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    石化企业典型油罐防火间距FDS数值模拟评估:石化规范防火间距

    时间:2019-09-03 10:35:05来源:毛毛论文网本文已影响

    石化企业典型油罐防火间距FDS数值模拟评估

      第一章 绪 论

      石油化工行业在我国已发展数十年,基本摆脱了最初的消防安全意识差、违规违章操作以及安全措施不到位的窘境。但安全事故的发生随机性与必然性共存,实际情况中由于管理者或个别工作人员的疏忽、自然灾害的影响、又或是相关设备的缺陷,都会成为火灾发生的导火索。而石化行业近年来发生的严重火灾事故也给以我们深刻教训(如图1.1所示)。

      1989年8月12日,山东青岛黄岛油库发生特大火灾事故。大火燃烧持续104小时,烧掉原油3.6万吨,烧毁油罐5座,造成直接经济损失3350万元。加之海洋污染损失、环境复原及其余损失,总经济损失预计高达8500万元。此外在灭火过程中19人牺牲、78人受伤,为建国以来的首次石化系统恶性火灾事故。

      1998年3月5日,陕西西安市液化石油储配站泄漏引发特大爆炸火灾事故[1]。泄漏是由于1台400m3球罐的排污阀法兰螺栓断裂所致,最终造成11人死亡,30余人受伤,直接经济损失超400万元。

      2010年7月16日,大连新港码头中石油国际储运有限公司油库输油管线爆裂发生爆炸起火,不仅造成附近地区空气污染,而且大量原油流入海中。流淌火焰持续燃烧15小时,烧毁十万立方米原油罐1座,经济损失预计达到22330万元。

      除此以外,其它小型火灾也时有发生,如:1993年10月21日,南京炼油厂310罐火灾;2011年5月10日,广州中石化储运部203号油罐火灾;2011年9月10日与23日分别发生的上海赛科石化公司低温罐火灾和上海浦东中石化厂区大火;2016年4月22日江苏靖江化工仓储点火灾等。这些大量惨痛的事故教训无不在反复说明消防安全的重要性。

      本文以某石化基地为研究对象,针对基地内的各类油储罐区,分析不同季风风速环境下罐区的火灾及蔓延危险性。运用火灾数值模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)对基地中的典型油罐(如汽油储罐、煤油储罐、柴油储罐等)建立相应物理模型,模拟其顶部破坏下的大面积燃烧过程,并分析得到油罐火燃烧特性规律。运用FDS模拟不同风速条件下典型大型浮顶罐的火焰行为及辐射热场变化规律;研究单体罐着火后对相邻罐火灾安全性的影响,探讨我国现行规范中关于罐区防火间距设置的合理性,并为完善国家相关法规标准提供参考依据。

      第二章 基于FDS的罐区火灾数值模拟

      2.1 FDS油罐火数值模拟概述

      燃烧过程的数值模拟是近年来火灾研究中的常用方法[2-7],又称CFD数值模拟方法。Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)是由数学、计算机科学和流体力学三者相结合后,从而对包含有流体流动和热传导等物理现象的系统进行定量分析的一门综合方法。

      本章中,我们将结合NIST-building and fire research laboratory(美国国家标准局―建筑与火灾实验室)所研发的开源火灾动力学数值模拟软件FDS 5.0(Fire Dynamics Simulator Ver. 5.0)对油罐火灾燃烧特性进行研究,为其火灾防控提供依据。

      2.1.1 软件特点

      FDS是由NIST开发的针对火灾过程中相关流动、传热过程的计算模型。基于低流速条件下的热流压差驱动N-S粘性流体方程,最初的版本于2000年2月公开发布,其目的是为了解决火灾消防安全中所存在现实问题的同时,为火灾科学的基础研究提供可作定量或定性分析的CFD模拟软件,该软件主要着眼于火灾产生的燃烧产物以及引发的传热传质过程。

