大型油罐火灾爆炸危害范围研究
陈利琼;冯雨翔;宋利强;李京;马赫
【摘 要】针对大型油罐火灾爆炸对人员伤亡危害范围的问题,采用PHAST软件模拟定量分析了外部环境(风速、大气稳定度、空气湿度)、初始条件(泄漏点离地高度、泄漏孔直径)和其他因素(防火堤面积)对火灾爆炸伤亡半径的影响,根据模拟结果拟合了外部环境和初始条件与池火灾和蒸气云爆炸危害范围的关系式.结果表明:在相同条件下,软件模拟与实验结果误差较小,该研究具有可信性;池火灾危害范围随风速、泄漏点离地高度、泄漏孔当量直径和防火堤面积的增加而增加,而与大气稳定度的关系不大;蒸气云爆炸危害范围随风速的增加而降低,随大气稳定度和泄漏孔当量直径的增加而增加,而与泄漏点离地高度和空气湿度影响不大;拟合得到的外部环境和初始条件与池火灾和蒸气云爆炸危害范围的关系式可为大型油罐火灾爆炸事故中相关作业人员的应急撤离提供决策参考.%Aiming at the problem about the damage range of casualties caud by the fire and explosion of large oil tank, the influence of the external environments ( the wind speed, the atmospheric stability and the air humidity) , the initial conditions ( the height of leakage point and the diameter of leakage hole) and other factors
( the area of fire dike) on the casualties radi-us of fire and explosion was studied by using the PHAST software, and the relational expressions between the external envi-ronments and initial conditions and the damage ranges of pool fire and vapor cloud explosion were obtained through the fitting on the simulation results.It showed that the error between the software simulation and experimental results was small under the same conditions, so the rearch was credible.The damage range of pool fire incread with the increa of the wind speed, the height of leakage point, the equivalent diameter of leakage hole and the area of fire dike, while the atmospheric stability had small effect on it.The damage range of vapor cloud explosion decread with the increa of the wind speed, and incread with the increa of the atmospheric stability and the equivalent diameter of leakage hole, while the height of leakage point and the air humidity had small effect on it.The relational expressions between the external environments and initial conditions and the damage ranges of pool fire and vapor cloud explosion obtained through the fitting can provide the de-cision-making reference for the emergency evacuation of related operation personnel in the fire and explosion accidents of large oil tank.duke
【期刊名称】《中国安全生产科学技术》
【年(卷),期】bite怎么读2018(014)001
【总页数】6页(P100-105)
【关键词】油罐;火灾爆炸;危害范围;PHAST
【作 者】陈利琼;冯雨翔;宋利强;李京;马赫
【作者单位】西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610000;西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610000;西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610000;中石油吉林天然气管道有限责任公司,吉林长春130000;西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安710000
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【中图分类】X928.7;TE972
0 引言
随着大型油库的不断建设与完善，我国国内油库库容保持快速增长态势。到2011年底，我国油品储备总量已达5 756万m3，预计到2020年，我国石油储备将达8 500万m3，油罐的大型化将成为发展的必然趋势[1]。由于油罐罐容越来越大，一旦发生因油品跑、冒、滴、漏等引起的火灾爆炸事故，可导致严重的人员伤亡、经济损失。如2015年7月16日，山东省石大科技石化有限公司发生液化气球罐着火爆炸事故[2]，导致2名消防员轻伤，7辆消防车毁坏。
