隔堤对储罐区全面积火灾影响的数值模拟研究

赵焕省

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266104)

0 前言

储罐区隔堤的作用是在储罐发生可控的泄漏事故时，减少污染范围和流淌火灾影响区域。对于可燃液体储罐防火堤及隔堤的设置，各标准都有相应的规定。国内涉及可燃液体储罐的现行标准有GB 50016—2014《建筑设计防火规范(2018年版)》、GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》、GB 50074—2014《石油库设计规范》、GB 50737—2011《石油储备库设计规范》、GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准(2018年版)》等专业规范，而且有专门针对防火堤的设计规范GB 50351—2014《储罐区防火堤设计规范》。各规范对储罐防火堤及隔堤的设置大同小异，都是根据储存介质、储罐容积以及罐型进行设置。对于防火堤内池火灾的影响，石一丁等采用三维CFD火灾模拟软件KFX对某原油罐区不同尺度池火场景进行模拟，计算得到不同热辐射通量的影响范围以及被火焰包裹的设施所受到的热辐射通量。马志荣等利用可燃液体池火灾热辐射评价模型与稳态火灾作用下的热通量伤害准则，对某大型油库原油储罐火灾进行事故后果模拟分析，计算火灾事故波及的范围和严重程度。

国外公开标准中关于防火堤的标准主要为美国消防协会的NFPA 30《Flammable and Combustible Liquids Code》，这项标准早先被国内采标为行业标准SY/T 6344—2010《易燃和可燃液体规范》。此外，俄罗斯、加拿大及日本标准也有关于防火堤的规定，与我国做法有些不同，但这些不同主要集中在材质要求、高度及顶部宽度要求以及储罐与防火堤间距、有效容积等方面。NFPA 30中对隔堤的设置提出了要求，对于储存在弱顶锥型罐、浮顶罐中的稳定可燃液体，当单罐容积大于1 590 m时应一罐一隔。对于防火堤内池火灾的影响，Fernanda采用CFD计算模型对两个受火焰影响的相邻储罐进行安全性能评价。Syed描述了一个单点源模型，用来预测不同直径和容积下的大型全表面火灾辐射热通量。Maleki以南帕斯地区的某一石油化工厂的汽油储罐区为例研究其在发生池火灾后的安全距离。Wenhe Wang等指出油罐内池火燃烧的热辐射是油罐间火焰蔓延的主要原因，并运用FLUENT软件进行模拟计算，得出接近地面的池火热辐射强度小于罐口的热辐射强度。热辐射产生的热量会导致邻近油罐发生火灾爆炸等事故。

综合国内外的研究情况，多集中在储罐防火间距以及后果计算模型的研究，针对防火堤内隔堤的影响研究鲜见报道。为了研究设置隔堤对阻止罐区火灾蔓延的作用，对比设置隔堤与不设置隔堤的火灾影响结果，本文选择典型规格储罐及油品，筛选事故场景进行事故影响模拟对比，分析不同规格储罐组设置隔堤的必要性。

1 火灾热辐射对储罐的影响判定准则

储罐本体发生火灾，在确定的储罐间距条件下，无论是全面积火灾还是局部火灾(如密封圈处、通气孔处等)，对相邻储罐的影响与是否设置隔堤关系不大，主要受储罐介质、储罐类型、存储条件、风向、相邻储罐是否要设有相关保护等因素控制。但储罐区一旦发生泄漏，储罐物料在地面流淌，形成液池，被点燃后形成池火。如果在地面流淌前或流淌中被点燃，则形成流淌火。理论上来说，形成液池的大小受泄漏物料的本身性质和地面坡度、粗糙度有关，但如果在流淌过程中遇到隔堤阻挡，只要泄漏物料不冲出或者溢出隔堤(顶部或者通过其他孔洞、缝隙)，液池将限定在隔堤以内(相对泄漏储罐)，火灾燃烧面也将限定在隔堤以内。

