全尺寸油罐区火灾爆炸灾害模拟与理论研究.pdf

第 3 5卷第 3期 2 0 1 8年 9月 爆破 BLASTI NG Vo l u 3 5 No． 3 Se p． 201 8 d o i 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 7 X ． 2 0 1 8 ． 0 3 ． 0 0 5 全尺寸油罐区火灾爆炸灾害模拟与理论研究 水 程 薇 ， 李 2 马 2 杨 小 兵 ， 何 松 。 ， 陈 先 锋 。 1 ． 安徽理工大学 土木与建筑学院， 淮南 2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 4 3 0 0 7 0 ； 3 ． 防化研究院 ， 北京 1 0 0 1 9 1 摘要 在大型全尺寸火灾爆炸数据匮乏的情况下， 利用火灾动力学模拟软件模拟 了1 0万吨全尺寸原油 池火灾 直径8 0 m， 高2 1 ． 5 m ， 研究了风速、 油罐间距等对邻近油罐壁面温度及辐射热流的影响。模拟结果 表明 壁面温度及辐射热流对称分布且在罐顶高度以下时随着高度的增加而增大， 随距离的增大而减小。当 与油罐 中心间距达到3 ． 5倍油罐直径时， 温度及热流几乎不受火灾的影响。受视角系数等因素的影响， 当风 速增 大时 ， 邻近 油罐壁 面温度及辐射热 流也 随之 增大。 同时采用 Mu d a n模型理论推 导 了临近罐壁 的热流强 度 分布 ， 对 比模拟结果发现二 者变化趋 势相 同， 但在数值上存在 一定差距 。 关键词 全尺寸油罐；火灾爆炸；火灾动力学模拟； 理论模型 中图分类号 X 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 8 0 3 0 0 2 9 0 6 S i mu l a t i o n a n d The o r y S t u d y o n Fi r e a n d Ex p l o s i o n o f Fu l l S c a l e Oi l Ta n k C H E NG W e i ， L I Q i a n ， M A L i ， Y A N G X i a o b i n g ， 加 S o n g ， C H E N X i a n -f e n g 。 1 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 23 2 001， Ch i n a； 2． S c h o o l o f Re s o u r c e s a nd En v i r o n me n t a l En g i n e e rin g， W u h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy ， Wuh a n 43 0 0 7 0， Ch i n a； 3 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e C h e m i c a l D e f e n c e ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a Ab s t r a c t L a c k i n g o f l a r g e f u l l s i z e fi r e＆e x p l o s i o n d a t a ， t h e c r u d e o i l fi r e＆e x p l o s i o n i n 1 0 t o i l t a n k 8 0 m i n d i a me t e r ， 2 1 ． 5 m i n h e i g h t w a s s i mu l a t e d w i t h fi r e d y n a mi c s s i m u l a t i o n s o f t w a r e ， a n d t h e e f f e c t s o f w i n d s p e e d a n d t a n k s D a c i n g o n t h e wa l l t e mp e r a t u r e a n d r a d i a t i o n h e a t fl o w o f n e a r b y o i l t a n k s we r e s t u d i e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e wa l l t e mp e r a t u r e a n d r a d i a t i o n h e a t fl o w a r e d i s t r i b u t e d s y mme t r i c a U Y a n d i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e h e i g h t b e l o w t h e t o p o f t h e t a n k a n d d e c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e s p a c i n g ． Wh e n t h e d i s t a n c e f r o m t h e c e n t e r o f t h e t a n k r e a c h e S 3 ． 