池火灾模型对汽油罐区火灾事故危险性的分析

池火灾模型对汽油罐区火灾事故危险性的分析摘 要：运用“池火灾伤害模型”分析汽油罐区发生火灾事故的危险性，计算其火灾事故影响范围和程度，预测火灾事故严重度，并得出结论。分析结果可评价罐区火灾事故后果的影响，达到重视罐区安全生产的目的，也可为汽油罐区的安全管理和应急管理提供可靠的依据。关键词：池火灾伤害模型；汽油罐区；危险性分析；火灾事故从石油化工企业的事故类型分析来看，泄漏和火灾爆炸事故是石化企业安全防范的重点1。汽油罐区发生池火灾，是由于可燃液体( 汽油) 泄漏到地面，遇到点火源形成的火灾。由于其氧气供应充足，所以燃烧比较完全。池火灾产生的火焰能够向周围发出热辐射，使附近的人员受到伤害，附近的建筑物遭受到破坏，并且可引燃周围 的可燃物。运用“池火灾伤害模型”分析热辐射对人员的伤害、财产破坏程度来估算汽油罐区火灾事故后果的严重度，达到减轻罐区火灾事故影响程度和提高罐区火灾事故应急反应能力的目的。通过分析，可为已知汽油罐区确定安全距离和确定储罐的额定储量提供依据，也可为罐区的安全管理和应急管理提供可靠的依据。1 汽油罐区基本情况该罐区位于辽阳市某厂区，是公司 9个重点 油罐区中生产要害部位之一。车间共分六大属地管理责任区，即燃料油装置区、轻油装置区、石脑油装置区、轻烃装置区、液化石油气站台区、办公区。汽油罐区由 4 座汽油储罐组成，其规格为每座5000 m3，直径22.8 m。 选定汽油罐区中汽油储罐为分析对象，4个储罐总容量为2万 m3。有效容积 = 20 000 m3 85% =17 000 m3，有效储存量 W = 0. 725 t/m3 17000 =12325 t。根据危险化学品重大危险源辨识标准2(GB 182182009)，临界量为200 t，已超过临界值，属于重大危险源。2 汽油罐区火灾事故危险性分析2. 1 池火灾模型3池火是指可燃液体( 如汽油、柴油等) 泄漏后流到地面形成液池或流到水面并覆盖水面，遇到火源燃烧而形成的火灾。汽油罐区火灾的常见原因是油罐过载和雷电。汽油属中闪点液体，其罐区发生池火灾一般可用泡沫、二氧化碳、干粉、砂土灭火。影响池火灾事故严重度预测结果的关键参数4-6有：池面积、燃料燃烧速度、燃烧热、燃烧效率、池火火焰高度、人员伤害和财产破坏的临界热通量、池火周围人员密度和财产密度等，其关键参数、影响范围和危害程度计算如下。2. 1. 1 池面积被分析的汽油罐区防火堤长110 m，宽74 m，高1.3 m。由于受到外界影响，罐区内储罐发生变形或破裂，或操作工人操作失误等原因，可使储罐内汽油泄漏，并沿着地面流淌，一直流到防火堤边，形成液池，如遇明火等热源，液池内汽油将燃烧，形成池火灾。 根据油罐区防火堤面积：S =110 74 =8140 m2 折算成圆直径： = =101.8m2. 1. 2 燃烧速度当液池中可燃液体的沸点高于周围环境温度时，液体表面单位面积的燃烧速度为：式中：单位表面积燃烧速度，kg/ ( m2s) ；HC液体燃烧热，J/kg；cp液体的比定压热容，J/kgK；Tb液体的沸点，K；To环境温度，K；H液体的气化热，J/kg。当液体的沸点低于环境温度时，如加压液化气或冷冻液化气，其单位面积的燃烧速度为： =式中符号意义同前。 燃烧速度也可以从手册中直接得到。由手册查得汽油的燃烧速度为0.0225 kg/( m2s) 。 2. 1. 3 火焰高度 设液池为一半径为 r 的圆池子，其火焰高度可按下式计算：式中：h火焰高度，m；R液池半径，m；周围空气密度，计算取值 1. 293 kg/ m3( 标准大气压条件) ；G重力加速度，9.8 m/s2；燃烧速度，kg/( m2s) 。 已知形成液池半径为50.9 m，汽油的燃烧速度为0.022 5 kg/( m2s) ，则汽油燃烧的火焰高度为： 2. 1. 4 热辐射通量当液池燃烧时放出的总热辐射通量为：式中：Q总热辐射通量，W；效率因子，可取0. 