原油储罐火灾热辐射危险分析及其应用

陈华利

（北京市朝阳区公安消防支队，北京）

摘要：原油储罐发生火灾后所产生的辐射热值大，对着火罐的燃烧过程存在着热反馈作用，加剧其自身的燃烧。还能够通过热辐射作用烘烤临近罐，有可能引燃临近罐促使火势蔓延。同时所释放出的热量还会威胁到现场灭火救援人员的安全，为此本文以中石化某原油储罐为例，利用半经验公式方法分析了原油储罐火焰热辐射的危害范围，以期为此类储罐的防护防爆安全设计和现场应急救援提供技术参考与支持。

关键词：原油储罐；火灾；热辐射；危险分析

1　引言

随着我国对石油的需求量不断提高，为了避免国际石油价格波动给我国经济带来的高风险，我国原油储罐正向着大型化方向发展。

原油储罐一旦发生火灾，燃烧持续时间一般较长，其热辐射往往对周围环境、人员造成很大伤害，且易导致爆炸、罐体破损、引燃邻近罐体等其他事故。本文选取中石化某罐区罐区原油储罐可能发生的火灾事故进行分析，运用C语言编程辅助计算原油储罐发生池火灾时一定范围内的热辐射强度，根据计算结果分析热辐射对人员安全、邻近储罐及灭火战斗的影响，为此类储罐的防护防爆安全设计和现场应急救援提供技术参考与支持。

2　原油储罐火灾热辐射伤害研究动态

原油储罐火灾热辐射伤害主要是基于池火灾模型进行研究。

目前其计算模型可分为两类：场模型和半经验模型。其中，场模型又叫计算流体力学模型、CFD模型，运用计算流体力学中的NavieStokes方程控制的流体流动，同时结合描述火灾中化学及物理过程的分模型，预测火灾的特性。场模型的优点在于提供比半经验模型更精密灵活的系统来解决燃烧问题。因此，一旦确定原油储罐火灾的外形数据，结果就能够达到更高的置信度，但是，使用场模型的缺点在于需要专业人员且工作量大。半经验模型通过无因次关系描述火灾的几何和辐射特点，并且其中的关系式由大量的实验数据得出，如果应用没有超过有效范围，可以得到合理的预测^［1］。半经验模型由于相对简便，更多地使用在风险评估领域中，其常用估算池火灾热辐射通量的方法又可分为简单判别法和详细计算法，较为常用的是点源模型、Shokri-Beyler计算法和Mudan计算法。

3　原油储罐火灾热辐射危险分析

本文选用半经验模型进行分析，模型中计算目标热辐射强度是整个计算模型的关键。通过热辐射强度的计算判断着火罐对人员及邻近储罐的影响。影响目标热辐射强度的因素很多，主要有泄漏量、现场地形、火焰高度、目标到火焰中心的距离等等，计算过程比较复杂^［2］。

3.1　火焰高度及等效火灾池直径的确定

首先确定火灾池的面积。这是由现场的地形决定的，泄漏原油如果没有受到阻挡，将向四周流淌、扩展，形成具有一定厚度的液池，它的面积可由S=W/H_min×ρ求得，式中，S是火灾池的最大可能面积，m²；W是泄漏可燃液体的质量kg；ρ是液体的密度，kg/m³；H_min是最小油层厚度，m，它的取值和地面性质有关，见表1。如果受到防火堤、围堰的阻挡，液体将在限定区域内得以积聚，形成一定范围的液池，面积可以由现场测得。本文中，由于储罐设有防火堤，防火堤距罐体3m，因此火灾池面积为

　　 （1） 　　

式中，R₀是储罐中心至防火堤半径，m。

然后，根据火灾池的面积（1）和经验公式（2）计算火焰高度L。在计算火焰高度时，需要知道火灾池的直径，可以把形状不规则的火灾池等效成为圆形火灾池，这样可以较容易得到火灾池的等效直径D

　　 （2） 　　

式中，D是火灾池的等效直径，m；L是火焰高度，m；m_f是原油的燃烧速率，kg/（m²·s）；ρ₀是空气密度，kg/m³；g是引力常数（取g=9.8m²/s）。

在式（2）中，m_f确定如下。

由于所选罐区储存原油的沸点高于周围环境温度，所以，m_f应按式（3）确定

　　 （3） 　　

式中，c是常数，10^-3kg/（m²·s）；ΔH_c是液体燃烧热，J/kg；H_v是液体在常压沸点下的蒸发热，J/kg；c_p是液体的定压比热，J/（kg·K）；T_b是液体的沸点，K；T₀是环境温度，K。

3.2　目标周围热辐射强度的确定

确定好火灾池的等效直径D；火焰高度L；原油的燃烧速率m_f后，便可根据经验公式（4）计算火焰表面热通量。假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向四周均匀辐射，这样便可以得到火焰表面的热通量

