池火灾热辐射下的最小安全距离解析

《池火灾热辐射下的最小安全距离解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《池火灾热辐射下的最小安全距离解析（15页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、池火灾热辐射下的最小安全距离李丽霞 张礼敬 孟亦飞 涂善东(南京工业大学机械学院高温装备技术实验室学科分类与代码:62012030【摘要】防火间距是石油化工企业平面设计中的一个重要参数，笔者旨在 从流体力学角度研究池火灾发生情况下邻罐之间最小安全距离，从而给防火间距的 制定提供依据，作者对池火灾形状以及介质辐射吸收性质进行了适当的简化，用 CFD 了数值模拟。模拟结果表明对于镭钢材料，的最小安全距离为15m ; Mmimal Safety Distance under Heat Radiation of P ool FixeLi Li 2xia ZHANG Li 2jing MENG Yi 2

2、fei TU Shan 2dong(Naiying Umveisity of T echiiologvAbstract: Fue guard distance is an un poitant paiameter in the design of petio 2cliemical enterprise. The miiiunum safety dis 2tance between tw o tanks undei pool file was studied to provide cntena for setting the fire guard distance. Radiation was

3、the main form of heat trans fer duimg the file in tank area. The pool fixe shape and the radiation and abs orption chaiacteis of the medium were s omewliat sun plified. The heat radiation of liquefied propane pool file was numencally sunulated by CFD s oftwaie Fluen匸 The result showed that undei ste

4、ady state pool file , the minmiuni safety distance between tw o tanks made of manganese steel with a di 2ametei of 12410nun is 15m.K ey w ords :P ool file CFD Numencal simulation Safety distance S toiage tank 1弓 |防火间距一般认为是当一个储罐发生火灾的时候，不向邻近储罐、设备和建筑 物蔓延的最小安全距离。因此，防火间距是石油化工企业平面设计中的一个重要参 数，随着工业的发展，防火间距作

5、为一个关系到系统整体效益的设计参数，越来越受 到人们的重视。关于怎样有效合理地制定防火间距，目前国内外没有明确的文献报道。我国国 标1上提出了制定防火间距的原则和依据，对于地上储罐给出了明确的防火间距，其多按工程实践或参考国外经 验。影响防火间距的因素很多储罐类型和储存形式、储存介质、防火措施和消防 能力、事故发生几率、管理检测水平等都可影响防火间距的大小。考虑分析影响防 火间距的诸多因素，可以发现，在本质上是由灾害的模式和影响范围决定的。据统计储罐区发生典型的灾害形式有:喷射燃烧，池火灾，蒸气云爆炸（UVCE和沸腾液体扩展蒸气爆炸。关于以上储罐事故机理和影响的研究，在国外从试验和数值模拟上已

6、经开展了很多。 笔者从流体力学、燃烧学角度出发，在前人研究成果的基础上，用计算流体力学软件 来模拟预测池火灾事故发生下储罐间最小安全距离。CFD技术是20世纪90年代开始引入中国的，它是计算流体动力学方面的一个有效的应用软件,是目前国际上一个强有力的研究领 域。在科研、工程设计中的大量应用,显著地减少科研和生产周期，提高工作效率。 Fluent是CFD常用的商业软件之一，它在各个领域应用的有效性也日益得到信任， 国外已经开始用来研究燃烧爆炸、火灾工程。CFD应用软件的应用,需要适用者有 很强的专业基础知识，同时有很高的计算机水平。对于池火灾，尤其是在开放环境下的池火灾，辐射过程是最主要的换热过

7、程，对 邻近人员及设备的热影响体现在受辐射的强度和辐射时间上。所以分析池火灾危险 性必须考虑池火灾辐射换热。池火灾火焰对周围的热辐射，与火焰温第14卷第3期2004年3月中国安全科学学报 Clnna Safety Science JournalV ol. 14N o . 3Mai . 2004度、燃烧介质成分、燃烧介质的辐射特性以及环境介质的辐射吸收、散射能力 以及辐射层的有效厚度有关;而介质的辐射、散射能力与辐射波长有关，所以辐射 计算是一个非常复杂的过程。2辐射模拟理论基础2. 1 辐传输方程 RTE(iadiate tiansfei equa 2tion 2,3d s+(a +os I