隔堤内发生池火，池火面积越小，其影响范围也就越小，因此，本研究不考虑小范围火灾，也不考虑小范围的流淌火灾，重点考虑隔堤全面积池火。

根据LASTFIRE的研究报告，对储罐间距0.5倍直径，仅小型储罐的全面积火灾可蔓延至邻近储罐。对于直径40 m的储罐只有在风速12～15 m/s时才可能蔓延至邻近储罐。研究认为导致火灾蔓延的热辐射值主要取决于邻近储罐储存介质的类型。通常认为热辐射值8 kW/m是比较保守的值，有些企业采用12.58 kW/m的临界值，这个热辐射量是将完全热隔离的空白铁板升温至300 ℃的所需热量。在这个温度下，钢板的高温表面可能引燃邻近的可燃气。

因此，分别采取8 kW/m和12.58 kW/m两个值，来判定是否达到火灾蔓延条件，其中，8 kW/m属于保守值，在达到该数值时，相邻储罐需要开启冷却喷淋。

2 火灾热辐射对储罐的影响二维初步模拟

2.1 模型建立

根据GB50160—2008第6.2.12条第2款：隔堤内有效容积不应小于隔堤内1个最大储罐容积的10%。为了计算方便，采用四罐一组，罐型及大小一致。以固定顶储罐作为研究模型，根据GB50160—2008第6.2.8条，固定顶罐间距≤1 000 m时为0.75

D

(

D

为罐的直径)，大于1 000 m时为0.6

D

。储罐罐壁至防火堤距离为0.5

H

(

H

为罐壁高度)。隔堤位于储罐中间位置。假设隔堤宽度0.3 m，储罐基础比储罐直径大0.15 m。根据文献资料、标准参数和上述规定及假设，得出固定顶罐区隔堤的相关参数，见表1。

表1 固定顶罐罐区隔堤相关参数

采用DNV公司的Phast软件进行初步筛选，分析隔堤池火灾对相邻储罐的影响。物料以92#汽油为例，体积组成为92%的异辛烷(2，2，4-三甲基戊烷)及8%的正庚烷,风速选取1.5 m/s。

由于Phast软件中的液池火灾模型为圆形液池，而隔堤内形成的液池为正方形(液池中间为储罐)，在筛选阶段，采用等效直径来计算。液池直径采用等效直径计算时，按照圆形与正方形面积相等的原则。

2.2 储罐隔堤池火灾二维初步模拟结果

采用等效液池直径时，初步模拟结果见表2(表中数据为风速为1.5 m/s时所得数据)。可以看出，在风速为1.5 m/s时，2 000 m固定顶罐隔堤内发生全面积池火有可能不发生火灾蔓延。而在2 000 m以下储罐组成的罐区，设置隔堤并不能防止火灾的蔓延。

表2 固定顶罐罐区隔堤池火初步模拟结果

3 火灾热辐射对储罐的影响三维模拟

3.1 三维模型建立

根据二维初步模拟结果，在风速为1.5 m/s时，2 000 m固定顶罐隔堤内发生池火就有可能不发生火灾蔓延。而风速越大，火灾影响范围也越大。采用KFX软件进行三维模拟，分别模拟2 000，3 000，5 000，10 000，20 000，30 000 m固定顶罐发生掀顶后的全面积火灾，隔堤内全面积池火。三维建模如图1所示。风速选择1.5 m/s。汽油的初始蒸发燃烧速率由软件推荐，为0.005 kg/(m·s)，火灾发生后根据热辐射及热对流传导计算实际的燃烧速率。

图1 储罐区模型

燃烧模型采用Magnussen提出的涡耗散概念模型(Eddy Dissipation Concept)，即被广泛应用于燃烧模拟中的EDC模型，该模型已经过实验验证。

热辐射计算采用Shah和Lockwood提出的离散传递模型(Discrete Transfer model)，即DTM模型。

3.2 固定顶罐隔堤池火灾三维模拟结果

根据以上模型及假设，以10 000 m固定顶罐隔堤池火灾为例，模拟的影响范围见图2。可以看出，在1.5 m/s风速条件下：在着火后600 s时，火灾下风向，8 kW/m影响范围约34 m(含液池半径)，12.5 kW/m影响范围约为26 m，固定顶罐隔堤内全面积池火尚不能蔓延到相邻储罐；在着火后1 200 s时，火灾下风向，8 kW/m影响范围约44 m(含液池半径)，12.5 kW/m影响范围约为38 m，固定顶罐隔堤内全面积火灾已经有可能蔓延到相邻储罐(正顺下风向尚未达到相邻储罐，但偏北方向局部达到了储罐)。

