2. 重庆市沙坪坝区公安消防支队, 重庆 401331
2. Public Security Fire Control Team of Shapingba District, Chongqing 401331, China
目前，中国已成为第二大石油消费国[1]，兴建了多个大型原油储罐区，如舟山、黄岛、大连储罐区等。为了节约用地、减少挥发、降低成本，大型外浮顶储罐被广泛应用到油品储罐区[2]。然而，储罐区储存的大量易燃物质给周围区域带来了严重的威胁。大型储罐发生火灾后，燃烧剧烈，产生的热辐射能够造成人员伤亡，同时极易引发次生衍生灾害，造成扑救困难和更大的损失[3]。2010年1月，兰州石化发生爆炸火灾事故，造成6人死亡、 6人受伤，造成了巨大经济损失[4]。因此，加强大型外浮顶储罐区的风险评估是十分必要的。
大型油品储罐区风险研究相对困难，通常无法进行实验验证，而事故案例记载不够详细，难以获取燃烧和灭火数据。对于小型储罐区火灾，国外学者进了大量的实验研究，分别建立了点源模型和固体粒子火焰模型，为计算储罐区热辐射奠定了基础[5, 6]。对于大型储罐区的风险评估，Yamaguchi等[7]对大型液池火灾进行了实验研究，其中最大液池直径达50 m。Ryder、 Argyropoulos等利用数值模拟的方法对储罐区进行了建模分析，模拟得出了火焰高度、火焰表面温度分布、火焰倾角和烟气浓度分布等情况[8, 9]。
目前，在国内外储罐区定量风险评估中，热辐射强度大都是由传统热辐射模型计算得出，不考虑时间变化、罐壁遮挡以及火焰自身的扰动[10, 11]。另外，在有风条件下，传统模型预测方法具有一定局限性，很难得出储罐区动态的热辐射强度时空分布。火灾动力学模拟(fire dynamics simulator，FDS)软件考虑了火焰的实际形状以及自身扰动，能够得出热辐射强度随时间空间的变化规律，计算结果相对精确。在多数数值模拟分析中，FDS模拟主要应用于火焰形状、烟气粒子扩散等问题，很少有FDS模拟与人员风险相结合的研究。本文将FDS模拟与人员脆弱性模型结合，建立基于FDS模拟的储罐区定量动态风险评价方法，可以得到不同环境风速下以及不同的暴露时间下对应的人员动态风险时空分布图和不同风速下消防员灭火的安全距离。这些研究结果对储罐区消防救援具有重要意义。
1 场景选择大型外浮顶储罐通常储存原油、重油等高沸点常压燃料，不存在超压爆炸。同时，大型外浮顶储罐气体空间相对较少，很难发生大规模蒸气云爆炸，因此本文重点考虑火灾造成的人员热辐射伤害。通过对国内外事故案例的统计分析，本文作者归纳总结了88起外浮顶储罐的事故场景，具体的各类事故数量见图1。
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| 图 1 大型外浮顶储罐事故基本场景分类 |
考虑各事故类型的特点，结合每种事故类型发生的概率，本文选取密封圈火灾、全液面火灾和防火堤火灾作为基本的研究场景。
2 FDS数值模拟 2.1 储罐区模型建立本文以某油库中一组原油储罐为例，建立几何模型。该组储罐包含4个105 m3的大型原油外浮顶储罐。该区域有一间联合泵房和一间流量计间，4个储罐分别位于两个防火堤内。研究区域位于图2所示的矩形边框内。
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| 图 2 某油库罐区示意图 |
根据油库提供的资料，本文采用计算机辅助设计(computer aided design，CAD)软件对选定的油罐区进行全尺寸建模。储罐参数的基本数据见表1。具体几何模型图见图3。
| 罐区单元内部构成 | 对应数值 |
| 储罐外径/m | 80.5 |
| 储罐内径/m | 80.0 |
| 储罐高度/m | 21.8 |
| 原油高度/m | 20.8 |
| 浮盘直径/m | 78.0 |
| 防火堤高度/m | 2.0 |
| 罐体间距/m | 20.0 |
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| 图 3 研究区域几何模型示意图 |
研究区域内的网格空间为540 m(长)×360 m(宽)×180 m(高)的长方体空间。本文将立体空间划分为6个区域，空间划分示意图见图4。储罐区域划分为1 m×1 m ×1 m的网格(图4中黑色边框范围内)，其他空间区域设置为2 m×2 m ×2 m的网格。
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| 图 4 研究区域空间划分图 |
FDS中定义火源的方法有两种： 1)设定固定的热释放速率作为火焰表面的基本属性； 2)根据化学燃烧方程模拟，主要利用原油的燃烧反应进行计算。本文采用了设置燃烧反应的计算方法，原油性质参考美国国家标准委员会提供的部分数据，见表2[12]。
在FDS的数据库中通过Edit Libraries选择相应材料设定储罐、底座、防火堤等构件材料。设定后基本模型的几何尺寸见图5。
