基于泄漏和池火计算模型的加油站消防器材与卸油口安全间距研究

2022-08-15 07:31王文明王子文
石油库与加油站 2022年2期
关键词:消防器材热辐射油罐

王文明 王子文

〔1 中国石化江苏盐城石油分公司 江苏盐城 224005;2 中建安装集团有限公司 江苏南京 210046〕

加油站卸油作业时因设备故障或操作失误很可能发生油品泄漏。在安全评价中,事故后果分析都从泄漏分析开始[1]。泄漏的形式与裂口面积的大小和泄漏持续的时间有关,工业危险源理论将泄漏分为两种情况:一是物料经较小的孔洞长时间持续泄漏的小孔泄漏;二是物料经较大孔洞在很短时间内泄漏出大量液体的大面积泄漏[2]。对于加油站卸油泄漏而言,小孔泄漏通常表现在卸油软管与地面长期磨损形成孔洞、软管长期使用因老化产生裂口、快速接头产生轻微变形、快速接头卡接不牢等;大面积泄漏则表现在卸油软管老化突然断裂、快速接头受外力撞击突然脱开、快速接头卡箍松动致软管突然脱离等。在加油站卸油作业时,无论上述何种原因发生何种泄漏,在点火源引燃下极有可能形成地面流淌火灾,成为可燃液体危险与危害程度定量评价中的池火灾。

当加油站发生卸油泄漏地面火灾时,使用按相关标准规定配置在油罐区附近的推车式干粉灭火器和砂池中的砂子,极有可能将初起火灾及时扑灭。但当油罐区消防器材设置位置紧邻卸油口和卸油作业区时,会使消防器材存放位置的地面被流淌油品覆盖,并被引燃后快速传播的火焰包围,使监护人员受热辐射影响难以靠近,导致消防器材“拉不出”,从而丧失最佳的灭火时机(正基于此初步认识,在组织区域公司加油站油气回收和双层油罐改造时,将之前形象改造中大量采用,而在区域公司外加油站仍然采用的灭火器箱、黄砂箱、集中卸油口的“三合一”组合布置形式,同步进行了分离改造)。因此,基于泄漏计算模型和池火灾计算模型,计算出加油站卸油泄漏引发火灾时不同当量圆半径池火伤害距离阈值,合理确定设置在罐区附近的消防器材与集中卸油口之间的安全距离,对加油站罐区消防器材布置、卸油泄漏初起火灾扑救、安全评价及应急预案编制等都有着重要的意义。

1 加油站卸油口与罐区消防器材布置形式

1.1 油罐卸油口布置形式

随着加油站工艺技术的发展和安全认识的提高,在加油站新、改、扩建过程中,人们早就将之前卸油口直接设在油罐人孔井内的分散设置,改变为地上集中布置,以达到卸油作业的方便和卸油停车及作业区的固定,同时也便于卸油现场的安全监护。对集中卸油口的布置,则根据油罐的埋设位置、埋设方式及用地条件综合考虑确定。对于用地面积相对宽松的覆土式罐区,一般将集中卸油口布置在如图1所示的罐区侧边;对于用地面积相对紧凑的行车道下埋设的罐区,将集中卸油口布置在如图2所示的围墙边居多;对于场地狭小、油罐又埋设在行车道下的小型加油站,有的将集中卸油口布置在如图3所示的加油岛上。

图1 集中卸油口在罐区边布置

图2 集中卸油口在围墙边布置

图3 集中卸油口在加油岛上布置

1.2 罐区固定消防器材箱与集中卸油口组合形式

将罐区固定消防器材箱与集中卸油口组合设置(如图4所示),是十几年前在中石化加油站形象改造中开始采用。这种组合方式着眼美观,化零为整,使加油站储罐区小型砌体整齐不散,格调一致,并因主渠道的示范效应,在其他各经营主体加油站得到了较快、较多的应用。

图4 消防器材箱与集中卸油口组合设置

1.3 油罐区消防器材的配置要求、灭火原理及作用

现行加油站技术标准规定[3]:地下储罐应配置1台不小于35 kg推车式干粉灭火器。当两种介质储罐之间的距离超过15 m时,应分别配置。一、二级加油站应配置灭火毯5块、沙子2 m3;三级加油站应配置灭火毯不少于2块、沙子2 m3。

干粉灭火器是依靠加压于灭火器中的气体压力将干粉从喷嘴喷出,形成一股混合着加压气体的雾状粉流将火灭掉,是控制初起火灾和扑灭小型火灾最有效的设备;沙子和灭火毯覆盖在燃烧物上可起到隔绝空气、窒息灭火的作用,对扑灭小型的、局部的流散油品火灾具有很好的效果。

