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苯儲(chǔ)存罐區(qū)消防安全距離設(shè)計(jì)理論研究

文檔作者：胡婷孫麗董衛(wèi)軍康峰4 文檔來源： 1．西南石油大學(xué) 2．中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 3．重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司 4．中國石化四川瀘州石油分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年04月11日
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2015年第3 1卷第3期PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY
苯儲(chǔ)存罐區(qū)消防安全距離設(shè)計(jì)理論研究
胡 婷 ，孫 麗 ，董衛(wèi)軍 ，康 峰4
(1．西南石油大學(xué)，四川成都610500；
2．中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司，四川成都610000；
3．重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司，重慶400042；
4．中國石化四川瀘州石油分公司，四川瀘州646000)
摘要：通過對(duì)池火災(zāi)熱輻射通量三種模型：點(diǎn)源模型、Shokri—Beyler模型和Mudan模型
的研究，分析了池火表面總熱輻射能量、表面熱輻射通量以及目標(biāo)接受的熱輻射通量，總結(jié)
了各種模型的特點(diǎn)和適用條件。以苯儲(chǔ)存罐區(qū)為例，利用池火危害分析得出的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)選
用Shokri-Beyler模型，計(jì)算苯罐區(qū)發(fā)生泄漏火災(zāi)時(shí)的池火熱輻射通量最為精確，并由此得出消
防系統(tǒng)控制閥和消防炮與被保護(hù)對(duì)象之間的安全距離，以及消防救援的安全距離。
關(guān)鍵詞：苯罐區(qū) 池火 消防安全距離 點(diǎn)源模型 Shokri—Beyler模型 Mudan模型 熱
輻射通量
隨著石化行業(yè)的發(fā)展，可燃液體儲(chǔ)備庫越來
越多，可燃液體儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏，很容易形成
池火災(zāi)。池火產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射，不僅對(duì)相鄰罐
體、建筑及周邊群眾的安全造成威脅，而且使救
援人員難以靠近。2010年大連石油庫輸油管線發(fā)
生爆炸起火，大火在短時(shí)間內(nèi)迅速蔓延，燃燒面
積多達(dá)6萬m ?。在此次火災(zāi)爆炸事故中，油罐
區(qū)固定消防設(shè)施沒有發(fā)揮滅火作用，造成了重大
經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。
目前，國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)池火災(zāi)熱輻射通量
計(jì)算模型進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但總體上還存在
一些問題。傅智敏教授曾對(duì)國內(nèi)文獻(xiàn)資料中介
紹的“池火計(jì)算方法” 提出了質(zhì)疑，認(rèn)為其在
量綱、物理意義和模型混淆上存在問題 J，而
在對(duì)池火災(zāi)熱輻射通量的計(jì)算上，仍有學(xué)者采
用該模型對(duì)池火災(zāi)熱輻射進(jìn)行分析計(jì)算 J。于
是筆者查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)池火災(zāi)狀態(tài)下
熱輻射通量的模型進(jìn)行了研究，旨在通過計(jì)算
