石油化工行业的火灾防范：液体燃烧参数式及其实用性

火灾是石油化工行业必须重点防范的事故。对于生产或存放易燃易爆的危险品场所，火焰强烈热辐射可以造成严重的人员伤亡和重大财产损失，还可能引发爆炸。液化天然气工程的安全设施中，消防设施属于一个非常重要的部分。

火灾分为6类，即池火、喷射火、火球、闪火、固体火和普通火灾。前面4类是由于可燃液体或气体泄漏而引发的。

1.池火

池火是可燃液体的液面上产生的自然燃烧。可燃液体泄漏到地面上或防护堤内，被点火源点燃的燃烧，或者敞开的容器内可燃液体的燃烧等均称为池火。池火模型一般按圆形液面计算。对于无边界阻挡的连续泄漏，随着液池面积扩大，燃烧速度加快，当燃烧速度等于泄漏速度时，液池直径达到最大。最大直径可按下式计算：

式中，D是液池直径（m）；Q是液体泄漏量（kg/s）；m_f是液体单位面积燃烧速率[kg/（m²·s）]。

（1）池火的燃烧速率 当液体沸点低于环境温度时，液体单位面积燃烧速率m_f按下式计算：

式中，c是常数，c=0.001kg/（m²·s）；H_c是液体燃烧热（J/kg）；H_v是液体在常压沸点下的蒸发热（J/kg）。

考虑液池大小对燃烧速率的影响，可按下式计算：

m_f=m_f∞[1-exp（-kβD）] （9-35）

式中，m_f∞是液体最大单位面积燃烧速率[kg/（m²·s）]；k是火焰的吸收衰减系数（m^-1）；β是气体有效厚度校正系数；D是液池直径（m）。

式（9-35）表明随着液池直径增大，单位面积燃烧速率增加，达到最大燃烧速率后保持不变。几种液体的燃烧参数见表9-31。

表9-31 几种液体的燃烧参数

（2）火焰辐射高度 池火的火焰高度按有风和无风两种情况计算。

无风条件下

有风条件下

式中，H是火焰高度（m）；D是液池直径（m）；m_f是液体单位面积燃烧速率[kg/（m²·s）]；ρ_a是空气密度（kg/m³）；g是重力加速度，g=9.8m/s²；u是10m高处的风速（m/s）；u_c是特征风速（m/s），uc，如果u＜u_c，则u/u_c=1。

式（9-36）和式（9-37）表明液池直径越大，火焰越高。在有风的情况下，火焰高度有所降低，但火焰向下，方向倾斜，下风方向的热辐射危害增大。图9-8示出风作用下池火改变。火焰在风的作用下，向下风方向延伸。直径改变为

D′=1.5D（u²/gD）0.069 （9-38）

火焰的倾斜角度为

式中，ν是空气的运动粘度（m²/s）；θ是火焰的倾角（°）。

也可采用简化公式计算：

假设大气的透射率为1，则火焰辐射强度为

式中，q是接收点的热辐射通量（W/m²）；τ是空气透射率；x是距池火中心的距离（m）。

图9-8 风作用下池火改变

（3）热辐射的危害程度 处于不同的位置，热辐射强度不同。人员在火焰热辐射环境下暴露极限见表9-32。一些物品点燃所需热辐射通量见表9-33。

表9-32 人员在火焰热辐射环境下暴露极限

表9-33 一些物品点燃所需热辐射通量

2.喷射火

高压气体从裂口高速喷出被点燃后，形成喷射火。喷射火的长度可以认为等于喷口到燃烧浓度下限的长度；热量认为是从中心轴线上一系列相等的辐射源发出。每一点源的热通量为

式中，f是燃烧效率因子，f=0.35；n是假设的点源数；Q是泄漏量（kg/s）。

距离点源x处所接收到热辐射通量为

式中，X_p是发射因子，X_p=0.2。(www.xing528.com)

总热通量是各点辐射的和。

3.火球

火球也称为沸腾液体扩展蒸汽爆炸（Boiling Liq-uid Expanding Vapour Explosion，简称BLEVE）。当压力容器受外界热量的作用，使容器材料强度下降，并突然破坏，容器内的过热液体或液化气体突然释放并被点燃，形成巨大火球。火球的危害主要是热辐射而不是爆炸冲击波，强烈的热辐射可能造成严重的人员伤亡和财产损失。

火球直径和火球持续时间可按下面的公式计算。

火球直径 D=5.8W¹/3 （9-43）

持续时间 t=0.45W¹/3 （9-44）

式中，W是火球中消耗的可燃物的质量（kg），对于单罐，W取罐容量的50%；对于双罐，W取罐容量的70%；对于多罐储存，W取罐容量的90%。

距火球在地面投影x处热辐射通量为

4.闪火

闪火是可燃蒸气云的非爆炸燃烧。燃烧速度虽然很快，但比爆炸要慢得多，因此危害主要是热辐射而没有冲击波。可以认为蒸气云浓度在气体爆炸上、下限之间的范围为闪火范围。但考虑到蒸气云本身的形状已经难以确定，而闪火的持续时间又很短，因此不考虑热辐射效应，只考虑闪火范围内的伤害。一般可认为闪火范围内的室外人员将很难幸免，建筑物内部分人员可能丧生。

