基于fds模型的巨型油罐火灾燃烧过程数值模拟

基于fds模型的巨型油罐火灾燃烧过程数值模拟

0油气储罐朝大型化方向发展能源是经济发展的基础，能源问题已成为一个重要的战略问题。作为世界第二大石油消费国和进口国,我国的石油能源对外依存度高达51.29%,这使得能源战略储备成为维护能源安全的重要举措,也使得能源战略储备成为经济高效稳定发展的重要保障。2003年,我国启动了国家战略石油储备基地建设,浙江宁波镇海、浙江岱山、山东黄岛、辽宁大连四大战略石油储备基地已基本建成,可容纳近1.02亿桶的原油储备量。为了降低储存成本,油品储罐逐渐朝大型化方向发展。目前,我国已建和拟建的国家储备库,库容大都在100×104m3的量级以上,有的甚至规划了2000×104m3。单罐容积小则5×104m3,大则15×104m3,10×104m3以上的储罐屡见不鲜。自身危险性以及加大的石油储备量使得石油储备库的危险性大大增加,一旦发生事故,将造成不可估量的损失。2005年12月11日,英国伦敦的邦斯菲尔德油库发生火灾爆炸事故,烧毁大型储罐20余座,造成36人受伤,其中4人伤势严重,直接经济损失高达35亿元。2010年1月7日,中国石油兰州石化分公司316号罐区发生火灾爆炸事故,造成6人死亡、6人受伤(其中1人重伤)。油罐区火灾爆炸事故的惨痛教训使我们意识到,保证油品的安全储存,加强储罐区的消防安全是当前形势下的一项重要任务。应用现代科学技术,系统、科学、有效地做好对油罐区重大危险源火灾爆炸事故的预防、控制工作,是当下消防、安全技术工作者面临的重要课题。因受设施、环境、气候等因素影响,目前国内外对于原油储备危险的研究主要集中在油罐火灾的小型实验研究上,也因此使得计算机模拟计算成为深受研究者认可的一种研究方法。1罐区外输系统宁夏惠安堡原油商业储备油库为长庆油田原油商品储备油库工程的子工程项目,占地面积235907.8m2,建筑面积8741m2,原油储罐区位于站内东侧,占地面积152309m2,设计总库容为120万m3,建有钢制外浮顶双盘储罐12座,单罐容积为10万m3(储罐分两组设置,罐区设置防火堤,防火堤均为东西338m,南北223m,两座罐组间设置消防道路,防火堤之间为20m)。同时具有500×104t/a外输能力的外输系统1套,并设外输计量,油库与管道末站联络线,配套有原油倒罐系统、消防、公用工程及辅助系统,属于一级油库。储备油库原油密度在20℃时为0.8425kg/cm3,脱水后含水量为0.28%。构建的数据模型区域三维立体图见图1。2fds模式计算2.1燃料/燃料萃取结合工程实例,本文模拟计算的火灾场景采用如下设置:区域大小为长、宽、高分别350m、160m、160m,油罐高度是22m、油罐直径为80m,燃烧物质为原油。设定热释放速率的设定HRR=mρHc/60(式中:m(mm/min)为燃烧时的直线燃烧速度,ρ(kg/m3)为燃料的密度,Hc(kJ/kg)为燃料的净燃烧热),得到每平方米热释放速率为2074kW,油罐位置网格为0.1m,敞口面积为4776m2。炭黑生成比为0.1,辐射百分数为0.08。罐体材料为钢板,其导热系数为49.8W/(m·K),热扩散率为1.77E-5,比热容为0.47kJ/(kg·K),材料厚度为10cm。地面材料为混凝土地面,导热系数为1.0W/(m·K),热扩散率为5.7E-7,比热容为0.8kJ/(kg·K),材料厚度为20cm。该场景环境温度为29.5°C,考虑的风速主要为:0m/s、8m/s。分别考虑有风和无风条件,有风风速取8m/s是该工程实例所处地理位置常年气象条件而定,即约5级风力。2.2模拟数据的结果分析2.2.1烟气蔓延和倾斜图2至图7给出了无风和有风两种情况下烟气蔓延的结果。对比不同时刻无风和有风情况下的烟气蔓延结果可以看出,在无风时,烟气基本上竖直向上运动,水平方向基本无运动。在有风作用时,烟气在风的驱动下发生倾斜。随着时间的增加,倾斜越来越明显。2.2.2油罐边缘至火焰内部温度图8至图11给出了无风和有风两种情况下油罐火焰温度的变化。从图中可以看出,从油罐边缘至火焰中心线处温度逐渐升高,这说明空气是沿该方向卷吸的。