基于火焰燃烧机理和热辐射特性确定储罐防火距离的探讨

蔡亮（中国航油集团津京管道运输有限责任公司）

我国石油战略储备库快速发展，储罐建设也呈大型化，已掌握最大储罐20×104m3建设和施工技术[1]。储罐防火距离是油库设计的一项重要参数。我国储罐设计主要考虑投资成本和节约用地，储罐防火距离偏小，只能防御密封圈一般性火灾，如发生储罐全面积火灾或者罐群火灾，可能造成严重后果[2]。现行的商业油库储罐设计标准已不适用超大型油库的安全要求。提高大型储罐安全设计标准具有重要意义，应研究确定大型储罐合理、安全的防火距离，提高油库的本质安全性。研究了国内外标准关于储罐防火距离的规定，指出现行储罐防火距离存在的问题。介绍了较为公认的着火罐火焰燃烧机理和火焰热辐射传递特性[3]。以1×104m3、2×104m3、5×104m3和 10×104m3储存汽油和柴油的外浮顶储罐为例，计算邻近油罐在火焰热辐射作用下的热辐射量，根据热辐射损害程度判定准则，确定科学、合理、安全的储罐防火距离。

1 储罐防火距离国内外标准差异分析

我国新建储罐工程设计执行国家标准GB 50074—2014《石油库设计规范》，GB 50074规定地上储罐组内相邻储罐之间的防火距离应符合下列要求（表1）。

表1 地上储罐组内相邻储罐之间的防火距离 m

美国储罐设计执行美国消防协会标准NFPA 30—2012《易燃和可燃液体规范》。NFPA 30在储罐防火距离章节中定义了不稳定液体（Unstable Liquid）和稳定液体（Stable Liquid）的术语。不稳定液体指商业生产、运输过程中，在一定压力、温度或振动条件下，可能产生剧烈反应的液体；原油、汽油、柴油、煤油属于稳定液体。针对储存Ⅰ级、Ⅱ级、ⅢA级稳定液体的储罐间距见表2。

可以看出，中美标准针对储罐防火距离差异较大。以国内外广泛应用的15×104m3浮顶罐为例（储罐直径约80 m），按照我国标准储罐防火距离为32 m，如储存丙B类可燃液体，甚至可取值15 m，美国标准为40 m。美国标准更严格。

2 浮顶罐火灾类型

浮顶罐火灾主要是雷击导致的环形密封圈处的局部小型火灾。挪威NDV公司研究了1981—1995年世界33 906座浮顶罐的62次火灾事故数据，其中密封处火灾55次，浮顶溢油1次，浮顶沉没1次，防火堤内火灾2次，隔堤内火灾3次，况且4次发展为整个储罐区的火灾[4]。国外有浮顶沉没造成储罐全面积敞口火灾的示例，1989年位于Dar Es Salaam的1座储存12 720 m3原油的外浮顶罐遭受雷击导致密封圈着火，大火持续燃烧了5 d。储罐发生全面积敞口火灾，扑救难度大，特别是原油储罐可能会发生沸溢，固定式消防系统不足以应对，需要大功率的移动消防设施。例如，美国使用远距离泡沫炮成功扑救直径60 m的储罐火灾，泡沫炮射程152 m，流量高于250 L/s。

表2 储罐防火距离

3 现行储罐防火距离存在的问题

我国储罐设计中，认为储罐发生大规模火灾爆炸为小概率事件，防火距离基本按照0.4D设计，用地紧张情况下直接取值15 m，防火距离偏小，固定消防系统只能防御环形密封处的一般性火灾。若发生储罐全面积火灾或者防火堤池火灾，消防冷却水供给强度只能扑救着火储罐，不能同时冷却相邻储罐，存在安全隐患。应研究确定大型储罐合理、安全的防火距离的方法，提高油库的本质安全性。

4 储罐火灾火焰燃烧机理和火焰热辐射传递特性

防火堤内池火灾是大型浮顶原油储罐火灾类型之一，池火灾指储罐罐体破裂导致油品泄漏，油品在罐区防火堤内地面流淌扩散，在防火堤或隔堤限定的区域内积聚，形成一定厚度油池，遇点火源发生的火灾。储罐火灾事故损失的主要原因是池火灾热辐射作用。研究储罐池火灾火焰燃烧机理和火焰热辐射传递特性，计算邻近油罐在火焰热辐射作用下热辐射通量的分布情况，进而确定科学、合理、安全的储罐防火距离[5]。

4.1 储罐火灾直径

根据防火堤型式、尺寸、面积等，计算油池火灾直径，即

式中：D——防火堤油池火灾直径，m；

S——防火堤面积，m2。

4.2 储罐火焰高度

无风状态下储罐火灾火焰高度的经验公式为

式中：h——储罐火灾火焰高度，m；

g——重力加速度，m/s2；

ρ0——油气混合物，kg/m3；

mf——油品燃烧速率，kg/(m2·s)。

4.3 火焰表面热通量

通过储罐火灾火焰顶部和侧面，热辐射能量向外部均匀辐射，火焰表面热通量可由下式求得：

式中：q表——火焰表面热通量，kW/m2；

Hc——油品热值，kJ/kg；

f——热辐射系数。

4.4 储罐火灾热辐射量

储罐火灾燃烧产生的热辐射量可由下式求得：

式中：q总——储罐火灾燃烧产生的热辐射量，kW；

η——效率因子。

4.5 热辐射强度

假定储罐火灾火焰向外辐射的热量全部从火灾中心点源的球面扩散而来，距离储罐中心x位置处的热辐射强度，见公式（5）；或者计算热辐射强度I对应的距离储罐火灾中心的位置x，见公式（6）。

