾池所具有的辐射能力的数值体现，辐射通量越大，表明火灾池所具有的危险性越高，对确定消防的安全距离具有现实的指导意义，而且能够对火灾发生后周围建筑物的毁坏程度进行定量分析，便于进行火灾危险性等级评定。

1．4 被辐射物体到池中心的距离

火灾池中，被辐射物体到火焰核心的距离见公式：

式中：

r—目标到池中心的距离，m;

I—目标接受的热强度，kW/m2;

T—空气路径的热辐射透过率，取1。

在模型研究中，采用热辐射强度的一般影响准则作为对辐射物破坏程度的判断依据，不同热辐射强度所造成伤害/破坏的判断标准［2］见表1。被辐射物体的破坏程度以被辐射目标所接受到的有效热辐射作为目标是否被破坏的唯一参数，当辐射目标在发生火灾时接收到的热辐射强度大于或等于目标破坏临界热辐射强度时目标被破坏;否则，目标不被破坏。

1．5 池火灾安全评价的理想假设

当装有可燃液体或油品的容器在不安全因素的触发下发生池火灾时，池内油品、可燃液体等可燃物被高于着火点的热源点燃并充分燃烧干净，装可燃物的设备在一定程度受到破坏。对于防火堤外的周围物体及人员也会造成不同程度的伤害。本文为了描述这种关系及计算方便，对池火灾的研究模型做如下理想化假设：

1)池火灾发火面积为圆形，上升火焰为圆柱形火焰。

表1 不同辐射强度所造成伤害/破坏的判断标准

2)在发火燃烧的高温辐射区，因为可燃气体的辐射能力与炭黑粒子相比较小，所以认为主要的辐射物是固体的炭黑粒子。

3)将池火灾发火火焰对周围物体的热辐射理想化为火焰圆柱型外表面对周围的辐射。

4)火灾为稳态池火灾，研究区域外围为黑体。

5)通常来说，气体的辐射能力低于固体颗粒，故可以认为池火灾过程中火焰的主要辐射物质为炭黑微粒。一般来讲，罐区火灾发生的时间都是短暂的，但是在消防过程的防火间距定义为：在消防能力的范围内，一个储罐发生火灾导致另一个储罐不发生火灾的最小安全距离。而本文假设火灾发生的时间是连续的、长时间的、可连续观察的。此类简化便于火灾模型的定量分析，从而确定各种火灾参数，而且能够模拟分析出火灾射通量阈值，该方法具有非常广泛的意义。

2 喷射火

2．1 喷射火事故后果分析思路

跟池火灾的作用机理类似，喷射火火灾事故发生的主要表现形式也是燃烧火焰产生的热辐射。为了简化模型，通常理想化的认为喷射出的火焰是由大量具有相同辐射通量的热源点沿着火焰中心轴线聚集叠加而成的。通常可根据式(9)计算出辐射点源的射通量。

对于喷射火焰宏观状态下最终热辐射的确定，还要根据气体泄漏速度以及喷射管道内部气体压力的大小进行数值计算，根据事故后火灾现场所调查的各种数据由式(6)、(7)可计算出喷射气体的泄露速度。再根据式(6)、(9)、(10)可计算出辐射强度。

2．2 热辐射强度计算模型

对于理想状态下的点源热辐射可按下式计算：

式中：

q—点热源热辐射通量，W;

Q0— 泄露速度，kg/s;

Hc—燃烧热，J/kg;

η—效率因子，可取 0．35。

2．3 燃气泄漏速度

对于不同状态不同条件下的气体泄漏量以及泄露速度的计算是不同的，当满足时气体流动属于声速流动，其泄漏速度为：

以上两式中：

P0—环境压力，Pa;

P—管道内燃气压力，Pa;

k—气体绝热指数，即定压比热Cp，与定容比热Cv之比;

Q0—泄漏速度，kg/s;

Cd—气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1．00，三角形时取 0．95，长方形时取 0．90;

M—气体摩尔质量，kg/kmol;

T—气体温度，K;

A—裂口面积，m2;

