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苯儲存罐區消防安全距離設計理論研究

文檔作者：胡婷孫麗董衛軍康峰4 文檔來源： 1．西南石油大學 2．中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 3．重慶礦產資源開發有限公司 4．中國石化四川瀘州石油分公司		點擊數：	更新時間： 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
苯儲存罐區消防安全距離設計理論研究
胡 婷 ，孫 麗 ，董衛軍 ，康 峰4
(1．西南石油大學，四川成都610500；
2．中國石油集團川慶鉆探工程有限公司，四川成都610000；
3．重慶礦產資源開發有限公司，重慶400042；
4．中國石化四川瀘州石油分公司，四川瀘州646000)
摘要：通過對池火災熱輻射通量三種模型：點源模型、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接受的熱輻射通量，總結
了各種模型的特點和適用條件。以苯儲存罐區為例，利用池火危害分析得出的結論，發現選
用Shokri-Beyler模型，計算苯罐區發生泄漏火災時的池火熱輻射通量最為精確，并由此得出消
防系統控制閥和消防炮與被保護對象之間的安全距離，以及消防救援的安全距離。
關鍵詞：苯罐區 池火 消防安全距離 點源模型 Shokri—Beyler模型 Mudan模型 熱
輻射通量
隨著石化行業的發展，可燃液體儲備庫越來
越多，可燃液體儲罐一旦發生泄漏，很容易形成
池火災。池火產生的強烈熱輻射，不僅對相鄰罐
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
生爆炸起火，大火在短時間內迅速蔓延，燃燒面
積多達6萬m ?。在此次火災爆炸事故中，油罐
區固定消防設施沒有發揮滅火作用，造成了重大
經濟損失和嚴重的環境污染。
目前，國內一些學者對池火災熱輻射通量
計算模型進行了相應的研究，但總體上還存在
一些問題。傅智敏教授曾對國內文獻資料中介
紹的“池火計算方法” 提出了質疑，認為其在
量綱、物理意義和模型混淆上存在問題 J，而
在對池火災熱輻射通量的計算上，仍有學者采
用該模型對池火災熱輻射進行分析計算 J。于
是筆者查閱國內外相關文獻，對池火災狀態下
熱輻射通量的模型進行了研究，旨在通過計算
池火災熱輻射通量，為石油化工企業儲存罐區
消防安全距離設計提供理論依據。本文以苯儲
存罐區為例，對石油化工企業儲存罐區消防安
全距離設計進行研究。
1 苯儲罐泄漏火災特性
1．1 苯的特性
苯為無色透明液體，有強烈芳香味。閃點
一11℃，沸點80．1℃ ，爆炸極限范圍為1．2％ ～
8．0％ ，現場毒性大，易造成人員傷亡。人吸人較
高濃度的苯會引起急性中毒。此外，苯發生火災
時，通常為不完全燃燒，產生一氧化碳、二氧化碳、
碳等有毒有害物質，這些物質都易造成人員傷亡。
1．2 池火災概念
苯儲罐發生泄漏，主要的事故類型是池火
災。池火災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。池火災的破壞主要是熱輻射，如果熱
輻射作用在容器和設備上，尤其是液化氣體容器，
其內部壓力會迅速升高，引起容器和設備的破裂；
如果熱輻射作用于可燃物，會引燃可燃物；如果熱
收稿日期：2014—09—02。
作者簡介：胡婷，女，西南石油大學油氣安全工程專
業在讀碩士，主要從事有機液體儲存罐區消防設計
研究工作。E—mail：284251551@qq．com
★ 石油化工安全環保技術 ★ 2015年第31卷第3期
輻射作用于人員，會引起人員燒傷甚至死亡。
1．3 池火災熱輻射通量計算模型
分析儲罐池火災的危險性主要是考慮池火災
熱輻射，常用的量化分析池火災熱輻射通量的模
型主要有：點源模型、Shokri—Beyler模型、Mudan
模型 (見表1)。
表1 常用池火災熱輻射通量計算模型
主要參數 點源模型 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為被輻射目標物與液池中心的水平距離，in；iil”為
液池單位面積質量燃燒速率，kg·in-2 s～；△H。為燃燒熱，kJ·kg_。；P 為環境空氣的密度，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，T=1—0．0581nL。
在表1中，點源模型主要運用于被輻射目標
物距離池火焰較遠的情況。當L／D>2．5時，使
用點源模型估算出的熱輻射通量與實驗結果相比
誤差為5％ ，當目標接受的熱輻射通量小于
5 kW／m 認為得到的結果可用。Shokri—Beyler模
型主要應用于估算目標接受的熱輻射通量大于
5 kW／m 的情況。Mudan模型可應用于無風條件
下或有風條件下目標接受的熱輻射通量的估算。
對于含有大量黑煙的碳氫化合物池火焰，其表面
的熱輻射通量計算式可簡化為E=E e 。+E
(1一e )，該模型主要運用于烴類池火災熱輻射
通量的計算。
2 池火的熱輻射通量計算分析
為了具體研究池火的危害性，分析池火災燃
燒產生火焰的熱輻射通量，針對具體的池火場景
利用點源模型、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
量以及目標接收的熱輻射通量，并對比結果，分
析各種模型的特點及其適用性。
2．1 池火特性計算
根據表1所列模型，對苯儲罐發生池火災，
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行計算，結果如表