1.4 卸油作业有关安全管理规定

油品接卸是加油站正常经营中经常发生且最为重要的作业。因此,加油站都制定了相应的作业规程和安全管理规定并严格执行。虽然各经营主体的具体要求不尽一致,但对作业现场安全监护的规定通常为35 kg推车式干粉灭火器材、灭火毯应布置到位;应安排专人对卸油现场进行巡查和监护。

2 泄漏计算模型

加油站接卸油品时作业现场的安全监护,会对小孔泄漏及时发现,并立即停止作业,不会产生较大的损失和安全风险。而对于大面积泄漏,则由于事发突然,瞬间泄漏量较大,产生火灾风险也就更大。因此,以下仅对加油站卸油作业产生的大面积泄漏进行研究。根据工业危险源理论计算模型,加油站卸油作业产生的大面积泄漏符合液体经管道泄漏模型。

2.1 经管道泄漏液体的伯努利方程

以液面与管道断裂处为计算截面,根据伯努利方程有:

(1)

式中:△p为管道内压强和外界大气压之差,Pa;ρ为管道内液体密度,kg/m3;u为液体在管道裂口处的流速,m/s;g为重力加速度,9.8 m/s2;△z为液面距管道裂口的高差,m;F为总的阻力损失。

(2)

式中:λ为液体的摩擦系数;l为罐体到泄漏口处的管长,m;d为泄漏管道内径,m;ξ为局部阻力系数;其他符号含义同前。

2.2 泄漏液体的雷诺数

摩擦系数λ的计算与表征流体流动类型的参数——雷诺数有关,雷诺数Re的表达式为:

(3)

式中:μ为液体的动力黏度,kg/(m·s);其他符号含义同前。

(4)

当2 000

(5)

(6)

2.3 泄漏液体的质量流量

泄漏液体的质量流量q根据下式计算:

q=ρuA

(7)

式中:q为液体的泄漏质量流量,kg/s;A为管道裂口面积,m2;其他符号含义同前。

3 池火计算模型

池火灾是指可燃液体(如汽油、柴油)泄漏后流到地面形成液池,或流到水面并覆盖水面遇到点火源而形成的火灾。池火灾一般发生在室外。由于氧气供应充足,燃烧比较完全,产生的有害烟气也容易达到无害而消散掉。但是,池火灾产生的火焰能够向周围发出强烈的热辐射,使附近的人员受到伤害,并可引燃周围的可燃物。因此,火焰产生的热辐射是其主要危害[2]。

3.1 燃烧速度

当液池中可燃液体的沸点高于或低于周围环境温度时,液体表面上单位面积的质量燃烧速率分别按式(8)、(9)计算:

(8)

(9)

式中:dm/dt为单位表面积质量燃烧速度,kg/(m2·s);Hc为液体燃烧热,kJ/kg,汽油为43 700 kJ/kg;Cp为液体的比定压热容,J/(kg·K);Tb为液体的沸点,K;To为环境温度,K;H为液体的气化热,J/kg。

3.2 火焰高度

假定池火火焰为圆柱形,火焰直径等于池直径。无风条件下,火焰高度计算的经验公式为:

(10)

式中:h为火焰高度,m;r为池火灾当量圆半径,m;ρo为空气密度,kg/m3,取标准状态下1.293 kg/m3;其他符号含义同前。

3.3 热辐射通量

无风条件下,液池燃烧时放出的总热辐射通量为:

(11)

式中:Q为总热辐射通量,W/m2;h为火焰高度,m;η为效率因子,可取0.13~0.35;其他符号含义同前。

3.4 目标入射热辐射强度

假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来,则在距离液池中心某一距离(X)处的入射热辐射强度为:

(12)

式中:I为热辐射强度,W/m2;tc为热传导系数,在无相对理想数据时可取1;X为目标点到液池中心距离,m;其他符号含义同前。

3.5 热通量伤害准则

火灾通过热辐射的方式影响周围环境。当火灾产生的热辐射强度足够大时,可使周围的物体燃烧或变形,强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡等。火灾损失估算建立在辐射强度与损失等级对应关系的基础上[1],如表1所示。

表1 热通量准则的伤害阈值

4 加油站卸油经管道泄漏模型及池火模型计算

4.1 泄漏及池火场景假设

以危险性大的汽油进行计算。假设加油站选用目前主要车型40 m3油罐车运送95号汽油,汽油密度为740 kg/m3,运动黏度为0.76 mm2/s,车载油罐安全容积最高液面距地面3.6 m,罐车出油口球阀为DN80,卸油采用内径80 mm、长度4 m的防静电软管,通过快速接头将油罐车与地下油罐连接,利用液位势能自流卸油。卸油开始罐车出口球阀全开,与地下油罐卸油接头连接处松动的胶管卡箍在液体内压作用下,突然脱离至地面发生汽油泄漏,并在点火源引燃下发生火灾。为方便计算,假定天气条件为无风,气温20 ℃,标准大气压,罐内气相空间表压为0,池火火焰为圆柱形,火焰直径等于当量圆液池直径。