R—气体常数，J/mol·K。

2．4 热辐射强度

在火灾事故后的原因调查过程中，对于喷射火火焰的辐射强度的计算用叠加的方式进行处理，一般把沿着火焰中心线的5个点热源作为计算的中心点，然后按与这些点的不同距离用公式(8)进行计算：其泄漏速度为：

式中：

Ii—点热源 i至目标点 z处的热辐射强度，W/m2;

x—点热源到目标点的距离，m;

λ—辐射率，一般取 0．2。

对于喷射火焰作用下的周围物体接受到的辐射强度，按叠加原理看作是由所有点热源单独作用于该点的数值叠加：

一般情况下，在发生喷射火事故的现场存在许多不确定因素，这直接影响到喷射火焰的喷射形状、速度等作用的范围和强度，在本文的模型分析中引入一个理想化的模型，及认为火焰的形状是一个能量集中的点，从而便于模型建立，对于距离该点x处的目标点可以近似的应用式(10)进行计算：

i处为理想化的能量集中点，它对目标的辐射强度代入式(10)后即可求出喷射火焰的作用强度，见图1。

图1 简化模型示意图

虽然经过理想化的处理，但是对于事故后的计算非常便捷可行。

2．5 喷射火焰的伤害面积

喷射火焰的突然发生会导致周围物体和人员的意外伤害，对于不同辐射强度的火焰按表1中给出了造成的不同损失值。根据表l中的数据，结合公式(8)可以计算出喷射火焰的辐射半径和面积。

辐射半径：

辐射面积：

辐射面积示意图见图2。

根据辐射面积示意图，O代表喷射火源;区域SR代表“操作设备全部损坏，人员1%死亡/l0 s、100%死亡/1 min”;区域So代表“在无火焰、长时间辐射下，木材燃烧;人员重大损伤/10 s、100%死亡/1min”;区域SY代表“有火焰时，木材燃烧，塑料熔化;人员1度烧伤/10 s、l%死亡/1 min”。

图2 辐射面积示意图

该3个公式给出了距离辐射中心的不同区域内的辐射造成的危害大小，对于发生喷射火灾事故后的现场指导及对救援力量的分配具体有一定的现实意义。

2．6 喷射火后果模型

目前，国内外计算热辐射的经典数学模型主要有两种：点源模型和固体火焰模型［3］。本文采用固体火焰模型(Thornton模型)［4］来描述喷射火的几何形状及辐射强度。该模型假定喷射火形状为平截头圆锥形，描述平截头圆锥体的参数有火焰长度、火焰锥体长度、锥体抬升高度等，有风条件下的喷射火形状示意图见图3。

图3 有风条件下喷射火形状示意图

根据该模型显示，对于喷射火灾事故后灾害扩散方向有一定的预测作用以及对消防人员控制火灾的扩大具有一定的指导意义。

3 结束语

为了更准确地分析事故，本文针对池火灾和喷射火事故建立了相应的数学模型，在建立的数学模型基础上又做了详细的事故数学分析。文中阐述的火灾事故分析方法和事故分析过程可以准确地分析出火灾事故的破坏作用，对于发生该类事故后的应急处理措施以及消防力量的布置与分配具有一定的指导意义。

本文在两种火灾模型的建立过程中运用了数学和物理研究方面的理想化假设，把复杂的问题做了简单化处理，目的是为了便于模型的建立和研究的方便，但是这并不影响其现实意义，相反对于池火灾和喷射火灾这样常见且破坏比较大的事故的处理具有方便快捷的意义，更符合研究应用于实践的理念。

［1］ 常万森．火灾现场保护和火灾事故调查［J］．消防技术与产品信息，2009，25(6)：63－64．

［2］ 宋文华，苗 欣，王世英．池火灾评价法在三乙胺储罐区的应用研究［J］．消防科学与技术，2008，27(4)：243－245．

［3］ 肖建兰，吕保和，王明贤．气体管道泄漏模型的研究进展［J］．安全与环境工程，2006(2)：15－18．

［4］ 王大庆，高惠林，霍春勇．天然气管道泄漏射流火焰形貌研究［J］．安全与环境工程，2006(2)：29－32．