2所示。
表2 池火表面總熱輻射能量和表面熱輻射通量的
模型化計算
＼ 模型 ＼ 點源模型 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點源模型的計算中可以看出，隨著池
火直徑的增大，火焰的總輻射能量不斷增加，因
為點源模型將池火火焰簡化成點源，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，因為這兩種模型將池火火焰假設成圓柱形輻
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
儲罐池火災的危險性主要是熱輻射對被輻射
目標的傷害。為了直觀地分析池火直徑和目標接
受到的熱輻射通量與目標到液池中心距離的關
系，對池火直徑分別為10 In、20 ITI、30 In的池火
災目標接受到的熱輻射通量與目標到液池中心的
距離進行對比分析，如圖1～圖3所示。
2015年第3l卷第3期 ★ 胡婷等．苯儲存罐區消防安全距離設計理論研究★
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時目標接受的熱輻射通量
結果不夠精確；Shokfi．Beyler模型和Mudan模型
計算的結果為，隨著池火直徑的增大和目標離液
池中心距離的增大，目標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模型得出的結果更為保守。
從選擇三種模型計算目標接受的熱輻射通量
可以看出：當目標離火焰距離較近時，點火源模
型結果不夠精確，而Mudan模型較Shokfi—Beyler
模型更為保守。所以在進行苯罐區消防設計時，
優先選用Shokfi—Beyler模型對苯罐區進行消防設
計理論研究。
3 苯罐區消防設施設計
3．1 苯罐區池火場景的假設
以總儲存能力12 000 m。苯罐區為例，假設
某公司罐區長73 m，寬52 m，防火堤高1．2 m，
罐區內有6個2 000 m 儲罐，罐直徑為15 m，總
高16 m。罐區結構及儲罐分布如圖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時目標接受的熱輻射通量
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時目標接受的熱輻射通量
從圖中可以看出，用點源模型計算的結果
是：隨著池火直徑的增大，目標接受的熱輻射通
量逐漸增大；隨著目標離液池中心距離的增大，
目標接受的熱輻射通量先有微量增加再逐漸減
小，因為當目標離火焰較近時，點火源模型計算
73 m
圖4 苯罐區結構及儲罐分布示意
3．2 消防系統控制閥和消防炮與被保護對象的
距離
當儲罐泄漏發生池火災時，產生的強烈熱輻
射會對消防系統控制閥和消防炮產生嚴重的破
壞，因此通過計算苯罐區池火災熱輻射通量，可
以得出消防系統控制閥和消防炮與被保護對象之間
的距離。由表3可知，消防系統控制閥和消防炮可
接受的熱輻射通量的安全臨界量為37．5 kW／m 。
假設1號苯儲罐泄漏到隔堤發生池火災，池
火災的當量直徑為29．35 m，距池火中心距離L=
15 m，選用Shokn．Beyler模型計算的熱輻射通量
計算結果為21．74 kW／m 。因此，當1號苯罐泄
漏發生隔堤內池火災，在距池火中心15 m的地
如 加 m 0 ¨
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★ 石油化工安全環保技術 ★ 2015年第31卷第3期
方，池火產生的熱輻射不會對消防系統控制閥和
消防炮產生影響，符合《石油化工企業設計防火
規范》(GB 50160-2008)規定的消防系統控制閥
和消防水炮距被保護對象不宜小于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) 對設備的損壞 對人的傷害
37 ． 5 蠢 攆作設備全部損壞 誓 ； l％死t：／l ll
_ j 在無2 火焰囂長時間輻射時 重大損移 lo 警
． ．
5．
一
0
強 ¨Ⅲ j 燒的最小能量 一 lO瓣死 = 辣羹
l2 有火焰時，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 ? 長期輯射無不舒服j
3．3 消防救援安全距離
天津理工大學和天津市消防總隊苑靜曾計算
出儲罐火災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，
在運用Shokri．Beyler模型計算熱輻射通量時，將
目標接受到的熱輻射通量值定為17．8 kW·m～，
來計算從池火中心到接受輻射的目標之間的距
離，即為消防救援的安全距離，計算結果為
17．3 m。因此1號儲罐泄漏，液池的當量直徑為
29．35 m，1號隔堤的實際長寬均為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 結論
通過分析三種熱輻射通量計算模型，得出點
源模型在目標離火焰距離較近時，結果不夠精
確。而Mudan模型計算結果較Shokri—Beyler模型
更為保守，所以在進行苯罐區消防設計時，優先
選用Shokri—Beyler模型對苯罐區進行消防安全距
離設計理論研究。
利用Shokri．Beyler模型計算苯罐區池火災熱
輻射通量情況，計算消防系統控制閥和消防炮距
被保護對象之間的距離，以及消防救援的安全距
離，為苯罐區的消防安全距離設計及消防救援提
供了理論依據。
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