收稿日期：2011-11-25；修回日期：2011-12-09
作者简介：
郭小芳：女，1981年生，硕士，工程师。主要从事环境影响评价、清洁生产审核与污染治理等方面的研究。E-mail:
guo0943@126.com.
Northwest Research Institute of Mining & Metallurgy, Baiyin 730900, Gansu, China
Abstract: In view of existing environmental risk in oil storage, the impact of thermal radiation and shock wave due to oil tank explosion is predicted and evaluated, and the influences of toxic smoke produced from fire accidents on surrounding environment are predictively analyzed.
Key words:
oil storage fire explosion toxic smoke
一般油库储存的成品油—汽油、柴油等属于甲、乙类火灾危险性油品，挥发和泄漏的油蒸气非常容易达到燃烧爆炸极限，储油库区是典型的重大工业危险源。一旦储罐区发生火灾，往往形成大面积燃烧，火灾波及的范围广，经常是“一罐失火，四邻遭灾”，殃及周围储罐或建筑；而且火灾持续时间长，扑救困难，人员和财产损失巨大。因此，了解油库储罐区火灾的危险性，有效地查改储罐区消防工作的漏洞和消防设施的缺陷，设置合适的安全防护距离，是保证油库安全储存的重要保障。
以甘肃地区某油库为例，选择油库常见的3 000 m3汽油储罐和5 000 m3柴油储罐，利用池火灾模型和蒸气云爆炸模型，分析储油罐发生火灾、爆炸等事故产生的环境影响；采用多烟团扩散模式，计算事故后释放的气体扩散对周围环境的影响。
1 油库火灾危害分析
在油库潜在的危害事故中，油罐火灾是常见的一类灾害事故。在开放环境中，油罐火灾产生巨大破坏作用，造成人员伤亡和财产损失的主要原因是热辐射。相对于爆炸和毒气泄漏，油罐火灾的直接破坏范围不大，但由于热辐射影响其他设备(如相邻储油罐)从而产生多米诺效应，使得事故范围和破坏程度升级[1-3]。
油库发生火灾时，一般火势迅猛，并伴随着可燃性混合气体的爆炸，使油罐遭到破坏，形成池火燃烧。池火使周围物体和人员受到热辐射的危害，影响范围和危害程度计算如下。
(1) 泄漏后液池最大半径估算
根据储存物质的特点，储罐区发生泄漏后，油品将被截留在防火堤内，形成液池，遇到火源时会引起池火灾。液池最大直径取决于泄漏点附近的地域构型、泄漏的连续性或瞬时性，有围堰时，以围堰最大等效半径为液池半径。按不利情况考虑，液池面积取罐区防火堤内有效面积，根据防火堤面积推算出等效半径为液池半径。
(2) 池火灾火焰热辐射评价模型[4]
①燃烧速度mf。由于储存物质的沸点均高于周围环境温度，液体表面上单位面积的燃烧速度可通过式(1)计算：
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(1) |
式中：mf为燃烧速度，kg/(m2·s)；Hc为液体高位发热量，J/kg；Cp为液体的定压比热，J/(kg·K)；Tb为液体的沸点，K；T0为环境温度，K；H为储存物质的气化热，J/kg。
② 火焰半径Rf
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(2) |
式中：Rf为火焰半径，m；S为液池面积，m2。
③ 火焰高度L。
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(3) |
式中：L为火焰高度，m；ρ0为周围空气密度，取1.293 kg/m3；g为常数，9.8 m/s2。
④ 热辐射通量Qf。
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(4) |
式中：Qf为热辐射通量，W；η为效率因子，可取0.10~0.35。
热辐射通量的计算参数和计算结果见表 1。
表 1
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表 1 池火灾后果计算结果
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(3)池火灾热辐射模型损失评价
火灾通过辐射热的方式影响周围环境，当火灾产生的热辐射强度足够大时，可使周围的物体燃烧或变形，强烈的热辐射可能导致设备甚至人员伤亡等。火灾损失估算建立在入射通量与损失等级的相应关系基础上，不同入射通量造成的伤害或损失情况见表 2。
