Ｉ 硝谚 舔宽＿ 大型原油储罐扬沸事故热辐射伤害计算模型 陈 阵 ，王霁。。刘馨泽。 （１．ｑ－国科学院力学研究所，北京１００１９０；２．中国人民武装警察部队学院，河北廊坊０６５０００； ３．河北省桃林口水库管理局，河北秦皇岛０６６００４） 摘要：运用圆柱模型、点源模型和温度模型三种常见模 下火焰热辐射的变化规律。 型对实际案例进行计算分析，得到了三组不同的计算结果。分 １ 原油储罐火灾辐射计算模型 析计算结果可知，这三种模型适用于大型原油储罐扬沸火灾辐 １．１圆柱火焰模型 射强度的计算，具有较高的可信度。结合热辐射伤害判定依据 运用圆柱火焰辐射模型对准稳态燃烧阶段火焰辐射 可知，罐区发生扬沸事故后，邻近的设备全部被损坏，１ ｍｉｎ内 进行计算时，首先要计算火焰高度。火焰高度Ｈｆ的计 人员全部死亡。 算，可根据Ｔｈｏｍａｓ提出的计算公式，如式（１）所示。 关键词：大型原油储罐；扬沸火灾；火焰辐射；热辐射强 ＂ …度；数学模型 Ｈ ＝４２Ｄ［— １％ＪｇＤ ＝］ （１） 中图分类号：Ｘ９１３．４。ＴＫ１２１，ＴＥ８２文献标志码：Ａ 火焰面对物体微元的辐射热通量ｄＱ见式（２）： 文章编号：１００９—００２９（２０１４）０２—０１３１—０３ ｄＱ—Ｖｃａ（ 一 ）Ｘ （２） 式中：Ｑ为热辐射通量，ｋＷ／ｍ ；Ｈ 为火焰高度，ｍ；Ｄ为 储罐是大型原油储备基地储存油品的最重要的设 油池直径，ｍ； 为空气密度，取１．２９ ｋｇ／ｍ。；ｍ”为燃烧 备，储罐内储存的各种油品一般都具有易挥发、易流失、 速率，ｋｇ／（ｍ ・ｓ）；ｅ为物体表面放射率，黑体取１； 为常 易燃烧、易爆炸等性质，一旦发生火灾，燃烧猛烈，火焰温 数，取５．５×１０ ｋＷ／（ｍ ・Ｋ ）；Ｔｆ与丁ａ分别为火焰中 度高，辐射热强，控制和扑救难度很大。在油罐直径Ｄ＞ 心与周围空气的温度，Ｋ；Ｖ为火焰有限面元ｘ对垂直微 ３００ ｍｍ的池火中，火焰热辐射对燃烧过程起控制作用。 元的视角系数，参看文献［６］。 笔者在适当的假设下，对原油池火焰在扬沸期的辐 １．２点源模型 射进行了计算模型的应用研究，讨论了在不同计算模型 ＋由于扬沸阶段火焰形状变得复杂，因而采用点源模 １９９９，１３：１Ｏ９ ７一ｌ１０４． ［１ ｏ］Ｈｅｒｔｚｂｅｒｇ Ｍ，Ｚｌｏｅｈｏｗｅｒ Ｉ Ａ．Ｄｅｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｐａｒｔｉ— ｃｌｅ ｗａｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌｓ ａｎｄ ｐｏｌｙｍａｔｈ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ［Ａ］．２３ｒｄ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１）ｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９０：１２４７—１２５５． ［１１］Ｄｒｅｉｚｉｎ Ｅ Ｌ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｎ ｍｅｔａｌ—ｐａｒｔｉｃｌｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅｓ，２００３，３９： ６８１—６９３． ［１２］Ｄｒｅｉｚｉｎ Ｅ Ｌ，Ｈｏｆｆｍａｎｎ Ｖ Ｋ．Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ｏｆ ｃｏａｒｓｅ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ［Ｊ］．