航油储罐着火热辐射特性影响研究

耿晓茹，刘帅帅，李世昌，李 欣

（中国航空油料有限责任公司青岛分公司，山东青岛 266108）

在20世纪60年代，国外发达国家的研究院开始进行储罐泄漏相关实验研究，在油气生产行业，主要集中在储罐泄漏之后引起的池火研究工作[1]。由于火灾费用高昂且具有极大的危险性，基于CFD技术的火灾风险分析方法已经成为主要的发展方向。闫家伟等[2]以SAFETI软件为工具，研究了大型储油罐区中的一个储罐泄漏引发池火灾后，相邻储罐的热辐射分布及影响；史光梅等[3]利用FLUENT软件研究煤油发生池火后的火焰特征参数；周彦夺等[4]采用PHAST软件对大型原油罐区进行了事故模拟，建立了针对性强的后果模型；韦善阳等[5]研究了距离、风速和大气稳定度对火焰热辐射的影响；郭欣等[6]采用FDS软件计算得到火灾环境下临近油罐正对着火罐方向罐壁辐射作用大，热辐射值从罐顶至罐底逐渐降低，从中心向两边呈轴对称降低。S.S.Li等[7]建立了原油储罐火灾热辐射监测系统，测量了储罐火灾的热辐射分布，分析了开放面积、水平距离和垂直距离对储罐火灾辐射热通量的影响。曾娇[8]主要通过数值模拟计算研究开放空间油池火的燃烧特性。庄磊[9]通过理论分析建立了航空煤油池火焰形态的预测模型，揭示了油池燃烧热传递规律。孟亦飞等[10]以视角因子的基本计算理论为基础对有风情况下池火灾视角因子的计算问题进行研究，解决了目前经验模型无法解决的有风情况下池火灾视角因子的计算问题。

常见的池火灾有油罐火灾、油井火灾和可燃液体或可燃固体泄漏到地面或水面上遇到点火源发生的火灾。本文以某油库一航煤油罐为研究对象，讨论在不同风速以及大气湿度条件下，该油罐发生池火之后，对周边油罐的热辐射影响情况。

1 池火灾理论计算模型

在池火模型[11]计算中，共分为12个计算步骤，主要有以下几步：

（a）计算液池直径

式中，D为液池直径，m；Ap为液池面积，m2。

（b）计算燃烧速率

式中，ΔHv是物质的蒸发焓，J/kg；ΔHc是物质的燃烧热，J/kg；cp是物质的比热，J/（kg·℃）。

（c）计算池火形状

式中，uc是特征风速，m/s；g是重力加速度，9.81 m/s2；m"是静止空气中的燃烧速率，kg/（m2·s）；ρair是空气的密度，kg/m3；uw是风速，m/s。

将火焰形状简化为一个圆柱体，对于圆柱形火焰来说：

式中，D′是实际的火焰底部直径，m，D是液池直径，m。

（d）计算表面辐射率

式中，SEPmax是最大表面辐射率，J/（m2·s）；Fs是火焰表面热辐射因子（0.1～0.4）；L是火焰的平均高度 ，m；SEPact是 实 际 的 表 面 辐 射 率 ，J/（m2·s）；SEPsoot是烟灰的表面辐射率。

（e）计算某一距离上的辐射通量

式中，pw是环境温度Ta下水的分压，N/m2；RH是相对湿度（0～1）是环境温度Ta下水的饱和蒸气压，N/m2。

式中，Fview是距离x处的观测因子，Q为辐射通量，kW/m2，τa是距离火焰x处空气透射率。

2 油罐区模型建立

2.1 油罐区布局

该油库占地面积约57 000 m2，库区分为油罐区、卸油区和辅助功能区，其中油罐区位于库区西北侧，共设10 000 m3储罐3座，南北向布置成一列，油罐之间间距12 m。罐区四周设置防火堤，油罐按单罐单堤的要求隔开，防火堤高度1.2 m，隔堤高度0.8 m。罐区分布如图1所示，其中最左边的为第一号油罐，中间的为第二号油罐，最右边的为第三号油罐。

2.2 天气场景

青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候，受风速以及湿度影响较大，根据青岛气象站的气象资料，得到常年平均气温为13℃，风速以及大气湿度如表1所示。

表1 天气场景Table 1 Weather scene

2.3 物性选取

曾文等[12]对航空煤油替代燃料的着火与燃烧特性进行了研究，分析了双组分燃料中两种组分体积分数对着火与燃烧特性的影响。结果表明，在预测JET A-1航空煤油的着火特性与预混燃烧特性上，两种双组分混合燃料性能更好，更符合实际情况。同时，两种双组分混合燃料中两种组分的体积分数对燃料的着火与燃烧特性影响显著。因此本文选取正葵烷与甲苯7∶3的混合摩尔比作为航空煤油的替代燃料进行数值模拟。