式中：qx——任意位置x处的热辐射强度，kW/m2；

x——任意位置和储罐中心的距离，m；

I——给定的热辐射强度，kW/m2。

表3 热辐射损害程度判定准则

表4 汽油储罐和柴油储罐在临界热辐射强度下的储罐防火距离

4.6 热辐射损害程度判定准则

储罐火灾状态下，着火储罐热辐射如果达到一定程度，可能造成临近储罐罐壁变形，甚至破裂爆炸，也是储罐火灾蔓延、造成人员伤亡和设施损坏的主要原因。热辐射损害程度判定准则规定了目标所承受的热辐射强度与造成设备损坏及人员伤亡程度的对应关系（表3）。研究储罐科学、合理、安全的防火距离的前提条件是首先保证着火储罐的临近储罐不被引燃，其次防火距离满足消防设备操作的空间要求，同时必须保证消防人员零死亡。

确定相邻储罐不发生变形的临界热辐射强度，在相关研究中还存在差异，美国化学工程师学会（AICHE）的规定是相邻油罐受辐射热小于13.5 kW/m2；英国石油协会(BritainIs Institute of Petroleum)的规定是小于8 kW/m2。综合考虑，着火储罐的临界热辐射强度确定为10 kW/m2比较适宜[5]。

5 计算示例

某成品油储备库容量72×104m3，共4个罐组，每个罐组由4座1×104m3、2×104m3、5×104m3和10×104m3外浮顶储罐组成，储罐直径分别是28.5 m、40.5 m、60 m和80 m，单罐防火堤尺寸分别是60 m×55 m、70 m×60 m、100 m×90 m和120 m×110 m，储罐充装系数0.85。汽油和柴油密度分别为750 kg/m3和820 kg/m3；汽油和柴油燃烧速率分别为0.025 6 kg/（m2·s）和0.013 7 kg/（m2·s）；油蒸汽密度1.29 kg/m3；汽油和柴油燃烧热为46×103kJ/kg。根据上述计算模型可得到该储备库中汽油储罐和柴油储罐在临界热辐射强度下的储罐防火距离（表4）。

综上所述可得出如下结论：

1）临界热辐射强度下的储罐防火距离均大于国内标准和美国标准规定的储罐防火距离，即现行储罐防火距离不能保证发生全面积敞口火灾时临近储罐和人员的安全。

2）汽油储罐防火距离要高于柴油储罐防火距离。根据GB 50074液体火灾危险性分类，原油、汽油属于甲B类液体，煤油属于乙A类液体，轻柴油属于乙B类液体。表1中储存甲B、乙类液体储罐防火距离是一致的，应进一步细化油品类型、危险性等级和物性参数规定相应油品储罐的防火距离。

3）随着储罐容积增加，临界热辐射强度下的储罐防火距离与国内外标准规定的储罐防火距离趋于接近。以10×104m3为例，临界热辐射强度下的储罐防火距离为40.6 m，国内标准规定的储罐防火距离为32 m，美国标准规定的储罐防火距离为40 m。说明相对中小型储罐，大型储罐更容易满足临界热辐射强度的安全条件，大型储罐本质安全性更高，中小型储罐遭受热辐射危害的危险性更大。

4）根据储罐火灾火焰燃烧机理和火焰热辐射传递特性的计算模型，储罐防火距离的主要影响因素是防火堤尺寸（面积），决定了储罐池火灾的直径、火焰高度、热通量等。应研究储罐防火堤尺寸、高度、坡度等参数对储罐防火距离的影响。

5）确定储罐防火距离的另一重要因素是油品性质，体现在原油和成品油的燃烧热、油品表面燃烧速率存在差异，应根据油品性质规定原油储罐和成品油储罐的防火距离。

6）新建储罐防火距离应严格执行国家标准规定。针对10×104m3以下中小型储罐，应尽可能增加储罐防火距离，并根据储罐防火堤尺寸、油品性质核算储罐可能承受的热辐射强度，并配置相应等级的消防系统；针对超过10×104m3大型储罐，现行国家标准规定的防火距离基本满足安全要求。

6 结论和建议

1）针对储罐防火距离，国外标准更严格，以浮顶罐为例，国内标准为0.4D，储存丙B类油品甚至取值15 m，国外标准为0.5D。

2）现行储罐防火距离只能防御环形密封处的小型火灾，不能保证发生储罐全敞口火灾时临近储罐和消防人员的安全要求。

3）国外有浮顶罐全敞口火灾的实例，扑救难度大，需要配置大功率移动消防设施。

4）汽油储罐防火距离要高于柴油储罐防火距离，应按照油品类型、危险性等级和物性参数规定原油和成品油储罐防火距离。

5）大型储罐本质安全性更高，更容易满足临界热辐射强度的安全条件，中小型储罐遭受热辐射危害的危险性更大。

6）应研究储罐防火堤尺寸、高度、坡度等参数对储罐防火距离的影响。

7）针对10×104m3以下中小型储罐，应尽可能增加储罐防火距离，并根据储罐防火堤尺寸、油品性质核算储罐可能承受的热辐射强度，并配置相应等级的消防系统；针对超过10×104m3大型储罐，现行国内标准规定的防火距离基本满足安全要求。