5 t i me s t h e d i a me t e r o f t h e t a n k． t h e t e mp e r a t u r e a n d h e a t fl o w a r e almo s t u n a f f e c t e d b y t h e fi r e ． D u e t o t h e i n flu e n c e o f t h e an g l e o f v i e w c o e ffi c i e n t a n d o t h e r f a c t o r s ， w h e n t h e wi n d s p e e d i n c r e a s e s ， t h e t e mp e r a t u r e and r a d i a t i O i l h e a t fl o w o f t h e a d j a c e n t t a n k W a l l a l s o i n c r e a s e ． A t t h e s a me t i me ， t h e h e a t fl o w i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n n e a r t h e t a n k wa l l w a s d e r i v e d b y u s i n g t h e Mu d a n mo d e l t h e o r y ． Th e r e s u l t s f r o m s i mu l a t i o n a n d t h e o ry c a l c u l a t i o n pr e s e n t t h e s a me c ha ng e tr e n d． bu t d i f f e r f r o m e a c h o t h e r i n t he v a l ue ． Ke y wo r d s f u l l s c a l e o i l t a n k；fi r e a n d e x p l o s i o n；f i r e d y n a mi c s i mu l a t i o n；t h e o r y mo d e l s 收稿 日期 2 0 1 8 0 4 2 l 作者简介 程薇 1 9 9 6一 ， 女 ， 学士 ， 主 要从事 建筑火 灾研究 ， E ma il 1 3 1 2 3 7 9 3 0 2 q q ． c o r i l 。 通讯作者 何松 1 9 8 7一 ， 男， 讲师、 博士， 主要从事建筑火灾、 工 业 安全 、 隔热材料研究 ， E - m a i l h s o n g w h u t ． e d u ． c a 。 基金 项目 国家科技部 重点研 发计划 2 0 1 7 YF C 0 8 0 4 9 0 7 毒气泄漏 威 胁下公众应急避难技术及装备 近年来 ， 随着经济的快速发展 ， 我国已经成为世 界石油消费增长最快 的国家 ， 已基本建成浙江宁波 镇海 、 浙江岱山、 山东黄岛 、 辽宁大连四大 战略石油 储备基地 J 。石油及其制品极 易发生火灾爆炸， 一 3 0 爆破 旦发生事故 ， 将会造成不可估量的损失 。单卫 国 统 计 发 现 油 库 火 灾 事 故 中 的 油 罐 火 灾 占 到 了 2 5． 6％ ⋯ 。 目前国内外研究者对油罐火灾的研究主要集 中 于池火方面， 包括实验研 究与数值模拟。小尺寸实 验研 究 表 明 油 盘 尺 寸 j 、 发 烟 特 性 J 、 通 风 条 件 、 气压条件等因素均对池火的火灾特性有重要 影响_ 6 剖。在上世纪 9 O年代 ， 日本等 国家进行了部 分大尺寸池 火实验 ， 油池直径最大达到 5 0 m， 得到 了燃烧速率 、 辐射热流 、 火焰高度等特定位置的有限 数据 J ， 且 没有 考虑 对邻 近油 罐 的影响。由于 场 地 、 安全 、 环境等因素的制约 ， 进入 2 1 世纪以后全尺 寸池火实验受到了较大限制。