池火災(zāi)熱輻射通量，為石油化工企業(yè)儲(chǔ)存罐區(qū)
消防安全距離設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文以苯儲(chǔ)
存罐區(qū)為例，對(duì)石油化工企業(yè)儲(chǔ)存罐區(qū)消防安
全距離設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。
1 苯儲(chǔ)罐泄漏火災(zāi)特性
1．1 苯的特性
苯為無色透明液體，有強(qiáng)烈芳香味。閃點(diǎn)
一11℃，沸點(diǎn)80．1℃ ，爆炸極限范圍為1．2％ ～
8．0％ ，現(xiàn)場(chǎng)毒性大，易造成人員傷亡。人吸人較
高濃度的苯會(huì)引起急性中毒。此外，苯發(fā)生火災(zāi)
時(shí)，通常為不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、
碳等有毒有害物質(zhì)，這些物質(zhì)都易造成人員傷亡。
1．2 池火災(zāi)概念
苯儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，主要的事故類型是池火
災(zāi)。池火災(zāi)是指可燃液體泄漏后流到地面形成液
池，或流到水面并覆蓋水面，遇到引火源燃燒而
形成池火。池火災(zāi)的破壞主要是熱輻射，如果熱
輻射作用在容器和設(shè)備上，尤其是液化氣體容器，
其內(nèi)部壓力會(huì)迅速升高，引起容器和設(shè)備的破裂；
如果熱輻射作用于可燃物，會(huì)引燃可燃物；如果熱
收稿日期：2014—09—02。
作者簡(jiǎn)介：胡婷，女，西南石油大學(xué)油氣安全工程專
業(yè)在讀碩士，主要從事有機(jī)液體儲(chǔ)存罐區(qū)消防設(shè)計(jì)
研究工作。E—mail：284251551@qq．com
★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù) ★ 2015年第31卷第3期
輻射作用于人員，會(huì)引起人員燒傷甚至死亡。
1．3 池火災(zāi)熱輻射通量計(jì)算模型
分析儲(chǔ)罐池火災(zāi)的危險(xiǎn)性主要是考慮池火災(zāi)
熱輻射，常用的量化分析池火災(zāi)熱輻射通量的模
型主要有：點(diǎn)源模型、Shokri—Beyler模型、Mudan
模型 (見表1)。
表1 常用池火災(zāi)熱輻射通量計(jì)算模型
主要參數(shù) 點(diǎn)源模型 Shokfi-Beyler模型 Mudan模型
“熱輻射通囂q (kW．m夠) - l≥
池火的總輻射能顯lQ ／kw或 Ill鬻liQ r l。 -． lIlool3ll llgl)l電ig0■ 『IⅢ0 _ll。 _簿_。簿| |__ 謄。 董蔓
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注：Q為池火的熱釋放量，kW；D為池火的直徑，m；A為液池的面積，m ；L為被輻射目標(biāo)物與液池中心的水平距離，in；iil”為
液池單位面積質(zhì)量燃燒速率，kg·in-2 s～；△H。為燃燒熱，kJ·kg_。；P 為環(huán)境空氣的密度，kg·m_。；g為重力加速度，9．8m·s_ ；
為燃燒效率因子，通常取0．13～0．35；f為大氣透射系數(shù)，T=1—0．0581nL。
在表1中，點(diǎn)源模型主要運(yùn)用于被輻射目標(biāo)
物距離池火焰較遠(yuǎn)的情況。當(dāng)L／D>2．5時(shí)，使
用點(diǎn)源模型估算出的熱輻射通量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比
誤差為5％ ，當(dāng)目標(biāo)接受的熱輻射通量小于
5 kW／m 認(rèn)為得到的結(jié)果可用。Shokri—Beyler模
型主要應(yīng)用于估算目標(biāo)接受的熱輻射通量大于
5 kW／m 的情況。Mudan模型可應(yīng)用于無風(fēng)條件
下或有風(fēng)條件下目標(biāo)接受的熱輻射通量的估算。
對(duì)于含有大量黑煙的碳?xì)浠衔锍鼗鹧?，其表?
