海洋平台池火火灾模型概述

宋雪飞，陆建辉

（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）

海洋平台池火火灾模型概述

宋雪飞，陆建辉

（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）

流行的建筑火灾模型多适用于描述着火过程、着火房间温度和烟气在建筑物内的流动，不能完全满足海洋平台火灾的研究需要。文章简述了建筑火灾领域中比较流行的半经验模型、场模型等，着重介绍适用于海洋平台特殊生产条件下的池火火灾模型。通过综合分析、比较现有的火灾模拟方法，回顾了国外成熟的半经验公式，分析了不同模型的适用性，得到适用于海洋平台池火火灾特性的计算方法。

海洋平台；火灾；半经验池火模型；固体火焰模型

0 引言

海洋平台上密布着油气、电气管道，作业又在远离陆地的恶劣海洋环境，偶发火灾事故的风险大，一旦发生火灾，施救难度高，易酿成大范围灾难性事故。一份来自英国健康与安全执行委员会的研究报告[1]显示：流程和结构失效导致的事故几乎占人员海上作业风险的80%。在海洋生产设施上各种可能的生产损失事故中，火灾是报告最多的与流程有关的事故，井喷、流程泄漏、船舶撞击、直升机事故、高空落物、结构失效以及设施跨塌等常见事故都可能会在海洋平台上引发火灾甚至爆炸。海洋平台油气的火灾有很多种，如：油池火灾、喷射火灾、火球、闪燃等，本文着重介绍油池火灾模型。

池火发生于燃料蒸发上方，属于浮力控制的可忽略初始动量的湍流扩散火焰。当液态碳氢化合物燃料储罐发生泄漏形成油面时（比如向储罐内加注过量，导致管道或储罐破裂的突发泄漏），如果引燃就可能发生池火。上世纪50年代至80年代，日本、英国、美国等对此开展了科研工作，Rew P.J.和Hulbert[2]详细回顾了大量相关论文，评述了当前池火热辐射模型的研究现状。池火火灾的燃料种类较多，大多数池火直径为几米。早期研究集中于实验室规模的小尺寸开放型油池火，一般直径不超过1 m。小尺寸池火实验可以减少气相辐射量，但是实验室规模的模拟与真实火灾相去甚远。生产生活中主要有以下三种类型的油池火灾：开放型池火（油品扬沸喷溅）、受约束池火（压力上升不显著）以及封闭型池火（压力上升很快）。

目前，应用数学模型来研究海洋生产设施流程火灾特点的研究报告大多是基于室内或模型研究，即假设平台上的某个舱室起火，然后应用受限空间内的火灾理论分析火灾后果，如烟气流动、风险评估及安全措施等[3-7]。当然，这种做法有其应用价值，但因受理论分析方法的限制，这样的火灾模型并不能很好地适应暴露在海洋环境中的、平台舱室以外的区域，海洋平台上的开敞空间易形成通风良好的碳氢化合物池火。本文主要回顾国外大型池火火灾模型，并进行分析对比，以便找到适用于海洋设施生产条件的池火火灾模型。

1 海洋平台池火模拟

1.1 场模型

场模型通常指计算流体动力学模型，即CFD模型，是通过求解流体流动的Navier-Stokes方程，以预测火焰行为，为解Navier-Stokes方程，场模型必须与描述火灾中发生的化学物理过程的子模型一并列入方程组，其中许多子模型是基于实验得出的。场模型与半经验模型相比，其优点在于提供了形式一致的标准化框架去解决燃烧问题。因此，只要建立起典型池火火灾数据库，就能得到更加可信的结果。然而，场模型的缺点是计算量巨大。

1.2 半经验模型

半经验模型因其使用相对容易而被广泛应用，包括点源模型和固体火焰面发射模型。点源模型很少使用，因为点源模型忽略了火焰的集合形状，将火焰燃烧产生的热量看作从一个点散发出去，辐射出的热量占总热量的一定比例。这类模型过高估计了接近火焰中心区域的热流量，无法准确预测靠近火焰面的辐射，但在距离焰心约5倍火焰直径以外的范围却具有很强的参考性。因此，点源模型在海洋设施上的实用性是有限的。