图2 10 000 m3固定顶罐隔堤池火影响范围

综合各种规格储罐隔堤的池火灾模拟结果可见表3，在风速为1.5 m/s时，在点火后1 200 s，10 000 m以上固定顶罐隔堤内发生全面积池火就有可能不发生火灾蔓延。10 000 m固定顶罐有可能发生火灾蔓延是因为在风的作用下火焰向下风向左侧有所偏移，导致下风向相邻储罐左侧非迎风面局部达到了12.5 kW/m的热辐射强度。

表3 固定顶罐罐区隔堤池火三维模拟结果(1 200 s)

根据三维模拟结果可见，在1.5 m/s的风速下，在固定顶罐大于等于20 000 m时，设置隔堤可以防止发生火灾蔓延，而对于小型固定顶罐(罐容小于等于5 000 m)，设置隔堤并不能阻止火灾的蔓延。

以上结果是在软件推荐初始燃烧速率为0.005 kg/(m·s)时得出的。根据有关文献，汽油的燃烧速率为0.081～0.092 kg/(m·s)，DNV公司的Phast软件中给出的数据为0.09 kg/(m·s)，如果将0.09 kg/(m·s)作为初始燃烧速率，模拟10 000 m固定顶罐区燃烧了160 s的火灾，影响范围见图3。

图3 风速1.5 m/s时10 000 m3固定顶罐隔堤池火影响范围

从图3可见，如果初始燃烧速率即可达到0.09 kg/(m·s)时，在着火后不到20 s时就可能引燃相邻储罐，也就是说，对于一个发展迅速的池火灾，火灾热辐射将迅速达到引燃相邻储罐的程度。

4 研究结论及建议

4.1 隔堤对防止隔堤内全面积火灾蔓延的影响研究结果

防火堤内设置隔堤的主要目的是减少泄漏油品的污染范围，同时，在发生流淌火灾时可以把火灾限定在一个较小的区域。因此，从减少污染及降低小范围流淌火灾影响来看，设置隔堤是有作用的。

根据火灾热辐射的三维模拟结果表明，对固定顶罐，在软件推荐初始燃烧速率0.005 kg/(m·s)，风速为1.5 m/s时，在点火后1 200 s内(火灾初期，没有充分燃烧起来)，20 000 m及以上固定顶罐隔堤内发生全面积池火就有可能不发生火灾蔓延。说明对于初期发展不迅速的液池火灾，20 000 m及以上固定顶罐设置隔堤对阻止火灾蔓延是有一定作用的，但必须在火灾没有充分发展起来之前做好灭火工作，当火灾充分发展起来后将有可能迅速蔓延至相邻储罐。

对于一个发展迅速的隔堤内全面积池火灾，火灾热辐射将迅速达到引燃相邻储罐的程度，设置隔堤并不能阻止火灾的蔓延。由于固定顶罐罐间距要求较大，在发生整个隔堤内池火时，一般来说，如果同罐容的固定顶罐储罐隔堤不能防止火灾蔓延，则同罐容的内、外浮顶罐罐区内隔堤也不能防止火灾蔓延。

风对火灾的影响范围有较大的影响，当风速大于1.5 m/s时，其影响范围应大于本论文模拟结果。

4.2 建议

a) 对非沸溢性的甲B类、乙类、丙A类可燃液体储罐区，单罐罐容10 000 m及以上固定顶罐，建议按“一罐一隔”增设隔堤。

b) 现行规范没有说明当发生隔堤内液池火灾时的冷却水供应范围，但根据三维模拟结果，一旦发生隔堤或防火堤内液池火灾，相邻储罐有被引燃的危险，而根据LASTFIRE的研究结果，储罐直径小于40 m时储罐本体火灾也可能引燃相邻储罐。因此，一旦发生火灾，不管是什么样类型的储罐，都应根据热辐射的实际情况来确定是否需要开启冷却喷淋。