Фэнюнь Чен, Чао Хань. Исследование противопожарных характеристик портового резервуара для хранения сырой нефти на основе Pyrosim

Исследование противопожарных характерист ик портового резервуара для хранения сырой нефти на основе Pyrosim

Фэнюнь Чен a, Чао Хань b,*

Научно-исследовательский центр технологий безопасности и чрезвычайны х ситуаций, Китайский научно-исследовательский институт водного трансп орта, Пекин, Китай achenfy@wti.ac.cn, hanchao@wti.ac.cn

Абстрактный. Для изучения влияния скорости ветра на процесс р азвития пламени, форму пламени пролива и распределение теп лового излучения после возникновения пожара по всей поверхн ости портового резервуара для хранения сырой нефти в програм ме Pyrosim была создана модель пожара резервуара для хранени я сырой нефти объемом 50000м3 при различных скоростях ветра.

Численное моделирование показывает, что после того, как в одн ом из резервуаров произошел пожар по всей поверхности бассе йна, тепловое излучение, получаемое соседними резервуарами, при большой скорости ветра превышает критическое значение теплового излучения, которое очень легко перекинуться в пожа р многотанкового бассейна. С увеличением скорости ветра высо та и длина пламени пожара бассейна постепенно уменьшаются, а угол наклона пламени увеличивается. С увеличением скорости ветра зона сильного излучения постепенно распространяется в направлении с подветренной стороны, и в резервуаре с подветр енной стороны может возникнуть авария с непрямым распростр анением пожара в бассейне.

Ключевые слова: сырая нефть; резервуар для хранения; пожар в бассейне; численн

1 Введение

В условиях быстрого развития экономики Китая объем перевозок опа сных грузов по водным путям Китая продолжает неуклонно расти. В н астоящее время Китай построил в портах более 8000 резервуаров для хранения опасных грузов общей емкостью более 100 миллионов куби ческих метров и годовым оборотом более 500 миллионов тонн. Типы хранения и транспортировки в основном включают сырую нефть, оч ищенную нефть, природный газ и жидкие химические продукты[1]. Су ществует множество хранилищ и транспортных средств для портовых резервуаров, большой объем погрузочно-разгрузочных операций и о тносительно сконцентрированные места хранения. Существуют боль шие потенциальные риски для безопасности и скрытые опасности не счастных случаев. Аварии с пожарами и взрывами в нефтяных резерв уарах в стране и за рубежом происходили неоднократно, вызывая сер ьезную угрозу социальной безопасности и гибель людей и имуществ а[2].

В типичном режиме пожара наибольший диапазон опасности имее т полноповерхностный пожар бассейна [3]. Наиболее серьезным возд ействием после пожара резервуара для хранения является тепловое излучение. Пожарный резервуар выделяет большое количество тепл ового излучения, что приводит к возгоранию или даже взрыву соседн его резервуара. В то же время большое количество радиации

K. Yuen et al. (eds.), Proceedings of the 2025 International Conference on Engineering Management and Safety

Engineering (EMSE 2025), Advances in Engineering Research 267, https://doi.org/10.2991/978-94-6463-780-9_18

Study on Pool Fire Characteristics of Port Crude Oil Storage Tank

Тепло, выделяющееся при сгорании масла, также представляет серье зную угрозу для жизни инспекторов и пожарных.

В стране и за рубежом исследования пожаров в крупных нефтяных резервуарах в основном проводятся с трех аспектов: эксперимент, те оретический анализ и численное моделирование. С развитием экспе риментов по пожарам в больших нефтяных резервуарах и технологи й численного моделирования использование программного обеспеч ения численного моделирования для анализа пожаров в больших не фтяных резервуарах становится все более и более обширным. Pourker amat[4] исследовал влияние размеров бассейна и расстояния до него на структурное поведение тонкостенных резервуаров. Ахмед [5] изуч ил картину распространения катастрофы по принципу домино под вл иянием пожара. Результаты показывают, что падающий тепловой по ток из-за наклона пламени удваивается по величине с увеличением на четыре порядка вероятности эскалации для наиболее пострадавш его танка, усиливая его уязвимость.