      FDS包含两部分模块,第一部分是求解各控制方程的主程序,第二部分为后端输出显示SmokeView,用于查看技术结果。如上所述,FDS采用了可描述热驱动的低速N-S方程,其核心算法是“预测-纠错”方法,计算精度在时空上可达到2阶。

      FDS对于湍流流动采用大涡模拟的Smagorinsky方法来进行处理;同时还可进行直接数值模拟,前提是基础数值表相对清晰完整(DNS直接模拟将耗费大量的硬件资源),而默认计算方法为前者。

      2.1.2 相关优势

      如上所述FDS采用了大涡模拟的概念,其基本思想是认为湍流运动是由各种尺度的涡组成。其中大尺度的涡与平均流之间有强作用,各向异性程度高;而小尺度涡则与平均流场运动或边界没有太多影响关系,因而近似于各向同性。这种方法大大简化了复杂的湍流流动,在保证结果精度的前提下使计算效率得到显著提升。

      FDS软件发展至今已经历了5个版本,最新版FDS5进行了完善、重组和缺陷修正,其中的重要方面包括:一方面目前的版本可使用并联接口用多台计算机进行协同并行计算;另一方面,FDS还进一步强化了各类燃烧模型,可对固体材料的热解进行跟踪,同时能反映出随温度变化的材料特性,即可认为固体材料性质是温度的函数。最后,加强了拉格朗日粒子的相关模型。

      2.2 FDS所涉及火灾动力学模型

      2.2.1 主要控制方程组   在对火灾过程的模拟中,FDS运用到一系列的经典守恒规律,其中包含的控制方程有连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程等。

      2.2.2 主要火灾物理化学模型

      FDS中包含了火灾燃烧过程中所涉及到的大量物理化学模型,主要有:

      (1)流动及燃烧模型

      FDS中提供的流体数值模拟方法有两种:直接数值模拟和大涡模拟。DNS直接模拟是采用N-S方程对湍流流动进行直接的数值求解。由于对象是复杂的湍流行为,因此时间及空间步长都需要十分精细,其计算量也超乎寻常。而相对来说,大涡模拟的计算效率则要提高不少,适合于工程数值计算。按照湍流理论,其脉动与掺混主要是由大尺度涡旋所致,而小尺寸的涡团主要用于能量的耗散,因此,大涡模拟LES把大涡和小涡分开对待。针对常规火灾过程中的湍流流动和燃烧行为,同时为提高计算效率,FDS对于LES湍流流动采用了雷诺(Reynolds)平均法,即认为湍流物理参量的瞬时值可等效为平均值与脉动值的累加。

      对于湍流燃烧过程,FDS同样采用了大量简化,其目的是使实际计算时具有可操作性,同时还能满足工程应用的需要。因此,在FDS中借鉴了Spalding[8]等人提出的一步反应模型:

      1燃料+ s氧化剂 =(1+s)产物 + 热量 (2.7)

      其中,s为化学当量比,对于这种单步不可逆反应假设,其燃烧速率表达如下:

      上式基于Arrhenius形式,A,B等指前系数通常取为4,2;m为质量分数,下标fuel、oxy、pro分别代表燃料、氧化剂和产物。

      (2)辐射及碳黑模型

      辐射传热是火灾燃烧过程中的重要热交换形式之一,火焰对周围环境的辐射强度由火焰中物质的温度、辐射吸收和散射能力决定,如按照真实情况严格求解火灾过程中的辐射换热将十分复杂。为此,FDS同样进行了适当简化处理,即在假设辐射强度不随波长变化而改变的前提下,提出了适用于数值计算的辐射换热模型。这一简化计算方法被许多工程应用证实为是合理可行的。

      2.3 大型圆柱单体罐火灾的FDS模拟方法

      利用FDS进行火灾模拟时,将经历一系列前处理如:模型抽象、元素搭建、网格划分、参数设定等过程。这里将对单体罐火灾模拟中所涉及的主要前处理过程进行详细介绍。

      2.3.1 基于PyroSim前端的场景建模

      FDS的建模过程是通过文本文档编辑的形式完成,这种原始的建模方式具有一定复杂性和较高的学习门槛。为此Thunderhead Engineering与RJA合作开发了一款用于FDS快速建模的前端软件――PyroSim。

