基于fds模型的巨型油罐火災(zāi)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬

基于fds模型的巨型油罐火災(zāi)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬

0油氣儲(chǔ)罐朝大型化方向發(fā)展能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，能源問(wèn)題已成為一個(gè)重要的戰(zhàn)略問(wèn)題。作為世界第二大石油消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó),我國(guó)的石油能源對(duì)外依存度高達(dá)51.29%,這使得能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備成為維護(hù)能源安全的重要舉措,也使得能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備成為經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。2003年,我國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備基地建設(shè),浙江寧波鎮(zhèn)海、浙江岱山、山東黃島、遼寧大連四大戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備基地已基本建成,可容納近1.02億桶的原油儲(chǔ)備量。為了降低儲(chǔ)存成本,油品儲(chǔ)罐逐漸朝大型化方向發(fā)展。目前,我國(guó)已建和擬建的國(guó)家儲(chǔ)備庫(kù),庫(kù)容大都在100×104m3的量級(jí)以上,有的甚至規(guī)劃了2000×104m3。單罐容積小則5×104m3,大則15×104m3,10×104m3以上的儲(chǔ)罐屢見(jiàn)不鮮。自身危險(xiǎn)性以及加大的石油儲(chǔ)備量使得石油儲(chǔ)備庫(kù)的危險(xiǎn)性大大增加,一旦發(fā)生事故,將造成不可估量的損失。2005年12月11日,英國(guó)倫敦的邦斯菲爾德油庫(kù)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,燒毀大型儲(chǔ)罐20余座,造成36人受傷,其中4人傷勢(shì)嚴(yán)重,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)35億元。2010年1月7日,中國(guó)石油蘭州石化分公司316號(hào)罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,造成6人死亡、6人受傷(其中1人重傷)。油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故的慘痛教訓(xùn)使我們意識(shí)到,保證油品的安全儲(chǔ)存,加強(qiáng)儲(chǔ)罐區(qū)的消防安全是當(dāng)前形勢(shì)下的一項(xiàng)重要任務(wù)。應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),系統(tǒng)、科學(xué)、有效地做好對(duì)油罐區(qū)重大危險(xiǎn)源火災(zāi)爆炸事故的預(yù)防、控制工作,是當(dāng)下消防、安全技術(shù)工作者面臨的重要課題。因受設(shè)施、環(huán)境、氣候等因素影響,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于原油儲(chǔ)備危險(xiǎn)的研究主要集中在油罐火災(zāi)的小型實(shí)驗(yàn)研究上,也因此使得計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算成為深受研究者認(rèn)可的一種研究方法。1罐區(qū)外輸系統(tǒng)寧夏惠安堡原油商業(yè)儲(chǔ)備油庫(kù)為長(zhǎng)慶油田原油商品儲(chǔ)備油庫(kù)工程的子工程項(xiàng)目,占地面積235907.8m2,建筑面積8741m2,原油儲(chǔ)罐區(qū)位于站內(nèi)東側(cè),占地面積152309m2,設(shè)計(jì)總庫(kù)容為120萬(wàn)m3,建有鋼制外浮頂雙盤(pán)儲(chǔ)罐12座,單罐容積為10萬(wàn)m3(儲(chǔ)罐分兩組設(shè)置,罐區(qū)設(shè)置防火堤,防火堤均為東西338m,南北223m,兩座罐組間設(shè)置消防道路,防火堤之間為20m)。同時(shí)具有500×104t/a外輸能力的外輸系統(tǒng)1套,并設(shè)外輸計(jì)量,油庫(kù)與管道末站聯(lián)絡(luò)線,配套有原油倒罐系統(tǒng)、消防、公用工程及輔助系統(tǒng),屬于一級(jí)油庫(kù)。儲(chǔ)備油庫(kù)原油密度在20℃時(shí)為0.8425kg/cm3,脫水后含水量為0.28%。構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型區(qū)域三維立體圖見(jiàn)圖1。