При численном моделировании пожаров в крупных резервуарах д ля хранения сырой нефти обычно рассматриваются частые сценарии возгорания. Существует мало исследований наиболее серьезных сце нариев пожаров по всей поверхности, а моделирование последствий крупных пожаров в резервуарах для хранения сырой нефти при разл ичных ветрах окружающей среды не носит систематического характе ра. Основываясь на этом, в данной статье используется численное м оделирование для анализа формы пламени, распределения тепловог о излучения и его ущерба для персонала в результате пожара в бассе йне с жидкостью по всей поверхности со скоростью ветра 0-10 м / с в резервуаре для хранения 50 000 м 3, обычно используемом в районе р езервуара для сырой нефти на основе пиросима, который обеспечив ает справочную информацию для анализа рисков безопасности и экс тренной помощи при пожарах в резервуарах для хранения сырой не фти.

2 Материалы и методы

2.1 Имитационная модель

В данной статье для численного моделирования используется програ ммное обеспечение Pyrosim. Точность результатов трехмерного моде лирования пожара, полученного с помощью программного обеспече ния, была проверена различными экспериментами и широко исполь зуется при моделировании пожаров в больших помещениях, таких к ак заводы, подземные переходы и здания [6].

Рис. 1. Численная модель, расположение сетки и детектора

В этой статье построен резервуар для хранения с внутренней плава ющей крышей емкостью 50 000 м 3 и внутренним диаметром Ч высотой φ 60,0 м Ч 20,0 м, а также создана соответствующая численная модель м оделирования. Размер расчетной области составляет

parameters

190 F. Chen and C. Han установлено значение 210 мЧ120 мЧ300 м, используется равномерная кубическая сетка. Размер сетки составляет 1,5 мЧ1,5 мЧ1,5 м, всего око ло 9 миллионов сеток. В то же время детектор радиационного теплов ого потока расположен с наветренной и с подветренной стороны рез ервуара-хранилища. В плоскостях высоты резервуара (20,0 м), От края резервуара до 3-кратного диаметра детектор потока теплового излуч ения располагается с интервалом в 0,1 диаметра резервуара, как пока зано на рис. 1.

2.2 Параметры материала

В процессе моделирования материалом резервуара для хранения яв ляется стальная пластина, материалом грунта является бетон, четыре боковые и верхние поверхности окружающей области численного м оделирования устанавливаются на границу ОТКРЫТО, а для масляног о бака и земли устанавливается граница INERT, что позволяет избежа ть накопления тепла в области сетки и повлиять на результаты модел ирования. Значения параметров теплофизических и химических сво йств[7] приведены в таблице 1.

Таблица 1. Таблица параметров теплофизических и химических свойств материалов material

Steel

Concrete

Thermal conductivity ( W/m·K )

49.8

1.0 specific heat ( kJ/kg·K )

0.47

0.8

Thermal diffusivity (%)

1.77Ч10-5

5.7Ч10-7

Material thickness (m)

0.1

1.0

Density (kg / m3)

Emissivity (%)

0.45

0.95

2.3 Параметры моделирования

Настройка параметров моделирования включает в себя время модел ирования и условия окружающей среды. В этой статье среднегодовая температура в районе резервуара-хранилища составляет 15,2 ℃, сред негодовое атмосферное давление — 101,6 кПа, среднегодовая относи тельная влажность — 80%, а время моделирования — 60 с.

Поскольку порт прекращает работу, когда ветер превышает шесть уровней, в этой статье в качестве моделируемой скорости ветра выб рано 0–10 м/с с интервалом 1 м/с для точного изучения закона влияни я скорости ветра.

2.4 Настройка источника огня

В Pyrosim установка источника огня является очень важной частью. Те кущий имитационный расчет обычно рассчитывает фиксированную скорость тепловыделения на единицу площади путем объединения т еплофизических и химических свойств топлива с моделью расчета ск орости сгорания.

