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石油储罐火灾状态下临近储罐冷却技术分析

2024-09-02 95 上传者：管理员

摘要：围绕石油储罐火灾机理展开分析，以国内外储罐火灾事件作为研究对象，阐述临近储罐的冷却标准以及冷却做法，如健全消防系统、强化消防车辆装备配置，并提出水冷却技术的应用路径，充分利用储罐冷却系统，强化固移结合，为消防灭火救援提供理论支撑。

关键词：
水冷却
消防
灭火
热辐射能量模型
石油储罐
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储罐火灾是指在储罐内发生的火灾事故，通常是由于可燃物料的泄漏、积聚，在遇到火源时引发的。其特点在于容易造成多米诺反应，一旦火灾扑救效果达不到预期标准，很可能造成罐顶破裂等问题，甚至发展成罐群火灾。虽然我国对此已提出了一系列切实有效的应对措施，但对于相邻储罐的冷却处理，则一直缺少公认的观点。基于此，结合国内外储罐火灾典型案例，考虑储罐设计形式以及生产需求，提出临近储罐的冷却方法，旨在降低危险事故的形成，强化储罐的风险防控水平。

1、石油储罐火灾机理分析

石油储罐火灾状态主要表现为密封圈火灾、防火堤火灾以及储罐敞口火灾，根据实际调查显示，在过去30年内产生的60起储罐火灾事故中，三类火灾事故的占比分别为90%、8%、2%。其中，我国最典型的储罐火灾事故为大连2010年出现的输油管道断裂泄漏，在产生火灾后，由于当时供电消防系统处于异常运行状态，导致消防泵无法正常启动，在电缆烧损后，切断阀也因位于防火堤内部，造成油源难以第一时间切断。在火灾持续蔓延的情况下，进一步加大了事故破坏范围。根据数据统计显示，该事故最终造成近2亿元的经济损失，超过600 m3的原油流失。而国外发生的典型储罐火灾事故，莫过于2009年波多黎各的油库火灾，累计约10座油罐产生敞口火灾，并在热辐射影响下，进一步扩大了受灾面积。通过对此类石油储罐火灾进行研究发现，造成事故危害的原因主要表现为：储罐防控体系不够完善，环境把控质量不过关，静电、明火等问题没有得到有效根治，同时，当事故出现时，工作人员也往往会失去冷静判断，导致火灾事故没有第一时间得到抑制，油品溢流、火灾复燃等现象反而会扩大危险事故的影响。为解决上述问题，急需相关企业设计健全的储罐风险防控机制，采取具有针对性与适用性的冷却技术，保证油气企业生产安全。

2、石油储罐火灾状态下临近储罐冷却标准与实践路径

(1)国内方面。

我国在石油储罐的管理方面，明确提出需要在出现石油储罐火灾时，及时冷却着火储罐以及相邻储罐，并在石油库设计规范中进一步阐述，对于着火浮顶储罐需要采取冷却处理，而对于相邻浮顶储罐则可省略冷却操作。但根据调查显示，我国在以往多次储罐火灾救援环节，扑救现场的实际需求与标准条例存在一定差距。许多学者选择依靠涡流火灾动力学模拟模型进行石油储罐火灾的燃烧机理仿真分析，最终得出以下结论：无论是在无风情况下，还是在微风情况下，都可省略浮顶罐的冷却操作。原因是无风情况下，常规温度控制措施便能够取得理想效果，不需要额外的冷却操作，微风情况下，空气流动有助于散热，可以减少火灾的风险。因此，特定的气象条件下，省略浮顶罐的冷却操作合理，但需要注意一点，即在其他情况下，特别是在强风或高温环境下，仍然需要进行冷却操作以确保储罐的安全。例如，处于中级风力情况时，要对下风向的相邻浮顶罐实施冷却作业，通过向储罐注入冷却水或者在浮顶罐周围设置冷却装置的做法，降低储罐内部的温度并防止火势蔓延，从而保护相邻的储罐不受火灾的威胁。在实施冷却操作时，应该严格遵循相关的安全操作规程，确保冷却操作本身不会引发其他安全风险，同时还要保证冷却水的供应和排放符合环保标准。另外，在操作时还要进一步考虑相邻储罐受到的影响因素，包括安全距离、消防道路以及储罐本身的设计质量，并参考我国以往成功的储罐火灾救援案例，根据临近储罐间的相互影响条件，以降低罐体温度为首要治理目标，并在储罐灭火后，持续喷射泡沫液，彻底消除火灾死角，控制油气挥发，规避复燃问题。此外，在实施冷却作业时，还要考虑以下因素[1]。

