池火灾模型在安全评价中应用的研究解析

第22卷第4期2007年12月灾害学JOURNALOFCATASTROPHOLOGYVol122No14Dec12007池火灾模型在安全评价中应用的研究3徐志胜,吴振营,何佳(中南大学防灾科学与安全技术研究所,湖南长沙410075摘要:随着我国对燃油需求的不断增加,城市中出现了大量的燃油储灌。这些储罐一旦发生泄漏事故,很有可能引发火灾,给临近的工作人员和居民的生命财产安全造成严重的威胁。因此,要对这些储罐进行安全评价———根据储量和四周环境预测出池火灾面积的大小及伤害范围,以此为依据判断储灌的安全等级,的管理。将安全疏散的原理应用于危险源的安全评价当中,、关键词:池火灾;热辐射通量;安全疏散;安全评价中图分类号:X932文献标识码:A文章编号(04-0引言在一些石油化工厂和油库等燃油存储量较大的单位,往往建有油罐区。这些储油罐可能由于设备老化、意外撞击、管理操作不当、油罐过载、雷电等原因发生泄漏事故。泄漏出来的燃油在油罐周围形成油池,这种情况是相当危险的。首先,燃油由于日晒作用大量蒸发,这样在油池附近形成蒸汽云,这不但影响危害区作业人员及周围人群的身体健康,而且蒸汽云到达一定浓度时,遇明火就会发生蒸汽云爆炸;其次,如果油池遇到明火就会发生池火灾,这种火灾虽然大部分发生在室外,但是会发出强烈的热辐射,并且可以引燃周围的可燃物,造成极大的人员伤亡和财产损失。例如:2001年,沈阳的大龙洋油库发生池火灾,烧毁汽油罐8个,造成近亿元的财产损失。1989年,青岛黄岛油库的原油储罐群因雷击发生爆炸起火,这场事故造成5个储灌报废,4万t原油起火燃烧,损失1401万元,19人死亡,74人受伤[1]。1池火灾伤害模型的选取111池火灾的性质和特点池火灾是指以可燃液体易熔可燃固体为燃料的火灾。常见的池火灾有油罐火灾、油井火灾和可燃液体或低熔点可燃固体泄漏到地面或者水面遇到点火源形成的火灾。形成池火灾的液体可以是高闪点的,也可以是低闪点的;既可以是溶于水,也可以是不溶于水。高闪点液体的池火灾一般可以用水扑灭,低闪点液体的池火灾需要用泡沫或者干粉灭火器扑灭。大多数池火灾都是发生在室外,由于氧气供应充足,燃烧比较完全,产生的有毒、有害烟气也容易消散掉,从这个角度来看,室外池火灾的伤害力比室内火灾要小。但是,池火灾产生的火焰能够向四周发出强烈的热辐射,强度要比室内火灾大得多。因此,火焰产生的热辐射是室外池火灾的主要危害[2,3]。112池火灾计算模型的应用目前池火灾的计算模型可分为两类:场模型和半经验模型。其中,场模型又叫计算流体力学模型、CFD模型,运用计算流体力学中的Navie-Stokes方程控制的流体流动,同时结合描述火灾中化学及物理过程的分模型,预测火灾的特性。场模型的优点在于提供比半经验模型更精密灵活的系统来解决燃烧问题。因此,一旦确定典型池火灾的外形数据,结果能够达到更高的置信度,但是,使用场模型的缺点在于需要专业人员且工作量大。半经验模型通过无因次关系描述池火灾的几何和辐射特点,半经验模型中的关系式由大量的实验数据得出,如果应用没有3收稿日期:2007-04-18基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2001BA803B04作者简介:徐志胜(19622,男,山东安丘人,教授,博士生导师,长期从事土木工程防灾减灾、建筑火灾科学和铁路运输安全研究工作.E2mail:Xuzhesh82@1631com超过有效范围,可以得到合理的预测[1]。半经验模型由于相对简便,更多地使用在风险评估领域中。在本文中,主要通过半经验模型进行分析。11211目标热通量的计算过程计算目标热通量是整个计算模型的关键[2]。在对一个危险源进行池火灾安全评价时,主要是以目标热通量判断准则计算人员的死亡半径、重伤半径、轻伤半径以及财产损失半径。影响目标热通量的因素很多,主要有泄漏量、现场地形、火焰高度、目标到火焰中心的距离等等,所以计算过程比较复杂。首先,要确定火灾池的面积。