表 2
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表 2 热辐射的不同入射通量所造成的损失
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假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离液池中心某一距离r处的入射热辐射强度I可通过式(5)计算：
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(5) |
式中：I为热辐射强度，kW/m2；Qf为火焰表面辐射通量，kW；tc为热传导系数，在无相对理想的数据时，可取为1.0；r为目标点到液池边界距离，m。
汽油罐、柴油罐单个油罐发生火灾时，其池火灾伤亡计算结果见表 3。
表 3
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表 3 池火灾伤亡半径计算结果
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从计算结果可知，以汽油罐为中心，在距离池火中心117.87 m的距离内，10 s内1%人员死亡，操作设备全部损坏；在距离池火中心内径117.87 m，外径为142.39 m的圆环区域内，将造成大部分人员重伤，无火焰、长时间辐射下可使木材燃烧；在距离池火中心内径142.39 m，外径为194.51 m的圆环区域内，将造成大部分人员轻伤，可熔化塑料；在距离池火内径194.51 m，外径为324.33 m的圆环区域内，持续20 s以上感觉疼痛，但未必起泡，基本无影响；在距离池火324.33 m以外区域，将不受影响。
根据以上分析可知，3 000 m3汽油储罐要达到“财产不受损失”，人员“长时间辐射无不舒服感”危害程度以下，必须保证罐体的环境风险防护距离大于492 m+9 m=501 m。
参照GB 50074-2002《石油库设计规范》及GB 50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》中对于石油库与周边居住区、工矿企业、交通线路等安全距离的要求，一级石油库安全距离设定至少100 m(距离爆炸作业场地，如采石场，为300 m)。经计算可知，3 000 m3汽油储罐要达到“造成人员伤亡”危害程度以下的安全距离设置117.87 m，达到“财产不受损失”，人员“长时间辐射无不舒服感”危害程度以下，罐体的环境风险防范距离大于500 m。因此，根据实际预测结果，综合考虑库区储罐布局，设置的安全距离可以符合GB 50074-2002及GB 50183-2004要求。
2 油库储罐爆炸事故分析
(1) 物质爆炸量估算
油库区存储物质发生爆炸，按不利情况考虑，取爆炸时储罐内物质存储量达到其安全容积(即罐容的85%)，起火爆炸时的燃烧率为33%，则计算出各物质爆炸量分别为汽油631 t，柴油1 178 t。
(2) 预测模式
采用爆炸与损害的直接估算等级法[3]，见式(6)。
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(6) |
式中：R(s)为损害半径，m；C(s)为经验常数，m·J－1/3；Ee为爆炸总能量，J；N为效率因子，即Ee在压力波传播中的比例，取10%。
(3) 爆炸的损害特性
爆炸的损害特性见表 4。
表 4
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表 4 爆炸的损害特性
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(4) 预测结果
预测结果见表 5。
表 5
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表 5 爆炸的损失半径R(s) (m)
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由计算结果可以看出，以柴油单罐发生爆炸为例，以爆炸源为中心，人员伤亡，财产损失的影响范围为：在距离爆炸源中心514 m的距离内，为重度伤害区，1%人员死亡，操作设备全部损坏；在距离爆炸源中心内径514 m，外径1 029 m的圆环区域内，为中度伤害区，将造成大部分人员重伤，对建筑物可造成外表损伤；在距离爆炸源中心内径1 029 m，外径为2 572 m的圆环区域内，为轻微伤害区，将造成大部分人员轻伤，玻璃破碎；在距离爆炸源6 859 m以外区域内，对人体基本无影响。根据以上分析，发生爆炸时环境风险防范距离定为2 600 m。安全距离的设置根据实际预测结果，综合考虑库区储罐布局，设置的安全距离可以符合GB 50074-2002及GB 50183-2004要求。