的熱輻射通量計(jì)算式可簡(jiǎn)化為E=E e 。+E
(1一e )，該模型主要運(yùn)用于烴類池火災(zāi)熱輻射
通量的計(jì)算。
2 池火的熱輻射通量計(jì)算分析
為了具體研究池火的危害性，分析池火災(zāi)燃
燒產(chǎn)生火焰的熱輻射通量，針對(duì)具體的池火場(chǎng)景
利用點(diǎn)源模型、Shokri-Beyler模型、Mudan模型
具體分析池火表面總熱輻射能量、表面熱輻射通
量以及目標(biāo)接收的熱輻射通量，并對(duì)比結(jié)果，分
析各種模型的特點(diǎn)及其適用性。
2．1 池火特性計(jì)算
根據(jù)表1所列模型，對(duì)苯儲(chǔ)罐發(fā)生池火災(zāi)，
且直徑分別為10 in、20 1TI、30 in的池火表面總熱
輻射能量和表面熱輻射通量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表
2所示。
表2 池火表面總熱輻射能量和表面熱輻射通量的
模型化計(jì)算
＼ 模型 ＼ 點(diǎn)源模型 Shokfi—
Beyler模型 Mudan模型
池火直徑 ／kW ／(kW·Hi ) ／(kW·Hi )
ll_l0 4 lll47 ： 56；I4
ll 2o_ 0 l1I ll_3s _ _ 3輟s9
，D _ 6o l05 l3l2．85 誓 ? 盤3；2
在表2點(diǎn)源模型的計(jì)算中可以看出，隨著池
火直徑的增大，火焰的總輻射能量不斷增加，因
為點(diǎn)源模型將池火火焰簡(jiǎn)化成點(diǎn)源，隨著池火直
徑的增大，火焰的熱輻射總量也逐漸增大。由
Shokri．Beyler模型和Mudan模型可以看出，隨著
池火直徑的增加，火焰表面熱輻射通量在不斷減
小，因?yàn)檫@兩種模型將池火火焰假設(shè)成圓柱形輻
射源，隨著池火直徑的增大，池火表面面積增
大，火焰表面熱輻射通量反而減小。
2．2 池火危害分析
儲(chǔ)罐池火災(zāi)的危險(xiǎn)性主要是熱輻射對(duì)被輻射
目標(biāo)的傷害。為了直觀地分析池火直徑和目標(biāo)接
受到的熱輻射通量與目標(biāo)到液池中心距離的關(guān)
系，對(duì)池火直徑分別為10 In、20 ITI、30 In的池火
災(zāi)目標(biāo)接受到的熱輻射通量與目標(biāo)到液池中心的
距離進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1～圖3所示。
2015年第3l卷第3期 ★ 胡婷等．苯儲(chǔ)存罐區(qū)消防安全距離設(shè)計(jì)理論研究★
5
O
5 1O 15 2O 25 3O 35 40
距液池中心的距離／m
液池直徑為10 1il時(shí)目標(biāo)接受的熱輻射通量
結(jié)果不夠精確；Shokfi．Beyler模型和Mudan模型
計(jì)算的結(jié)果為，隨著池火直徑的增大和目標(biāo)離液
池中心距離的增大，目標(biāo)接受的熱輻射通量逐漸
減小，且隨著池火直徑的增大，Mudan模型較
Shokfi．Beyler模型得出的結(jié)果更為保守。
從選擇三種模型計(jì)算目標(biāo)接受的熱輻射通量
可以看出：當(dāng)目標(biāo)離火焰距離較近時(shí)，點(diǎn)火源模
型結(jié)果不夠精確，而Mudan模型較Shokfi—Beyler
模型更為保守。所以在進(jìn)行苯罐區(qū)消防設(shè)計(jì)時(shí)，
優(yōu)先選用Shokfi—Beyler模型對(duì)苯罐區(qū)進(jìn)行消防設(shè)
計(jì)理論研究。
3 苯罐區(qū)消防設(shè)施設(shè)計(jì)
3．1 苯罐區(qū)池火場(chǎng)景的假設(shè)
以總儲(chǔ)存能力12 000 m。苯罐區(qū)為例，假設(shè)
某公司罐區(qū)長(zhǎng)73 m，寬52 m，防火堤高1．2 m，
罐區(qū)內(nèi)有6個(gè)2 000 m 儲(chǔ)罐，罐直徑為15 m，總
高16 m。罐區(qū)結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)罐分布如圖4所示。
10 l5 2O 25 30 35 4O 45
距液池中心的距離，m 52 m
液池直徑為20 nl時(shí)目標(biāo)接受的熱輻射通量
15 20 25 30 35 g0 45 5O
距液池中心的距離／m
圖3 液池直徑為30 Il時(shí)目標(biāo)接受的熱輻射通量
從圖中可以看出，用點(diǎn)源模型計(jì)算的結(jié)果
是：隨著池火直徑的增大，目標(biāo)接受的熱輻射通
量逐漸增大；隨著目標(biāo)離液池中心距離的增大，