2.4 热辐射伤害准则

该准则可作为衡量目标是否受到破坏的唯一标准[13]，如表2所示。一般认为，在稳态火灾燃烧的影响下，人体在20 s内感到疼痛的临界热通量值为4 kW/m2，设备结构明显变形的临界热通量是25 kW/m2。

表2 热通量伤害准则Table 2 Heat flux injury criteria

3 数值模拟计算结果与分析

本文采用PHAST软件进行数值模拟计算，当第一号油罐着火，研究不同风速和大气湿度对周围油罐热辐射变化规律的影响。

3.1 风速影响

3.1.1 对第二号油罐的影响 第一号油罐中心距离第二号油罐水平距离为27 m，设风向吹向第二、三号油罐，第二号油罐罐体不同高度处受到的热辐射值如图2所示。

图2 不同风速下热辐射值随罐体高度的变化（二号油罐）Fig.2 Curves of heat radiation with tank height at different wind speeds

由图2可知，在风速一定时，热辐射值从罐底到罐顶逐渐增加，且增加趋势逐渐变缓。在同样高度处，热辐射值的大小随着风速的增加而增加，当高度为地面高度时，三种风速下热辐射值基本重合，当高度为10 m，无风时的热辐射值为4.69 kW/m2，平均风速时的热辐射值为6.30 kW/m2，最大风速的热辐射值为10.44 kW/m2，且随着风速的增加，热辐射值增加得越快，在该高度处，平均风速时的热辐射值相对于无风时增加了34.3%，最大风速时的热辐射值相对于平均风速时增加了65.7%。

3.1.2 对第三号油罐的影响 第三号油罐距离池火中心的水平距离为69 m，第三号油罐罐体不同高度处受到的热辐射值如图3所示。

图3 不同风速下热辐射值随罐体高度的变化（三号油罐）Fig.3 Curve of heat radiation with tank height at different wind speeds

由图3可知，第三号油罐接收到的热辐射值相对较小，在平均风速下，热辐射平均值为1.2 kW/m2，最大风速下，热辐射平均值为1.1 kW/m2。可以得到最大风速下的热辐射值小于平均风速下的热辐射值，是因为在距离较远处，风速小不利于气体的扩散，有利于形成高辐射值区域，而风速大有利于气体扩散，辐射值相对较小，从影响程度上，风速对距离较远的储罐影响较小。

3.1.3 距离与热辐射之间的关系 图4为三种风速下热辐射强度随下风向距离变化的曲线。由图4可知，热辐射值随距离的增加而减小，开始降低较快，随着距离变大，逐渐变缓。在距离地面高度为14 m时，有风时下风向受到的热辐射强度比无风时显著增长，并且随着风速的增大，影响范围变大，在下风向距离为20 m时，最大风速的热辐射值下降为14 kW/m2，平均风速时热辐射值下降为10.2 kW/m2，最下风速热辐射值下降为9.2 kW/m2。

图4 三种风速下热辐射强度随下风向距离变化的曲线Fig.4 Curve charts of thermal radiation intensity with distance of downwind direction at three wind speeds

由表2可知，大型航煤储罐发生池火灾造成的影响范围。连续暴露30 min以上，造成钢结构表面严重脱色，油漆剥落，结构明显变形的火焰热辐射强度是25 kW/m2。由图4可知，在高度为14 m时，热辐射强度最大值为23.5 kW/m2，这种情况下即使发生全液面火灾，最大火焰热辐射强度也小于25 kW/m2，所以当第一航煤储罐发生池火灾时，产生的火焰热辐射不会对相邻罐造成影响，而该油库航煤储罐间距是12 m，完全符合储罐间距设计要求以及储罐之间的防火间距，但是产生的最大辐射值非常接近阈值25 kW/m2。所以由图4可得，油罐的最安全间距为17 m，此时，即使是大风情况下，产生的最大热辐射值也远远小于辐射阈值。

3.1.4 池火灾俯视影响范围 采用PHAST软件对储罐泄漏发生池火灾时的影响情况进行数值模拟，结果如图5所示。设定风速为平均风速，热辐射值为1.6 kW/m2，模拟结果可以得到俯视图的影响区域为一个月牙形，这是因为受风速的影响，且影响范围向风速的方向偏移，x方向的影响范围为58 m，y方向的影响范围为104 m。最大风速时影响范围俯视图如图6所示。由图6可知，最大风速下热辐射值为4 kW/m2时，x方向的影响范围为36 m，y方向的影响范围是67 m；最大风速下热辐射影响值为1.6 kW/m2时，x方向的影响范围为65 m，y方向的影响范围是117 m。