Ｃｏｒｎ— ｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｌａｍｅ，１９９９，１１８：２６２—２８０． ［１３］Ｋｕａｉ Ｎ Ｓ，Ｈｕａｎｇ Ｗ Ｘ，Ｙｕａｎ Ｊ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａ— ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｕｓｔ—ｉｎｅｒｒａｎｔ ｍｉｘｔｕｒｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅ～ ｄｉａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，２６：１３３７—１３４５． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ＣａＣ０３ ｏｎ ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ 作者简介：甘 媛（１９８９一），女，陕西渭南人，四川 ＧＡＮ Ｙｕａｎ ，ＫＵＡＩ Ｎｉａｎ—ｓｈｅｎｇ ，ＬＩＵ Ｌｏｎｇ ， 大学化学工程学院硕士研究生，主要从事粉尘爆炸过 ＤＵ Ｂｉｎｇ ，ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ—ｘｉｎｇ 程研究，四ＪＩｆ省成都市一环路南一段２４号四川大学化 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， 工学院３０５室，６１００６５。 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ 收稿日期：２０１３—１０—１２ １ ３１ 消防科学与技术２０１４年２月第３３卷第２期 型对扬沸阶段的热辐射进行计算可以简化计算过程。扬 沸阶段热辐射应包括两部分：油罐火热辐射与沸溢油火 热辐射。按照以下步骤对扬沸阶段的热辐射进行计算。 首先用式（３）计算扬沸阶段的火源热释放速率。 Ｑ—ｍ”Ｈ。（１一ｅ ）Ａｆ （３） 式中：Ｈ 为燃烧热，ｋＪ／ｋｇ；ｋ、 为修正系数；Ａ 为火源面 积，ｍ 。 距离火源中心不同的辐射强度可用公式（４）计算。 Ｊ一 ／４ｚｒｒ （４） 式中：Ｊ为目标位置处热辐射强度，ｋＷ／ｍ ；ｒ为目标距离 火源中心的距离，ｍ；）［为效率系数，取Ｏ．３。 １．３温度法计算模型 对沸溢前后燃烧油罐火焰热辐射强度，可利用火焰 温度进行计算。对火焰表面划分出不同的温度区域，并 测定各温度区的相应平均温度值，再根据各温度区的相 对表面分率，利用式（５）计算火焰平均热辐射强度。 Ｑ 一∑Ｑｒ・Ｓ 一∑￡・ ・ｒ・Ｓ （５） 式中：Ｑ为火焰平均热辐射强度，ｋＷ／ｍ ；Ｔ为火焰平均 温度，Ｋ；Ｓ，为各温度区的相对表面分率。 ２热辐射计算模型的应用与分析 ２．１火灾场景设定 以天津市某原油储备库为案例进行计算分析。该原 油储备总库容１０ ｍ ，统一采用ｌＯ ｒｎ。储罐。储罐进行 分组布置，库内建有２个罐组，其中一个罐组设６座 １Ｏ ｍ。原油储罐，一个罐组设４座１０ ｍ。原油储罐，预留２ 座原油储罐的位置，罐组内储罐的数量及总容量符合规 范的要求。储备库与周围居住区、工矿企业交通线路等 的设计距离均满足ＧＢ ５００７４—２００２（（石油库设计规范》 的要求，假设储罐区西北角靠近计量间的储罐发生罐内 池火灾，并且没有得到及时控制，发生油品扬沸事故。储 罐区平面图见图１，储罐与其他建筑、设施的间距见表１。 图１储备库平面布局图 ２．２计算过程 原油扬沸过程火焰高度为Ｈ一２８７ ｍ；总热释放速率 为Ｑ一３．７１０ ６ ｋＪ １３２ 根据上文提供的圆柱模型、点源模型、温度模型的计 算公式，对案例中的扬沸火灾辐射强度进行计算，如表２ 所示。其中原油燃烧热为４１ ８２０ ｋＪ／ｋｇ；原油燃烧速度为 ０．