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| 图 5 研究区域储罐的几何尺寸图 |
热辐射计布置在高度为2 m的位置处，在该水平面上，布置了360行、 540列的热辐射计，行列之间相距为1 m。通过热辐射计，可以得到储罐区的热辐射通量值。
本文通过设置通风口调节风向，研究风速对风险的影响。
| $u = {u_0}{\left( {\frac{z}{{{z_0}}}} \right)^{1/4}}. $ | (1) |
上式中： u0为10 m高度位置处的风速大小，m/s； z为分析位置距水平面的距离，m； z0=10 m； u为分析区域的实际风速大小，m/s。文中，u0取值分别设置为0，4，8 m/s。
火灾模拟时间为60 s，热辐射探测范围为540 m(长)×360 m(宽)。设置密封圈火灾、全液面火灾和防火堤火灾3个模拟场景。
3 人员风险评估储罐区火灾事故发生后，热辐射是造成人员伤亡的一个主要原因。国外学者通过大量事故案例分析和实验数据，得出了阈值模型[13]，见表3。根据阈值模型，结合热辐射分布可以确定消防员救援的安全区域。
国外学者Pietersen和Van den Bosch等在阈值模型的基础之上，引入了人员暴露时间，提出了概率模型[14, 15]。利用概率模型，能够定量计算出不同暴露时间下的人员风险值，
| $P = \frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}\int_{ - \infty }^{{P_r} - 5} {{e^{\frac{{ - {u^2}}}{2}}}{\rm{d}}u.} $ | (2) |
其中： P为人员烧伤等级发生的概率; Pr为概率单位，具体计算方法见表4。
人员暴露时间主要指人员撤离到安全区域需要的时间，通过式(3)计算[14]：
| ${t_{{\rm{eff}}}} = {t_{\rm{r}}} + 0.6 \cdot \frac{{{x_0}}}{u}\left\{ {1 - {{\left( {1 + \frac{u}{{{x_0}}}{t_{\rm{v}}}} \right)}^{ - 5/3}}} \right\}. $ | (3) |
其中： teff为人员有效暴露时间，s； tr为人员反应时间，5 s； tv为人员到达热通量1 kW/m2所用的时间； x0为人员初始位置距离火焰中心的距离，m； u为人员的跑步速度，m/s。
本文计算了不同暴露时间下的人员风险值，分析中，人员暴露时间分别选定为15 s和30 s。
4 结果分析 4.1 罐区人员风险分布设定2号储罐为事故储罐，模拟的事故场景包括密封圈火灾、全液面火灾和防火堤火灾。根据当地风玫瑰图，风向设定为东南风。
4.1.1 密封圈火灾模拟图6给出了密封圈火灾模拟结果,人员暴露时间为30 s。图6中轻伤区、重伤区和死亡区分别对应表4中的一度烧伤、二度烧伤和人员死亡。可以看出，只有储罐2下侧火源位置附近出现小范围的轻伤区，其他大部分区域为安全区域。通过风险分布结果可以得出，罐区密封圈火灾对人员的影响相对较小，可以忽略不计。密封圈火灾燃烧范围有限，燃烧释放热量较低，对空间的热辐射通量相对较小。因此，密封圈火灾发生后，可积极采取救援措施，必要时可以采取近距离救援，避免事故进一步扩大。
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| 图 6 密封圈火灾无风条件下的风险分布图(teff＝30s |
图7 中给出了无风条件下全液面火灾的罐区风险分布图。与图6相比，全液面火灾燃烧面积大，燃烧速率高，产生的热辐射值相对较高，可能导致人员伤亡，因此其风险值远大于密封圈火灾。通过比较图7a和7b可以得出，人员暴露时间越长，人员风险值越大，当人员暴露时间达到30 s时，事故储罐周边40 m内为重伤区，并且局部出现了死亡区域。全液面火灾燃烧面积大，不易扑灭，很短时间内即可造成附近人员伤亡，因此在缺少救援指导的情况下，应避免近距离救灾。
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| 图 7 全液面火灾无风条件下的风险分布图 |
图8-9给出了不同风速条件下的罐区人员风险分布。通过与图7比较可见，在一定范围内，风速对于罐区风险分布影响很大，通常风速越大，下风向的风险值越大，如风速8 m/s的条件下，暴露时间30 s的致死区域与无风条件下的区域相比，扩大近10倍左右。
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| 图 8 全液面火灾风速4 m/s条件下的风险分布图 |
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| 图 9 全液面火灾风速8 m/s条件下的风险分布图 |