8、(r , s =an 2o4兀+o兀4兀(1式中d位置矢量;b I吸收与般射损失/(“+亦 dj出射辐射折射率s散射系数;S方向矢量;S a玻尔兹曼常数(5. 672x10-8W/m 2K 4I 入射辐射强度，和位置矢量(I以及方向矢量有关(s;T局部温度；相函数;立体角。什。是光学厚度辐射换热过程如图1所示。图1辐射换热2.2辐射模型这里采用DO (Discrete Ordinates模型，其物理思想是:将空间离散化为n个立体 角，卡儿坐标系中指向某一坐标点的一个方向矢量DO模型就，计算求解RTE方程, 求解方程时,RTE方程(度的传输方程式(2 ,然后再求解，求解方法和求解流体流动以及能量

9、方程一样。 (I (r, s s +(a +as I (r, s =an2471+1(r, s，d G(23物理模型分析开放环境下发生的池火灾，属于非预混燃烧,液体在燃烧时局部缺氧而发生高温裂解，使炭黑析出，形成发光火焰，火焰中的其他成分，如有辐射能力的C 0 2, H 20 等三原子气体的辐射能力与炭黑粒子相比较低、故其火焰辐射主要为炭黑粒子的辐射。：(，；2 ,并假定为灰体辐射，黑度取炭黑的黑度0. 96;(3假定火灾为稳态池火灾,研究区域以外为黑体壁面。几何模型:研究区域为里面圆柱到外面圆柱的中间部分，里面的圆柱的尺寸为假定火焰的尺寸(见图2 ,外面圆柱的尺寸是根据经验 公式算得的轻伤半

10、径。图2几何模型示意图3. 1火焰尺寸的确定对于沸点低于环境温度的物质,其燃烧速度可由下式3算得:m=0. OOlHc/HQ(3式中,m x燃料燃烧速率、kg/(s -m2;H c液体燃烧热,k J/kg ; H 6液体蒸发热,k J/kg。然后按Thomas经验公式4算得火焰高度:L/D =42 m 7p0gD0.61(4式中,L火焰高度D池直径,m ;po一空气密度,kg/m 3; g引力常数取9. 8lni/s 2O3.2模拟区域的确定文献5推导的池火灾危险性分析的算法，结合热辐射qQ准则编写poolfile应用程序，参考李丽霞等池火灾热辐射下的最小安全距71 第三期国内消防水平，将q准

11、则中轻伤的临界值q =1. 9kW/m 2,代入程序进行计算得 研究的轻伤区域半径，并定为模拟区域半径;模拟区域高度取火焰高度的2倍，多次 模拟结果也显示这样的模拟范围可以满足模拟要求。3.3网格划分鉴于几何模型的不规则性和研究区域范围较大，以及研究对象的精确度要求不 大的情况,这里采用较为粗略的T et/Hybrid方法划分网格，又考虑到实际情况和计算机计算负荷，这里对距离火焰近距离处网格划分较细密,越远越粗大。5 2H54 咔4 7ie4l544 )5cfi53 S7C45亍 5 VKj55 22 W4 (用L負54 7Jeti55円,s 11屮氏4中间介质的辐射吸收性质中间介质为大气，主

12、要成分为N 0, 0 0以及少量H 20,C O 2，C O等,（为0. 38 - 1000. m ,分位红区0.2000射的透明体;，这里只考 虑 H2O,CO2的辐射和吸收。查阅气象资料可知其中大气的水分含量在1%4%,二氧化碳的含量保持在0. 034%左右。物质的吸收性质随温度的 变化也将有所不同，这里取池火灾火焰温度和环境温度的平均温度代入下列两式 6,在结合其浓度分数来计算空气的平均吸收系数：aH2O =exp 278. 713-153. 241n T 十32. 1971(111 T 2-3. 0087(ln T 3+0. 104055(111 T 4(5aCO2=exp 969.

13、86-588. 38111T +132. 89(111 T 2-13. 182(111 T 3+0. 48386(111 T 4(6由于研究范围相对大气空间较小，空气的散射可以忽略。5实例模拟笔者以某公司液化石油气罐区为例，该公司球罐区球罐的主要参数如下内径为 12410111111,高度为15150nmi,壁厚为3411U11,储存液体为丙烷(C 3H 8。用计算流体 力学软件Flu 2ent 7模拟某一储罐泄漏,发生池火灾时对周围设施的影响。5. 1火焰尺寸池火灾池直径D取13m ,将介质丙烷的物性参数代入式(3、式(4算得池火灾 火焰高度为28m o5.2模拟区域将池直径D =13m .