半经验模型是根据大量实验室和野外火灾实验数据，通过适当的假设总结得出的。这类模型仅用于特定的某些火灾场景，计算简单，容易通过计算机编程实现。多数半经验火焰模型都是采用固体火焰面发射模型。固体火焰面发射模型[8-10]将火焰看作一个固体，能量从固体表面散发出去。利用所选子模型的相互联系导出火焰形状和火焰的辐射特性，如燃料类型以及风速的影响。观察研究发现，理想通风条件下池火的发展被分为四个部分[11]：燃料吸收液面上燃烧产生的辐射热量，从油池液面蒸发，在液面之上可以观察到一层纯净的发光火焰层，表现为平均的辐射通量；再上面一层，发展为模糊的火焰区域，烟雾从火焰的表面发散出来，将下层的纯净燃烧火焰掩盖住；纯净燃烧火焰以跳跃的形式间歇出现；随着高度的增加，烟雾的模糊程度也随之增加，直到完全看不到火焰，燃烧熄灭，形成由燃烧产物和未燃烧的燃料组成的羽流。尽管羽流仍然带有下部火焰燃烧产生的热量，但其相对于外界物体的总辐射通量可以忽略不计。因此，池火火焰被假定成两层，底层是强烈发射能量的纯净燃烧区域，上层是充满烟尘的较暗区域。相对于点源模型，固体火焰模型对海洋火灾提供了一个更好的火焰热量以及辐射模型。在使用固体火焰模型预测传递到物体的火焰外部的热流时，需要知道一些火焰的参数，如火焰底部面积、火焰高度等。

2 火灾特性参数计算

2.1 火焰包面

有两种火焰形状被广泛应用于池火模型的半经验模型中，即截断的椭圆柱形和倾斜圆柱形。截断的椭圆柱形能够更准确描述真实火焰的形状，但这种模型的缺点是在计算目标物和火焰之间的可视系数时不能采用解析的方法，只能利用数值计算。Sparrow和Cess[12]提出的轮廓积分方法可以用于简化计算，Johnson[13]发现，采用轮廓积分方法的计算时间是区域积分方法的1/10。由此，截断的椭圆柱形火焰包面被分为上下两层，以及由轮廓积分计算的几何视角系数。大气透射率采用Wayne[14]给出的方法计算，即火焰可以被假定成灰体或黑体辐射，火源温度1 500 K。偏于保守，可取池火包面和目标物之间的最小距离作为路径长度。定义火焰包面需要的参数如下：油池直径、火焰高度、火焰倾角、纯净燃烧区高度、火焰拖曳等。

2.2 质量燃烧率和油池直径

描述火焰的几何参数与燃料种类和周围环境条件有关。燃料的关键特性是油池单位面积的质量燃烧率。Babrauskas[15]指出，同种燃料的质量燃烧率和油池直径有关：

可以看出，当油池直径很大时，燃烧率接近最大质量燃烧率。这可以解释为燃料从池面蒸发量是由火焰的辐射决定的。当火焰发展到特定尺寸，火焰尺寸的进一步扩大并不伴随着辐射发散的增强，很多文献将此时的火焰直径描述为“最大火焰直径”。

油池直径与泄漏模式、泄漏量和燃烧速率等因素有关。随着燃料不断泄漏扩散，油面不断扩大，燃烧面积也不断增加，直至总的燃烧速率等于泄漏速率，达到平衡就会形成稳定的油池火，该稳态应满足公式（2）。式中假定向油池传递的热量来自火焰且燃烧速率为常量，忽略地面热量传递随时间的变化，忽略地面的渗透作用，即假定油池内保持质量平衡。

由式（3）可得油池达到稳态直径所需时间teq为：

式中g——重力加速度/（m/s2）。

2.3 火焰高度

Thomas[16]基于实验分析和量纲分析得到湍流扩散火焰在不考虑风速情况下的平均火焰高度满足下式：

式中L——火焰高度/m；

ρa——环境中空气密度/（kg/m3）。

考虑风速则使用下式：

式中u*——无量纲风速，u*=uw/（）1/3，若u*<1，则取1；

uw——风速/（m/s)。

Pritchard和Binding[17]利用真实火焰形状，推导出适用于很多重碳氢燃料火灾的双层表面发射模型，其中预测最大火焰高度的关系式如下：

该式考虑了风促进空气卷带进入火焰，火焰高度受此影响会略微有所降低（风速影响效应部分的指数仅为-0.03）。

而Moorhouse实验确定的火焰高度满足下式：

值得注意的是，在与实验数据进行最小二乘法拟合时[18]，Pritchard和Binding以及Moorhouse关系式并没有比Thomas关系式有明显优势，故Thomas关系式仍被广泛使用。