这是由现场的地形决定的,泄漏燃油如果没有受到阻挡,将向四周流淌、扩展,,的面积可由式(1求得阻挡,,范围的液池,。S=Hmin×ρ,(1式中:S为火灾池的最大可能面积(m2;W为泄漏可燃液体的质量(kg;ρ为液体的密度(kg/m3;Hmin为最小油层厚度(m,它的取值和地面性质有关(表1。表1不同地面性质的油层厚度表地面性质Hmin(m草地01020粗糙地面01025平整地面01010混凝土地面01005平静的水面010018然后,根据火灾池的面积和经验公式(3计算火焰高度。在计算火焰高度时,需要知道火灾池的直径,可以把形状不规则的火灾池等效成为圆形火灾池,这样可以得到火灾池的等效直径(D:D=,(2L=42Dmρ0gD]0161,(3式中:D为火灾池的等效直径(m;L为火焰高度(m;mf为燃油的燃烧速率(kg/m2×s,ρ0为空气密度(kg/m3;g为引力常数(取g=918m/s2。接下来,根据经验公式(4计算火焰表面热通量。假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向四周均匀辐射,这样便可以得到火焰表面的热通量。q0=0125πD2(ΔHcmff0125πD2+πDL,(4式中:q0为火焰表面的热通量(kw/m2;为燃油的燃烧热(kJ/kg;f为热辐射系数(按照经验一般可取0115。最后,根据经验公式(5计算目标热通量。q(r=q0(1-01058lnrV,(5式中:q(r为目标接收到的热通量(kw/m2;R为目标到油区中心的水平距离(m;V为视角系数。在上面的参量中,视角系数[4,5]的计算方法如公式(6所示:a2s22sK=tan-1[s+1]015,J=(a2-1015tan-1(a-1(s+1015,VVtan-12015πsπs,B=s(a2-1015tan-1(a-1(s+1015,A=s(b2-1015tan-1(b-1(s+1015,V=2V+π2,(6式中:s为目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径D/2的比值;h为火焰的高度L和火焰半径D/2的比值;a、b、K、VV、A、B为中间变量。从上面的公式可以看出,视角系数V的计算过程是相当复杂的,很难从中观察距离、火焰尺寸是如何影响火焰系数的。但是,可以从一些实例数据中发现一些规律,视角系数的值总是1的,且随着s的增大而急剧减小,随着h的增大而缓慢增大。11212热辐射伤害模型的应用在热辐射的作用下,火灾池附近的目标物可能受到伤害,这里的目标物指可能被伤害的任何客体,如人员、器材、建筑物或其他结构,在这里主要讨论人员的伤害情况。分析热辐射的伤害效应必须首先确定热辐射的伤害准则,经过很多学者长时间研究探讨,现在比较通用的是Pietersen提出的热辐射伤害方程式(7,这是在Buettner提62灾害学22卷供的经验公式基础上,按照一般人口考虑,假设人的暴露面积为皮肤的表面积的20%[2]。Pr1=-36138+2156ln(tq4/3,Pr2=-43114+310188ln(tq4/3,Pr3=-39183+310186ln(tq4/3,(7式中:Pr1、Pr2、Pr3分别为在火焰热辐射作用下人员的死亡、重伤、轻伤几率值;q为人员所处位置的热辐射通量值,可由经验公式(5求得(W/m2;t为人体暴露于热辐射的时间(s。应当注意的是,这里所说的几率值并不是一个概率值,它是一个随机变量而且是服从正态分布的。我们可以通过正态分布概率公式计算出概率值:D2πPr-5-∞e-22du,式中:DP(ΦDΦ12211安全疏散的基本原理人员的安全疏散是指察觉到灾害发生,然后通过合理渠道,将灾害现场的人员疏散到安全地区的过程。人员疏散一般要经历察觉到火灾、行动准备、疏散行动、疏散到安全场所等阶段。在此过程中,探测到发生火灾并给出报警的时刻和火灾状态对人构成危害的时刻最具有重要意义。安全疏散的关键在于必须安全疏散时间RSET必须小于可用安全疏散时间ASET。必要安全疏散时间RSET是指从起火时刻起到人员疏散到安全区域的时间。