环境风作用下大型原油储罐火灾的后果模拟研究
摘要：大型原油储罐火灾事故具有多发性和灾难性，而且大型原油储罐火灾的燃烧行为易受环境风的影响，因此对环境风作用下大型原油储罐火灾进行后果模拟研究具有重要意义。现利用FDS软件对水平环境风速分别为0m/s、4m/s、8m/s和12m/s的大型原油储罐全表面火灾进行数值模拟，分析环境风对火焰形态、辐射的影响规律，并进一步基于热辐射通量准则，评价环境风作用下火灾对邻罐的损害程度，提出了相应的安全防治对策。
大型原油储罐火灾事故具有多发性和灾难性。一旦发生此类事故，火灾产生的热辐射会对周围环境造成巨大的伤害[1-3]。由于大型原油储罐火灾的燃烧行为易受环境风等自然环境条件影响且大型原油储罐火灾事故发生时往往存在着环境风，而环境风会加快原油表面气体的混合和流动速度，同时会使火焰发生倾斜，影响液面与火焰之间的热量传递机制，从而显著影响大型原油储罐火灾事故的发展与蔓延[4]。因此，研究环境风作用下大型原油储罐火灾的特征与危害对于预防这类火灾事故的发生、控制此类火灾事故的发展和蔓延等具有重要意义。
国内外主要从实验、理论分析和数值模拟这三个方面开展对大型油罐火灾的研究[4-6]。随着大型油罐火灾实验和数值模拟技术的不断成熟，利用数值模拟软件对大型油罐火灾进行分析研究越来越广泛。张日鹏[7]等人通过使用FDS软件对直径11.5m油池火灾的热辐射进行了数值模拟研究，发现模拟与实验值基本一致。陈虹燕[5]等人通过使用FDS软件对不同风速下甲醇油罐的燃烧火焰和辐射强度的变化情况开展了研究。在对大型原油储罐火灾的数值模拟研究中，大多是在无环境风作用下或是特定环境风速时对大型油罐火灾进行后果模拟研究，而对于不同环境风作用下大型油罐火灾的后果模拟研究较少[8]。因此，开展环境风作用下大型油罐火灾模拟研究，并基于模拟结果进行安全风险分析具有重要意义。
1模拟及工况设置
在本研究设置的大型原油储罐火灾模拟场景中，有4个大型原油储罐，分为两排，每排2个原油储罐，储罐编号分别为T1储罐、T2储罐、T3储罐和
T4储罐。大型原油储罐容积均为106m3，储罐直径
80m，高21.8m，储罐中原油液面高度为20m。根据
GB50160—2008《石油化工企业设计防火规范》，对于外浮顶储罐的大型原油储罐区，罐组内相邻原油储罐间的防火间距应不小于0.4D。本研究中，大型原油储罐的直径D=80m，故罐组内相邻原油储罐间的防火间距应不小于32m，取32m作为大型原油储罐的防火间距。
基于FDS对以上储罐火灾模拟场景进行建模，除左边界的通风口和地面外，模拟区域的边界条件均设置成“OPEN”表面，罐组中的T1储罐为发生全表面火灾的油罐。最终构建的大型原油储罐组几何模型见图1。
大型原油储罐中的燃料为原油，由于C19H30与原油的燃烧特性较为相似，因此在进行FDS数值模拟中，选用C19H30作为原油的替代燃料。本研究中设置的火灾场景工况共4个，主要分析在水平环境风速分别为0m/s、4m/s、8m/s和12m/s的情况下，油罐发生全表面火灾时火灾的特征与危害。
经过网格独立性验证表明，合适的网格尺寸一般设置为火焰特征直径的1/4～1/16之间。经计算本研究中火焰特征直径为41.85m，可得合适的网格尺寸为2.62m～10.46m。综合考虑大涡模拟的精度与计算的时间和成本，本文将网格尺寸设置为3m×3m×3m，网格区域为360m×150m×210m（长×宽×高），网格总数为420000个。
2结果与讨论
2.1 火焰形态
根据不同风速下火焰分布模拟结果，环境风会显著影响火焰形态。随着水平环境风速的增大，T1储罐全表面火灾产生的火焰和烟气会逐渐向下风向倾斜。水平环境风速越大，火焰和烟气向下风向倾斜的角度也越大，对下风向储罐的热辐射危害也越大。当风速从0m/s升高至4m/s时，火焰和烟气倾角开始缓慢从0°增大至16°；当风速从4m/s升高至8m/s时，火焰和烟气倾角的增加速率显著增大，由16°增大至46°；当风速从8m/s升高至12m/s时，火焰和烟气倾角的增加速率又略微减小，由46°增大至65°。总体来看，随着风速的增加，火灾倾角会逐渐增加，烟气逐渐向地面扩散，这严重妨碍了在应急救援过程中消防人员对火情的判断和人员疏散，加大了灭火救援工作的难度。