在进行火灾救援时，大多数石油企业依托储罐自带的消防泡沫系统，并在油库等重点单位建立专职消防队，并与消防救援队伍建立了良好的联勤联动机制。但许多企业的消防系统，其泡沫供给强度严重不足，泡沫喷射过于分散，不利于灭火工作的顺利实施，也难以起到控制火灾蔓延的作用，最终被迫对临近储罐采取冷却处理。对此，我国石油库设计规范中进一步明确，消防系统的泡沫供给强度需要确保在2.5 L/(min·m2)以上，至于相邻储罐的冷却水供应强度则要在2L/(min·m2)以上[2]。以某油库为例，已知该油库的容量为1000 m3，根据行业规定，油库的消防系统的供液流量应为油库容量的10%，即100 m3。冷却水流量为供液流量的50%，即50 m3。由于消防系统需要与供水系统相连，因此，要考虑供水系统的供水能力，实测可知，供水系统的供水流量为200 m3/h，超过了消防系统的需求，消防车灭火、冷却能力为30 m3/h[3]，假设每辆消防车都同时进行灭火冷却工作，则需要的消防车3.33辆。

(2)国外方面。

以美国为例，为有效应对石油储罐的火灾状态，在常压储罐灭火处置中明确提出，对于受到火焰冲击的罐体，或者出现罐壁受热变形的储罐，需要第一时间进行冷却操作。而对于可能影响储罐灭火的临近储罐来说，则要进一步考虑环境把控水平，评估热敏感物质被引燃的可能性，全面判断烃类物质泄漏所造成的不良影响。在常压储罐灭火处置中，对于储罐的冷却操作更多的保持谨慎管控，将热辐射强度损坏储罐的情况作为研究对象，将其确立为冷却处理最优级。而在消防系统的设计方面，则没有专门配置冷却水系统，场地内的泡沫系统主要作为储罐扑救设施，凭借高供给强度的泡沫罐，保证局部性火灾得到有效扑救。

与我国相比，许多发达国家在储罐防火措施的编制设计上更加成熟，更倾向于采用大功率、移动式泡沫喷射装置，进行全液面火灾、防火堤火灾的应对，此类装置的特点在于，能够保证瞬时流量超出40000 L/min，从而第一时间形成泡沫覆盖层，并且美国消防协会还提出，要将泡沫灭火强度设置在6.5～10.2 L/(min·m2)。以规格在10×104m3的浮顶罐为例，在进行敞口火灾扑救的过程中，需要保证泡沫喷射系统的灭火强度能够达到9 L/(min·m2)。至于密封圈火灾，则要在泡沫供给强度上保持4 L/(min·m2)，上述数值均高于我国石油库设计规范中提出的各项标准值。再以美国某炼油厂规格为5×104m3浮顶罐火灾为例，在火灾扑灭环节，共有12辆消防车参与了该次行动，在12辆消防车中，有5辆消防车配备了用于快速响应火灾并进行近距的灭火作业的车载炮，此外，还有3辆消防车携带了能够满足不同角度和距离的灭火需求的移动炮。企业采用双门泡沫炮，流量分别为500 L/s、250 L/s，在长达70 min的灭火作业后，成功扑灭火源，累计消耗泡沫液大约在100 t，泡沫供给强度大约在9.8 L/(min·m2)，符合设计规定中的各项要求。装备有消防水炮的消防车，在灭火行动中发挥了重要作用，其中，车载炮能够提供高压水柱喷射，将水流直接对准火源，迅速降低火势，移动炮则可以通过角度和距离的调整，灵活喷射水柱扑救，为灭火行动提供有力的支持。由此可见，相较于国内灭火救援来说，国外无论是在储罐防火距离的设计上，还是在泡沫强度的设计上，都更求稳，即便材料耗费较高，也要切实保障灭火质量。

基于此，我国众多学者积极参考国外成功的救火案例，并依托数学模型，结合储罐火灾燃烧机理，进一步推算适合的储罐防火距离，并充分考虑环境管理成效对储罐质量产生的影响。最终发现，热辐射是临近储罐与着火储罐之间，最重要的热量传递渠道，因此在后续冷却处理时，需要尽可能降低储罐罐体遭受的热辐射强度，并维持在24kW/m以下，并将其作为参考依据，确定冷却水的供给时间。起火罐全面燃烧的情况下，计算冷却水流量，需要考虑火源的温度、储罐的结构和尺寸、水的喷射方式等因素。首先，估算石油储罐表面的总热辐射强度，圆柱形储罐的表面积A可以通过下式计算得到：

A=2πrh+πr2

其中，r为储罐的底部半径，m，h为储罐的高度，m。随后，使用斯特藩—玻尔兹曼定律，估算单位面积的热辐射强度，根据该定律，单位面积的热辐射强度E与温度的四次方成正比，假设火源温度为T，℃，则热辐射强度可以表示为：

