液化石油气储罐对火灾热响应及消防设计.doc

液化石油气储罐对火灾热响应及消防设计1引言液化石油气是工业和民用中应用十分广泛的一种燃料。由于它具有易燃、易爆等危险性,在生产、运输和使用中极易发生火灾和爆炸事故。液化石油气储罐周围一旦发生火灾,在火灾环境的影响下,储罐内液化石油气的温度和压力会迅速升高,同时储罐的强度会迅速下降,在一定条件下储罐即会发生破裂和爆炸,并进而引起沸液蒸气爆炸(BLEVE),引起爆炸冲击波、容器碎片抛出及巨大的火球热辐射,对周围的人员、建筑和设备造成更大的破坏。国内外曾多次发生液化石油气火灾并引起连锁爆炸的事故,造成惨重的损失。如1984年墨西哥一液化气储配站由于液化石油气泄漏引起火灾,使两个球形储罐破裂,液化气大量泄漏引发大火,高温火焰包围了附近的容器,相继造成多台容器破裂爆炸,导致500多人死亡,7000多人受伤,大量工业和生活设施毁坏,成为人类工业史上最为严重的事故之一。1998年西安液化石油气站由于液化石油气在一球罐底部泄漏,引发火灾,在火焰高温的作用下相继造成2个400立方米的球罐相继发生爆炸,并引起BLEVE,造成十多人死亡,数十人受伤,直接经济损失400多万元。液化石油气储罐事故及其引起的连锁反应的过程可用图1表示。因此了解和掌握液化石油气储罐对火灾的热响应规律,从而采取适当的措施防止储罐发生爆炸,是预防和控制重大事故发生的关键。本文重点介绍液化石油气储罐对火灾的响应规律,并提出了消防设计的要求和原则。2液化石油气储罐对火灾的热响应液化石油气储罐在周围发生火灾时,由于火灾对容器表面的热辐射和对流传热的影响,会使储罐发生一系列的热响应。由于工业界对安全的迫切需要及其学术上的综合性和复杂性,世界各国都投入了大量的人力和财力对此进行了深入广泛的研究。研究的方法主要包括试验研究、理论和计算机模拟研究、典型事故分析研究等。试验研究是将不同比例、不同形状的容器置于不同的火灾环境中,对响应过程和有关参数如温度、压力、热通量等进行动态的观测和测量,从而揭示容器失效过程、失效处理及危害性预测。理论和计算机模拟研究是根据二维或三维的质量、动量和能量平衡方程进行较为复杂的场模拟或基于试验研究的结果进行简化的区域模拟,以及将场模拟和区域模拟结合起来的混合模拟,由于建立的复杂的偏微分方程组很难求得理论解,因此一般是借助于计算机进行数值求解。典型事故分析是收集以往发生的事故的有关数据资料,并进行进一步的统计和理论分析,从而揭示其规律性。液化石油气储罐的热响应主要表现在以下几个方面:2.1储罐壁温响应理论和实验研究都表明,储罐在火灾环境下,储罐的壁温会迅速升高。储罐的壁温变化明显分为两个部分。即气相部分和液相部分,我们分别称其为干壁温度和湿壁温度,干壁温度明显高于湿壁温度。未保护的液化气容器在全包围火灾条件下,干壁温度最高达到600700,干壁温度受到热输入量、热损失、壁厚等因素影响,其数值取决于容器大小及壁厚、充装水平等,其变化规律如图2和图3所示。图2为储罐直径1.7m,壁厚11.85mm,容积10.25m3,容器上安装两个安全阀,安全阀开启压力为1.42MPa,关闭压力为1.13MPa,充装量为36%时在全包围火灾作用下的储罐干壁温度变化规律。图3为不同充装水平下的变化规律。2.2储罐内部液化气热响应试验发现,内部介质的热响应分为两个阶段:在第一阶段,液相温度未达到饱和温度,处于过冷状态,内部介质可以分为五个区域(如图4):边界层区、底部不稳定液体区、分层区、过冷液体区和蒸汽区。在侧面边界层区内,热量由储罐内壁传入后液体会沿容器壁面上升,到底液体表面后向中心运动,并且从中心向下部的过冷液体区运动,与过冷液体混合。然后又进入边界层区,重复上述传热过程。由于这种垂直方向的自然对流引起液体和气体在垂直方向的温度梯度,这种现象称为热分层。在底部的不稳定液体区,液体接受从储罐内壁传入的热量后,直接垂直向上运动与过冷液体混合。储罐内部介质的温度变化规律如图5所示。可以看出储罐内部气相温度高于液相温度。