2.2 热辐射强度
在FDS中通过设置Y=78m的2D切片可得到油罐中心纵截面处的热辐射强度分布。根据不同风速下的火灾辐射场分布可知，环境风改变了大型原油储罐全表面火灾辐射场分布。在环境风的作用下，火焰向下风向倾斜，增大了火灾对下风向储罐的热辐射危害。风速为0m/s时，着火罐中心纵截面处的热辐射强度最高值为1275kW/m2；风速为4m/s 时，着火罐中心纵截面处的热辐射强度最高值为1109kW/m2；风速为8m/s时，着火罐中心纵截面处的热辐射强度最高值为360.7kW/m2；风速为12m/s 时，着火罐中心纵截面处的热辐射强度最高值为193.4kW/m2。
为了进一步基于数值模拟结果，评价环境风作用下火灾对邻罐的损害程度。本研究采用稳态池火灾中常被使用的热辐射通量准则。当热辐射通量的范围在0～12.5kW/m2时，对储罐造成的损坏分级为基本无损伤；当热辐射通量的范围在12.5～25kW/m2时，对储罐造成的损坏分级为轻度损伤；当热辐射通量的范围在25～37.5kW/m2时，对储罐造成的损坏分级为中度损伤；当热辐射通量大于37.5kW/m2时，对储罐造成的损坏分级为重度损伤。在FDS中通过设置热辐射强度测点得到了热辐射强度数据，下文中的热辐射强度取值均为稳定燃烧阶段热辐射测点处的热辐射强度的平均值。
从图2可以看出，不同风速下T2罐壁处热辐射强度均随着罐壁高度的增加呈不断增大的变化趋势。当风速为0m/s时，在罐壁高度大于14.4m时，热辐射强度介于12.5kW/m2和25kW/m2之间，T2罐壁被轻度损伤。当风速为4m/s时，在罐壁高度大于13.5m时，热辐射强度介于12.5kW/m2和25kW/m2之间，T2罐壁被轻度损伤。当风速为8m/s时，在罐壁高度为0～13m时，热辐射强度介于12.5kW/m2和25kW/m2之间，T2罐壁被轻度损伤；在罐壁高度为13～18m时，热辐射强度介于25kW/m2和37.5kW/m2 之间，T2罐壁被中度损伤；在罐壁高度大于18m时，热辐射强度超过37.5kW/m2，T2罐壁被重度损伤。当风速为12m/s时，在罐壁高度为0～12m时，热辐射强度介于12.5kW/m2和25kW/m2之间，T2罐壁被轻度损伤；在罐壁高度为12～19m时，热辐射强度介于25kW/m2和37.5kW/m2之间，T2罐壁被中度损伤；在罐壁高度大于19m时，热辐射强度超过37.5kW/m2，T2罐壁被重度损伤。
随着T2罐顶测点距T1储罐中心水平距离的增大，不同风速下T2储罐浮顶处的热辐射强度均呈先增大后减小的变化趋势。这是因为在靠近T2左侧罐壁的位置处，储罐壁板对热辐射具有很强的遮挡作用，浮顶处接收的热辐射强度较小；随着水平距离的增大，储罐壁板对热辐射的遮挡作用逐渐减弱，浮顶处接收的热辐射强度开始逐渐增大；随着水平距离的进一步增大，浮顶处与火焰的距离也不断增大，且超出了储罐壁板对热辐射的影响范围，浮顶处接收的热辐射强度不断减小。当风速为8m/s时，在T2罐顶测点距T1储罐中心的水平距离为81～89m时，热辐射强度介于12.5kW/m2和25kW/m2之间，T2储罐浮顶被轻度损伤；当风速为12m/s时，在T2罐顶测点距T1储罐中心的水平距离为78～91m时，热辐射强度介于12.5kW/m2 和25kW/m2之间，T2储罐浮顶被轻度损伤。
3 结束语
本文通过FDS开展了环境风作用下大型原油储罐火灾研究，分析环境风对火焰形态、辐射的影响规律，并进一步基于热辐射通量准则，评价了环境风作用下对邻罐的损害程度。在有风条件下油罐发生火灾时，火焰会向下风向倾斜，增强了热辐射对下风向油罐的危害，故除了主要对着火罐进行灭火保护，也应重点对其下风向的油罐采取相应的冷却保护措施，如使用水枪、移动式消防水炮等，保证邻罐的安全，防止火灾的发展和蔓延。