      PyroSim完全采用图形用户界面进行建模,并与FDS以及SmokeView作无缝连接。其主要功能包括[9]:

      (1)可编辑复杂几何形状(甚至倾斜墙体),包含其他强大建模工具;

      (2)高效整合FDS及Smokeview;

      (3)全面支持64位操作系统;

      (4)支持多CPU并行计算模拟;

      (5)兼容现有FDS4和FDS5模型;

      (6)可导入AutoCAD的DXF模型作为背景图像。

      本文中我们选取的单体罐算例主要包括3种:

      (a)汽油储罐罐顶全开口火灾

      为考察单体罐火灾对其它周边储罐的引燃情况,按照实地调研情况,所选取的单体汽油储罐高16m、直径40m,引入环境风的影响,考虑常规气象条件(风速为0、2、4、6、8m/s等5种情况)和极端气象条件(风速为12、16、30、44m/s等4种情况);并考虑最坏火灾行为――即顶部全开口式燃烧,讨论在该火灾条件下对周边储罐的辐射作用。

      (b)柴油、航煤储罐罐顶全开口火灾

      其余两种罐体火灾分别为柴油和航煤储罐火灾,柴油单体罐高19m、直径46m;航煤单体罐高18m、直径18m。同样为顶部全开口式燃烧,并考虑环境风速对火灾燃烧参量的影响。

      2.3.2 计算网格设计

      数值计算与实验测量之间的误差主要包含物理模型近似误差、截断误差及求解区域的离散误差、迭代误差以及舍入误差等。精密的网格可使得离散误差变小,但使舍入误差增大,所以网格划分并非越精密越好。

      因此,在数值计算过程中,通常验证计算网格的“独立性”。只有网格尺寸在合理范围内,其计算结果才会接近真实值。网格独立性测试首先是依据已有经验选取一种网格尺寸来进行计算,通过不断改变网格大小,直到两次计算结果基本没有变化,则表明用这个尺寸的网格计算是合理的。此时,如再采用更小网格,反而会增加计算资源和计算时间,降低了效率。通常来看,如粗网格能得到相差很小的计算结果,则完全可以使用粗网格去完成计算。在FDS中,为使计算结果较为贴近真实测量值,大量算例的经验表明网格尺寸――特别是火源附近的网格尺寸应处于0.05~0.1倍无量纲火源直径范围内。

      2.3.3 参数设置

      数值计算过程中的物性参数设置如下:

      (1)火源功率

      油罐火的火源功率随尺度增加会发生显著变化,如图2.7所示[10]。火源设置时充分考虑了该尺度效益以及FDS内建数据库的参数,在多次试预算中最终确定出了较为合理的火源功率。

      (2)环境参数

      计算过程中,具体环境参数设置为:环境温度20℃,环境压力101kPa,环境风速0~8m/s,环境相对湿度50%。

      (3)碳黑生成

      炭黑生成量根据经验及实验数据直接设定燃料的炭黑生成率。针对大直径油罐,依据经验将炭黑生成率设为0.1。

      (4)材料物性

      常规燃油罐的罐体材料为钢质板材,其导热系数为49.8W/m.K,比热约为0.47kJ/kg.K,厚度取0.2m;罐区地面材料为混凝土,导热系数及比热分别为1.0W/m.K、0.8kJ/kg.K,热扩散率为5.7E-7。   第三章 环境风作用下的油罐防火间距评估

      3.1 罐间热辐射破坏准则及判据

      储油罐区火灾危险性的一个主要评价方式是考察其设置的罐体间防火间距是否合理。设置合理的防火间距,能确保一旦单体罐发生火灾,不会引起周围油罐起火爆炸,从而使火灾控制在一定范围,这也是设置消防设施的基础,因此需要深入的对单体油罐起火的燃烧特性进行研究。