油罐火灾热辐射影响主要在油罐区。汽油、柴油在燃烧过程中同时会伴生大量的烟尘、CO、SO2和NO2等污染物，会在短时间内对周围环境产生不利影响。由于油库来油硫含量很小，燃烧过程中SO2产生量不大，但不完全燃烧产生的CO毒性较大，对人体健康产生的危害较大。对油品储罐燃烧过程中产生排放的CO在环境空气中的扩散进行预测，评价因油库储罐燃烧对评价区环境空气质量造成的影响。
(1) 计算模式
火灾事故有害物质的释放属于突发性释放，采用HJ/T 169-2004《建设项目环境风险评价技术导则》中的多烟团扩散模式，计算事故后释放的气体扩散，见式(7)。
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(7) |
式中：C(x, y, 0)为下风向地面坐标处的空气中污染物浓度，mg/m3；x0, y0, z0为烟团中心坐标；Q为事故期间烟团的排放量；σx、σy、σz为X、Y、Z方向的扩散参数，m。常取σx=σy。
(2) 计算源强
油罐发生火灾和爆炸后，油品的急剧燃烧所需供氧量不足，属于典型的不完全燃烧，燃烧过程中产生CO量很大，将油罐燃烧过程中CO排放情况进行预测。取爆炸时储罐内物质存储量达到其安全容积(即罐容的85%)，起火爆炸时的燃烧率为33%，CO产生量取0.24 kg/m3。5 000 m3柴油储罐比3 000 m3汽油储罐发生火灾释放出更多污染物，因此，选取5 000 m3柴油储罐计算，单座5 000 m3柴油储罐火灾时CO的排放源强为93.5 g/s。
(3) 计算结果
假定单座储罐一次火灾时间为1 h，从火灾发生后5 min至结束后110 min内，柴油燃烧产生烟气中CO在下风向轴线扩散浓度分布的预测情况见表 6和图 1。
表 6
表 6 油罐火灾时CO浓度预测结果 (mg/m3)
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表 6 油罐火灾时CO浓度预测结果 (mg/m3)
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(4) 预测分布
D稳定度、平均风速(1.7 m/s)条件下不同预测时间预测结果见表 7。
表 7
表 7 D稳定度、平均风速条件下不同预测时间预测结果
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表 7 D稳定度、平均风速条件下不同预测时间预测结果
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由预测结果可知，火灾事故发生后，烟气中CO的扩散最大落地浓度为1 233.34 mg/m3，出现在火灾源下风向约18.3 m范围内，该浓度远低于CO的急性中毒低限值，基本不会引起人体中毒反应。短时间接触浓度超标范围出现在711.9 m范围内，在此范围内人员短时间接触火灾烟气会出现中毒反应；没有出现达到半致死浓度区域，不会造成人员中毒死亡。
4 结论
从池火灾模型和蒸气云爆炸模型计算结果可知，汽油、柴油储罐如果发生火灾，如在防火堤所围的面积之内，对四周的影响仅为热辐射，影响范围较小；若储罐发生爆炸则影响范围就相当大。所以，一旦发生火灾必须立即有效地对罐壁进行冷却，及时扑救，尽量降低物料蒸发程度，防止发生蒸气云爆炸事故出现。
随着国内石油化工工业的发展以及国家原油战略储备库项目的实施，油罐的大型化将成为发展的必然趋势。如此巨大的油罐一旦发生火灾爆炸，其后果是难以想象的。油罐的火灾爆炸事故危害极大，不仅严重威胁人民生命安全，还给国家和企业带来重大经济损失。据统计[6]，在油库事故中，火灾爆炸事故占事故总数的42.4%以上。而在油库着火爆炸事故中，油罐着火爆炸事故数占总爆炸事故数的25.6%。因此，做好事故预防非常重要。
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胡二邦. 环境风险评价实用技术和方法[M]. 中国环境科学出版社.
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马普利, 郭小芳.中国石油甘肃销售公司白银油库扩容工程环境影响报告表[R].西北矿冶研究院, 2010年7月.
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2012, Vol. 41