目前，针对油罐火灾爆炸的研究主要以理论分析和模拟预测等方法来分析事故可能的危害范围。庄磊等[3]对直径20 m的柴油罐燃烧进行数值模拟，得出无风和有风情况下油罐燃烧热辐射的空间分布规律；刘志勇[4]研究了池火灾的伤害模型，分析了风向、风速、距池火中心距离等因素对热辐射通量的影响；赵承建等[5]应用SAFETI软件对原油储罐发生池火灾的热辐射伤害区域进行了定量计算和模拟分析，探讨了合理确定原油罐区防火间距在工程中应用的可行性。虽然前人已对该问题有了一定研究，但缺乏针对影响油罐火灾爆炸危害范围的各因素进行系统而全面的分析，对各因素进行综合作用和主导作用分析的研究较少。
为此，本文基于油品泄漏源模型，针对大型油罐火灾爆炸事故，利用PHAST 7.11软件对池火灾和蒸气云爆炸事故的危害范围进行模拟分析，研究初始条件(泄漏点离地高度和泄漏孔当量直径)、外部环境(风速、大气稳定度和空气湿度)和防火堤面积对危害范围的影响，并对外部环境以及初始条件中起主导作用的因素进行了分析，以期为事故中相关作业人员的应急撤离提供决策参考。
1 数学模型
油罐火灾爆炸的形式包括池火灾、蒸气云爆炸等，产生的危害包括火灾的热辐射、爆炸的冲击波，以及爆炸的抛射物，由于爆炸产生的抛射物危害性通常相对有限，因此，这里重点讨论事故产生的热辐射和冲击波危害范围。
1.1 热辐射危害范围分析
可燃液体泄漏至地面形成液池，遇到火源燃烧形成池火灾。池火灾产生的破坏作用主要通过热辐射实现[6]。常用于量化分析烃类池火灾热辐射通量的模型有点源模型、Mudan模型和Shokri-Beyler模型[7]，这里主要介绍点源模型。点源模型假定池火焰集中在液池轴线火焰高度的中心点处，热量从该点发出，目标接受的热辐射通量[8]为：
(1)
式中：I为目标接受的热辐射通量，kW/m2；T为大气传递系数，无量纲，一般取1；Q为火焰热释放速率，kW；R为目标到火焰中心的距离，m。
点源模型中使用Heskestad方程计算火焰高度：
H=0.235Q0.4-1.02D
(2)
式中：D为液池直径，m。
1.2 冲击波危害范围分析
英文名著读后感蒸气云爆炸的定量模拟计算的模型主要有TNT当量模型和多能模型等。这里主要介绍TNT当量模型。TNT当量模型将蒸气云爆炸的破坏作用转化为相同当量TNT的破坏作用[12]，转化公式为：
(4)
式中：ηf为爆炸效率系数，一般取平均值0.04；Wf为蒸气云中油品质量，kg； Qf为油品的燃烧热，MJ/kg；QTNT为TNT炸药的燃烧热，4.56 MJ/kg。
冲击波超压模型为：
ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019
(5)
式中：ΔP为冲击超压变化率，无量纲；Z为范围系数，无量纲。
2 计算方法与模型验证
本文采用挪威船级社开发的火灾爆炸定量分析软件PHAST对大型油库火灾爆炸事故后果进行分析。该软件[13]计算范围较广，预测精度较高，对各类火灾爆炸事故的研究被许多国内外企业及相关设计规范所采用。
为验证PHAST软件在油库火灾爆炸事故的预测效果，本文通过对比文献[14]和[15]的实验数据进行模型验证。廖宇凡等[14]通过实验研究了油池火的燃烧过程以及对周围辐射影响，
实验环境温度为5℃、无风。魏东等[15]通过对油罐火灾的实验研究，获得了油罐发生火灾时的热辐射分布，试验环境温度为25℃、无风。模拟结果与实验结果和经验公式进行了对比，其中，热辐射强度模拟结果验证见图1，冲击波超压模拟结果验证见图2，可见模拟结果与实验和经验公式结果吻合得较好，表明PHAST可以较准确地预测上述模型。
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图1 热辐射强度的模拟结果与实验结果对比Fig.1 Comparison of simulated results and experimental results of thermal radiation intensity
图2 冲击波超压的模拟结果与经验公式计算结果对比Fig.2 Comparison of simulation results of shock wave overpressure and empirical formula北京新世界
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3 模拟分析
3.1 初始条件影响的模拟分析
3.1.1 泄漏点离地高度的影响
利用PHAST软件模拟泄漏点离地高度对池火灾以及蒸气云爆炸的影响。考虑大气稳定度为
D级，风速为6 m/s，泄漏点离地高度分别为1，2，3，4，5 m，PHAST模拟了泄漏点离地高度对池火灾和蒸气云爆炸伤害距离的影响，结果如图3所示。池火灾伤害距离为早期池火灾下风向重伤或轻伤半轴距离；蒸气云爆炸伤害距离为人员轻伤或重伤半径。可以看出，随着泄漏点离地高度的增加，池火灾的伤害距离呈近似线性上升趋势；蒸气云爆炸的伤害距离呈现先增大后减小的趋势，并于泄漏点离地高度为3 m时，伤害距离达到最大。
cet图3 泄漏点离地高度对池火灾和蒸气云爆炸伤害距离的影响Fig.3 Effect of the height of leakage point on the damage scope of pool fire and vapor cloud explosion
3.1.2 泄漏孔当量直径的影响
考虑大气稳定度为D级，风速为6 m/s，泄漏孔当量直径分别为0.05，0.1，0.15，0.2，0.3 m，模拟结果如图4所示。由图4可见，随着泄漏孔直径的增大，池火灾轻伤的伤害距离呈近似线性增长，重伤的伤害距离在油罐发生小泄漏时变化不大，当达到大泄漏[16]后(泄漏孔当量直径大于0.15 m)，重伤的伤害距离随泄漏孔当量直径的增加而线性增加；蒸气云爆炸的轻伤伤害距离增长幅度比重伤伤害距离增长幅度略大。总体而言，由于泄漏孔当量直径的大小直接影响泄漏量，池火灾和蒸气云爆炸的伤害距离均随泄漏孔当量直径的增大而
增大。
