大型油罐火灾爆炸危害范围研究*

陈利琼，冯雨翔，宋利强，李　京，马　赫

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610000；2.中石油吉林天然气管道有限责任公司，吉林 长春 130000；3.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710000)

0　引言

随着大型油库的不断建设与完善，我国国内油库库容保持快速增长态势。到2011年底，我国油品储备总量已达5 756万m3，预计到2020年，我国石油储备将达8 500万m3，油罐的大型化将成为发展的必然趋势[1]。由于油罐罐容越来越大，一旦发生因油品跑、冒、滴、漏等引起的火灾爆炸事故，可导致严重的人员伤亡、经济损失。如2015年7月16日，山东省石大科技石化有限公司发生液化气球罐着火爆炸事故[2]，导致2名消防员轻伤，7辆消防车毁坏。

目前，针对油罐火灾爆炸的研究主要以理论分析和模拟预测等方法来分析事故可能的危害范围。庄磊等[3]对直径20 m的柴油罐燃烧进行数值模拟，得出无风和有风情况下油罐燃烧热辐射的空间分布规律；刘志勇[4]研究了池火灾的伤害模型，分析了风向、风速、距池火中心距离等因素对热辐射通量的影响；赵承建等[5]应用SAFETI软件对原油储罐发生池火灾的热辐射伤害区域进行了定量计算和模拟分析，探讨了合理确定原油罐区防火间距在工程中应用的可行性。虽然前人已对该问题有了一定研究，但缺乏针对影响油罐火灾爆炸危害范围的各因素进行系统而全面的分析，对各因素进行综合作用和主导作用分析的研究较少。

为此，本文基于油品泄漏源模型，针对大型油罐火灾爆炸事故，利用PHAST 7.11软件对池火灾和蒸气云爆炸事故的危害范围进行模拟分析，研究初始条件(泄漏点离地高度和泄漏孔当量直径)、外部环境(风速、大气稳定度和空气湿度)和防火堤面积对危害范围的影响，并对外部环境以及初始条件中起主导作用的因素进行了分析，以期为事故中相关作业人员的应急撤离提供决策参考。

1　数学模型

油罐火灾爆炸的形式包括池火灾、蒸气云爆炸等，产生的危害包括火灾的热辐射、爆炸的冲击波，以及爆炸的抛射物，由于爆炸产生的抛射物危害性通常相对有限，因此，这里重点讨论事故产生的热辐射和冲击波危害范围。

1.1　热辐射危害范围分析

可燃液体泄漏至地面形成液池，遇到火源燃烧形成池火灾。池火灾产生的破坏作用主要通过热辐射实现[6]。常用于量化分析烃类池火灾热辐射通量的模型有点源模型、Mudan模型和Shokri-Beyler模型[7]，这里主要介绍点源模型。点源模型假定池火焰集中在液池轴线火焰高度的中心点处，热量从该点发出，目标接受的热辐射通量[8]为：

(1)

式中：I为目标接受的热辐射通量，kW/m2；T为大气传递系数，无量纲，一般取1；Q为火焰热释放速率，kW；R为目标到火焰中心的距离，m。

点源模型中使用Heskestad方程计算火焰高度：

H=0.235Q0.4-1.02D

(2)

式中：D为液池直径，m。

1.2　冲击波危害范围分析

蒸气云爆炸的定量模拟计算的模型主要有TNT当量模型和多能模型等。这里主要介绍TNT当量模型。TNT当量模型将蒸气云爆炸的破坏作用转化为相同当量TNT的破坏作用[12]，转化公式为：

(4)

式中：ηf为爆炸效率系数，一般取平均值0.04；Wf为蒸气云中油品质量，kg；Qf为油品的燃烧热，MJ/kg；QTNT为TNT炸药的燃烧热，4.56 MJ/kg。

冲击波超压模型为：

ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(5)

式中：ΔP为冲击超压变化率，无量纲；Z为范围系数，无量纲。

2　计算方法与模型验证

本文采用挪威船级社开发的火灾爆炸定量分析软件PHAST对大型油库火灾爆炸事故后果进行分析。该软件[13]计算范围较广，预测精度较高，对各类火灾爆炸事故的研究被许多国内外企业及相关设计规范所采用。

为验证PHAST软件在油库火灾爆炸事故的预测效果，本文通过对比文献[14]和[15]的实验数据进行模型验证。廖宇凡等[14]通过实验研究了油池火的燃烧过程以及对周围辐射影响，实验环境温度为5℃、无风。魏东等[15]通过对油罐火灾的实验研究，获得了油罐发生火灾时的热辐射分布，试验环境温度为25℃、无风。模拟结果与实验结果和经验公式进行了对比，其中，热辐射强度模拟结果验证见图1，冲击波超压模拟结果验证见图2，可见模拟结果与实验和经验公式结果吻合得较好，表明PHAST可以较准确地预测上述模型。