紧急情况下的RSET包括火灾探测时间talarm、预动作时间tpre和人员安全疏散运动时间tmove,其中预动作时间又包括认识时间treg和反应时间tresp两部分[6]。可用安全疏散时间ASET是指从起火时刻到火灾对人员安全构成危险状态的时间,主要取决于火灾的性质及其蔓延的规律。由于池火灾属于燃油火灾,而且一般位于通风条件良好的室外,所以发展极其迅速,比建筑火灾要快得多,所以在池火灾的安全评价模型中,可用安全疏散时间很短,这里主要研究必要安全疏散时间的应用。212假设条件的提出和应用在热辐射伤害方程公式(7中的参数t是指人员暴露在热辐射下的时间。如果火灾的类型属于瞬间火灾,例如沸腾液体扩展成蒸汽云爆炸(BLEVE、闪火等,火灾持续的时间一般很短,人员在这段时间里根本得不到有效的疏散,这时参数t的取值应取火灾的持续时间。另外一种情况就是火灾的类型属于稳态火灾,这种火灾的持续时间一般比较长,有的甚至长达数小时,池火灾就属于这个类型。在以往的研究中参数t一般取120s[2],然后根据热伤害准则,计算出火灾的死亡、重伤、轻伤半径。这种计算方法的弊端就在于过于规范化,有时候会产生较大的误差,因为不同的火灾所处的周边环境是不同的,因此人员疏散的途径和效率也是不同的。例如:一个发生在建、,所以。笔者认为在安全评,时间t不应机械地定为120s,应该与安全疏散所需要的时间有所联系。根据以上描述,提出下列假设条件。(1在火灾发生初期的火灾探测时间和预动作时间内,人员没有开始运动。也就是说,此时的所有人都处在热辐射的伤害作用下。(2在人员运动时间内,人员疏散量与时间呈线性关系。也就是说,在这段时间里,仍有一半人员处在热辐射的伤害作用下。根据以上假设条件,得到热辐射伤害方程中时间参数t的表示方法:t=talarm+tpre2tmove。(9将这个公式代入到式(7中,从而算得某一特定距离的死伤几率值,进而通过公式(9得到这一距离的死伤概率值。通过这个公式,把安全疏散的理论在安全评价中得到了有效的应用,从而减小了因为公式过于规范化所带来的误差,使之更加性能化。213事故严重度的计算在计算事故严重度时,一般采用如下假设。(1事故的伤害或者破坏效应是各向同性的。也就是说,以火灾池为圆心,以某一特定距离r为半径形成一个圆,在这个圆上的每一个点的死伤概率是相同的。(2在确定死亡、重伤、轻伤区域时,采用半概率原则:以死亡半径的确定为例,死亡区域边界圆上的死亡概率为50%,假设死亡区域内的受伤人数与死亡区域外的死亡人数相同。依此类推,重伤、轻伤半径的确定也是如此[7]。根据以上假设,可以得知计算各个半径的计724期徐志胜,等:池火灾模型在安全评价中应用的研究算方法。以计算死亡半径为例:首先,根据现场的预警设施、人员密度、人员疏散速度等等条件计算出火灾预警时间、预动作时间和人员运动时间,由公式(7算得人员暴露在热辐射的时间。然后,由上面的假设得知,死亡边界圆上的死亡概率为50%,根据油罐的具体数据和所处的地形状况,应用公式1～8,反算出死亡概率为50%所对应的距离r的值。这个半径为r的圆形区域就为死亡区域。由于公式比较复杂,一般使用计算机来计算死亡半径的值。同理,重伤半径和轻伤半径的计算方法也是如此。不同的是,重伤区域和轻伤区域不是一个圆形区域,而是一个环形的区域。那么,就可以推出死亡、重伤、轻伤人数的计算公式:N1=πρ1R21,N2=π(R1,N3=πρ32,(10式中:N1、N2、3分别为死亡、重伤、轻伤的人数;ρ1、ρ2、ρ3分别为死亡、重伤、轻伤区域的人口密度(人/m2;R1、R2、R3分别为死亡、重伤、轻伤区域的区域半径(m。求出了死亡、重伤、轻伤的人数,根据国家有关危险源安全评价的分级标准(表2,就可以最终判定在发生池火灾状况下的危险等级。表2重大危险源分级标准危险源等级死亡人数(人受伤人数(人财产损失(万元一级≥30≥100≥1000二级10～2950～99500～1000三级3～920～49100～500四级1～22050～1003结论(1油罐发生池火灾,其危