基于FDS的汽油储罐池火喷淋冷却防护效用研究

雷婷

中国石油管道局工程有限公司 （河北 廊坊 065000）

0 引言

油罐池火是油品储运设施中较为危险的事故类型，亦是消防设计应对的重点[1-2]。依据我国现行规范如《石油天然气工程设计防火规范》《石油库设计规范》《石油储备库设计规范》，均要求对着火罐进行喷淋冷却。但国际上常用的消防设计指导文件，如《易燃和可燃液体规范》（NFPA 30）[3]、《石油及石油化工行业固定式水喷雾消防系统应用规范》（API 2030）[4]中并未明确着火罐、相邻罐的消防冷却水的设置，是否设置喷淋冷却需要根据热辐射暴露进行计算。英国规范《石油炼厂及储罐区防火规范》（IP 19）[5]则明确不考虑着火罐的罐壁冷却，只进行相邻罐的喷淋冷却。同时，国外规范与国内规范在相邻罐消防冷却水供给强度上有较大的区别。

20世纪中后期，国内外对油罐池火喷淋冷却效果的研究主要采用试验方法，通过对各尺寸油品储罐火灾进行综合试验，积累了储罐冷却水最小强度、试验油罐温度控制等大量数据，但试验研究具有环境影响大、可重复性差、试验成本高昂等缺点。随着计算机的广泛应用及计算流体力学的发展，一些CFD软件在火灾学领域得到了较好的验证和应用，包括FLUENT、FLOWD和FDS等。由美国标准与技术研究所（NIST）开发的火灾动力学模拟FDS软件，应用火灾浮力驱动的纳维—斯托克斯方程（N-S）进行数值模拟计算，可以得到真实的瞬态流场，且精确度较高，计算工作量小。Hostikka等对该软件进行了阐述和验证，另有研究表明该软件对中小尺度油池火的模拟比较成功，具有较高的可信度[6]。同时，FDS是目前国际上两款能完成火场喷淋冷却仿真计算的软件之一，因其完善的数学模型和试验验证，已广泛应用于各类火灾喷淋干预的数值计算。

面对国内外规范的显著差异，本文分别对汽油储罐池火在不同强度下的消防喷淋冷却干预和无干预的情景进行数值仿真，通过模拟计算火场的热辐射强度和温度，分析着火罐在我国现有规范消防冷却强度下的冷却效果，以及喷淋冷却对相邻罐的冷却防护效用。

1 油罐池火模型构建与计算

1.1 FDS冷却喷淋数值模拟理论

FDS采用拉格朗日粒子标识烟气的运输过程，并模拟水喷淋冷却和热辐射的相互作用过程。冷却水液滴对热辐射强度的减弱主要通过散射和吸收的联合作用实现，而热辐射—液滴的相互作用是通过精确预测辐射强度场和液滴能量平衡解决[7]。

为简化模型，假设气相的吸收和散射作用暂时不考虑，则热辐射传输方程如式（1）所示：

式中：s为热辐射强度单位向量；ΔIλ为热辐射强度向量微分；kd为液滴吸收因子；σd为液滴散射因子；Ib,d为液滴发射项因子；Φ(s,s′)为散射项函数，即方向从s′到s的散射强度。

局部的吸收和散射因子则通过局部液滴数量密度N（x）和平均粒径dm（x）进行计算，如式（2）和式（3）所示。

式中：r为液滴直径；Ca，Cs为相对应的吸收和散射横截面积；f(r,dm)为液滴数量密度函数，假设与初始液滴粒径分布保持一致，但平均直径取决于坐标x。

数值模拟的实际应用，则通过公式（4）和（5）来实现：

式中：Ad为单位体积内液滴横截面积之和，可通过一个计算网格内所有液滴的横截面积和计算，通常乘以0.5的系数。

1.2 模型构建及参数设置

选用2 000 m3内浮顶汽油储罐池火为模拟对象，该油罐罐体参数如下：①储罐内径D为15.8 m；②储罐罐壁高度H1为11.8 m；③燃烧液面高度H2为11.3 m。