2fds模式計(jì)算2.1燃料/燃料萃取結(jié)合工程實(shí)例,本文模擬計(jì)算的火災(zāi)場(chǎng)景采用如下設(shè)置:區(qū)域大小為長(zhǎng)、寬、高分別350m、160m、160m,油罐高度是22m、油罐直徑為80m,燃燒物質(zhì)為原油。設(shè)定熱釋放速率的設(shè)定HRR=mρHc/60(式中:m(mm/min)為燃燒時(shí)的直線燃燒速度,ρ(kg/m3)為燃料的密度,Hc(kJ/kg)為燃料的凈燃燒熱),得到每平方米熱釋放速率為2074kW,油罐位置網(wǎng)格為0.1m,敞口面積為4776m2。炭黑生成比為0.1,輻射百分?jǐn)?shù)為0.08。罐體材料為鋼板,其導(dǎo)熱系數(shù)為49.8W/(m·K),熱擴(kuò)散率為1.77E-5,比熱容為0.47kJ/(kg·K),材料厚度為10cm。地面材料為混凝土地面,導(dǎo)熱系數(shù)為1.0W/(m·K),熱擴(kuò)散率為5.7E-7,比熱容為0.8kJ/(kg·K),材料厚度為20cm。該場(chǎng)景環(huán)境溫度為29.5°C,考慮的風(fēng)速主要為:0m/s、8m/s。分別考慮有風(fēng)和無(wú)風(fēng)條件,有風(fēng)風(fēng)速取8m/s是該工程實(shí)例所處地理位置常年氣象條件而定,即約5級(jí)風(fēng)力。2.2模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果分析2.2.1煙氣蔓延和傾斜圖2至圖7給出了無(wú)風(fēng)和有風(fēng)兩種情況下煙氣蔓延的結(jié)果。對(duì)比不同時(shí)刻無(wú)風(fēng)和有風(fēng)情況下的煙氣蔓延結(jié)果可以看出,在無(wú)風(fēng)時(shí),煙氣基本上豎直向上運(yùn)動(dòng),水平方向基本無(wú)運(yùn)動(dòng)。在有風(fēng)作用時(shí),煙氣在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生傾斜。隨著時(shí)間的增加,傾斜越來(lái)越明顯。2.2.2油罐邊緣至火焰內(nèi)部溫度圖8至圖11給出了無(wú)風(fēng)和有風(fēng)兩種情況下油罐火焰溫度的變化。從圖中可以看出,從油罐邊緣至火焰中心線處溫度逐漸升高,這說(shuō)明空氣是沿該方向卷吸的。從圖中可以看出,無(wú)風(fēng)條件下油罐火焰的最高溫度約為815℃,而有風(fēng)條件下的最高溫度則稍低,約為665℃,風(fēng)加快了熱量傳播,使溫度有所降低。2.2.3有風(fēng)和有風(fēng)作用時(shí)輻射熱強(qiáng)度隨高度的變化情況會(huì)進(jìn)一步討論輻射熱強(qiáng)度分析是評(píng)價(jià)油罐火災(zāi)危險(xiǎn)性和制定防火間距的重要依據(jù),而火焰的熱輻射則是導(dǎo)致油罐間發(fā)生火災(zāi)蔓延的直接或間接原因。有研究發(fā)現(xiàn),油罐間發(fā)生火蔓延一般不是由于發(fā)生火災(zāi)的油罐火焰直接烘烤造成的,而是由于相鄰罐溢流的燃料蒸汽引燃造成的。對(duì)于油罐火災(zāi),相鄰油罐燃料產(chǎn)生燃料蒸汽所需要的能量,則是由燃燒油罐火焰的輻射熱和對(duì)流熱提供的。圖12、圖13給出了無(wú)風(fēng)和有風(fēng)情況下罐上方不同高度處的輻射強(qiáng)度變化曲線。從圖中可以看出,輻射熱在開(kāi)始時(shí)迅速升高,在5s后開(kāi)始波動(dòng),且波動(dòng)幅度較大,這和實(shí)際的火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)比較吻合,體現(xiàn)了熱釋放速率和火焰的傳播速度的變化,屬于非理想情況;有風(fēng)條件下油罐上方的最大輻射熱強(qiáng)度可高達(dá)約180kW/m2,無(wú)風(fēng)條件下油罐上方的最大輻射熱強(qiáng)度要比有風(fēng)作用時(shí)的最大熱強(qiáng)度略小。此外,在有風(fēng)作用時(shí),輻射強(qiáng)度先隨高度的增加而變大,在增加到一定值之后,而后隨高度的增加而減小,最終穩(wěn)定在某個(gè)值附近。圖14、圖15給出了無(wú)風(fēng)和有風(fēng)情況下下風(fēng)向油罐罐上方不同高度處的輻射強(qiáng)度變化曲線。由圖可知,有風(fēng)作用時(shí),下風(fēng)向油罐上方的輻射熱強(qiáng)度要比無(wú)風(fēng)時(shí)大5倍,這說(shuō)明在風(fēng)的作用下,下風(fēng)向油罐所受到的輻射熱強(qiáng)度變大,且輻射強(qiáng)度最大值可達(dá)17kW/m2。加之,火災(zāi)燃燒產(chǎn)生大量的煙顆粒也會(huì)加強(qiáng)火焰對(duì)周?chē)h(huán)境的熱輻射,在環(huán)境風(fēng)的影響下,著火罐產(chǎn)生的煙氣甚至可以將鄰近罐體覆蓋,這必將對(duì)鄰近罐造成更為嚴(yán)重的威脅?？