130. 35，计算取平均值0. 24。 其余符号意义同前。 已知液池的半径 r = 50. 9 m，汽油的燃烧热 Hc =43.7 106J，火焰高度 =47.03m，燃烧速度=0.0225 kg/( m2s) ，效率因子 =0.24， 则汽油罐发生池火灾时产生的热辐射通量为：2. 1. 5 目标入射热辐射强度 假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离( x) 处的入射热辐射强度为： 式中：I热辐射强度，W/m2；Q总热辐射通量，W；tc热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为1；x目标点到液池中心距离，m。 已知总热辐射通量 Q = 6. 51 105 kW，热传 导系数 tc =1。上式可简化为：从目标入射热辐射强度公式可以看出，热辐射强度与受害目标到液池中心距离的平方成反比。 2. 2 热辐射危害2. 2. 1 热辐射对人员的伤害 热辐射对人员的伤害主要取决于辐射强度q和持续时间t。在 Buettner 提供的经验公式基础上，Pietersen推导了热辐射对人员的伤害程度和 死亡及烧伤几率。 死亡： 二度灼伤：一度灼伤：式中：q人体接收到的热通量，W/m2；t人体暴露于热辐射的时间，s；伤害几率单位。 当= 5 时，对应的人员伤害百分数 P = 50%。暴露时间考虑发生火灾时的人员疏散、撤离时间等因素，按 t = 10，30，60，90，120 s 五种情况考虑。 对于持续时间比较长的稳态火灾，当 t =10 s 时：死亡热通量= 42.1 kw/m2，二度灼伤热通量 = 26.85 kW/m2，一度灼伤热通量= 12.7 kW/m2。 同理，其它情况下伤害时热通量计算值见表 1。表 1 稳态火灾作用下的伤害准则伤害效应热通量/（kwm-3）t=10st=30st=60st=90st=120s死亡42.118.4710.988.16.53二度灼伤（重伤）26.8511.787.275.174.32一度灼伤（轻伤）12.75.563.192.441.98从表 1 可以看出，暴露时间不同，热辐射对人员的伤害程度也不同。热辐射对人员的伤害 ( 轻伤、重伤、死亡) 需要一定的时间，这时人员可以充分利用宝贵的时间，采取有效的现场应急处置措施，避免造成更严重的伤害。 2. 2. 2 热辐射对建筑物的影响 热辐射对建筑物的破坏，取决于作用时间长短，即火灾的持续时间。火灾的持续时间又与可燃物量的多少有关。火灾持续时间： ；式中：W可燃烧物质量；单位时间燃烧的可燃的质量，kg/s；S池面积，m2；燃烧速度，kg/m2s。 经计算：可燃烧物质量 W =12325 t，燃烧速度 = 0.022 5 kg/( m2 s) ，池面积 S = 8140 m2。则火灾持续时间为：=6. 73 104 s 热辐射对建筑物的破坏所需要的热通量：当 t =6.73 104 s 时，q =25400 W/m2 从上式可知，当热辐射作用时间趋于无穷大时，临界热通量趋于25400 W/m2。 2. 3 伤害/破坏半径 根据已计算出的对人伤害的热通量，也就是在入射通量一定的情况下，可以计算出目标受伤 害距离，即：在暴露时间 t =10s 时：当入射通量I = 42.1 kW/m2 时，死亡半径；当入射通量 I =26. 85 kW/m2 时， 二度灼伤( 重伤) 半径；当入射通量 I =12.7 kW/m2 时， 一度灼伤( 轻伤) 半径。 同理，其它情况下所计算出的目标伤害/破坏距离( 半径) 见表 2。表 2 池火灾目标伤害/破坏距离( 半径) m伤害效应伤害/破坏距离（r）t=10st=30st=60st=90st=120s死亡12.128.147.26479.4二度灼伤（重伤）19.34471.3100.3120一度灼伤（轻伤）40.893.2162.5261.81.98当目标伤害/破坏半径r= 50.9 m时，在燃烧池内可能存在的伤害条件是燃烧，而不是热辐射伤害。 