于 闖 韓志遠(yuǎn) 謝國(guó)山

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控） 北京 101300）

石化裝置在生產(chǎn)流程中包含一些危險(xiǎn)介質(zhì)，其中易燃介質(zhì)在隔離失敗的情況下會(huì)泄漏引發(fā)火災(zāi)，應(yīng)用安全屏障可達(dá)到對(duì)事故傷害后果減緩的目的。目前國(guó)內(nèi)GB／T 26610.5—2014《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第5部分：失效后果定量分析方法》考慮了安全屏障對(duì)后果的影響，給出了半定量的計(jì)算方法，然而這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮安全屏障的具體參量，也無(wú)法定量計(jì)算后果的實(shí)際減少面積[1]。而對(duì)安全屏障進(jìn)行定量評(píng)估能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)石化承壓設(shè)備進(jìn)行后果和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及對(duì)安全屏障的作用進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行石化裝置火災(zāi)的相關(guān)研究[2-3]。管佳林等人對(duì)油罐區(qū)火災(zāi)事故進(jìn)行了數(shù)值模擬，并計(jì)算熱輻射閾值得到人員安全距離[4]。王海燕等人通過(guò)數(shù)值模擬的方法得到熱輻射通量與距離的關(guān)系曲線[5]。前人的研究說(shuō)明通過(guò)數(shù)值模擬的方法可以得到熱輻射和安全距離的定量關(guān)系，通過(guò)安全距離能夠?qū)θ藛T傷害后果面積進(jìn)行定量評(píng)估。為定量評(píng)估池火災(zāi)對(duì)人身安全的失效后果的影響面積，本文針對(duì)承壓設(shè)備失效的池火災(zāi)場(chǎng)景，探究了基于所設(shè)置圍堰的關(guān)鍵參量，得到了盛裝危險(xiǎn)介質(zhì)的壓力容器池火災(zāi)后果面積修正計(jì)算的方法。

1 池火計(jì)算方法

1.1 池火災(zāi)傷害后果計(jì)算理論模型

彭新平等人對(duì)比了2種池火災(zāi)傷害后果計(jì)算理論模型，發(fā)現(xiàn)其中的池火災(zāi)后果計(jì)算理論模型結(jié)果相對(duì)完整，更適合在石化裝置事故后果計(jì)算中使用[6-7]。池火災(zāi)后果計(jì)算理論模型如下：

1）根據(jù)燃燒速度計(jì)算火焰高度，見(jiàn)式（1）和式（2）：

式中：

S ——液池的面積，m2；

r ——池火災(zāi)的當(dāng)量半徑，m。

式中：

h ——火焰高度，m；

ρ0——空氣密度，取 1.293 kg／m3；

g ——重力加速度，取9.8 m／s2；

dm／dt ——單位面積的質(zhì)量燃燒速度，kg／（m2·s)，根據(jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)推薦值取0.14。

2）總熱輻射通量計(jì)算，見(jiàn)式（3）：

式中：

Q ——總熱輻射通量，kW；

η ——效率因子，可取0.13～0.35，取最大值0.35計(jì)算；

Hc——液體燃燒熱，kJ／kg，甲烷液體燃燒熱為55 600 kJ／kg。

3）池火災(zāi)人員安全距離計(jì)算，見(jiàn)式（4）：

式中：

I ——熱輻射強(qiáng)度，kW／m2，人員傷害閾值按照標(biāo)準(zhǔn)[8-9]取12.5 kW／m2；

tc——熱傳導(dǎo)系數(shù)，取1；

l ——池火災(zāi)人員安全距離，m。

4）人員傷害后果面積計(jì)算，見(jiàn)式（5）：

式中：

A ——人員傷害后果面積，m2；

Φ ——人員傷害后果面積修正系數(shù)。

1.2 池火災(zāi)CFD建模

本文應(yīng)用Flacs軟件對(duì)池火災(zāi)進(jìn)行模擬計(jì)算，大多數(shù)火災(zāi)場(chǎng)景涉及的是非預(yù)混或擴(kuò)散火焰，本文選擇Flacs軟件非耦合池火模型進(jìn)行火災(zāi)的數(shù)值模擬，非耦合池火模型主要有池大小以及燃燒速率2個(gè)影響因素，通常使用面積泄漏建模來(lái)模擬非耦合池火模型的蒸發(fā)速率，池大小根據(jù)圍堰面積確定，燃燒速率根據(jù)Flacs軟件中經(jīng)驗(yàn)值選定。

池火災(zāi)場(chǎng)景模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量3 198 720，網(wǎng)格最大尺寸16.1 m×11.5 m×3.6 m，對(duì)核心計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理最小尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m，并與其他區(qū)域平滑過(guò)渡，最大增長(zhǎng)系數(shù)1.1。