图5 平均风速时影响范围俯视图Fig.5 The influence range of the overhead view at the average wind speed

图6 最大风速时影响范围俯视图Fig.6 Top view scope of impact at maximum wind speed

3.2 湿度影响

3.2.1 距离与热辐射之间的关系 设定风速为平均风速，距离地面高度为14 m，湿度分别为最小湿度64%，平均湿度75%，最大湿度92%，湿度对池火灾伤害距离以及热辐射的影响模拟结果如图7和表3所示。由图7可知，三种湿度对池火灾热辐射曲线基本重合，即湿度对池火灾热辐射的影响很小。由表3可知，对池火灾伤害距离有微弱影响，湿度越大，热辐射值越小，伤害范围越小。

图7 湿度对储罐热辐射值随距离的影响变化曲线Fig.7 Curve of influence of humidity on thermal radiation value of storage tank with distance

3.2.2 池火灾影响范围俯视图 图8为池火灾俯视图，设定热辐射值大小为4 kW/m2，距地面为1 m。由8图可知，由于受到风速的影响，影响范围为月牙形，湿度最大时，x方向的影响距离为11 m，y方向的影响距离为35 m；平均湿度时，x方向的影响距离为14 m，y方向的影响距离为38 m；最小湿度时，x方向的影响距离为16 m，y方向的影响距离为40 m。由此可见，湿度对伤害半径有轻微的影响。

表3 三种湿度下热辐射值随距离的变化情况Table 3 Variation of heat radiation value with distance under three kinds of humidity

图8 三种湿度下影响范围俯视图Fig.8 Influencing range of overhead view under three humidity conditions

4 理论模型与数值模拟计算结果对比

由于公式比较复杂，将上述池火灾计算模型的公式以及相关数据代入MATLAB软件中进行理论模型的计算，得到火焰高度以及邻近油罐接收热辐射通量的大小。在油罐着火的条件下，对比邻近油罐热辐射的PHAST软件模拟结果与MATLAB软件理论计算结果如图9所示。由于PHAST软件模拟的局限性，模拟出的火焰形状的组分不能很好的描述炭黑等固体微粒的存在情况，这很大程度上导致火焰模拟时对周围的辐射热值偏小。由图9可知，模拟计算结果与理论计算结果误差较小，最大误差为18.7%，两者的平均误差在20%以内。

图9 火焰的热辐射理论计算结果和数值模拟结果对比Fig.9 Comparison of theoretical and numerical results of flame thermal radiation

5 结 论

火灾的燃烧与发展本身就是一个特别复杂的过程，外界因素对火灾的影响不同，火灾场的各种变量也随之改变。本文通过理论分析、PHAST软件模拟相结合的方式，研究不同工况下风速以及大气湿度对周边储罐热辐射的影响。

（1）风速对池火有较大的影响，风速越大，热辐射影响的范围越大。最大风速时的热辐射值相对于平均风速时的热辐射值增加了65.7%。在风速一定时，热辐射值随着罐体高度的增加而增加，且增加趋势逐渐变缓。

（2）对于距离较远的油罐，风速较小时不利于气体的扩散，有利于形成高辐射值区域，而风速较大时有利于气体扩散，热辐射值相对较小，并且从影响程度上来讲，风速对距离较远的储罐影响较小。

（3）在最大风速的情况下，第一号航煤储罐发生油罐着火产生的火焰最大热辐射值为23.5 kW/m2，该值小于最大热辐射阈值25 kW/m2，因此不会对相邻罐造成影响，该油罐间距设计符合要求，但是23.5 kW/m2接近于25 kW/m2的阈值，因此得到油罐的最安全间距为17 m。

（4）由于风速的影响，池火灾的俯视影响范围为月牙形，即影响范围向风速方向偏移，最大风速下热辐射影响值为1.6 kW/m2时，x方向的影响范围为65 m，y方向的影响范围是117 m，即软件模拟的安全间距在水平方向为65 m，垂直方向为117 m。

（5）不同湿度对池火热辐射的影响较小，其中湿度越大，热辐射值越小，伤害范围越小，在距离地面高度1 m处的位置，以人在20 s之内感觉疼痛为标准，最小湿度时，x方向的影响距离为16 m，y方向的影响距离为40 m。由此可见，湿度对伤害半径有轻微的影响。

（6）进行数值模拟计算和理论公式的对比，由于模拟的局限性，模拟出的火焰形状的组分不能很好的描述炭黑等固体微粒的存在情况，这很大程度上导致火焰模拟时对周围的辐射热值偏小。但是模拟计算结果与理论计算结果误差较小，最大误差18.7%，两者的平均误差在20%以内。