在有风的条件下，油品火焰会发生一定的倾斜，造成下风向的风险相对较大，这与Mudan的计算结果相吻合[16]。同时，一定的风速加快了空气的流动，加快了烟气的扩散，提高了燃烧区域的氧气浓度，促进了原油的燃烧，整体地扩大了危险区域范围。因此，全液面火灾发生后，危险性较大，无保护措施的人员应及时撤离，避免盲目救援。在有风条件下的救援，注意风向变化是十分必要的。
图7-9中储罐底端附近几m环形区域显示为安全区域，主要是由于罐壁遮挡，但是油品在燃烧过程中会产生喷溅现象，因此应避免进入该区域。
4.1.3 防火堤火灾模拟图10-12给出了防火堤火灾在不同风速条件下的风险分布。可以观察到，防火堤火灾影响区域较大，造成的死亡区域远远大于其他事故场景。通过图10-12可以得出： 防火堤火灾发生发展迅速，死亡区、重伤区范围相对较大，发生后事故后果严重； 随着风速增加，防火堤火灾影响区域逐渐增加，但变化范围和全液面火灾相比不明显。防火堤火灾发生后，着火面积较大，烟气集聚，阻碍氧气进入，因此风速对防火堤火灾影响相对不明显。
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| 图 10 防火堤火灾无风条件下的风险分布图 |
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| 图 11 防火堤火灾风速4 m/s条件下的风险分布图 |
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| 图 12 防火堤火灾风速8 m/s条件下的风险分布图 |
通过4.1节分析可知，风速对全液面火灾影响最大。为了进一步研究风速对于全液面火灾的影响，本文利用阈值判定法对储罐区风险进行进一步研究。选择2号储罐作为事故储罐，不考虑其他储罐的影响，储罐布局见图13。
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| 图 13 单一储罐布局示意图 |
图14所示的是上风向距离储罐150 m位置处的热辐射强度随时间的变化趋势。通过图14分析可得，原油全液面火灾燃烧20 s后，开始趋于稳定，但由于火焰自身的卷吸以及湍流特性决定了火焰热辐射具有一定波动性。
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| 图 14 某点热辐射强度随时间变化曲线 |
通过图14可以得出，事故储罐临近位置在 20 s 以后，热辐射强度达到相对稳定值。本文利用了30~60 s之间的热辐射强度数据，取该段时间内的热辐射数据的平均值作为消防人员在该点受到的热辐射值。根据规范设定7 kW/m2为穿戴防护服的消防员最大可忍受的阈值[13]，本文研究了不同条件下消防救援的安全位置，具体结果见图15-17。
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| 图 15 全液面火灾无风条件下的热辐射与储罐距离之间的关系 |
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| 图 16 全液面火灾风速4 m/s条件下热辐射与储罐距离之间的关系 |
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| 图 17 全液面火灾风速8 m/s条件下热辐射与储罐距离之间的关系 |
图15-17给出了热辐射强度与距离之间的对应关系，确定了不同风速条件下的消防安全距离。可以得出： 消防安全距离至少应该大于90 m，风速对于消防安全距离影响较大，消防员需要根据风速变化进行适当调整; 风速可以增加地面某些区域的热辐射强度，如在风速8 m/s的条件下，储罐下风向距离储罐罐壁0.2D(D为储罐直径)附近地面的热辐射强度大于无风条件下的2倍，地面人员以及装置应该尽量避开该区域。
在储罐区周边区域，储罐对于热辐射存在一定的遮挡，随着距离增加，遮挡效应减小，距离起到主导作用，因此热辐射强度在部分区间内存在随着距离增加而增加的现象。风速能够加快烟气扩散，减小烟阻效应，增加燃烧区域氧气浓度，同时促使火焰发生一定的倾斜，因此下风向某些区域的热辐射增加十分明显。对于105 m3的大型储罐，热辐射阈值区域出现在下风向距事故储罐60 m附近 (即距离储罐罐壁0.2D附近)，在灭火救援过程中应避免进入该区域。
5 结 论本文通过对88起事故案例总结分析，确定了大型外浮顶储罐常见的事故场景。通过FDS软件建模分析，结合人员脆弱性模型，开展大型外浮顶储罐区定量动态风险评估。相比于传统依靠数学模型的风险分析方法，该方法可以充分考虑火灾动态性、风速影响、周边建筑物以及自身罐壁的遮挡效应，计算结果更加切合实际。
风速对于全液面火灾影响相对较大。对105 m3的原油储罐全液面火灾，消防安全距离应该位于 90 m 以外。下风向位置热辐射相对于上风向位置变化十分明显，风速能够整体增加热辐射强度，在下风向距离储罐罐壁 0.2D 位置附近，热辐射强度达到最大；在救援过程中，人员和装置应避免进入该区域。
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