圖1 池火災(zāi)場(chǎng)景建模網(wǎng)格劃分

模擬場(chǎng)景為球罐介質(zhì)泄漏的池火災(zāi)，燃燒介質(zhì)為甲烷，泄漏面積與圍堰面積相同，觀測(cè)點(diǎn)變量為熱輻射通量，當(dāng)熱輻射面積趨于穩(wěn)定時(shí)停止計(jì)算，其余具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 池火災(zāi)模擬參數(shù)設(shè)置

2 池火火災(zāi)模擬

如圖2所示，模擬了無(wú)圍堰時(shí)池火災(zāi)后果面積并與理論模型計(jì)算后果面積的值進(jìn)行對(duì)比，模擬了液池面積為9 m、16 m、36 m時(shí)的池火災(zāi)，2種方法計(jì)算的后果面積趨勢(shì)相同，而數(shù)值模擬計(jì)算的后果面積與理論模型計(jì)算的后果面積相差最大為17%。這是由于理論計(jì)算模型在考慮火焰模型時(shí)將火焰形狀理想化為圓柱體，通過(guò)火焰表面發(fā)射輻射，而在Flacs軟件中更接近于火焰的真實(shí)形狀，并假設(shè)輻射為火焰長(zhǎng)度方向的多個(gè)輻射源向四周發(fā)射，這導(dǎo)致了理論計(jì)算模型的輻射源更多，熱輻射傳播的面積更大；另一方面在Flacs軟件中考慮環(huán)境溫度、壓力以及煙氣吸收對(duì)熱輻射傳播帶來(lái)的影響，而在理論模型計(jì)算后果面積時(shí)效率因子取最大值0.35，也同樣會(huì)造成2種方法的結(jié)果存在差別。

圖2 無(wú)圍堰池火災(zāi)后果面積與理論模型后果面積對(duì)比

圖3 是圍堰高度為1.2 m且面積分別為100 m2、225 m2、400 m2、625 m2和900 m2的池火所造成的熱輻射面積的云圖，并根據(jù)熱輻射對(duì)人員的傷害等級(jí)對(duì)云圖進(jìn)行等級(jí)劃分[9]，其中x軸負(fù)方向?yàn)樯巷L(fēng)向，x軸正方向?yàn)橄嘛L(fēng)向?？梢钥闯觯和粺彷椛涞燃?jí)的情況下，隨著圍堰面積的增加，池火災(zāi)后果面積也隨之增加；并且距火焰中心相同距離的位置，下風(fēng)向熱輻射值大于上風(fēng)向熱輻射值。

圖3 不同圍堰面積的池火熱輻射云圖

圖4 為池火災(zāi)傷害后果計(jì)算模型和數(shù)值模擬計(jì)算的人員傷害后果面積與液池面積進(jìn)行線性擬合得到的關(guān)系曲線。可以看出：在圍堰能全部處理介質(zhì)泄漏量的情況下，隨著液池面積的增加，池火所造成的人員傷害后果面積也會(huì)逐漸增加；并且在液池面積相同時(shí)，池火災(zāi)傷害后果計(jì)算模型得到的后果面積均大于數(shù)值模擬計(jì)算的人員傷害后果面積。

圖4 人員傷害后果面積與液池面積關(guān)系曲線

由于池火災(zāi)傷害后果理論計(jì)算模型未考慮圍堰的情況，因此用CFD數(shù)值模擬的有圍堰的池火災(zāi)人員傷害后果面積曲線對(duì)池火災(zāi)傷害后果計(jì)算模型計(jì)算的人員傷害后果面積曲線進(jìn)行運(yùn)算后擬合，得到修正系數(shù)曲線如圖5所示，擬合系數(shù)為0.999 97，擬合結(jié)果較好，修正系數(shù)曲線見(jiàn)式（6）。在本文的研究范圍之內(nèi)，對(duì)有圍堰的情況下進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算人員傷害后果面積時(shí)，可以應(yīng)用修正后的池火災(zāi)傷害后果計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。

圖5 池火災(zāi)人員后果面積修正系數(shù)曲線

3 結(jié)論

本文研究了基于不同圍堰面積的池火災(zāi)后果面積，在圍堰能全部處理介質(zhì)泄漏量的情況下，隨著圍堰面積的增加，池火所造成的人員傷害后果面積也會(huì)逐漸增加。

對(duì)比了池火災(zāi)傷害后果計(jì)算理論模型與Flacs軟件數(shù)值模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在液池面積相同時(shí)，理論計(jì)算模型計(jì)算的后果面積均大于數(shù)值模擬的有圍堰時(shí)造成的人員傷害后果面積。

本文將池火災(zāi)傷害后果計(jì)算模型計(jì)算的人員傷害后果面積曲線和Flacs軟件數(shù)值模擬的人員傷害后果面積曲線運(yùn)算后進(jìn)行線性擬合，得到了修正系數(shù)曲線，修正系數(shù)有助于對(duì)池火災(zāi)快速進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)人員傷害后果面積進(jìn)行定量計(jì)算。