基于FDS 的甲醇罐区池火灾事故后果模拟研究

陈虹燕，徐昕，王浩

(1.江苏安全技术职业学院，江苏 徐州 221004；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221100)

0 引言

连续化、流程化生产是现代智能化工生产的特点，但大量易燃物质集中储存会带来一定的火灾风险。应急管理部《关于公开征求强制性行业标准〈化工企业可燃液体常压储罐区安全管理规范(征求意见稿)〉意见的函》于2023 年9 月5 日发布，附件中的《化工企业可燃液体常压储罐区安全管理规范》处于征求意见阶段，其中对于应急救援明确要求“应急救援处置过程中以人为本、科学研判，防止次生事故发生”，因此罐区火灾风险及应急处置的研究应在贯彻国家安全管理政策的同时落实落地。

甲醇是一种有机的基础化工原料，被广泛应用于精细化工、塑料、农药、医药等领域，是低闪点易燃液体，属于重点监管危险化学品，其火灾特性被学者广泛研究。周千军等[1]针对1 m 尺度甲醇油池火应用不同模型进行模拟计算；苏忠波等[2]对大型甲醇池火的泡沫叠加灭火进行试验和研究；程宗律等[3]对甲醇池火进行气液耦合中等尺度火灾模拟。通过不同的假设条件和计算模型进行甲醇池火的仿真模拟为甲醇池火的防灭火提供参考。

本文以徐州某化工厂甲醇罐区为研究对象，计算并模拟真实环境中无风、平均风速、中等风速和最大风速条件下甲醇储罐泄漏燃烧，形成8 m×8 m 的池火产生的辐射强度及伤害范围，重点分析甲醇储罐之间的相互影响，并建立FDS 模型，模拟燃烧过程中不同测点热辐射强度并输出三维仿真效果，为选取最佳灭火点的设置提供建议。

1 池火灾辐射模型

池火灾是以可燃液体作为燃料的火灾，其主要危害是辐射热作用在容器和设备上，引起容器和设备的破裂；辐射热作用于可燃物，引起可燃物燃烧；辐射热作用于人体，引起烧伤甚至死亡。研究甲醇池火灾的辐射热涉及的模型参数有甲醇的燃烧速率、火焰高度、总热辐射通量、火焰表面平均辐射通量和目标接收热辐射通量。

1.1 燃烧速率

经分析，甲醇的沸点值高于环境温度，因此甲醇表面的燃烧速率为：

式中：m为单位表面积燃烧速度(kg/m2·s)，Hc为液体燃烧热(kJ/kg)，Cp为液体的定压比热(kJ/(kg·k))；Tb为液体的沸点(K)；T0为环境温度(K)；H为液体的汽化热(kJ/kg)。

1.2 火焰高度

甲醇泄漏形成液池，因此研究火焰高度时，把液池假设为一个圆形的液池来研究：

式中：h为火焰高度；r为液池半径；m为可燃液体单位面积的质量燃烧速率(kg/(m2·s))；0ρ为环境空气密度(kg/m³)，环境温度20 ℃时，取1.205 kg/m³；g为重力加速度，取9.8 m/s。

1.3 总热辐射通量

热辐射通量与形成液池的面积和火焰的高度成正比，燃烧时甲醇释放出的总热辐射通量为：

式中：Q为总热辐射通量(kW)；η为效率因子，可取0.24；h为火焰高度(m)；m为燃烧速率(kg/(m2·s))；Hc为液体燃烧热(kJ/kg)；π 为圆周率，取3.14；r为液池半径(m)。

1.4 火焰表面平均辐射通量

池火灾火焰表面平均热辐射通量为：

式中：E为目标表面平均热辐射通量(kW/m2)；f为热辐射系数，可取0.3；r为液池半径(m)；h为火焰高度(m)；Hc为可燃液体的燃烧热(kJ/kg)；m为可燃液体表面单位面积的质量燃烧速率(kg/(m2·s))。

1.5 目标接收热辐射通量

在池火灾目标接收热辐射通量模型中，学者通过研究对比[4-5]，得到不同模型在不同情境下的应用结论。其中以点源模型、Mudan 模型和Shokri-Beyler模型应用研究较为广泛。