14、火焰高度H =28111以及q =1. 9kW/m 2,代入poolfiie程序得模拟区域为R =140111,模拟区域高度为2H =56m o5.3网格划分按照T et/Hybnd方法划分网格，网格数：107545个。5.4介质吸收系数将火焰温度1350K 13和环境温度300K的算数平均温度825K代入式（5、式（6分别计算出纯H 20蒸汽和CO2在825K下的吸收系数, 然后取水分含量为2%,二氧化碳0. 034%计算空气的吸收系数为0. 261/m。5.5边界条件和初始条件边界条件:,考虑到池火灾热辐射最后将完全被周围环境吸收，而周围环境的辐 射（仅为少量三原子能力相对太小，为0K;l

15、,绝热、m 2;辐射热源黑度取0., K。：325K 6稳态池火灾对周围热辐射的影响如图3和图4所示,分别为Z =5平面 上q随距离的分布，以及Y =0平面上热辐射入射辐射q的分布情况,从图中可以看 出,q随距离火焰距离的增大而减小。图3平面Z =5m上火焰周围入射热流q （w /m 2的分布图图4平面Y =0m上火焰周围入射热流q （w /m 2的分布图q和距离火焰的距离的定量关系如图5所示，按照qQ准则，用数学软件origm处理牛蕴8丙烷球形储罐的热响应数81 中国安全科学学报 China Safety Science Journal 第14卷2004 年6,OCte-K)5Tq|i图5

16、q和到火焰中心距离的对应关系图据，拟合回归得出储罐温度、热流密度以及时间之间的关系T f (t, q ：T =178+3. 88q -(153+3. q e 28092,得当储罐接受802裂9,1, &所以取100kW/m2为断准则，则对应的最小安全 距离应为13. 5m,对于该储罐区国标规定两储罐间防火间距为1. 0D =13m ,模拟结果和实际相当，可初步说明对于液化怪地上储罐，在池火 灾的情况下，国标规定和预测计算是一致的。6结论(1计算流体力学方法是研究燃烧爆炸、火灾工程的个有效方法；(2入射热辐射q随到辐射热源距离的增大而迅速减小；(3池火灾发生lOmin以后，丙烷猛钢球罐间相对安全

17、的最小距离为13. 5111；，人稳态池。(收稿:2004年1月；作者地址:南京市新模范马路5号；南京工业大学115信箱;邮编：210009参考文献1中华人民共和国国家标准G B 501601992.石油化工企业设计防火规范S2 E. H. Cliui and G D. Raitliby. C om putation of Radiant Heat T rails fer on a Non -Oithog onal Mesh Usmg the Fmite 2V olunie MethodJJ.Numencal Heat T fans fer、Part B , 1993,23:269 2883

18、G D. Raitliby and E. H. Cliui. A Fmite 2V olunie Method for Predicting aRadiant Heat T rails fei in Enclosuies with PaiticipatmgMediaJ.J. Heat T ians fei ,1990,112:415 4234 P. H. Thomas. The S lze of Flames fiom Natiual Fues , 9th Svin p. On C onibustionM.London :a Academic Press hie., 1963. 8445 宇德

19、明开放环境中的池 火灾及其危险性分析J.燃烧科学与技术,1996,2(2 :95 1026 W. L. G lossliandlei. RADC A L :A Nanow 2band m odel for radiationcalculations in a combustion enviionment S.NISP T eclimcalNate, 19937 F LUE NT 6. 0, F LUE NT 6. Ousers guide , Fluent Inc. Z, 19988牛蕴.火灾环境中LPG储罐的热和力学响应的研究D.南京南京工业大学,2001.89 B. Droste , W. Sclioen. Full scale file tests with unprotected and tlieinial nisulted LPG storage taiiksJ.J. of Hazardous Materials ,198&20:41-53李丽霞等池火灾热辐射下的最小安全距91 第三期nr kWIliVOIh !r亠 (、lCt 1! ! W 贰“口 th 2-ii *M Mtn if *um v m.、