2.4 火焰倾角

火焰倾角可用下式求得：

式中θ——火焰倾角/（°）；

Rew——风的Reynolds数，Rew=uwD/υ；

Frw——风的Froude数，Frw=/（gD）；

uw——风速/（m/s）；

v——空气动力学黏度/（m2/s）；

ρv——燃料蒸汽在达到沸点时的密度/（kg/m3）。

Froude数和Reynolds数的使用，反映了风作用下流体的惯性力和黏滞力的影响。

2.5 火焰拖曳

Moorhouse[19]根据LNG实验数据得出火焰拖曳比：

式中D′——火焰拖曳直径/m；

Fr10——池火高度10 m处风速的Froude数，Fr=u2/（gD）。

u——风速/（m/s）。

Mudan和Croce[20]在Moorhouse关系式的基础上加上了密度比，推导出适用于其他重碳氢燃料的火焰拖曳关系式：

Pritchard和Binding[17]则给出：

式中Fr9——高度9 m处风速的Froude数；

Re9——火源基于高度9 m处风速的Reynolds数，Re=uD/υ。

将上面几个关系式与全尺寸池火实验数据对比，均方差和相对误差最小的是Moorhouse关系式。但是需要注意，在用于对比的全尺寸实验数据中，Moorhouse利用了其中近半数的数据来推导他的拖曳关系式。而后续非LNG池火实验数据显示，Mudan和Croce关系式中的指数偏大。所以，Moorhouse提出的拖曳关系式被广泛采纳。

2.6 火焰辐射

火焰面向外发散的辐射可以通过两种方法得到，一种是假定一定分数的燃烧能量作为辐射发散出来；另一种是用关系式定义火焰的表面发射能量，这种方法在火灾模型中使用广泛。需要注意的是，不同的火焰形状假定会导致火焰表面积的巨大差异，从而影响总的表面辐射能量输出。

池火的表面辐射能量与燃料类型和油池直径有关。下面列出了LNG、LPG和重碳氢燃料池火表面辐射力与油池直径的关系式：

式中E——燃料的表面辐射力/（kW/m2）；

E∞——燃料的表面最大辐射力/（kW/m2）；

km——燃料衰减系数/m-1。

对于重碳氢燃料，有浓烟产生的火焰常采用Mudan和Croce提出的关系式：

式中EM——发光点最大辐射力，约为140kW/m2；

ES——烟的辐射力，约为20 kW/m2；

S——实验确定的参数，其值为0.12 m-1。

式（13）是在假设整个火焰面的表面发射量为常数的情况下得出的，但是使用多层火焰面会使近场入射辐射模拟结果更准确，特别是下风向时，单层模型模拟的地面附近入射热通量值偏低。

观察发现，大型碳氢燃料池火分为两层：底层有非常明显的几乎不被浓烟遮挡的火焰，该层以燃料的最大辐射值向外辐射热量。底层火焰面辐射力可由式（12）计算。上层由于火焰产生的浓烟使火焰面时隐时现，因此将该层热辐射处理成“跳跃”的形式，通过定义清晰度来计算。Considine[21]假定30%的火焰未被遮挡。Pritchard和Binding[18]根据燃料类型和池火直径建立了一个数据库，利用该数据库可修正火焰高度以及火焰形状，再结合平均火焰面辐射力的实验数据，可得上层火焰辐射力的计算式如下：

式中EU——上层火焰辐射力/（kW/m2）；

UR——上层火焰的清晰度。

3 结论与展望

本文通过综合分析、比较现有的火灾模拟方法，分析了国外不同半经验模型的适用性，得到适用于海洋平台池火火灾特性的计算方法：

（1） 截断的椭圆柱形火焰包面被分为两层，由轮廓积分计算的几何视角系数并在计算火焰阴影区域内目标的视角系数时，对火焰长度进行适当修正。

（2） 无量纲燃烧区的高度和可视火焰高度仅依赖于燃料的Froude数，而火焰倾角则与风的Froude数有关。火焰底部直径与泄漏条件、燃烧速率等参数有关，火焰高度通常与火焰底部面积、燃烧速率和风速有关。

（3） Moorhouse提出的密度修正后的火焰拖曳计算式可用于计算海洋平台上有风作用下产生的火焰拖曳。

（4） 找出上、下两层火焰面发射模型的火焰表面平均辐射力计算方法。

本文准确、科学地计算海洋平台池火特性参数及预测热辐射危害，有助于指导制订海洋平台火灾事故处理措施，以期达到促进安全生产、降低风险、减少生命财产损失的目的。

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Abstract:Current fire models are mostly concerning combustion process,room temperature and smoke spread.Since there are distinct differences between offshore and onshore environments,those fire models are no longer completely applicable to offshore platforms.In this paper,general characteristics of those common fire models are reviewed,including semi-empirical models,field model,etc.and the pool fire model suitable for offshore platform production conditions is emphatically introduced.By means of comprehensive analysis and comparison of the current fire simulation methods as well as review of the foreign mature semi-empirical formulas and their applicability,the calculation method suitable for pool fire of offshore platform is obtained.

Key words:offshore platform;fire;semi-empirical pool fire model;solid flame model

（1）An Overview of Pool Fire Models Applicable to Offshore Platforms

SONG Xue-fei（College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China），LU Jian-hui

TE58X928.1

A

1001－2206（2011）02－0001－05

宋雪飞（1985-），女，黑龙江哈尔滨人，中国海洋大学在读硕士研究生，主要研究方向为火灾下导管架式海洋平台的结构响应。

2010-12-19；

2011-02-15