1.5.1 点源模型

点源模型以液池中心发出辐射量，计算距离这一中心某一定点处的热辐射通量[6-7]：

式中：I为目标接收辐射热通量(kW/m2)；Q为总热辐射通量(kW)；tc为传导系数，可取1.0；L为目标到液池中心的距离(m)。

1.5.2 Mudan 模型

Mudan 模型把池火火焰作为垂直圆柱(无风条件)或者倾斜圆柱(有风条件)形成辐射源。该模型考虑池火表面的有效热辐射通量和被辐射目标与池火焰间的关系以及大气透射系数的影响。目标接收的热辐射通量为[8-9]：

式中：q(R)为目标接收到的热通量(kW/m2)；E为火焰表面的热通量(kW/m2)；R为目标到油区中心的水平距离(m)；V为视角系数，按Rai&Kalelkan 提供的方法计算。

1.5.3 Shokri-Beyler 模型

Shokri-Beyler 模型将池火假设为均匀辐射的圆柱体辐射源，圆柱体的截面直径为液池直径、火焰高度为圆柱体高度。目标接收的辐射热通量为[10]：

式(7)～式(8)中：q为目标接收的热通量(kW/m2)；E为池火火焰表面平均热辐射通量(kW/m2)；F12为视角系数，为水平和竖直两个方向的矢量和。

1.6 热辐射伤害准则

热辐射对设备和人体的伤害程度主要因目标距离、作用时间和热辐射强度的不同而不同，具体辐射伤害准则如表1 所示。

表1 热辐射伤害准则

1.7 模型应用分析

点源模型计算相对简单，在理论验证和实验研究中被广泛应用，但是徐州某化工厂甲醇罐区实际因素较为复杂；Mudan 模型能够考虑风速影响下的热辐射通量计算，但是预测结果与实验结果的偏差比Shokri-Beyler 模型稍大；Shokri-Beyler 模型通过拟合分析热辐射通量的实验数据得到用液池直径表示池火焰表面的有效热辐射通量，但是估算值存在一定的不确定性。

针对徐州某化工厂甲醇罐区实际情况，无法实现真实工况的现场实验，无法确定模型计算的准确性。为了保障计算的有效性，本文利用FDS 软件，采用设定热辐射伤害准则数值反推伤害半径的方式进行模拟计算。

2 数值模拟

2.1 甲醇罐区概况

徐州某化工厂甲醇罐区①设置5 000 m3甲醇储罐2 座，毗连罐区②设置3 000 m3甲醇储罐2 座，毗连罐区隔堤高1 m，如图1 所示，1 号罐、4 号罐和2 号罐、3 号罐成轴对称。受大气环流、地形和其他因素影响，该地区风向常年以东风为主，多年平均风速为2.33 m/s，中等风速为13.3 m/s，最大风速为18 m/s。3 号罐、4 号罐中间8 m×8 m 区域为甲醇泄漏后形成的液池区域。

图1 徐州某化工厂甲醇罐区示意图

2.2 甲醇理化性质

经徐州某化工厂甲醇试剂化验分析，甲醇理化性质如表2 所示。

表2 甲醇理化性质取值表

2.3 数值模拟结果

以3 号储罐泄漏、泄漏液池8 m×8 m 池火为前提，设置无风、平均风速、中等风速和最大风速四种情况，通过仿真模拟计算死亡半径(设备损坏)、重伤半径(设备长期暴露损坏)、轻伤半径(周围可燃物可燃烧)和灼烫半径(设备壳体加速老化)，计算结果汇总如表3 所示。

表3 不同风速影响下甲醇池火热辐射伤害半径

表3中模拟计算得到的伤害半径值均是由伤害准则反推的伤害半径，在FDS 软件中模拟后，根据曲线函数求得。

3 结果与讨论

采用FDS 软件对甲醇罐区建模，液池尺寸8 m×8 m，设置FDS 中的supply，改变环境风速0、2.3、13.3 和18.0 m/s。设置辐射强度测点，记录不同位置辐射强度值，通过设置2D 切片，得到池火在不同风速下不同截面的温度云图。

3.1 不同风速下池火热辐射分布

以图2 中3 号甲醇罐泄漏形成液池为研究对象，设置泄漏最不利点位于3 号罐北侧，形成液池集中于3 号罐和4 号罐中间位置，模拟池火不同测点对隔堤西侧5 000 m3甲醇储罐的辐射强度。图3 为环境风速0、2.3、13.3 和18.0 m/s 情况下的不同测点热辐射强度值随辐射半径改变的变化曲线图。