Скорость сгорания сырой нефти составляет 0,0732 кг/(м2с), рассчитан ная по формуле Бабраускаса. В сочетании с теплофизическими и хими ческими свойствами сырой нефти, указанными в Таблице 2,

Исследование характеристик пожара в портовом резервуаре для хранен медианное значение эффективности сгорания составляет 0,765, а ско рость тепловыделения на единицу площади сырой нефти рассчитыва ется как 2373 кВт/м2.

ТаТаблица 2. Таблица параметров теплофизических и химических свойств сырая нефть parameter material combustion heat (kJ/kg)

42700 maximal combustion rate (Kg/m2)

0.027-0.119

Density (kg/m3)

Thermal conductivity (W/m·K)

0.14 specific heat (kJ/kg·K)

2.4 combustion efficiency (%)

0.68-0.85

2.5 Ограничения моделей и параметров

Из-за ограничений Pyrosim в настройке геометрической модели цили ндрический резервуар невозможно построить напрямую. В этой стат ье цилиндрический резервуар приближенно заменен комбинацией нескольких треугольных призм. В то же время из-за сложных характе ристик сырой нефти параметры, заданные при численном моделиро вании, не могут полностью соответствовать реальным свойствам, а р езультаты расчетов будут давать определенные ошибки. Однако наст ройка параметров была максимально практичной, и погрешность на ходится в пределах контролируемого диапазона.

3 Результаты и обсуждение

3.1 Анализ скорости тепловыделения пламени (HRR)

Из рис. 2(а) видно, что в открытой среде время, необходимое для сгор ания сырой нефти от воспламенения до наиболее интенсивного горе ния, очень мало, достигая пика около 10 с. Этот пик представляет соб ой максимальную стадию развития пламени, причем пик скорости те пловыделения здесь явно скачет. Из рис. 2(б) видно, что по мере увел ичения скорости ветра ветер обеспечивает больше кислорода для го рения и способствует реакции горения. Поэтому пик HRR увеличивае тся и достигает максимума при скорости ветра 3 м/с. После этого резе рвуар находится в нестабильном состоянии на начальном этапе горе ния из-за ветра, и его воздействие подавляет ветер, способствуя эфф екту горения, поэтому пик HRR снижается. Когда скорость ветра соста вляет 10 м/с, значение HRR примерно на 16,2 % ниже пикового значен ия HRR при статическом ветре и на 34,9 % ниже, чем при скорости вет ра 3 м/с. После этого этапа скорость тепловыделения постепенно сни жается и диапазон колебаний сокращается.

3.2 Анализ морфологии огненного шлейфа

Сырая нефть состоит из различных углеводородов с высоким содерж анием углерода, и при сгорании выделяется большое количество чер ного дыма. Пламя над черным дымом и топливом называется огненн ым шлейфом, который разделен на чистую зону горения.

192 F. Chen and C. Han и зону охвата дымовых газов. На рис. 3 показана форма шлейфа огня при устойчивом горении резервуара после сплошного пожара. Видно

, что зона чистого горения расположена внизу видимого слоя пламен и, высота невелика, а энергия теплового излучения чрезвычайно вел ика. зона охвата дымовых газов расположена над зоной чистого сгор ания, где находится большое количество частиц дыма.

(a) HRR trend diagram under different wind speeds

(b) HRR peak diagram under different wind speed

Рис. 2. Численная модель, расположение сетки и детектора

Моделируя и наблюдая за динамической морфологией факела пла мени, также можно увидеть, что на ранней стадии горения масла пла мя движется вверх и вниз под действием плавучести, что обусловлен о областью отрицательного давления, образующейся в нижней части пламени и жидком уровне масла. В этой области вдыхается большое количество воздуха, образуя бурлящую воздушную массу, что привод ит к пульсации пламени, столбу дыма или грибовидному увлечению.

С увеличением времени концентрация дымовых газов, образующихс я при горении, становится все больше и пламя ослабевает. Однако п о мере того, как сжигание нефти становится все более и более достат очным, в сочетании с эффектом разбавления

Study on Pool Fire Characteristics of Port Crude Oil Storage Tank ветра, концентрация дымовых газов уменьшается, и пламя становитс я все более очевидным.