      相邻单体油罐被引燃的最主要原因是着火油罐的持续热辐射。在着火油罐持续热辐射作用下,可能出现的危险主要有[11]:

      (1)罐内油品受热辐射的长时间作用后会发生相变,当油品汽化速度超过呼吸阀排放速度时,罐内压力会明显升高,同时由于呼吸阀会不断排出可燃混合气体,当遇明火或飞火后会被立即点燃,引发罐体内部化学爆炸。

      (2)罐体承受长时间热辐射后,油罐壁的温度会不断升高,最终可能达到甚至超过钢体结构的热形变极限,最终导致罐体塌陷。

      事实上,任何物体在持续承受较强热辐射作用下都可能被损坏,这是热辐射破坏准则的基础。对于实际工程应用,热辐射破坏准则通常将采用以下5种主要判据:热通量判据、热强度判据、热通量~热强度判据、热通量~时间判据以及热强度~时间判据,其中运用较为广泛的是热通量判据。

      3.2 不同风速环境对油罐火灾热辐射强度的影响

      此前的章节中提到某石化基地有常年的季风影响,因此必须考虑环境风对火势可能产生的复杂作用。所以我们采用数值模拟的方式来研究风速的影响,采用这种探测点(A1~7,B1~7)的设置方式是为了研究相邻油罐的温度及所受辐射强度变化。

      3.2.1 环境风对汽油油罐火灾热辐射的影响规律

      3.2.1.1 常规气象条件模拟结果

      常规气象条件此处主要针对5级以下的风速等级(及强风以下,本文中选定的典型范围为0~8m/s)。对于汽油油品单体罐的数值模拟结果,我们将分别从以下几方面进行对比分析:

      (1)罐体火焰物理形貌特征

      我们通过对在不同环境风速下(0~8m/s)的汽油罐体火灾典型形貌特征的观察发现,

      随着环境风速增加,火焰的倾斜角度越大,同时油品在风的作用下会出现溢流燃烧行为,这将加快向周边的火蔓延过程。由FDS中Smokeview动画可观察到,风速越大,火焰越不稳定,且摆幅越大,由此形成的飞火散落将是十分危险的次生引火源。

      (2)热辐射通量与间距的变化关系

      图3.6为A1~7探点在不同环境风速条件下所接受到的热辐射平均通量值。当选取12.5kW/m2作为热通量破坏准则的安全阈值,通过对这些数值模拟结果进行数据拟合,可给出不同风速下的合理防火间距,如下表:

      可见该石化基地汽油罐采用的0.4D的国标间距相比在不同风速条件下的数值模拟结果,并非是最安全的设计方案。

      3.2.1.2 较极端气象条件模拟结果

      极端气象条件此处主要针对6级以上的风速等级,本文中选定的典型等级为6级,8级,11级,14级,同样将从以下几方面进行对比分析:

      (1)罐体火焰物理形貌特征

      通过对不同环境风速下(12~44m/s)的汽油罐体火灾典型形貌特征看出,对于极端风速情况而言,火焰几乎完全被风吹至水平,同时由于火焰面被大风撕裂、发生破碎,火焰长度并未发生无限制的拉升,这表明,当风速大到一定程度后,对火焰长度及外围辐射、温度场的影响将变得不再明显。

      我们仍然给出不同风速下的合理防火间距,如下表:

      可见对于极端风速来说,临界防火间距的变化并不明显。

      3.2.2 环境风对航煤罐火灾热辐射的影响规律

      同样首先探讨常规风速对火灾的影响规律

      (1)罐体火焰物理形貌特征(图略)

      测验得出航煤的火焰形貌随风速变化的趋势与汽油有一些差异,由于航煤含碳量更大,因此火焰的碳黑更为明显。

      (2)罐体周围热辐射强度变化规律

      图3.10为航煤罐体火焰周围不同位置探点的热辐射通量变化趋势。可以看到,风速4、6、8m/s的情况下,辐射通量的数值变化并不明显,其原因主要是由于航煤罐体相对较小,火焰长度也相对较短,因此火焰在较大风速下很快便大幅度倾斜,甚至部分达到水平,因此即便之后风速再增大,火焰形状也几乎不会发生太大改变。