梢?jiàn),在有風(fēng)環(huán)境下,著火罐對(duì)鄰近罐的熱輻射危險(xiǎn)大大增加,常規(guī)的0.5D(本工程實(shí)例防火間距采用0.5D,現(xiàn)行規(guī)范對(duì)浮頂罐要求最小防火間距為0.4D,且可不考慮對(duì)鄰近罐的冷卻)的安全間距已不能保障鄰近罐體的安全。因此,當(dāng)其中某個(gè)油罐發(fā)生火災(zāi)時(shí),如果在短時(shí)間內(nèi)不采取有效的措施對(duì)著火油罐火災(zāi)進(jìn)行抑制,并對(duì)鄰近油罐采取進(jìn)行冷卻等保護(hù)措施,可能會(huì)造成附近油罐著火或爆炸,導(dǎo)致火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)大。圖16、圖17給出了無(wú)風(fēng)和有風(fēng)情況下下風(fēng)向后部油罐罐上方不同高度處的輻射強(qiáng)度變化曲線。對(duì)比兩圖可知,兩種場(chǎng)景下輻射熱強(qiáng)度無(wú)論在范圍和變化趨勢(shì)上幾乎相同,熱輻射強(qiáng)度在1.5kW/m2以下,說(shuō)明這個(gè)罐距離著火罐較遠(yuǎn),在FDS模擬的時(shí)間內(nèi)受到輻射影響較小。3浮頂油罐防火間距設(shè)計(jì)分析通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析,說(shuō)明按照現(xiàn)行《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》及《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》有關(guān)油罐區(qū)油罐防火間距以及鄰近油罐冷卻保護(hù)方面防火設(shè)計(jì)要求較低,尤其是在有風(fēng)環(huán)境下發(fā)生全面積敞口火災(zāi)事故時(shí),給火災(zāi)撲救工作帶來(lái)困難。為此,建議應(yīng)根據(jù)有關(guān)客觀情況,做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或采取有效的補(bǔ)救措施:(1)在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上增加防火間距,尤其是經(jīng)常處在大風(fēng)環(huán)境下的油庫(kù)區(qū)應(yīng)視情加大防火間距。日本采用1.0D,美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為(D1+D2)/4,當(dāng)相鄰兩油罐直徑相等時(shí),為0.5D。這就是說(shuō)按我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的該類工程,其抗風(fēng)險(xiǎn)事故的能力較低,特別是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)公民消防安全意識(shí)還較低,抗御火災(zāi)事故能力相對(duì)較弱,因此,建議我國(guó)規(guī)范對(duì)于大型商業(yè)性戰(zhàn)略儲(chǔ)備油庫(kù)巨型儲(chǔ)罐防火間距設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)提高,且不易低于發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)范相應(yīng)規(guī)定值。(2)應(yīng)考慮對(duì)鄰近油罐的冷卻保護(hù)。按照《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50160-2008)第8.4.4條規(guī)定,當(dāng)著火罐為浮頂、內(nèi)浮頂罐(浮盤(pán)采用易熔材料制作的除外)時(shí),其臨近罐可不考慮冷卻。其標(biāo)準(zhǔn)要求與發(fā)生池火災(zāi)情況下的消防實(shí)際要求不相適應(yīng)。本文認(rèn)為,當(dāng)發(fā)生油罐(浮頂罐)火災(zāi)時(shí),在無(wú)風(fēng)或風(fēng)力很小的情況下,應(yīng)保證著火罐的消防冷卻水系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求外,還應(yīng)考慮采用一定數(shù)量的移動(dòng)式冷卻水系統(tǒng)如移動(dòng)消防水炮、水槍等對(duì)相鄰罐體進(jìn)行冷卻保護(hù),重點(diǎn)針對(duì)著火罐進(jìn)行有效的滅火和保護(hù),減少不必要的資源浪費(fèi)。而在有風(fēng)情況下,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,池火火焰將偏向甚至直接烘烤位于下方方向的鄰近油罐,此時(shí),除對(duì)著火罐進(jìn)行有效滅火和保護(hù)外,還應(yīng)采取強(qiáng)有力的措施,加強(qiáng)對(duì)鄰近罐的冷卻,以確保相鄰罐的安全,有效防止火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大。應(yīng)將油罐火災(zāi)時(shí)鄰近罐冷卻用水