数值模拟方面 ， 天津 消防总队的闫家伟等利用简易理论模型计算 了大型 油罐的防火堤内的油池火所形成的热环境对邻近油 罐的影响 ， 但受制于模型本身的限制， 计算精度 并不是很好 ； 浦金云等利用 F D S软件对边长 1 m的 庚烷池火的放热效应进行了研究 ， 发现基于烟羽流 热效应的油池火热传递特性理论模型能适用于火场 中火焰对外热传递规律分析⋯J 。中国石油大学的 刘美磊利用计算流体动力学 C F D 软件 F l u e n t 进行 了 2 1 m直径池火及喷射火的模拟研究 ， 得到了大尺 寸 池 火 的 火 灾 特 性 1 2 ] 。We n ，M a 及 Q u i n 。 t i e r e 【 1 4 ] ，X i n和 L i n分别利 用火灾 动力学软件 F D S 模拟 了小 、 中尺寸池 火的燃烧特性 J ， 并用实验 数据验证了 F D S模拟 的有效性。以上数值 模拟研 究均未考虑油罐的高度 ， 与实际情况存在一定差距 。 李玉等采用 C F D软件 F l u e n t 模拟 了全尺寸柴油罐 火灾 ， 通 过得 到的热 辐射分 布给 出 了人体损 伤半 径 。综上所述 ， 前人对池火的研究大多集 中于池 火的实验及模拟研究， 在实验及模型 的设置方 面与 实际的油罐火灾存在一定 的差距 ， 同时这些研究 几 乎没有考虑火灾对邻近储罐的影响。 利用火灾动力学软件 F D S模拟 l 0万吨原油储 罐的全尺 寸池火火 灾 不考 虑可能 出现 的溢 沸现 象 ， 考虑油罐高度等因素 ， 得到了该火灾对邻 近储 罐的影响情况 罐壁的温度及热流 ， 并利用前 人所 得的相关火灾参数的模型理论推导了邻近储罐的热 流分布情况 ， 并与模拟结果做对 比。 1 F DS模拟设置 以 1 0万吨原油储罐为研究对象 ， 建立全尺寸的 F D S 模型。考虑单罐发生火灾后对其邻近储罐的影 响， 着火罐顶部全开 口， 形成原油池火。油罐尺寸按 照 G B 5 0 0 7 4 --2 0 0 2石油库 设计 规范来设计 直 径 8 0 m， 高度 2 1 ． 8 I l 1 。搭建 的 F D S模 型如图 1 所示。在邻近罐距离着火罐最近的罐壁上设置温度 及热流测点。网格划分按 照局部加密的原则 ， 对火 源及测 点 位 置 处 的 网格 进 行 加 密 网 格 总 数 为 2 9 8 8 0 0 0 ， 立体角数设为 2 0 0 0 网格尺寸及立体角 数对模 拟精 度 的影 响研 究参 见 本 小组 之 前 的研 究 。两油罐最近 的罐 壁问距离为 3 2 m。同时 考虑风速与风向的影响。 a 模型俯视图 b 模型侧视图 a T o p v i e w o f t h e mo d e l b S i d e v i e w o f t h e mo d e 图 1 油罐 火灾的 F D S模型 F i g ．1 F DS mo d e l o f o i l t a n k fi r e 2 模拟结果分析与讨 论 图2给出了不同风速条件下邻近罐罐壁不同高 度处的温度随时问的变化曲线 。邻近罐壁的壁面温 度随时间的增加一直呈现增加的趋势 ， 随着高度 的 增加 ， 温度基本是 随高度的增加 而增大 的。我们也 可以得出 在燃烧一定的时间后 ， 邻近油罐罐壁的壁 面温度会逐渐趋于稳定 由于模拟到稳定的状态需 要增加很长的计算时间， 本文只计算前 1 2 0 0 S 。图 3是 邻 近 罐 壁 面 接 收 到 的 热 流 的 变 化 曲线 ， 从 图 3 a 中可以看到 ， 各高度处的热流值在很短 的时 间内即可达到稳定 的状态 ， 只在某个特定 的小范围 内上下波动， 图 3给出了稳定状态下热流 的均值随 高度及风速的变化曲线。可以看到 壁 面接收到的 热流值随高度的增加而增大， 同时风速增大会导致 火焰倾角变大 ， 也会使得壁面接收到的热流增大。 图 4给出了邻近罐靠近着火罐一侧壁面的温度 及热流分布图 ， 邻近罐罐壁的温度 、 热流分布均是对 称 的。罐壁最高处的温度 、 热流均是最高 的， 罐壁上 部的温度热流上升较明显， 而靠近地 面的位置处罐 第 3 5卷第 3期 程薇， 李乾， 马力， 等全尺寸油罐区火灾爆炸灾害模拟与理沦研究 壁的温升及热流强度均变化较小。而随着风速的增 大， 罐壁相同位置处的温度及热流均有不同程度 的 升高 。这是因为有风时火焰倾角使得火焰 向邻近罐 倾斜 ， 罐壁接收到 的热流增大 ， 温度上升速率 变大 、 赠 暄 剖 时 间， s a v 1 0m／ s 暑 ● 蕞 旧 茴 } }l 、 赠 恒 到 同理 ， 当风向发生变化 ， 由邻近罐 向着火罐吹过 来 时 ， 火焰远离邻近罐 ， 邻近罐壁接收到的辐射热流减 少 ， 温升速率降低。 时间 ， s b v O 图 2 邻 近罐 壁面温度变化曲线 F i g ． 