模型假设浮盘倾斜，油罐表面有一半面积着火，即着火面积为98 m2。以95号汽油的物性参数进行模型设置，包括油品密度、比热、热传导率、火焰对外的辐射分数、热释放速率等参数。

本例中油罐间距依据我国规范大于0.6D，设为9.5 m。本次模拟共设置了3个油罐，其中着火罐位于中间，其两侧分别布置一个同型号油罐，火源位置及油罐布置如图1所示。

根据GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》第8.4.7条规定，消防冷却水供水强度为2.5 L/（min·m2），对模型进行消防设计计算，在高度为10 m和7 m处设置两层喷头；相邻罐冷却罐壁表面积的1/2，喷淋冷却喷头设置如图1中蓝色圆点所示。

图1 油罐布置及喷淋冷却水喷头设置

为研究各项火场参数，模型设置了多个热辐射强度探测点、温度探测点，用于测量着火罐及相邻罐的罐壁温度及所受的热辐射强度，如图2中的黄色圆点所示。

图2 热辐射及温度探测点布置图

2 仿真结果分析

2.1 储罐对热辐射强度及温度的响应

理论和试验研究均表明，在开敞空间的储罐油品类池火，着火罐壁温会迅速升高，油品燃烧5 min左右，油面以上罐壁温度可接近500℃，钢结构承载能力下降约35%；8～10 min后达到甚至超过700℃，油面以上的罐壁钢板将失去支撑能力，发生坍塌变形造成着火油品外溢，增大扑救难度。

大型储罐热传递的主导模式为热辐射，有研究表明储罐燃烧时热传导、热对流和热辐射在反馈热量所占的比例分别接近1%、9%和90%。因此着火罐火焰形成的高强度热辐射也是导致相邻储罐失效和人员伤亡的主要原因。表1为常用的热辐射毁伤准则[8]。

相邻储罐的冷却水供给强度国内至今未开展过试验，目前国家规范中的冷却强度是根据已有试验的热辐射强度进行经验公式推算确定的。本文通过计算机流体力学仿真计算，对照热辐射毁伤准则及罐壁温度影响，对着火罐及相邻罐在不同喷淋冷却强度下的防护效果进行分析研究。

2.2 着火罐在喷淋冷却干预与无干预下的仿真分析

模型分别在有喷淋冷却干预和无干预的条件下仿真运行，对距离罐顶0.5 m高度的罐壁编号为106的温度测点和罐壁编号为106热辐射测点的数据进行分析处理，绘制着火罐在该点的罐壁温度变化曲线和罐壁所受热辐射强度变化曲线，分别如图3～图6所示。

表1 热辐射毁伤准则

图3 无干预的着火罐罐壁编号106测点温度曲线

图4 无干预的着火罐罐壁编号106所受热辐射强度曲线

图5 标准冷却强度下的着火罐罐壁温度曲线

通过对比发现，油罐池火发展成熟后，在我国现行规范规定的标准消防冷却强度2.5 L/（min·m2）下，相同温度测点处，着火罐罐壁温度依然随时间呈线性升高，且升高速率与无干预情形下基本一致，说明喷淋冷却水对于降低着火罐罐壁温度的作用微乎其微。

图6 标准冷却强度下的着火罐罐壁编号106所受热辐射强度曲线

受湍流作用影响，罐壁所受热辐射强度波动较大，但整体稳定在250 kW/m2，喷淋冷却与无干预作用下的热辐射数值几乎相同，表明喷淋冷却对于降低着火罐罐壁所受热辐射的作用也不明显。

为进一步检验不同冷却强度对着火罐冷却的有效性，增大喷淋冷却强度到3.0 L/（min·m2）对着火罐进行喷淋冷却。模拟结果表明，增大喷淋强度后罐壁温度以及所受热辐射变化趋势，与无喷淋作用以及标准喷淋强度作用下的特征值相似，表明即使增大我国现有规范中的冷却强度，对于着火罐的保护作用也非常微弱。