4.2 泄漏油品的质量流量计算

油罐出口球阀全开,局部阻力系数ξ为0.19。又μ=νρ,ν为汽油的运动黏度,m2/s。

以罐车上油罐内液面与脱离落地的软管端口为计算截面,忽略油罐内油品的流速。罐内气相空间表压为0,即Δp=0,公式(1)则为:

即:0.5u2-9.8×3.6+0.439u1.75+

0.095u2=0

由此得到油品的出管流速:u=6.36(m/s)

验证雷诺数:Re=105 263u=669 474

符合雷诺数的试算条件,说明流速计算正确,则泄漏的最大质量流量为:

q=ρuA=740×6.36×

4.3 燃烧速度计算

油品被引燃时火焰传播速度极快,实验中观察到的火焰水平传播速度可达10 m/s。油品燃烧质量速度可按公式(8)、(9)计算得到,也可从相关手册中直接查得。表2列出了汽油、柴油燃烧的质量速度[1]。

表2 汽油、柴油燃烧的质量速度

4.4 火焰高度计算

根据公式(10),汽油燃烧速度取表2中的平均值,计算出1~10 m当量圆半径池火火焰高度,如表3所示。

表3 1~10 m当量圆半径池火的火焰高度

4.5 热辐射通量计算

根据公式(11),效率因子取平均值0.24,计算出1~10 m当量圆半径池火燃烧时放出的总热辐射通量如表4所示。

表4 1~10 m当量圆半径池火的总热辐射通量

4.6 1~10 m当量半径池火伤害距离阈值计算

公式(12)反映了入射热辐射强度与受害目标到火源距离的关系。若将表1中的热辐射强度作为火灾伤害定值,根据该公式计算出1~10 m当量圆半径池火伤害距离阈值如表5所示。

表5 1~10 m当量圆半径池火伤害距离阈值 m

4.7 结果分析

(1)从汽油泄漏的质量流量计算结果可以看出,对于加油站常规使用的40 m3油罐车,在卸油开始时一旦产生管道断裂的大面积泄漏,其质量流量可达23.66 kg/s。因到站罐车油品容积交验的需要,加油站卸油场地通常采用水平设计,故泄漏的汽油可在水平地面上迅速流淌扩散,难以形成较深的油层,若不考虑混凝土路面对油品的渗透情况,假定地面油层平均厚度为10 mm,换算为面积流散速率则为3.20 m2/s。由此,卸油泄漏流散10~100 m2面积所需的时间如表6所示。

表6 卸油泄漏流散10~100 m2面积所需时间

(2)依据热通量伤害准则,若将25.0 kW/m2入射热辐射强度下对人的伤害阈值设定为死亡半径,12.5 kW/m2为重伤半径,4.0 kW/m2为轻伤半径,显然加油站一旦发生油品泄漏火灾伤害时,最不可接受的为死亡和重伤。由此可计算出汽油泄漏1~10 s时,不同池火面积下产生重伤的12.5 kW/m2入射热辐射强度所对应的伤害距离阈值如表7所示。从表7可以看出,若将现场监护人员从发现油品泄漏到迅速跑到油罐车完全关闭球阀,反应及动作最快时间设定为5 s,泄漏油品在地面流散已达16 m2,其当量圆半径为2.26 m,则对应于等径池火灾的人员伤害阈值为4.16 m。

表7 汽油泄漏1~10 s时不同池火面积下12.5 kW/m2入射热辐射强度所对应的人员伤害距离阈值

5 结束语

(1)加油站卸油作业时,存在着因设备故障或操作失误发生油品泄漏的可能,由此在点火源触发下引发地面池火灾的可能性也就绝非为零。

(2)不同当量半径池火对现场作业人员伤害和对近旁消防器材损害存在着不同的距离阈值。合理地确定作业人员、消防器材与卸油口的安全间距,可有效地避免和降低火灾发生时对人员伤害和对消防器材损害的程度。

(3)将油罐区消防器材箱与卸油口紧邻布置存在着一定的安全缺陷,两者应保持至少4.5 m的安全间距(也正好是划分密闭卸油口作业区的范围),并将消防器材箱设在常年主导上风位置,且尽量避免取用消防器材的门洞与卸油作业区正面相对,以转向90°最为恰当,从而保证发生卸油泄漏火灾时,人员反应及动作所需最快的5 s时间内,在人身不受伤害原则下的第一时间,使消防器材“拉得出”,方能“打得响”,才可将火灾扑灭在可能扑灭的初起阶段。

(4)对卸油作业进行现场监护,也应将应急消防器材布置在距集中卸油口4.5 m以外的上风向,以避免消防器材在泄漏发生的第一时间即被油品乃至引燃的火焰所包围,而丧失火灾初起时的最佳扑灭时机,使本可扑灭的初起火灾不受抑制地发展,导致火灾损失和后果的扩大。

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