图1　热辐射强度的模拟结果与实验结果对比Fig.1　Comparison of simulated results and experimental results of thermal radiation intensity

图2　冲击波超压的模拟结果与经验公式计算结果对比Fig.2　Comparison of simulation results of shock wave overpressure and empirical formula

3　模拟分析

3.1　初始条件影响的模拟分析

3.1.1泄漏点离地高度的影响

利用PHAST软件模拟泄漏点离地高度对池火灾以及蒸气云爆炸的影响。考虑大气稳定度为D级，风速为6 m/s，泄漏点离地高度分别为1，2，3，4，5 m，PHAST模拟了泄漏点离地高度对池火灾和蒸气云爆炸伤害距离的影响，结果如图3所示。池火灾伤害距离为早期池火灾下风向重伤或轻伤半轴距离；蒸气云爆炸伤害距离为人员轻伤或重伤半径。可以看出，随着泄漏点离地高度的增加，池火灾的伤害距离呈近似线性上升趋势；蒸气云爆炸的伤害距离呈现先增大后减小的趋势，并于泄漏点离地高度为3 m时，伤害距离达到最大。

图3　泄漏点离地高度对池火灾和蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.3　Effect of the height of leakage point on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.1.2泄漏孔当量直径的影响

考虑大气稳定度为D级，风速为6 m/s，泄漏孔当量直径分别为0.05，0.1，0.15，0.2，0.3 m，模拟结果如图4所示。由图4可见，随着泄漏孔直径的增大，池火灾轻伤的伤害距离呈近似线性增长，重伤的伤害距离在油罐发生小泄漏时变化不大，当达到大泄漏[16]后(泄漏孔当量直径大于0.15 m)，重伤的伤害距离随泄漏孔当量直径的增加而线性增加；蒸气云爆炸的轻伤伤害距离增长幅度比重伤伤害距离增长幅度略大。总体而言，由于泄漏孔当量直径的大小直接影响泄漏量，池火灾和蒸气云爆炸的伤害距离均随泄漏孔当量直径的增大而增大。

图4　泄漏孔当量直径对池火灾及蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.4　Effect of equivalent diameter of the leakage hole on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.1.3初始条件的综合影响

设伤害距离与各因素之间呈多项式关系，综合上述模拟结果，拟合得出了池火灾轻伤、重伤伤害距离随泄漏点离地高度和泄漏孔当量直径的关系式：

z1=312.6y1+1.8y2+23.1

(6)

(7)

式中：z1为轻伤伤害距离，m；z2为重伤伤害距离，m；y1为泄漏孔当量直径，m；y2为泄漏点离地高度，m。其模型如图5所示。由式(6)可见，泄漏孔当量直径每增大0.1 m，池火灾轻伤伤害距离增加31.26 m；泄漏点离地高度每增加1 m，轻伤伤害距离增加1.8 m。

图5　泄漏点离地高度和当量直径对池火灾伤害距离的影响Fig.5　Effect of height of the leakage point and the equivalentdiameter of leakage hole on the damage scope of pool fire

同时，拟合得出了蒸气云爆炸轻伤、重伤伤害距离随泄漏点离地高度和泄漏孔当量直径的关系式：

(8)

(9)

其模型如图6所示。

图6　泄漏点离地高度和泄漏孔直径对蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.6　Effect of height of the leakage point and the equivalent diameter of leakage hole on the damage scope of vapor cloud explosion

可见，在初始条件影响中，对池火灾和蒸气云爆炸危害范围而言，泄漏孔当量直径的影响均比泄漏点离地高度的影响更大。

为验证拟合结果的合理性，将拟合关系式计算结果与经验公式计算结果进行对比。当泄漏点离地高度为1 m、泄漏孔当量直径为0.1 m时，代入式(6)-(9)进行计算，得到池火灾和蒸气云爆炸的轻伤和重伤伤害距离的结果分别为56.2，24.7，34.8，21.7 m，代入经验公式进行计算，计算结果分别为55.8，23.9，35.0，21.9 m，相对误差为3.6%。可见，预测结果与经验公式吻合较好，在所考虑的条件范围内能较为准确地反映池火灾和蒸气云爆炸的伤害距离与各因素之间的关系。

3.2　外部环境影响的模拟分析

3.2.1风速的影响

对于外部环境而言，风速、大气稳定度以及空气湿度是影响池火灾及蒸气云爆炸的危害范围的主要因素。常用的大气稳定度分类方法修订帕斯奎尔分类法，分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定6级，分别表示为A，B，C，D，E和F级。考虑大气稳定度为D级[17]，不同风速模拟结果如图7所示。

图7　风速对池火灾和蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.7　Effect of wind speed on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

