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苯储存罐区消防安全距离设计理论研究

文档作者：胡婷孙丽董卫军康峰4 文档来源： 1．西南石油大学 2．中国石油集团川庆钻探工程有限公司 3．重庆矿产资源开发有限公司 4．中国石化四川泸州石油分公司		点击数：	更新时间： 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
苯储存罐区消防安全距离设计理论研究
胡 婷 ，孙 丽 ，董卫军 ，康 峰4
(1．西南石油大学，四川成都610500；
2．中国石油集团川庆钻探工程有限公司，四川成都610000；
3．重庆矿产资源开发有限公司，重庆400042；
4．中国石化四川泸州石油分公司，四川泸州646000)
摘要：通过对池火灾热辐射通量三种模型：点源模型、Shokri—Beyler模型和Mudan模型
的研究，分析了池火表面总热辐射能量、表面热辐射通量以及目标接受的热辐射通量，总结
了各种模型的特点和适用条件。以苯储存罐区为例，利用池火危害分析得出的结论，发现选
用Shokri-Beyler模型，计算苯罐区发生泄漏火灾时的池火热辐射通量最为精确，并由此得出消
防系统控制阀和消防炮与被保护对象之间的安全距离，以及消防救援的安全距离。
关键词：苯罐区 池火 消防安全距离 点源模型 Shokri—Beyler模型 Mudan模型 热
辐射通量
随着石化行业的发展，可燃液体储备库越来
越多，可燃液体储罐一旦发生泄漏，很容易形成
池火灾。池火产生的强烈热辐射，不仅对相邻罐
体、建筑及周边群众的安全造成威胁，而且使救
援人员难以靠近。2010年大连石油库输油管线发
生爆炸起火，大火在短时间内迅速蔓延，燃烧面
积多达6万m ⋯。在此次火灾爆炸事故中，油罐
区固定消防设施没有发挥灭火作用，造成了重大
经济损失和严重的环境污染。
目前，国内一些学者对池火灾热辐射通量
计算模型进行了相应的研究，但总体上还存在
一些问题。傅智敏教授曾对国内文献资料中介
绍的“池火计算方法” 提出了质疑，认为其在
量纲、物理意义和模型混淆上存在问题 J，而
在对池火灾热辐射通量的计算上，仍有学者采
用该模型对池火灾热辐射进行分析计算 J。于
是笔者查阅国内外相关文献，对池火灾状态下
热辐射通量的模型进行了研究，旨在通过计算
池火灾热辐射通量，为石油化工企业储存罐区
消防安全距离设计提供理论依据。本文以苯储
存罐区为例，对石油化工企业储存罐区消防安
全距离设计进行研究。
1 苯储罐泄漏火灾特性
1．1 苯的特性
苯为无色透明液体，有强烈芳香味。闪点
一11℃，沸点80．1℃ ，爆炸极限范围为1．2％ ～
8．0％ ，现场毒性大，易造成人员伤亡。人吸人较
高浓度的苯会引起急性中毒。此外，苯发生火灾
时，通常为不完全燃烧，产生一氧化碳、二氧化碳、
碳等有毒有害物质，这些物质都易造成人员伤亡。
1．2 池火灾概念
苯储罐发生泄漏，主要的事故类型是池火
灾。池火灾是指可燃液体泄漏后流到地面形成液
池，或流到水面并覆盖水面，遇到引火源燃烧而
形成池火。池火灾的破坏主要是热辐射，如果热
辐射作用在容器和设备上，尤其是液化气体容器，
其内部压力会迅速升高，引起容器和设备的破裂；
如果热辐射作用于可燃物，会引燃可燃物；如果热
收稿日期：2014—09—02。
作者简介：胡婷，女，西南石油大学油气安全工程专
业在读硕士，主要从事有机液体储存罐区消防设计
研究工作。E—mail：284251551@qq．com
★ 石油化工安全环保技术 ★ 2015年第31卷第3期
辐射作用于人员，会引起人员烧伤甚至死亡。
1．3 池火灾热辐射通量计算模型
分析储罐池火灾的危险性主要是考虑池火灾
热辐射，常用的量化分析池火灾热辐射通量的模
型主要有：点源模型、Shokri—Beyler模型、Mudan
模型 (见表1)。
表1 常用池火灾热辐射通量计算模型
主要参数 点源模型 Shokfi-Beyler模型 Mudan模型
“热辐射通嚣q (kW．m够) - l≥