从图中可以看出,无风条件下油罐火焰的最高温度约为815℃,而有风条件下的最高温度则稍低,约为665℃,风加快了热量传播,使温度有所降低。2.2.3有风和有风作用时辐射热强度随高度的变化情况会进一步讨论辐射热强度分析是评价油罐火灾危险性和制定防火间距的重要依据,而火焰的热辐射则是导致油罐间发生火灾蔓延的直接或间接原因。有研究发现,油罐间发生火蔓延一般不是由于发生火灾的油罐火焰直接烘烤造成的,而是由于相邻罐溢流的燃料蒸汽引燃造成的。对于油罐火灾,相邻油罐燃料产生燃料蒸汽所需要的能量,则是由燃烧油罐火焰的辐射热和对流热提供的。图12、图13给出了无风和有风情况下罐上方不同高度处的辐射强度变化曲线。从图中可以看出,辐射热在开始时迅速升高,在5s后开始波动,且波动幅度较大,这和实际的火灾发展趋势比较吻合,体现了热释放速率和火焰的传播速度的变化,属于非理想情况;有风条件下油罐上方的最大辐射热强度可高达约180kW/m2,无风条件下油罐上方的最大辐射热强度要比有风作用时的最大热强度略小。此外,在有风作用时,辐射强度先随高度的增加而变大,在增加到一定值之后,而后随高度的增加而减小,最终稳定在某个值附近。图14、图15给出了无风和有风情况下下风向油罐罐上方不同高度处的辐射强度变化曲线。由图可知,有风作用时,下风向油罐上方的辐射热强度要比无风时大5倍,这说明在风的作用下,下风向油罐所受到的辐射热强度变大,且辐射强度最大值可达17kW/m2。加之,火灾燃烧产生大量的烟颗粒也会加强火焰对周围环境的热辐射,在环境风的影响下,着火罐产生的烟气甚至可以将邻近罐体覆盖,这必将对邻近罐造成更为严重的威胁。可见,在有风环境下,着火罐对邻近罐的热辐射危险大大增加,常规的0.5D(本工程实例防火间距采用0.5D,现行规范对浮顶罐要求最小防火间距为0.4D,且可不考虑对邻近罐的冷却)的安全间距已不能保障邻近罐体的安全。因此,当其中某个油罐发生火灾时,如果在短时间内不采取有效的措施对着火油罐火灾进行抑制,并对邻近油罐采取进行冷却等保护措施,可能会造成附近油罐着火或爆炸,导致火灾进一步扩大。图16、图17给出了无风和有风情况下下风向后部油罐罐上方不同高度处的辐射强度变化曲线。对比两图可知,两种场景下辐射热强度无论在范围和变化趋势上几乎相同,热辐射强度在1.5kW/m2以下,说明这个罐距离着火罐较远,在FDS模拟的时间内受到辐射影响较小。3浮顶油罐防火间距设计分析通过上述数据分析,说明按照现行《石油库设计规范》、《石油化工企业设计防火规范》及《石油天然气工程设计防火规范》有关油罐区油罐防火间距以及邻近油罐冷却保护方面防火设计要求较低,尤其是在有风环境下发生全面积敞口火灾事故时,给火灾扑救工作带来困难。为此,建议应根据有关客观情况,做出适当的调整或采取有效的补救措施:(1)在规范要求的基础上增加防火间距,尤其是经常处在大风环境下的油库区应视情加大防火间距。日本采用1.0D,美国消防协会标准规定为(D1+D2)/4,当相邻两油罐直径相等时,为0.5D。这就是说按我国规范设计的该类工程,其抗风险事故的能力较低,特别是与发达国家相比我国公民消防安全意识还较低,抗御火灾事故能力相对较弱,因此,建议我国规范对于大型商业性战略储备油库巨型储罐防火间距设定标准提高,且不易低于发达国家规范相应规定值。(2)应考虑对邻近油罐的冷却保护。按照《石油化工企业设计规范》(GB50160-2008)第8.4.4条规定,当着火罐为浮顶、内浮顶罐(浮盘采用易熔材料制作的除外)时,其临近罐可不考虑冷却。其标准要求与发生池火灾情况下的消防实际要求不相适应。本文认为,当发生油罐(浮顶罐)火灾时,在无风或风力很小的情况下,应保证着火罐的消防冷却水系统符合设计规范要求外,还应考虑采用一定数量的移动式冷却水系统如移动消防水炮、水枪等对相邻罐体进行冷却保护,重点针对着火罐进行有效的灭火和保护,减少不必要的资源浪费。而在有风情况下,应根据实际情况,池火火焰将偏向甚至直接烘烤位于下方方向的邻近油罐,此时,除对着火罐进行有效灭火和保护外,还应采取强有力的措施,加强对邻近罐的冷却,以确保相邻罐的安全,有效防止火灾的蔓延和扩大。应将油罐火灾时邻近罐冷却用水