从表2可以看出，暴露时间不同，伤害/破坏半径也不同。在汽油罐区南侧90m处有泵房、操作室、加剂间、计量室等，在发生火灾时如人员不能及时疏散和撤离，将可能受到不同程度的伤害，罐区附近建、构筑物、设备设施等会受到不同程度的破坏。车间办公区位于汽油罐区西侧200多米处，发生火灾时如人员暴露时间较短，其位置大于安全距离，人员不会受到伤害；当暴露时间较长，其伤害半径增大，办公区内人员将可能受到轻度伤害。3 事故严重度预测事故严重度用符号S表示，反映发生事故造 成的经济损失大小。它包括人员伤害和财产损失 两个方面，并把人的伤害( 暴露时间 60 s 计) 折算成财产损失( 万元)。用下式表示总损失值：式中：C财产破坏价值，万元；N1，N2，N3事故中人员死亡、重伤、轻伤人数。 汽油罐区固定资产价值1280万元，其折算价值计算为：更换价值=12800. 82 =1049.6万元。 上式中的系数(0.82)是考虑到火灾事故发生后有些成本不会遭受损失或无需更换等费用。按市场价8500元/t 计算，罐内物料价值为10476.25万元。 以上两项合计为：11525.85万元。 则总损失值=11547.95万元。汽油罐区火灾事故严重度计算如表3所示。表 3 汽油罐区火灾事故严重度火灾类型死亡重伤（二度灼伤）轻伤（一度灼伤）半径/m涉及范围暴露人员半径/m涉及范围暴露人员半径/m涉及范围暴露人员池火灾47.2罐区周围无人员71.3计量室、泵房区域约2人162.5计量室、泵房、加剂间、操作室、更衣室等广泛区域约6人4 结论1) 在汽油罐区储量一定的情况下，采用该方法可计算出应该确定的安全距离；同理对位置已确定的油罐即安全距离一定的情况下，采用该方法可计算出汽油罐的额定储量，可为汽油罐的安全管理提供有效的方法。 2) 火焰高度随池半径的增大而增大；伤害/破坏半径随暴露时间的延长而显著增大。 3) 随着池半径的增大，各种破坏半径显著增大。在储罐区建立防护堤，并保持防护堤完好， 防止燃料泄漏后任意蔓延，对于减轻池火灾的危害具有很重要的意义。 4) 热辐射对人的伤害( 轻伤、重伤或死亡) 需要一定的时间，这对于提高现场应急反应和处置能力，加强火灾事故应急预案演练，减少或避免造成更严重的伤害具有很重要的意义。 5) 虽然罐区流程的安全性较好，但发生事故 的可能性较多，预防事故的工作量仍较大。虽然汽油储罐发生火灾事故是极小的概率事件，但一 旦发生火灾事故的后果是严重的，因此在罐区的安全管理、应急管理方面还有大量工作要做。6) 汽油罐区发生火灾事故不仅对人及周围设备、设施产生危害，当蒸气浓度升高时，如达到汽油爆炸浓度极限时，将可能引发爆炸事故。如此则经济损失会更严重，社会影响会更强烈。参考文献：1 王凯全.石油化工流程的危险辨识M沈阳：东北大学出版社，2003：31-35. 2 GB 182182009 危险化学品重大危险源辨识S北京：中国标准出版社，2009：1-53 宇德明.易燃、易爆、有毒危险品储运过程定量风险评价M.北京：中国铁道出版社，2000：64-75. 4 国家安全生产监督管理总局.安全评价(上、下册) M.北京：煤炭工业出版社，2005：559-561. 5 吴宗之，高进东，魏利军.危险评价方法及其应用M.北京：冶金工业出版社，2002：182-183. 6 宇德明，冯长根，曾庆轩，等.热辐射的破坏准则和池火灾的破坏半径J.中国安全科学学报，1996，6( 2)：5-10.CAUSE ANALYSIS ON VIBRATION IN HYDROCRACKING HEATER INLET PIPING AND 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