池火的总辐射能显lQ ／kw或 Ill鬻liQ r l。 -． lIlool3ll llgl)l电ig0■ 『IⅢ0 _ll。 _簿_。簿| |__ 誊。 董蔓
甍面热辐射通量一E／ w m 2) l 娜 - l ¨≯0ll_ ； lf l l?l l尊_÷ ll ll I| 奠 i E_= 竺
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j 漓 m 系数r 0 麝=0 _ 0谚 4 lFl2l- 系数)l ： ^／，砰2H f (葛哺系数)
0-j t ． i 。* ·
注：Q为池火的热释放量，kW；D为池火的直径，m；A为液池的面积，m ；L为被辐射目标物与液池中心的水平距离，in；iil”为
液池单位面积质量燃烧速率，kg·in-2 s～；△H。为燃烧热，kJ·kg_。；P 为环境空气的密度，kg·m_。；g为重力加速度，9．8m·s_ ；
为燃烧效率因子，通常取0．13～0．35；f为大气透射系数，T=1—0．0581nL。
在表1中，点源模型主要运用于被辐射目标
物距离池火焰较远的情况。当L／D>2．5时，使
用点源模型估算出的热辐射通量与实验结果相比
误差为5％ ，当目标接受的热辐射通量小于
5 kW／m 认为得到的结果可用。Shokri—Beyler模
型主要应用于估算目标接受的热辐射通量大于
5 kW／m 的情况。Mudan模型可应用于无风条件
下或有风条件下目标接受的热辐射通量的估算。
对于含有大量黑烟的碳氢化合物池火焰，其表面
的热辐射通量计算式可简化为E=E e 。+E
(1一e )，该模型主要运用于烃类池火灾热辐射
通量的计算。
2 池火的热辐射通量计算分析
为了具体研究池火的危害性，分析池火灾燃
烧产生火焰的热辐射通量，针对具体的池火场景
利用点源模型、Shokri-Beyler模型、Mudan模型
具体分析池火表面总热辐射能量、表面热辐射通
量以及目标接收的热辐射通量，并对比结果，分
析各种模型的特点及其适用性。
2．1 池火特性计算
根据表1所列模型，对苯储罐发生池火灾，
且直径分别为10 in、20 1TI、30 in的池火表面总热
辐射能量和表面热辐射通量进行计算，结果如表
2所示。
表2 池火表面总热辐射能量和表面热辐射通量的
模型化计算
＼ 模型 ＼ 点源模型 Shokfi—
Beyler模型 Mudan模型
池火直径 ／kW ／(kW·Hi ) ／(kW·Hi )
ll_l0 4 lll47 ： 56；I4
ll 2o_ 0 l1I ll_3s _ _ 3辍s9
，D _ 6o l05 l3l2．85 誓 ⋯ 盘3；2
在表2点源模型的计算中可以看出，随着池
火直径的增大，火焰的总辐射能量不断增加，因
为点源模型将池火火焰简化成点源，随着池火直
径的增大，火焰的热辐射总量也逐渐增大。由
Shokri．Beyler模型和Mudan模型可以看出，随着
池火直径的增加，火焰表面热辐射通量在不断减
小，因为这两种模型将池火火焰假设成圆柱形辐
射源，随着池火直径的增大，池火表面面积增
大，火焰表面热辐射通量反而减小。
2．2 池火危害分析
储罐池火灾的危险性主要是热辐射对被辐射
目标的伤害。为了直观地分析池火直径和目标接
受到的热辐射通量与目标到液池中心距离的关
系，对池火直径分别为10 In、20 ITI、30 In的池火
灾目标接受到的热辐射通量与目标到液池中心的
距离进行对比分析，如图1～图3所示。
2015年第3l卷第3期 ★ 胡婷等．苯储存罐区消防安全距离设计理论研究★
5
O
5 1O 15 2O 25 3O 35 40
距液池中心的距离／m
液池直径为10 1il时目标接受的热辐射通量
结果不够精确；Shokfi．Beyler模型和Mudan模型
计算的结果为，随着池火直径的增大和目标离液
池中心距离的增大，目标接受的热辐射通量逐渐
减小，且随着池火直径的增大，Mudan模型较
Shokfi．Beyler模型得出的结果更为保守。
从选择三种模型计算目标接受的热辐射通量
可以看出：当目标离火焰距离较近时，点火源模
型结果不够精确，而Mudan模型较Shokfi—Beyler