      同样根据图3.10中的热辐射平均通量值,并选取12.5kW/m2作为热通量破坏准则的安全阈值,通过数据拟合,给出如下表的合理防火间距:

      对于极端风速来说,同理可得到防火间距为:

      此处,该石化基地航煤储罐所采用的1.0D的间距相比在常规风速及极端风速下的数值模拟结果,是十分安全的设计方案。

      3.2.3 环境风对柴油罐火灾热辐射的影响规律

      对于常规风速而言,特征参量影响如下。

      (1)罐体火焰物理形貌特征(图略)

      经测验,不同环境风速下(0~8m/s)的柴油的火焰形貌随风速变化的趋势与汽油(图3.3)基本一致,同样出现了燃料溢流和大幅度的火焰倾斜等特征。

      (2)罐体周围热辐射强度变化规律

      柴油罐体火焰周围不同位置探点的热辐射通量变化趋势与汽油罐火焰辐射相近。

      由图3.10中的热辐射平均通量值,按照12.5kW/m2的热通量破坏准则,通过数据拟合得出该石化基地柴油储罐所采用0.41D的间距相比数值模拟结果显示并非是最安全的,相对而言,目前一些发达国家将浮顶油罐甲类火灾防火间距确定为1.0D的做法将具有更高的安全系数[12-13]。

      第四章 结论

      4.1 全文主要结论

      本文以某石化基地为研究对象,针对当地季风环境对油罐火灾燃烧特性的影响,利用FDS数值模拟方法研究了不同风速下,各类典型储罐顶部起火后火势的形貌、温度场及辐射强度变化规律;采用通用热辐射破坏准则为依据,提出了基地内三种代表性油罐(汽油、航煤、柴油)的合理安全防火间距;全文的主要结论与创新如下:   (1)在实地调研的基础上,采用FDS火灾仿真模拟软件对浮顶罐的全开口燃烧过程进行了数值模拟,并分别探讨了基地中汽油、航煤、柴油等三种储罐全开口火灾的火蔓延危险性;同时结合当地气候环境,引入了风速的影响,模拟结果显示环境风速将对火焰的对外辐射性能产生重要作用。

      (2)对于低风速情况火焰相对稳定,着火油罐周边温升也较为平稳;而当风速达到一定程度后,火焰的大幅度摆动将使空间中的温度场也随之发生周期性震荡,这一点对于火源附近的影响尤为明显;如风速再增加,火焰将发生剧烈偏转,甚至部分达到水平倾倒,这种情况对于周边罐体来说是十分危险的。

      (3)通过FDS数值模拟结果可以发现,我国现行的浮顶罐0.4D防火间距存在一定火灾危险性,难以保证强风条件下油罐着火后不对相邻罐体造成威胁。在进行罐区防火间距设计时,应该充分考虑当地气候及季风环境的影响,从而将火险降至最低。一些发达国家在热辐射破坏准则的基础上,将防火间距相应的增加至1.0D,这种做法是值得肯定的,也与我们的计算结果相吻合。

      4.2 工作展望

      石化行业中的油品火灾是我国当前火灾科学研究中一个新兴且重要的课题,具有很大的挖掘空间。在下一步研究当中,可以针对如下方面继续研究:

      (1)本文只选用了顶部全开口式的火灾燃烧形式,此后可针对不同的实际罐体破坏情况,开展复杂形式下的罐体火灾研究;

      (2)可开展一定数量的小尺寸实验研究。一方面能够验证数值模拟方法的可靠性、合理性,同时还能弥补数值方法的一些不足之处;

      (3)拓展油品及罐体的种类和数量,进一步开展相关研究,完善炼化行业相关的火灾安全数据库。

    石化企业典型油罐防火间距FDS数值模拟评估

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