　　 （4） 　　

式中，q₀是火焰表面的热通量，kW/m²；ΔH_c是原油的燃烧热，kJ/kg；f是热辐射系数（按照经验一般可取0.15）。

最后，根据经验公式（5）计算目标热辐射强度

q（r）=q₀（1-0.058lnr）V　　（5）

式中，q（r）是目标接收到的热辐射强度，kW/m²；r是目标到油区中心的水平距离，m；V为视角系数。

在上面的参量中，视角系数的计算方法如式（6）^［3，4］所示

　　 （6） 　　

式中，s是目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径D/2的比值；h是火焰的高度L和火焰半径D/2的比值；a、b、K、J、V_v、A、B为中间变量。

4　原油储罐火灾热辐射计算及其应用

中石化某罐区罐区原油储罐火灾热辐射计算所需参数如表2所示。

本文采用TurboC 2.0编程语言，在假定原油储罐罐顶发生池火灾的情况下，对储罐周围50m范围内的热辐射强度进行了计算，得如表3结果。

从表3可以看出，在距离着火罐50m范围内的热辐射强度在26～45.4kW/m²之间。

着火罐附近某点处热辐射强度与其距着火罐距离的关系曲线见图1。

热辐射对设备的破坏准则见表4。

原油着火的火焰温度一般高达1050～1400℃。着火罐燃烧5min，罐壁温度达500℃，罐体强度降低一半；燃烧10min，罐壁温度达600～700℃，罐体强度降低90％左右，罐体发生变形；超过10min，罐壁随时可能发生破裂，引起油品散失，造成火势扩大，威胁临近储罐等建筑物的安全。

本文研究的储罐间距为10m，对照表3和表4可以看出，一旦有储罐发生火灾，将对邻近罐造成严重影响，使其结构明显变形，造成严重后果，热辐射对邻罐的破坏还表现在易引起邻罐内的油品温度上升和压力增大，进而可能导致罐体破损、油品泄漏甚至火灾爆炸等事故发生。因此，一旦发生储罐火灾，应立即采取灭火、冷却等措施，以防止火灾事故升级。

由于本文讨论储罐间距较近，邻近罐受到的热辐射威胁很大，因此，建议对其进行高强度、大面积的冷却。对于较远处受辐射热影响较小的储罐，可考虑采用一定数量的移动水枪或间断地开启其固定消防冷却水系统进行冷却、保护，特别应注意的是，在有风的情况下，池火火焰将偏向甚至直接烘烤位于其下风向的邻近罐，此时则应采取强有力的冷却措施，保护邻近罐的安全。

原油储罐火灾带来的强烈热辐射不仅给邻近设施及消防设备带来严重后果，同时也会影响到附近人员，如消防指战员、罐区工作人员等。储罐热辐射对人员的伤害程度见表5。

本文研究的储罐一旦发生火灾，其热辐射强度巨大，由表3、表5可以看出，如果次号罐区一旦发生火灾，其工作人员将受到严重威胁。人员在热辐射通量为21kW/m²的场所，暴露时间小于2s，无皮肤疼痛感，着防护服，30s无皮肤疼痛感，但是，一旦超过30s，在着防护服的情况下，人员也会受到影响^［5］。因此，在实际灭火战斗中，消防战斗人员即使身着避火服，在没有水冷却的保护下，也无法长时间直接参与储罐的参与灭火战斗，故本文建议消防战斗人员优先参与流淌火的控制与扑救。而对于着火储罐，应充分利用储罐的固定水喷淋系统，或近距离无人操作的带架水枪。

5　结论

石油库一旦发生火灾爆炸等突发事故，后果将不堪设想，损失也将是巨大，它会给临近的工作人员和居民的生命财产安全及其他储油设施等造成严重的威胁。因此，要对这些储罐进行火灾事故后果分析，将可能发生的事故损失降到最低——根据储量和四周环境预测出池火灾面积的大小及伤害范围，从而判断其对邻近罐等设施及对消防人员车辆等的安全带来的影响。

火灾事故后果分析在原油储罐消防安全中应用前景很大，其对于此类消防安全工作有着实际的指导意义。对原油储罐火灾事故后果的研究将为防止火灾的发生，正确地制定灭火战术，减少消防人员伤亡和财产损失，并为储罐安全设计，罐区的布置提供可靠的科学依据。

参考文献

［1］　李慧，蒋军成，王若菌.池火灾热辐射的数值研究.中国安全科学学报，2005，15（10）：7-10.

［2］　宇德明.易燃、易爆、有毒危险品储运过程定量风险评价.北京：中国铁道出版社，2000.

［3］　开方明，马夏康，尹谢平，等.油罐区泄漏及火灾危险危害评价.安全与环境学报，2004，4（6）：3-6.

［4］　王志荣，蒋军成，姜慧.室外池火灾火焰环境研究进展.石油与天然气化工，2005，34（4）：321-325.

［5］　冯力群.液化石油气火灾扑救中安全距离的确定.武警学院学报，2007，23（10）：19-21.