2 T e m p e r a t u r e c u r e o f a d j a c e n t t a n k 时 间， s a 不 同高度处 热流 随时 间的变 化 v 1 0m／ s 曲线 a He a t fl u x v e r s u s t i me v 1 0m／ s r 吕 ● 蕞 ＼ 赠 暄 到 时间 ／ s C V --1 0m／ s 高度 ， m b 不 同风 速下 热流 随高度 的变化 曲线 b He a t fl u x v e r s u s h e i g h t 图 3 邻近罐壁面热流 变化 曲线 F i g ．3 He a t flux c u r v e o n t h e t a n k wa l l 暑暑2 O 暑暑 ， v 1 0． ． ．，f a 温度 分布 图 a T e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n h 热 流分布 图 h He a t f l u x d i s t r i bu t i o n 图 4 邻近罐靠近着火罐壁面的温度与热流分布 F i g ． 4 T e m p e r a t u r e a n d h e a t fl u x d i s t r i b u t i o n o f a d j a c e n t o i l t a n k 图 5给出了邻近罐罐壁 的温度 、 热流随两罐间 间距 的变化曲线 。很明显的 ， 随着两罐间距的增大 ， 罐壁的温度和热流呈现减小的趋势 。随着风速的减 小及风向的变化， 火焰倾 角减小 ， 逐渐远离邻近罐 ， 故而温度热流均变小。 3 理论推导 以碳氢化 合物 为燃料 的油池火 ， B a b r a u s k a s指 出其质量损失速率可表示为下式 m” 1一e 一 ” I 3 2 爆破 2 0 1 8年 9月 式中 为质量损失速率 ； 为当油盘直径无 穷大时的质量损失速率 ； 是辐射 的消散系数 ； D 4 - - 吕 ● 醺 摇 辑 目标距离油罐中心的距离， m a 热流变化曲线 a He a t fl u x c u r v e 是油盘直径。并给出了部分常见碳氢燃料的油池火 灾燃烧速率 ， 见表 1 。 目标距离油罐 中心的距离／ m b 温度 变化 曲线 b T e mp e r a t u r e c u r v e 图 5 邻近罐壁面参数随间距的变化趋势 F i g ．5 P a r a m e t e r s o n t h e a d j a c e n t t a n k w a l l v e r s u s d i s t a n c e 表 1 各种液体燃料的性能参数 T a b l e 1 P a r a me t e r s o f H q u i d f u l e s 燃料 m 2S ／ m Mu d a n通过无量纲分析在其研究中指出处于无 风条件下 J ， 油池火的热辐射强度可以表示为式 2 E F 1 2 2 式中 ” 为热辐射强度 ， 为火焰表面平均发射 功率， k W／ m 。 ； F 为火焰对辐射接收物体的视角系 数 ； 丁为大气透射率。 S h o k r i 和 B e y l e r 基于实验数据 ， 确定了火焰 对外部 目标体的有效发射功率 ， 可以表示为式 3 E 5 8 1 0m。 。 。 。 3 上式是对实验数据进行拟合得 出的经验公式 ， 将火焰主体视作为一个统一并且均匀的热辐射源。 而在实际火灾 中， 明火往往存在与火焰下部， 上部主 要为高温烟气 ， 两部分的辐射分数、 温度等往往有巨 大的差别 ， 因此可以将火焰发射功率模型进行进一 步的细化 ， C r a i g L B e y l e r 将火焰 的发射功率验分为 两部分 ， 用式 4 表示 E E e E 1一e 4 式中 E 是等效黑体辐射功率， 1 4 0 k W／ m ； E 是烟 气 辐 射 功 率 ， 2 0 k W／ m ； s是 消 光 系 数 ， 0 ． 1 2 m～； D是油盘等效直径 ， m。 在研究火焰对辐射接收物的视角系数时 ， 一般 将火焰 近似为 圆柱形 ， 如图 6所示 。根据 C r a i g L B e y l e r 的研究 ， 无风条件下圆柱形辐射源对其周 边 的物体的视角系数可用以下式 5 与 6 描述 ta n -1 卜 h n √ ～ ㈩ F B 1 t an 一 √ { __ 一 盯 ／ 一 V D 一 ， o 十 t an √ ㈩ 彳协 “ √ 丽 式 ， 2 H ，B 。 见 图 6 。 而对于有风的情况 ， 圆柱形辐射源对其周边的 物 体 的 棚 有 系 可 用 I I ] 两 式 式 f 7 、 与 式 r 8 1 描 沭 7 r F 0 C O S 0 0 b1 一2 b 1s i n 0 ba s i n 0、 ／ 蕊 t an一捂 z c o s 0 [ a n一 t an一 b 1 C】 _ b 0 ta n √ b 1 一 0 s 1n 、／ 7 F H t 一 1 ／ _ _ a 2 b 1 一 2 6 1 a b s i n 0 粕√ 丽一 一 t an一√ 舍 sin 0 t - 1 二 1 8 0 C 式中 a H ／ R； b L ／ R； A---- O b 1 。 