图2 甲醇罐区液池目标示意图

图3 不同风速热辐射测点强度值

图3上每一个点均为辐射强度稳定后的平均值，通过预设的临界辐射强度，得到不同风速下的对应临界距离，且此临界距离为目标测点到火源边缘的距离。针对徐州某化工厂甲醇罐区的实际情况，得到以下结论：随着测点高度增加，辐射强度降低，在距液池中心8 m 外，辐射曲线基本重合，辐射值趋同≤4 kW/m2；随着风速增加，近火区域辐射强度显著增加，因为火焰倾斜后导致火焰直接与温度测点接触，但风速增加到一定值后辐射变化较小；辐射强度随着辐射半径的增加而降低。

图3中纵坐标为辐射强度值、横坐标为目标离火源边缘距离，并列举了不同高度的测点。在模拟时，求解纵坐标在辐射强度为37.5、25.0、12.5、4.0 kW/m2处的横坐标值，标示该临界辐射强度对应的目标临界距离(即伤害半径)，实现临界辐射强度反推伤害半径的目的。

3.2 辐射强度与时间分布

随着风速的增加，对比风速2.3 m/s 和13.3 m/s 时，火焰辐射强度波动增加，这是因为火焰倾斜后，火焰在风力作用下不断变化，从而导致火焰对于测点的辐射强度也在不断变化；通过观察图4(c)和图4(d)发现，大风速情境下波动范围集中在4 m 内，远火区波动较小。对比图4 中4 个分图可以发现，随着风速增加，火焰辐射强度波动越来越明显，风速越大，辐射强度平均值越高。这是因为在风的作用下，不断补充助燃物空气致使甲醇充分燃烧而产生的现象，同时导致火源倾斜，火源直接与部分测点接触；高风速下，产生的辐射强度均值越高，对周围设施造成的危险性越大。

图4 不同风速热辐射测点辐射强度波动对比图

3.3 有风和无风状态下温度云图对比

通过图5(a)和图5(b)无风条件的温度云图可以观测到，无风状态下池火燃烧对4 号罐体的高温作用远远超越对隔堤西侧1 号罐体的影响，这是因为隔堤作为防火堤形成了一道防火屏障，在池火形成后阻隔火焰辐射，温度传递受阻，起到很好的隔热作用，且1 号罐相较于4 号罐距离液池较远，体现目标距离越大受温度影响越小的规律。图5(c)和图5(d)测定最大风速18.0 m/s，池火热辐射强度相较于无风条件风力越大，火焰倾斜度越大，辐射热对1 号罐体的影响越大，对4 号罐体的影响逐渐减小。

通过观察图5(a)和(c)，黑色区域为温度云图模拟出的燃烧烟气，在无风条件下，烟气较多集中于4 号储罐罐侧，而在有风条件下，烟气向1 号储罐偏移，体现在风力作用下高温带来的影响区域会发生变化，受影响的目标设备会发生改变。通过观察图5(b)和图5(d)，在无风条件下1 号罐体外侧接收到的温度最高为22.25 ℃，而在有风条件下，1 号罐体外侧接收温度为80～120 ℃，说明风力越大，同一设备外侧接收到的火焰辐射温度增加。

4 结论

(1)以徐州某化工厂甲醇罐区实际场景进行仿真模拟，使用FDS 内置辐射模型进行模拟计算，计算结果表明，辐射强度在主导风向东风作用下，有风条件下在下风侧的热辐射强度高于无风条件，池火产生的辐射热对1 号罐体的影响更大。

(2)防火隔堤在无风条件下的防火阻隔作用明显优于有风条件，主导风向为东风，随着风力增大，池火对4 号罐体的辐射强度逐渐降低。随着风力增大，辐射强度值波动增大，且热辐射强度均值随测点的距离的增大而增大。在最大风速18.0 m/s 时，其无伤害距离为≥7.65 m。

(3)使用FDS 进行仿真模拟，将池火温度云图可视化，可以直接分析切片处的温度分布，有风情况下，下风侧罐体温度会更高。从消防的角度建议，在罐壁设置水幕喷淋以降低辐射强度带来的影响。通过FDS模拟，得到了在设置防火堤的情况下，不同风速下不同辐射伤害距离和罐区温度分布，可以为实际罐区泄漏着火后消防员灭火位置的选取提供参考。