０２２ ｋｇ／（ｍ。・ｓ）；效率值取０．２４；热传导系数取１。 表１储罐与周围建筑、设施间距表 建筑名称 与邻近储罐间距 建筑名称 与邻近储罐间距 ／ｍ ／ｍ 储罐 ３２．６ 锅炉房 ８３．０ 计量间 ３２．６ 变电所 ８３．０ 泵房 ３２．６ 消防设施 ４１．５ 综合办公楼 ８３．Ｏ 炼油成品油罐区 １１２．６ 车库 ８３．０ 炼油中间原料罐区 １ｌ２．６ 表２不同计算模型计算结果 辐射强度／ｋＷ／ｍ 与火焰中心距离／ｍ 圆柱模型 点源模型 温度模型 ３２．６ ２８９ ３１２ ３４０ ４０ ２５３ ２７６ ３０４ ５０ ２０１ ２Ｏ７ ２２５ ６０ １６５ １６９ １７７ ７０ １３３ １３８ ｌ４５ ８０ １Ｏ５ １１０ １１ ４ ９Ｏ ８Ｏ．７ ８３．１ ８６．４ １ＯＯ ６２．８ ６４．３ ６５．２ １１０ ５Ｏ．３ ５１．３ ５１．５ １２０ ４０．９ ４１．４ ３９．４ １３Ｏ ３４．６ ３４．１ ３１．７ １４０ ２９．７ ２８．５ ２５．５ １５Ｏ ２５．２ ２４．１ ２２．６ １６０ ２２．７ ２０．６ １８．７ １７Ｏ １９．１ １７．８ １４．９ １８Ｏ １７．２ １５．５ １３．５ １９Ｏ １５．３ １３．６ １１．５ ２００ １４．４ １２．０ ９．８ ２５０ ８．９ ７．０ ６．２ ３００ ５．１ ４．５ ３．７ 为了更直观地对比不同计算模型下扬沸火焰辐射强 度的不同，将上述三种模型的计算结果在同一平面图中 表示出来，进行对比对分析，如图２所示。 弓火蛘 胖 离／１１１ 图２计算结果对比分析图 ２．３ 结果分析 根据上文的计算结果，采用曲线回归法，对计算结果 参考文献： 进行处理，得出不同计算模型下辐射强度值ｙ与目标位 置到火焰中心距离Ｘ之间关系式。选择Ｘ一｛３２．６ １ＴＩ，４０ １ＴＩ，５０ ＩＴＩ，…，１９０ ｍ，２００ ｒｆｌ，２５０ ｍ，３００ ｉ３３．）为训练集，进行 曲线回归分析，得到曲线拟合如表３所示。 表３曲线拟合表 计算模型 方程式 圆柱模型 ｙ：３２４ ２００ｘ一 ８８４ 点源模型 ｖ一４ ５１２ Ｏ００ｘ一２ ４３ 温度模型 一１ １３５ Ｏ００ｘ一２・４３０ 由该拟合方程可以得出已知辐射强度值的目标位 置，根据不同热辐射强度与伤害／破坏准则，给定辐射强 度值下，目标到池中心的距离ｘ如表４所示。 表４不同模型下伤害目标到池中心距离ｘ造成的损失 辐射通量 目标位置与火焰中心距离／ｍ 建筑物或设备的 ／ｋＷ・ｍ 圆柱模型 点源模型 温度模型 伤害程度、人员的伤害 ３７操作设备与建筑物全部损 ．５ １３１ １２８ １１９ 坏，１ ｒａｉｎ内人员全部死亡 木材被点燃的最小辐射强 ２５．０ １５２ １４９ １３６ 度，设备钢结构变形，人员 １０ Ｓ内受重伤，１ ｍｉｎ内人 员全部死亡 塑料熔化的最低辐射强 １２．５ ２２０ １９３ １ ７６ 度，人员１０ Ｓ内受轻伤，１ ｍｉｎ内死亡１ 较长时间辐射玻璃破碎， ４．０ ３５６ ３１１ ２８９ 人员受辐射２０ Ｓ以上才 会有疼痛感，但不会受伤 １．６ ５１２ ４６９ ４１３ 无伤害 依据表４的计算结果可知，由于与扬沸储罐相邻的 所有设备，包括邻近储罐、计量间、泵房、办公楼、车库、锅 炉房、消防设施等，间距都小于１１９ ｍ。因此，在扬沸火 灾下罐区内所有设备都会被损坏，人员的生命安全也会 受到直接威胁。 ３ 总 结 （１）圆柱模型、点源模型和温度模型三种计算结果较 为接近，由于缺乏大型原油储罐的试验资料，具体的验证 对比还需要通过其他方法作进一步的研究。 （２）由计算结果可以看出，当热辐射强度值较高时， 圆柱形模型计算所得的距离较小，温度模型计算距离较 大；当热辐射强度值较低时，圆柱模型计算结果较大，温 度模型计算结果较小；点源模型计算结果居中。 （３）针对实际案例进行计算分析后，可以更直观地发 现罐区扬沸事故危害性极大，与扬沸储罐相邻的设备距 离都小于１１９ ｍ，在此范围内操作设备与建筑物全部损 坏，１ ｍｉｎ内人员全部死亡。 消防科学与技术２０１４年２月第３３卷第２期 ［１］傅智敏，黄金印，付敏．烃类流体火灾伤害破坏作用定量分析［Ｊ］． 中国安全科学学报，２００８，１８（９）：２９—３６． ［２］谭家磊．油品扬沸火灾重构与防治对策研究［Ｄ］．合肥：中国科学技 术大学，２００８． ［３］胡超，朱国庆，吴维华，等．池火危害模型化计算分析研究［Ｊ］．消 防科学与技术，２０１ｌ，３０（７）：５７０—５７３． ［４］Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｋｏｓｅｋｉ，Ｙａｓｕｔａｄａ Ｎａｓｔｕｍｅ，Ｙａｓａｋｕ １ｗａｔａ，ｅｔ ａ１．Ａ ｓｔｕｄｙ ０ｎ ｌａｍｅ－ｓｃａｌｅ ｂｏｉｌｏｖｅｒ ｕｓｉｎｇ ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｅｍｕｌｓｉｆｉｅｄ ｗａｔｅｒ ［Ｊ］．Ｆｉｒｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００３，３８：６６５—６６７． ［５］Ｂｅｍｄ Ｂｒｏｅｅｋｍａｎｎ，Ｈａｎｓ—Ｇｅｏｒｇ Ｓｃｈｅｅｋｅｒ．Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｅｈａ— ｎｉｓｍｓ ａｎｄ ｂｏｉｌｏｖｅｒ ｉｎ ｂｕｒｎｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｌｏｓｓ．Ｐｒｏｓｓ．Ｉｎｄ． １９９５，８（３）：１３７—１４７． ［６］Ｋ Ｓ ＭＵＤＡＮ．Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｖｉｅｗ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈａｚａｒｄ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｆｉｒｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８７，１２（２）：８９—９６． ［７］Ｇｕｅｄｓ Ｓｏａｒｅｓ Ｃ，Ｔｅｉｘｅｒｉｒａ Ａ Ｐ．Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｏｆｆ ｓｈｏｒｅ ｆｉｒｅｓ口］．Ｆｉｒｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０００，３４（１）：２５—４５． ［８］朱建华，褚家成．池火特性参数计算及其热辐射危害评价［Ｊ］．中国 安全科学学报，２００３，１３（６）：２５—２８． Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ／ｉｎｊ ｕｒｙ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｃｒｕｄｅ ｏｉｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ ｂｏｉｌｏｖｅｒ ａｃｃｉｄｅｎｔ ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ ，ＷＡＮＧ ｊｉ一＿～誊． 一 ，ＬＩＵ Ｘｉ～一一～ 一ｎ—ｚｅ。咄一～ 一 ～一 一～作者简介：陈 阵（１９８８一），男，河南沈丘人，中国 科学院力学研究所助理工程师，主要从事燃烧与火灾 的数值模拟研究，北京市海淀区北四环西路１５号， １００１９Ｏ。 收稿日期：２０１３—０９—２７ １３３ ～一～一ｎ 一