综上所述，油罐池火事故中，着火罐外壁的冷却喷淋系统对于罐体的保护作用十分有限，与国外规范中不要求对着火罐进行喷淋冷却的理念非常相符。同时该类消防设施在事故发生时可能遭到破坏，火灾现场的有效性值得商榷，着火罐发生火灾后，控制火灾局势还应以着火罐的泡沫消防为主，扑灭火源为保证着火罐罐壁不发生过热坍塌的根本。

2.3 相邻罐在喷淋冷却干预与无干预下的仿真分析

油罐池火为开敞空间的大型火灾，火焰较高，火势较猛，扑灭时间相对较长，相邻罐在火灾事故中受到长时间的高温及热辐射影响，易引发次生事故[9]，因此国内外规范均要求对相邻罐进行喷淋冷却，但对冷却水供给强度的规定颇有差异。本文通过构建模型，对火灾事故中相邻罐受到的温度及热辐射伤害进行分析，探讨不同强度的消防冷却水的保护效果。

图7为相邻罐罐顶区域温度及热辐射强度测点布置图，图8是无干预、我国相邻罐标准喷淋强度2.0 L/（min·m2）、1.5倍标准喷淋强度3.0 L/（min·m2）作用下，相邻罐罐顶区域罐壁温度测点数据变化曲线。

图7 测点位置图

仿真结果表明，油罐池火发生后，与着火罐相邻的油罐其罐壁温度随时间呈现线性增大的趋势，越靠近罐顶的区域，壁面温度升高越快，并随着时间有继续增大的趋势。在无干预情形下，燃烧100 s时距离罐顶0.5 m、2 m、3.5 m处测点的壁面温度分别为130℃、85℃、60℃；在喷淋冷却工况下，上述测点值依次为55℃、40℃、25℃，分别降低了57.7%、52.9%、58.3%。这说明相邻罐的消防喷淋冷却系统对于降低该罐罐壁温度具有明显作用。在1.5倍标准喷淋冷却强度作用下，相邻罐罐壁温度变化与标准喷淋强度下的温度变化趋势几乎相同，各温度测点的数据变化速率相同，即在此情况下小幅增大喷淋冷却强度并不能起到降低相邻罐温度的效果。

图9分别是无干预、我国相邻罐标准喷淋冷却强度2.0L/（min·m2）、1.5倍标准喷淋冷却强度3.0L/（min·m2）作用下，相邻罐罐顶区域罐壁所受的热辐射强度变化曲线。

图8 相邻罐罐壁温度变化曲线

图9 相邻罐罐壁所受热辐射强度变化曲线

从图9可看出，标准喷淋冷却强度作用下，在相邻罐罐壁所受热辐射达到稳定后，距离罐顶0.5 m、2 m、3.5 m处的壁面热辐射值分别为18 kW/m2、10 kW/m2、5 kW/m2，与无干预下各测点值相比，分别降低了33%、23.1%、33%。参考热辐射伤害准则，喷淋冷却工况下只有靠近罐顶0.5 m高度区域的罐壁及附属设施有小幅受损的风险，而其下部罐壁全部处于安全状态，表明相邻罐的喷淋冷却是一种有效的防护手段。对比发现，目前两种喷淋冷却强度作用下，相邻罐罐壁所受热辐射强度的稳定值几乎相同，说明1.5倍标准喷淋冷却强度并不能明显增大对邻罐的防护作用。

3 结论

通过汽油储罐池火仿真计算，分析着火罐及其相邻罐在不同消防冷却水供给强度下的温度和所受热辐射强度变化规律，总结得出以下两条结论。

1)油罐发生池火后，采用我国现行规范的喷淋冷却强度，对降低着火罐罐壁温度及所受热辐射强度效果微弱，一定程度上验证了国外消防设计中着火罐不设喷淋冷却的可行性，有助于在国际项目中提高消防设计的灵活性。

2)油罐火灾事故中，对相邻罐采用我国现行规范的消防喷淋冷却强度，可有效降低相邻罐罐壁温度和所受热辐射强度，对加强相邻罐安全具有较好的效果。一定范围内单纯增大对相邻罐的消防喷淋冷却强度，并不能明显增强对该罐的防护作用，表明我国现行规范中对相邻罐的消防冷却水供给强度的设定较为科学。