2.3储罐内部压力响应储罐内部的压力变化主要取决于内部介质的温度变化规律,实验研究发现,压力主要决定于内部分层区的温度。图6为液化石油气储罐分别采用水喷淋冷却和防火隔热层保护时进行了全包围火灾实验时的压力响应规律,其试验条件为:容器容积4185m3,壁厚615mm,材料STE36钢(屈服强度为360N/mm2),储罐上设置安全泄放阀。由图可以看出,对未采用防护措施的储罐,在火灾作用下储罐内部压力迅速上升,12min即发生爆炸;采用水喷淋冷却(冷却强度为100L/m2h)的储罐,在火灾作用下在开始5min内压力迅速上升,当达到安全阀排放压力1.4MPa后,安全阀开启排气,储罐内压力在1.21.4MPa之间波动,随后有所下降;采用隔热层保护的储罐,在火灾作用下压力升高速度缓慢,在50min前储罐内部的压力一直低于水喷淋冷却的储罐,而后压力较水喷淋储罐稍高。水喷淋冷却和隔热层保护的储罐均可以在火灾作用下90min内不发生爆炸。从上述液化石油气储罐对火灾的热响应规律可以看出,储罐爆炸主要是两方面的原因,一是储罐内部的压力升高;二是储罐壁温增加引起储罐材料强度下降,图7为压力容器用钢16MnR在不同温度下的强度变化。采取一定的防护措施控制储罐内部的压力升高和储罐壁温增加,可以防止储罐在火灾作用下发生爆炸,目前我国对于固定储罐区的储罐大都采用水冷却方式,对于移动储罐大都采用隔热保护方式。以下重点介绍采用水冷却方式的消防设计要求和原则。3.1消防用水量常温高压储罐有球罐和卧式罐两种形式,本文主要介绍球罐的消防冷却水量计算。3.1.1固定喷淋水量根据石油化工企业设计防火规范(GB50160-92(以下简称“石化规”)第7.9.2条规定“液化石油气储罐容积大于100m3时,应设置固定式消防冷却水系统”1,其冷却水用量为:着火罐:Q着=PD2q1(1)相邻罐:Q邻=PD2q2(2)式中:Q着着火罐固定消防冷却用水量(L/min);Q邻相邻罐固定消防冷却用水量(L/min);D球罐直径(m);q1,q2着火罐、相邻罐冷却水供水强度(L/minm2),其大小一般由火灾实验确定,世界各国在规范中规定也不尽相同,如德国规范TRB规定供给强度为100L/m2h,保证在火灾包围的情况下90分钟内不会发生失效。我国规范的规定如表1,是德国规范的5.4倍,因此建议通过火灾实验重新评估其合理性。综上(1)(2)式,球罐固定消防冷却用水量如下:Q固=Q着+nQ邻(3)式中:Q固固定消防冷却用水量(L/min);n距着火罐1.5D范围内的相邻罐数量(个),当n3时,可按(3)计算2。3.1.2移动式消防冷却用水量根据“石化规”第7.9.5条“移动式消防冷却用水量,应按罐区内最大一个储罐用水量确定”。当球罐容积小于400m3时,Q移30L/s(108m3/h)。当球罐容积大于或等于400m3时,Q移45L/s(162m3/h)。3.2水冷却方式固定式水冷却系统包括在顶部集中配水罐壁漫流式、固定水喷淋、水喷雾、固定水炮等4种基本形式。根据国外的资料介绍,可靠性的排序依次为漫流式、固定水炮、水喷淋或水喷雾。而我国目前大多采用水喷淋或水喷雾方式,但从使用效果看这种方式不尽妥当,因为这种方式在发生蒸汽爆炸时易受到破坏,西安3.5事故就是如此。而且这种方式喷头容易堵塞,维护比较困难。根据我国的国情,水冷却方式宜采用顶部布水罐壁漫流与固定水炮相结合的方式,即部分冷却水用漫流式,部分冷却水用固定水炮提供。该形式可靠性高且灵活,能分别满足防日晒冷却、着火罐冷却以及邻近罐冷却等不同冷却强度的供水要求,且对于与储罐内部蒸汽区相接触的干壁部分冷却更有保证。该形式容易维护,工程费用比目前使用的水喷淋或水喷雾系统低。对于大型储罐建议设置自摆的移动式水炮,以减少灭火人员暴露于火灾危险区中的危险性,并能有效保证喷射水流到达暴露于火灾中的储罐表面。4结论从液化石油气储罐在火灾作用下的热响应规律可以看出,储罐不采取任何保护措施时,储罐内部的压力和储罐壁温度会迅速升高,储罐会在短时间内发生爆炸,而采用水喷淋和隔