摘 要：针对有风时大型原油储罐火灾安全问题，以密封圈火灾着火油罐作为研究对象，采用编程软件对着火油罐的辐射区域进行模拟计算，进而确定储罐间的安全距离。研究结果表明，风速一定时，辐射热量随着距火焰的距离增加而降低；同一着火油罐，热辐射情况随着风速的加大而加剧；风速为4 m/s时，相邻油罐间的安全距离为31.2 m。
关 键 词：热辐射；原油储罐；密封圈火灾；安全距离
油库安全问题是整个石油石化行业安全问题的重中之重，而罐区的火灾防护工作有是油库安全工作的重心。 在我国大型原油储罐主要以10×104m3以上的浮顶油罐为主，并且随着各国对石油储备量的不断加大，大型原油储罐已成为石油储罐发展行业的大趋势，但油罐罐量的增加必然伴随着油罐风险性的增大。据资料显示[1]，从20世纪60年代到90年代的几十年间，油罐火灾数量由年均不足3起上升到年均量超过16起，其中所占比重较大的是20×104m3以上的油罐，并且引发临近油罐火灾发生的数量也呈逐年上升的趋势。大型油罐火灾主要以雷击而产生的密封圈火灾的形式。火灾发生后，如何避免着火油罐对临近油罐的热辐射导致临近油罐火灾，发生连锁反应，可以通过油罐间的防火安全距离得到有效的控制。
诸多学者对储罐火灾的辐射热分布及储罐间安全距离的确定进行了大量的研究。杨国梁[1[2]应用SAFETI软件，研究了着火油罐在风速的影响下对临近油罐的热辐射分布情况；朱建华等[3]对油品地面池火灾和储罐池火灾对周围热辐射的分布不同进行了论证对比；种秀华等[4]通过对风速及风向两个因素对池火灾辐射分布的影响进行了探讨与分析；李丽霞[5]通过对苯池火灾在有风条件下的热辐射研究，得到两油罐间最小安全防火间距；魏欣等[6]对油罐池火灾的连锁效应进行了研究，提出预防连锁效应发生的预防措施；孙标[7]研究了两种不同火焰模型及风速、温度等其他因素对池火灾热辐射安全距离的影响。基于此，为方便计算，密封圈火灾简化为为当量圆柱形池火灾模型。考虑到风速的影响，采用池火灾斜圆柱模型。由此分析，不同风速条件下着火油罐的辐射热分布情况，进而确定油罐间的安全防火距离。
1 模型的选取及计算
1.1 基本模型的建立
大型油罐火灾主要以密封圈火灾为主，而密封圈火灾为方便计算需等效成相应的池火灾进行模拟计算。考虑到油罐的自身高度问题，将池火灾分为地面池火灾和储罐池火灾。密封圈火灾的并没有使整个罐体燃烧，因此属于储罐池火灾范畴。池火灾的火焰实际上接近圆柱体，在有风的情况下，火焰发生倾斜，可以看做是一个倾斜的圆柱。如图1所示，下面圆柱为着火油罐，上面的斜圆柱为火焰。
图1 储罐池火灾模型
Fig.1 The model of storage tank’s pool fire
1.2 模型的计算
（1）油品燃烧速率
当油品沸点高于环境温度时，可选用公式（1）[8]进行计算：
当油品沸点低于环境温度时，可选用公式（2）进行计算：
式中:
mf——油品燃烧速率，kg/(m2·s)；
c ——常数，0.001 kg/(m2·s)；
Hc——油品的燃烧热，J/kg；
Hv——油品在常压沸点下的蒸发热，J/kg；
cp——油品的比定压热容，J/(kg·K)；
Ta ——环境温度，K；
Tb——油品的沸点，K。
（2）火焰高度
在有风的条件下，计算火焰的平均高度，选用Thomas[9]在木垛实验的基础上推导出的经验公式。其计算公式为：
式中:
H ——火焰高度，m；
D ——池火直径，m；
ρa——空气密度，kg/m3；
g ——重力加速度，9.81 m/s2；
u ——10 m高处风速，m/s；
uc——特征风速，m/s。
（3）火焰倾角
采用美国气体协会提出的火焰倾斜角θ的关系式[10]，即：
（4）热辐射通量
在计算池火表面的辐射热量时，假设油品燃烧的所释放的热量是从圆柱形火焰的四周和上部均匀向外部辐射的，由此可选用公式1-5[10]计算火焰表面辐射热量，即：