E=σT4

其中，σ为斯特藩—玻尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/(m2·K4)。得到热辐射强度后，从热辐射强度转换到水流量Q的关系，即：

Q=KE

其中，Q为水流量，L/s，E为热辐射强度，J/cm2·min。已知热辐射强度需要降到24 kW/m，因此，可将Q和E代入上述公式，求得经验系数K：

Q=K×24

将K代入上述公式，可得：

24=KE

K值可通过实验或经验数据确定。确定K值后，便能够计算出热辐射强度，进而得出灭火所需冷却水流量。

3、石油储罐火灾状态下临近储罐冷却技术的应用方法

(1)固定冷却。

固定式水冷却，可进一步划分成几种类型，包括，水罐壁漫流式，是指当出现火灾问题，水冷却系统能够自动启动控制阀，从而向储罐喷水，该冷却方式更多的运用在球罐当中，采用穿孔管、喷头等设计结构，相较于移动式冷却技术来说，水罐壁漫流式冷却的优点在于水流利用率较高，无需过多的管道配置，也不易被外界因素影响，能够保证瞬时启动，具有极高的推广价值。但也存在当储罐内部介质出现燃烧，会产生炭沉积层，使漫流水逐渐脱离罐体表面，最终无法形成水膜，从而破坏冷却效果，而在储罐底部，也容易产生供水不足的现象；水喷淋以及水喷雾，此类设备的特点在于管道配置数量相对较多，在喷头设置时，需要打造成网格结构，以此确保罐体供水均匀，但要注意，该系统在实际应用时容易受火灾事故影响，造成喷头堵塞，不利于后续检修作业以及维护作业的实施。更适用于火焰条件相对均匀的临近储罐冷却处理，但对于因喷射火引发的火灾事故，则会受到火焰不均匀特性的影响，导致喷淋效果达不到预期标准。该方法的主要原理表现为，优先冷却火焰，之后阻挡火焰热辐射，再完成储罐保护面的冷却，在操作过程中，需要适当调节设备的喷水压力，进而产生较强的势能，提高冷却效果。固定水泡式，该冷却形式的特点在于供水速度较快，且不易受到火灾事故的影响，也能有效避免堵塞问题的形成。在使用时需要工作人员科学选取布设方法，保证水能够充分覆盖储罐表面，并集中喷射，在降低用水量的同时，也能提高冷却效率，但要注意，喷射时需要结合风力影响，调控喷水压力。

(2)移动冷却。

移动冷却是指凭借消防专用喷射装置，依托人工作业的方法，对指定目标进行喷水降温，此类方式的优势在于灵活度高、操作便捷，但也存在人工作业不利于科学调控，蒸汽爆炸事故需水量高，容易出现供水量不足的问题，并且该方法也容易受到火焰强度、场地空间等多种因素的制约，若人员与火源相隔距离较短，甚至会产生生命危机。该技术常用的冷却剂包括水和泡沫，对于石油储罐火灾，使用水冷却是最常见的方法，这是因为水具有良好的冷却效果，可以吸收燃烧过程中释放的热量。针对不同情况下的火灾，消防人员需要根据实际情况确定所需的流量，起火罐火灾通常需要较大的流量控制火势和冷却起火罐，可以考虑使用大流量的消防水枪，起火罐全面燃烧时，建议使用更大的流量，确保火势得到有效控制。针对与起火罐距离较远的其他储罐，可以在保证冷却效果的前提下，视情况减小流量。对于消防车的流量参数和所需数量，主要取决于火灾规模以及需要冷却的储罐数量。消防车通常具备不同流量的喷水枪和灭火系统，可以根据需要进行调整，大规模的石油储罐火灾，通常需要多辆消防车提供足够的流量和灭火能力，实际消防行动中，消防人员应根据火灾规模、需要冷却的储罐数量决定所需的消防车数量。

4、结束语

通过对石油储罐火灾机理与特点开展分析讨论，阐述国内外对于石油储罐火灾状态下临近储罐的冷却标准以及实践措施，并提出水冷却技术的应用路径以及冷却系统的设置方法，以此提高火灾的扑救效率，避免产生火灾蔓延，依托消防泡沫系统、优化储罐设计等形式，切实强化储罐的风险防控水平，促进企业的安全运营。

参考文献:

[1]黄龙飞,曹锋.跨临界CO2循环中过冷强化技术的发展综述[J].流体机械,2021,49(1):88-96.

[2]牛斌,童文龙.LNG储罐与管道的冷却方法研究[J].天然气与石油,2020,38(1):54-60.

[3]钟婷,邓成中.高喷消防车的消防炮控制系统设计[J].电子产品世界,2023,30(10):33-38.

文章来源:张心宇.石油储罐火灾状态下临近储罐冷却技术分析[J].石化技术,2024,31(08):25-27.