基于CFD模拟的池火灾后果面积定量计算方法研究

于 闯 韩志远 谢国山

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.国家市场监管技术创新中心（炼油与化工装备风险防控） 北京 101300）

石化装置在生产流程中包含一些危险介质，其中易燃介质在隔离失败的情况下会泄漏引发火灾，应用安全屏障可达到对事故伤害后果减缓的目的。目前国内GB／T 26610.5—2014《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第5部分：失效后果定量分析方法》考虑了安全屏障对后果的影响，给出了半定量的计算方法，然而这种方法相对简单，没有考虑安全屏障的具体参量，也无法定量计算后果的实际减少面积[1]。而对安全屏障进行定量评估能够更加准确地对石化承压设备进行后果和风险评估，以及对安全屏障的作用进行准确评价。

国内外学者多采用数值模拟的方法进行石化装置火灾的相关研究[2-3]。管佳林等人对油罐区火灾事故进行了数值模拟，并计算热辐射阈值得到人员安全距离[4]。王海燕等人通过数值模拟的方法得到热辐射通量与距离的关系曲线[5]。前人的研究说明通过数值模拟的方法可以得到热辐射和安全距离的定量关系，通过安全距离能够对人员伤害后果面积进行定量评估。为定量评估池火灾对人身安全的失效后果的影响面积，本文针对承压设备失效的池火灾场景，探究了基于所设置围堰的关键参量，得到了盛装危险介质的压力容器池火灾后果面积修正计算的方法。

1 池火计算方法

1.1 池火灾伤害后果计算理论模型

彭新平等人对比了2种池火灾伤害后果计算理论模型，发现其中的池火灾后果计算理论模型结果相对完整，更适合在石化装置事故后果计算中使用[6-7]。池火灾后果计算理论模型如下：

1）根据燃烧速度计算火焰高度，见式（1）和式（2）：

式中：

S ——液池的面积，m2；

r ——池火灾的当量半径，m。

式中：

h ——火焰高度，m；

ρ0——空气密度，取 1.293 kg／m3；

g ——重力加速度，取9.8 m／s2；

dm／dt ——单位面积的质量燃烧速度，kg／（m2·s)，根据美国消防协会推荐值取0.14。

2）总热辐射通量计算，见式（3）：

式中：

Q ——总热辐射通量，kW；

η ——效率因子，可取0.13～0.35，取最大值0.35计算；

Hc——液体燃烧热，kJ／kg，甲烷液体燃烧热为55 600 kJ／kg。

3）池火灾人员安全距离计算，见式（4）：

式中：

I ——热辐射强度，kW／m2，人员伤害阈值按照标准[8-9]取12.5 kW／m2；

tc——热传导系数，取1；

l ——池火灾人员安全距离，m。

4）人员伤害后果面积计算，见式（5）：

式中：

A ——人员伤害后果面积，m2；

Φ ——人员伤害后果面积修正系数。

1.2 池火灾CFD建模

本文应用Flacs软件对池火灾进行模拟计算，大多数火灾场景涉及的是非预混或扩散火焰，本文选择Flacs软件非耦合池火模型进行火灾的数值模拟，非耦合池火模型主要有池大小以及燃烧速率2个影响因素，通常使用面积泄漏建模来模拟非耦合池火模型的蒸发速率，池大小根据围堰面积确定，燃烧速率根据Flacs软件中经验值选定。

池火灾场景模型网格划分如图1所示，计算域网格数量3 198 720，网格最大尺寸16.1 m×11.5 m×3.6 m，对核心计算区域网格进行加密处理最小尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m，并与其他区域平滑过渡，最大增长系数1.1。

图1 池火灾场景建模网格划分

模拟场景为球罐介质泄漏的池火灾，燃烧介质为甲烷，泄漏面积与围堰面积相同，观测点变量为热辐射通量，当热辐射面积趋于稳定时停止计算，其余具体参数设置见表1。

表1 池火灾模拟参数设置

2 池火火灾模拟

如图2所示，模拟了无围堰时池火灾后果面积并与理论模型计算后果面积的值进行对比，模拟了液池面积为9 m、16 m、36 m时的池火灾，2种方法计算的后果面积趋势相同，而数值模拟计算的后果面积与理论模型计算的后果面积相差最大为17%。这是由于理论计算模型在考虑火焰模型时将火焰形状理想化为圆柱体，通过火焰表面发射辐射，而在Flacs软件中更接近于火焰的真实形状，并假设辐射为火焰长度方向的多个辐射源向四周发射，这导致了理论计算模型的辐射源更多，热辐射传播的面积更大；另一方面在Flacs软件中考虑环境温度、压力以及烟气吸收对热辐射传播带来的影响，而在理论模型计算后果面积时效率因子取最大值0.35，也同样会造成2种方法的结果存在差别。

图2 无围堰池火灾后果面积与理论模型后果面积对比

图3 是围堰高度为1.2 m且面积分别为100 m2、225 m2、400 m2、625 m2和900 m2的池火所造成的热辐射面积的云图，并根据热辐射对人员的伤害等级对云图进行等级划分[9]，其中x轴负方向为上风向，x轴正方向为下风向。可以看出：同一热辐射等级的情况下，随着围堰面积的增加，池火灾后果面积也随之增加；并且距火焰中心相同距离的位置，下风向热辐射值大于上风向热辐射值。

图3 不同围堰面积的池火热辐射云图

图4 为池火灾伤害后果计算模型和数值模拟计算的人员伤害后果面积与液池面积进行线性拟合得到的关系曲线。可以看出：在围堰能全部处理介质泄漏量的情况下，随着液池面积的增加，池火所造成的人员伤害后果面积也会逐渐增加；并且在液池面积相同时，池火灾伤害后果计算模型得到的后果面积均大于数值模拟计算的人员伤害后果面积。

图4 人员伤害后果面积与液池面积关系曲线

由于池火灾伤害后果理论计算模型未考虑围堰的情况，因此用CFD数值模拟的有围堰的池火灾人员伤害后果面积曲线对池火灾伤害后果计算模型计算的人员伤害后果面积曲线进行运算后拟合，得到修正系数曲线如图5所示，拟合系数为0.999 97，拟合结果较好，修正系数曲线见式（6）。在本文的研究范围之内，对有围堰的情况下进行风险评估计算人员伤害后果面积时，可以应用修正后的池火灾伤害后果计算模型进行计算。

图5 池火灾人员后果面积修正系数曲线

3 结论

本文研究了基于不同围堰面积的池火灾后果面积，在围堰能全部处理介质泄漏量的情况下，随着围堰面积的增加，池火所造成的人员伤害后果面积也会逐渐增加。

对比了池火灾伤害后果计算理论模型与Flacs软件数值模拟的结果，发现在液池面积相同时，理论计算模型计算的后果面积均大于数值模拟的有围堰时造成的人员伤害后果面积。

本文将池火灾伤害后果计算模型计算的人员伤害后果面积曲线和Flacs软件数值模拟的人员伤害后果面积曲线运算后进行线性拟合，得到了修正系数曲线，修正系数有助于对池火灾快速进行风险评估，对人员伤害后果面积进行定量计算。