式中:
E ——火焰表面的辐射热量，W/m2；
f ——热辐射系数，取值范围是0.13～0.35。
（5）接收点的热辐射通量
针对圆柱形火焰的池火灾，在距离其火焰中心R处，物体所接收到的辐射热量，可用以下公式进行计算[9]：
式中:
q ——接收点出的辐射热量，W/m2；
V ——视角系数；
τ ——大气透射率。
其中视角系数 的计算公式如下[9]：
其中:VV及Vh分别是接收点物体垂直及水平方向上的视角系数，且均是关于D、L、θ、X间的函数，其表达式如下：
式中：X ——距离火焰中心的距离，m。
而公式(8)[10]中 为大气透射率，可选用下式进行计算：
2 模拟计算及讨论
选取十万立浮顶原油储罐为模拟对象，采用编程软件计算模拟着火油罐的辐射分布情况，进而确定两油罐间的安全距离。其中编程所需的相关参数为：原油的燃烧热49 500 kJ/kg，蒸发热400 kJ/kg，比热容1.7 kJ/(kg·K)，沸点温度393 K，环境温度300 K，空气密度1.259 kg/m3。
当风速取4 m/s时，在火焰倾斜方向上，由模拟计算可以得到距着火油罐不同距离下的辐射热量，经拟合软件拟合成如图2所示的拟合曲线。
图2 风速为4 m/s时的辐射热分布情况
Fig.2 The distribution of thermal radiation under speed wind of 4m/s
由图2可以看出，在同一风速的条件下，距着火油罐的距离越远，火焰所辐射的热量就越低。距着火油罐的范围在0～50 m之间时，随着距离的增加，辐射热量大幅度降低；在50～100 m之间，辐射热量降低减慢；而在100 m之后，接受点的辐射热量几乎不变。
油罐火灾安全距离的影响因素有很多，风速对有关安全距离的计算起着至关重要的作用。因此对同一着火油罐分别取风速为4、3及1.5 m/s时进行模拟，图3给出了不同风速下，在火焰倾角方向上，伴随距火焰距离的改变，火焰热辐射强度的分布曲线状况。
图3 不同风速下辐射热分布情况
Fig.3 The distribution of thermal radiation under different speed winds
由图3可以看出，不同风速对着火油罐的热辐射分布的影响不同。图中三条曲线分别代表风速为4、3及1.5 m/s时在距火焰相同距离的情况下，风速越大在火焰倾角方向上，同一接收点处的辐射热量越高。
大型油罐一般以四个储罐为一个罐组，其中着火油罐设为1号油罐，在其垂直和水平方向上的相邻油罐分别设为2号和3号油罐。在着火油罐对角线方向上的油罐设为4号油罐。其分布图如图4所示。
图4 储罐区布置图
Fig.4 The distribution map of tank filed
风速对油罐安全距离的影响较大，因此选取较为恶劣的情况作为来进行研究。根据前人的研究成果，在油罐接受的辐射热量达到12.5 kW/m2时，就会使设备出现损坏。模拟计算可得，取风速为4 m/s，当风正面吹向4号油罐并且保证其辐射热量不超过12.5 kW/m2时，着火油罐距4号储油罐的安全距离为42.5 m，由此得到距2号和3号油罐的安全距离为31.2 m。为当风向直接吹向2号或3号油罐时，会增加储罐区的占地面积，结合实际投资经费和土地资源问题，此种情况不予以考虑。
3 结 论
密封圈火灾在大型原油储罐火灾中占相当大的比重，同时在火灾发生后，临近油罐的安全问题成为首要问题。因此储罐间安全距离的确定对油库安全具有相当重大的意义。由上述研究可得到以下三点：
（1）在风速一定的情况下，距离着火油罐的距离越远辐射热量就越低；
（2）在距离火焰同一距离处，不同风速情况下，辐射热量分布不同。风速越大，同一接受点处的辐射热强度就越大；
（3）在风速为4 m/s时，着火油罐与垂直或水平方向上油罐间的安全距离为31.2 m，与对角线上油罐的安全距离为42.5 m。