由图7可见，风速对池火灾伤害距离的影响基本呈线性关系，这是由于高风速导致池火灾火焰发展方向急剧向下风向方向偏移所致[18]。此外，随着风速的增加，蒸气云爆炸的伤害距离逐渐减少。这是由于高风速迅速稀释了泄漏出的油蒸汽的浓度，同时湍流运动加剧了气云与周围环境热交换，扩散出的过冷气体温度上升，气体云密度下降，气体云浓度下降，从而降低了蒸气云爆炸的下风向伤害距离[19]。

3.2.2大气稳定度的影响

考虑风速为6 m/s，大气稳定度为A—F级，大气稳定度对池火灾伤害距离和蒸气云爆炸伤害距离的影响PHAST模拟结果如图8所示。由图8可见，大气稳定度对池火灾的伤害距离基本无影响；随着大气稳定度的稳定级增加，蒸气云爆炸的伤害距离呈上升趋势。因此，稳定的大气有助于爆炸的发展。

图8　大气稳定度对池火灾和蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.8　Effect of atmospheric stability on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.2.3空气湿度的影响

考虑空气湿度分别为10%，30%，50%，70%，90%，风速为6 m/s，大气稳定度为D级，PHAST模拟结果如图9所示。由图9可见，空气湿度对蒸气云爆炸伤害距离基本没有影响，对池火灾伤害距离有微弱影响，总体趋势是随着空气湿度的增加，池火灾伤害距离降低。

图9　空气湿度对池火灾和蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.9　Effect of air humidity on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion

3.2.4外部环境的综合影响

模拟结果显示池火灾和蒸气云爆炸伤害距离与空气湿度关系不大，故只考虑风速和大气稳定度的影响，拟合公式如式(10)，(11)，模型如图10所示。

z1=3.3lnx1+53.2

(10)

z2=3.4lnx1+25.3

(11)

式中：z1为轻伤伤害距离，m；z2为重伤伤害距离，m；x1为风速，m/s。

图10　大气稳定度和风速对池火灾伤害距离的影响Fig.10　Effect of atmospheric stability and wind speed on the damage scope of pool fire

同时，拟合得出了蒸气云爆炸轻伤、重伤伤害距离随风速以及大气稳定度的关系式：

z1=-15.3lnx1+50.5e0.052x2+7.1

(12)

z2=-9.5lnx1+30.6e0.053x2+4.5

(13)

式中：x2为大气稳定度，其模型如图11。

图11　大气稳定度和风速对蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.11　Effect of atmospheric stability and wind speed on the damage scope of vapor cloud explosion

由图11可见，在外部环境影响中，对池火灾危害范围而言，风速比大气稳定度的影响更明显。

当风速为2 m/s，大气稳定度为C级时，得到池火灾和蒸气云爆炸的轻伤和重伤伤害距离的结果分别为55.4，27.6，52.5，31.9 m，经验公式的计算结果分别为55.8，27.9，52.9，32.3 m，相对误差为2.1%。可见预测结果与经验公式吻合较好，在所考虑的条件范围内能较为准确地反映池火灾和蒸气云爆炸的伤害距离与各因素之间的关系。

图12　防火堤面积对池火灾伤害距离的影响Fig.12　Effect of area of bound on the damage scope of pool fire

3.3　其他因素影响的模拟分析

防火堤面积也是影响池火灾伤害距离的关键因素，考虑防火堤面积分别为1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 m2，泄漏点离地高度为1 m，泄漏孔当量直径为0.1 m，风速为6 m/s，大气稳定度为D级时伤害距离的变化，模拟结果如图12所示。结果显示，对于早期池火[20](液池质量达到平衡阶段)，由于液池尚未蔓延至防火堤，因此伤害距离与防火堤的面积无关；对于晚期池火(液池半径达到最大状态)，由于液池已蔓延至防火堤，随着防火堤面积的增加，液池面积随之增加，则伤害距离增加，且轻伤伤害距离较重伤伤害距离增长的更快。

4　结论

1)池火灾危害范围随风速、泄漏点离地高度、泄漏孔当量直径和防火堤面积的增加而增加，随空气湿度的增加而略微降低，而与大气稳定度的关系不大。

2)蒸气云爆炸危害范围随风速的增加而降低，随大气稳定度和泄漏孔当量直径的增加而增加，而受泄漏点离地高度以及空气湿度的影响不大。

3)在初始条件影响中，对池火灾和蒸气云爆炸危害范围而言，泄漏孔当量直径的影响比泄漏点离地高度更大；在外部环境影响中，对池火灾危害范围而言，风速比大气稳定度的影响更明显。

4)综合考虑了外部环境和泄漏初始条件等多因素对火灾爆炸的影响，拟合得到各因素与危害范围的关系，可为大型油罐火灾爆炸事故中伤害程度的估计以及相关人员的安全撤离提供参考。

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