一 2 a b 1 s i n 0 ； Ba 。 b一1 一2 a b一1 s i n O ； C1 b 一1 C O S 0 。 第 3 5卷第 3期 程薇， 李乾， 马力， 等全尺寸油罐区火灾爆炸灾害模拟与理论研究 3 3 视角因子最大值可以表示为 F ⋯ ／ F 9 根据 H e s k e s t a d的研究与总结 ， 无风条件下 ， 池火的火焰高度分别用以下公示表示 3 ． 8 8 Q 1 一1 ． 0 2 1 0 更进一步地 ， Z u k o s k i 通过对实验数据 包括大 量大尺寸油池火灾数据 的整理 ， 得到 了火焰高 度与油池直径关系的分段 函数表达形式 ，4 O Q ； o ． 0 3≤Q 0 ． 1 5 { 3 ． 3 Q 0 ． 1 5 ≤ 1 1 1 t 3 ．3 1Q 4 0 a 竖直火 焰 a Ve r t i c a l fl a me t o t h e o b j e c t 式 中 ， Q 为无量 纲热 释放 速翠 而对于有风的情况 ， T h o m a s 得 出如下计算火焰 长度的公式 H ／ D _ 5 5 13 式 中， 为无量纲风速 ， 可表示为 M U w 4 式中 p 。 为空气密度 ； p 为燃料蒸汽密度 ； D为 油池 直径 ； 为燃 料 的燃 烧 速率 ． k m s b 倾斜火焰 b T i l t fl a me t o t h e o b j e c t 图 6 圆柱火焰模型对辐射接收面视角因子示意图 Fi g．6 Vi e w f a c t o r i l l u s t r a t i o n o f fla me t o t he r e c i pi e nt 对于火焰倾角的大小， 美国天然气协会 A m e r i c a n G a s A s s o c i a t i o n 的相关研究给出了其计算公式 J C O S 0 』 ≤ 1 5 { 一 1 5 【 1 ／ ／ M 对于 “ ≥ 1 在大气中 ， 二氧化碳和水蒸汽会成为吸收火焰 辐射 的主要 因素 。因此 C o o k等人对 R a j 的模型进 行改进 ] ， 发现大气 的透射系数可 以表示为式 1 6 1 ． 3 8 90 ． 1 3 5 l o g P L 1 6 式 中 P 是局部水蒸气压力 ； L是火焰 中心 到 辐射 目标体之间的距离。 而大气 中局部 水蒸 汽 压 可 以表 示 为式 1 7 表示 _ 1 ． 0 1 3 1 0 e x p 1 4 ． 4 1 1 4 一 1 7 式 中 是空气湿度 ； 是环境温度。 根据以上各式可计算 出各种风速条件下邻近罐 罐壁的辐射强度， 图 7给 出了罐壁辐射强度 的理论 推导结果与模拟结果 曲线 。图中可 以看 出， 二者所 得到的临近罐壁辐射强度随油罐问距的变化趋势是 一 致的 ， 随着油罐间距的增大 ， 临近罐壁接收到的辐 射热流是逐渐下降的。但是在具体数值上， 二者还 存在一定的差距 ， F D S模拟结果比理论推导得出的数 据大 ， 这是 由多方面的因素引起的， 包括火焰高度等， 经过理论计算可知， 由Z u k o s k i 火焰高度模型得到的 火焰高度远小于 F D S模拟得出的火焰 高度值 ， 因为 该模型的基础数据绝大部分源 自小尺度池火实验 ， 对 于本文涉及的 l 0万吨全尺寸油罐不一定适用。 目标距离油罐中心的距离， m 图 7 辐射热流的理论推导结果与模拟结果的对比 Fi g．7 He a t flu x c o mp a r i s o n o f t h e o r y a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s 爆破 2 0 1 8年 9月 4 结论 利用火灾动力学模拟软件模拟 了 1 O万吨全尺 寸原油池火灾 ， 得到以下结论 1 其邻近油罐壁面的温度 、 热流对称分布且 壁面温度及接收到的辐射热流均随高度的增加而增 大 ， 随着距离火源 中心位置的增大而减小 。受到视 角系数等的影响 ， 当风速增加时 ， 壁面温度及辐射热 流同时增大。 2 利用 Mu d a n模型理论推导了临近罐壁的热 流强度分布 ， 与模拟结果相 比， 二者变化趋 势相 同， 但在数值上存在一定差距 。 在缺乏大型全尺寸池火实验数据 的情况下 ， 火 灾动力学模拟结果具有一定 的参考价值 ， 理论模型 在预测大尺寸池火方面还需进一步发展。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 单 卫国． 试论石油 安全 [ J ] ． 国际石油经济， 2 0 0 3 ， 1 1 1 0 5 - 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