5.爆炸

爆炸分物理爆炸和化学爆炸两大类。压力相对容器、锅炉、压缩气气瓶或液化气体钢瓶的爆炸，属于典型的物理爆炸。物理爆炸影响范围较小，一般不作为重大危险进行后果分析。化学爆炸包括不稳定固体或气体的爆炸、受限空间内可燃混合气体爆炸，以及开放空间的可燃气体蒸气云爆炸等，作为重大事故后果分析，最重要的是可燃气体泄漏引起的开放空间蒸气云爆炸。爆炸伤害准则如下：

1）超压准则。超压准则认为，爆炸波是否对目标造成伤害，是由爆炸波超压决定的，只有当爆炸波超压大于某一临界值时，才会对目标造成一定伤害。很明显，超压准则没有考虑超压持续时间。理论和实验部表明，爆炸破坏效应不仅与爆炸超压有关，也与超压持续时间有关，持续时间长则破坏更大。尽管如此，由于爆炸波超压容易测量和估计，所以超压准则是衡量爆炸破坏效应最常用的准则。

2）冲量准则。由于伤害效应不仅取决于爆炸波超压，而且与爆炸波持续时间有关，爆炸波冲量就是超压和持续时间的函数，因此用爆炸冲量衡量伤害后果是合理的。冲量准则是指爆炸波能否对目标造成伤害，完全取决于爆炸波冲量大小，如果冲量大于临界值，则目标被破坏。但是，有一点是明显的，对于一个很小的超压，作用时间再长也不会产生任何伤害，因此仅考虑冲量也是不完全的。

3）超压-冲量准则。超压-冲量准则综合考虑了超压和冲量两个方面。如果超压和冲量的共同作用满足某一临界条件，目标就被破坏。超压-冲量准则可以用下式表示：

（Δp-p_a）（I-I_cr）=常数 （9-46）

式中，Δp是超压；p_a是临界超压；I是冲量；I_cr是临界冲量。

6.蒸气云爆炸伤害模型

（1）TNT当量法 大量泄漏气体延迟点燃，可能发生闪火也可能发生爆炸，这取决于蒸气的状态和环境条件。空旷的开放空间倾向于发生闪火，封闭的或受限空间倾向于发生爆炸。蒸气云爆炸的能量常用TNT当量描述，即将参与爆炸的可燃气体释放的能量，折合为能释放相同能量的TNT炸药的量，这样，就可以利用有关TNT爆炸效应的实验数据，预测蒸气云爆炸效应。TNT当量计算公式如下：

式中，W_TNT是蒸气云的TNT当量（kg）；W_f是蒸气云中燃料的总质量（kg）；α是蒸气云爆炸的效率因子，表明参与爆炸的可燃气体的分数，一般取3%或4%；Q_f是蒸气的燃烧热（MJ/kg）；Q_TNT是TNT的爆炸热，一般取4.52MJ/kg。

对于地面爆炸，由于地面反射作用使爆炸威力几乎加倍，一般应乘以地面爆炸系数1.8。

爆炸中心与给定超压间的距离可以按下式计算：

x=0.3967W^1/3_TNTexp[3.5031-0.7241lnΔp+0.0398（lnΔp）²] （9-48）

式中，x是距离（m）；Δp是超压（lbf/in²）。

爆炸涉及的总能量中，只有一小部分真正对爆炸起作用，这一分数称为效率因子。效率因子是爆炸后果分析中最重要也是最难准确知道的参数，其范围为2%～20%。对于多数脂肪烃通常推荐值是3%；对于某些烯烃大约是6%。含氧燃料趋向于高的效率因子，可以达到16%～18%。表9-34列出了部分化学物品的效率因子。超压的损害效应见表9-35。压的凝聚相爆炸，因此，TNT当量法又低估了远场的破坏效应。尽管如此，TNT当量法仍是应用最广泛的爆炸后果分析方法。

（2）概率模型 可以用概率模型描述超压造成的轻、重伤以及死亡情况。下式是超压与致死的概率模型：

P_t=2.47-1.37lnΔp （9-49）

式中，P_t是概率；Δp是超压（lbf/in²）。

概率与死亡率的关系见表9-36。P_t=5时的死亡率为50%。根据式（9-49）可求出相应的超压是13lbf/in（90.4kPa）。

表9-34 部分化学物品的效率因子

表9-35 超压的损害效应

TNT爆炸产生极高的压力，使邻近区内所有装置完全破坏，但实际蒸气云爆炸事故现场显示，近场区的超压要比TNT当量法预计的低。基于此数据，有建议蒸气云爆炸最大超压限制在0.1MPa。另外，由于蒸气云爆炸超压持续时间长，破坏效应大于相同超

表9-36 概率与死亡率关系

根据超压-冲量准则和概率模型得到的死亡半径计算式如下：

财产损失半径可按下式计算：