模型更为保守。所以在进行苯罐区消防设计时，
优先选用Shokfi—Beyler模型对苯罐区进行消防设
计理论研究。
3 苯罐区消防设施设计
3．1 苯罐区池火场景的假设
以总储存能力12 000 m。苯罐区为例，假设
某公司罐区长73 m，宽52 m，防火堤高1．2 m，
罐区内有6个2 000 m 储罐，罐直径为15 m，总
高16 m。罐区结构及储罐分布如图4所示。
10 l5 2O 25 30 35 4O 45
距液池中心的距离，m 52 m
液池直径为20 nl时目标接受的热辐射通量
15 20 25 30 35 g0 45 5O
距液池中心的距离／m
图3 液池直径为30 Il时目标接受的热辐射通量
从图中可以看出，用点源模型计算的结果
是：随着池火直径的增大，目标接受的热辐射通
量逐渐增大；随着目标离液池中心距离的增大，
目标接受的热辐射通量先有微量增加再逐渐减
小，因为当目标离火焰较近时，点火源模型计算
73 m
图4 苯罐区结构及储罐分布示意
3．2 消防系统控制阀和消防炮与被保护对象的
距离
当储罐泄漏发生池火灾时，产生的强烈热辐
射会对消防系统控制阀和消防炮产生严重的破
坏，因此通过计算苯罐区池火灾热辐射通量，可
以得出消防系统控制阀和消防炮与被保护对象之间
的距离。由表3可知，消防系统控制阀和消防炮可
接受的热辐射通量的安全临界量为37．5 kW／m 。
假设1号苯储罐泄漏到隔堤发生池火灾，池
火灾的当量直径为29．35 m，距池火中心距离L=
15 m，选用Shokn．Beyler模型计算的热辐射通量
计算结果为21．74 kW／m 。因此，当1号苯罐泄
漏发生隔堤内池火灾，在距池火中心15 m的地
如 加 m 0 ¨
一 目． 一＼删 霰g 蜷皿 图
加 ：2 m O 2
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★ 石油化工安全环保技术 ★ 2015年第31卷第3期
方，池火产生的热辐射不会对消防系统控制阀和
消防炮产生影响，符合《石油化工企业设计防火
规范》(GB 50160-2008)规定的消防系统控制阀
和消防水炮距被保护对象不宜小于15 m的要求。
表3 热辐射的不同入射通量所造成的伤害、损失程度
入射通量／
(kW·m-2) 对设备的损坏 对人的伤害
37 ． 5 蠢 撵作设备全部损坏 誓 ； l％死t：／l ll
_ j 在无2 火焰嚣长时间辐射时 重大损移 lo 警
． ．
5．
一
0
强 ¨Ⅲ j 烧的最小能量 一 lO瓣死 = 辣羹
l2 有火焰时，木材燃烧塑料 _度 鲫 l0 蘸。
．5 熔化的最低能量
． 1％ 死t l Ini
4．0 0 — 鼍一 20 ls以上感觉疼痛
1．6 。_ _ jj ⋯ 长期辑射无不舒服j
3．3 消防救援安全距离
天津理工大学和天津市消防总队苑静曾计算
出储罐火灾中灭火救援一线消防官兵可接受的热
辐射通量的安全临界量为l7．8 kw·m～。_8 因此，
在运用Shokri．Beyler模型计算热辐射通量时，将
目标接受到的热辐射通量值定为17．8 kW·m～，
来计算从池火中心到接受辐射的目标之间的距
离，即为消防救援的安全距离，计算结果为
17．3 m。因此1号储罐泄漏，液池的当量直径为
29．35 m，1号隔堤的实际长宽均为26 m，即消防
救援人员与防火堤的距离为17．3—26／2=4．3 m。
4 结论
通过分析三种热辐射通量计算模型，得出点
源模型在目标离火焰距离较近时，结果不够精
确。而Mudan模型计算结果较Shokri—Beyler模型
更为保守，所以在进行苯罐区消防设计时，优先
选用Shokri—Beyler模型对苯罐区进行消防安全距
离设计理论研究。
利用Shokri．Beyler模型计算苯罐区池火灾热
辐射通量情况，计算消防系统控制阀和消防炮距
被保护对象之间的距离，以及消防救援的安全距
离，为苯罐区的消防安全距离设计及消防救援提
供了理论依据。
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