目標(biāo)接受的熱輻射通量先有微量增加再逐漸減
小，因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)離火焰較近時(shí)，點(diǎn)火源模型計(jì)算
73 m
圖4 苯罐區(qū)結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)罐分布示意
3．2 消防系統(tǒng)控制閥和消防炮與被保護(hù)對(duì)象的
距離
當(dāng)儲(chǔ)罐泄漏發(fā)生池火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻
射會(huì)對(duì)消防系統(tǒng)控制閥和消防炮產(chǎn)生嚴(yán)重的破
壞，因此通過計(jì)算苯罐區(qū)池火災(zāi)熱輻射通量，可
以得出消防系統(tǒng)控制閥和消防炮與被保護(hù)對(duì)象之間
的距離。由表3可知，消防系統(tǒng)控制閥和消防炮可
接受的熱輻射通量的安全臨界量為37．5 kW／m 。
假設(shè)1號(hào)苯儲(chǔ)罐泄漏到隔堤發(fā)生池火災(zāi)，池
火災(zāi)的當(dāng)量直徑為29．35 m，距池火中心距離L=
15 m，選用Shokn．Beyler模型計(jì)算的熱輻射通量
計(jì)算結(jié)果為21．74 kW／m 。因此，當(dāng)1號(hào)苯罐泄
漏發(fā)生隔堤內(nèi)池火災(zāi)，在距池火中心15 m的地
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★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù) ★ 2015年第31卷第3期
方，池火產(chǎn)生的熱輻射不會(huì)對(duì)消防系統(tǒng)控制閥和
消防炮產(chǎn)生影響，符合《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火
規(guī)范》(GB 50160-2008)規(guī)定的消防系統(tǒng)控制閥
和消防水炮距被保護(hù)對(duì)象不宜小于15 m的要求。
表3 熱輻射的不同入射通量所造成的傷害、損失程度
入射通量／
(kW·m-2) 對(duì)設(shè)備的損壞 對(duì)人的傷害
37 ． 5 蠢 攆作設(shè)備全部損壞 誓 ； l％死t：／l ll
_ j 在無2 火焰囂長(zhǎng)時(shí)間輻射時(shí) 重大損移 lo 警
． ．
5．
一
0
強(qiáng) ¨Ⅲ j 燒的最小能量 一 lO瓣死 = 辣羹
l2 有火焰時(shí)，木材燃燒塑料 _度 鯽 l0 蘸。
．5 熔化的最低能量
． 1％ 死t l Ini
4．0 0 — 鼉一 20 ls以上感覺疼痛
1．6 。_ _ jj ? 長(zhǎng)期輯射無不舒服j
3．3 消防救援安全距離
天津理工大學(xué)和天津市消防總隊(duì)苑靜曾計(jì)算
出儲(chǔ)罐火災(zāi)中滅火救援一線消防官兵可接受的熱
輻射通量的安全臨界量為l7．8 kw·m～。_8 因此，
在運(yùn)用Shokri．Beyler模型計(jì)算熱輻射通量時(shí)，將
目標(biāo)接受到的熱輻射通量值定為17．8 kW·m～，
來計(jì)算從池火中心到接受輻射的目標(biāo)之間的距
離，即為消防救援的安全距離，計(jì)算結(jié)果為
17．3 m。因此1號(hào)儲(chǔ)罐泄漏，液池的當(dāng)量直徑為
29．35 m，1號(hào)隔堤的實(shí)際長(zhǎng)寬均為26 m，即消防
救援人員與防火堤的距離為17．3—26／2=4．3 m。
4 結(jié)論
通過分析三種熱輻射通量計(jì)算模型，得出點(diǎn)
源模型在目標(biāo)離火焰距離較近時(shí)，結(jié)果不夠精
確。而Mudan模型計(jì)算結(jié)果較Shokri—Beyler模型
更為保守，所以在進(jìn)行苯罐區(qū)消防設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先
選用Shokri—Beyler模型對(duì)苯罐區(qū)進(jìn)行消防安全距
離設(shè)計(jì)理論研究。
利用Shokri．Beyler模型計(jì)算苯罐區(qū)池火災(zāi)熱
輻射通量情況，計(jì)算消防系統(tǒng)控制閥和消防炮距
被保護(hù)對(duì)象之間的距離，以及消防救援的安全距
離，為苯罐區(qū)的消防安全距離設(shè)計(jì)及消防救援提
供了理論依據(jù)。
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