(a) v=0m/s

(b) v=5m/s

(c) v=10m/s

Рис. 3. Форма шлейфа пожара при различной скорости ветра

194 F. Chen and C. Han

3.3 Влияние скорости ветра на форму бассейна Fi ре

На рис. 4 (а) представлена диаграмма формы пламени при устойчиво м пожаре в бассейне в безветренную погоду. Видно, что пламя имеет примерно коническую форму. На рис. 4(б) представлена диаграмма ф ормы пламени при скорости ветра 5 м/с. Видно, что все пламя наклон ено под определенным углом в сторону подветренной стороны. В это время самая высокая точка всего пламени больше не располагается в вертикальном направлении центра резервуара.

На рис.4(в) показаны геометрические характеристики пламени при различных скоростях ветра. Геометрические характеристики пламен и можно грубо определить по карте распределения температуры пол я течения. Высоту пламени можно получить, вычитая высоту уровня жидкости из самой высокой точки пламени. Высота пламени при ско рости ветра 1~ 10м/с показана на рис.4(в), что находится между верхн им и нижним пределами эмпирической формулы.

Линейное расстояние между самой высокой точкой пламени и цен тром поверхности жидкости — это длина пламени. Из рис. 4 (в) видно, что тенденция изменения длины пламени в основном такая же, как и высота пламени, и постепенно уменьшается по мере увеличения ско рости ветра.

(a) v=0m/s

(б) v=5м/с

Study on Pool Fire Characteristics of Port Crude Oil Storage Tank

(c) Flame parameters at different wind speeds

Рис. 4. Форма очага пожара и параметры пламени

По мере увеличения скорости ветра угол наклона пламени увелич ивается. Когда она достигает 10 м/с, угол наклона пламени достигает даже 48°. При таком угле наклона резервуар в подветренном направл ении может привести к непрямому распространению огня в бассейне

, что в конечном итоге приведет к серьезным последствиям аварии.

3.4 Влияние скорости ветра на интенсивность теплового излучения

Интенсивность теплового излучения обычно определяется величино й теплового излучения, создаваемого пламенем аварийного резерву ара. Согласно правилам Американской ассоциации инженеров-хими ков, в этом документе значение теплового излучения, превышающее

13,5 кВт/м2, определяется как зона сильного излучения[8].

На рис. 5 показано распределение теплового излучения при разли чных скоростях ветра. Видно, что область с большой плотностью теп лового потока в условиях пожара в основном сосредоточена над резе рвуаром для хранения, а также имеется некоторое тепловое излучен ие вокруг резервуара для хранения, но явление затухания очень оче видно. Скорость ветра оказывает большое влияние на распределени е теплового излучения вблизи резервуара. С увеличением скорости о кружающего ветра зона сильного излучения постепенно распростра няется в подветренном направлении, и в резервуаре для хранения в подветренном направлении может возникнуть авария с непрямым р аспространением пожара в бассейне.

На рис. 6 показана область распространения сильного излучения н а уровне жидкости в резервуаре-хранилище при различных скоростя х ветра. Диаметр резервуара для хранения в этой статье составляет 6

0,0 м. Согласно спецификациям Китая, минимальное расстояние меж ду центром аварийного резервуара и соседним резервуаром для хра нения составляет 54,0 м (красная область на рис. 6). При скорости вет ра 10 м/с самое дальнее расстояние между зоной сильного излучения с подветренной стороны и центром аварийного резервуара составля ет 83,0 м. После пожара на всей поверхности бассейна соседний резе рвуар для хранения подвергается непосредственному воздействию з оны сильной радиации, вызванной резервуаром.

Извлекаются значения теплового излучения аварийного резервуар а с подветренной стороны и высота уровня жидкости (z=20,0 м) в резер вуаре. Как показано на рис. 7, значение теплового излучения, создава емого пожаром бассейна, сначала резко уменьшится, а затем уменьш ится.

196 F. Chen and C. Han медленно в направлении от аварийного танка. Скорость ветра оказы вает большое влияние на распределение теплового излучения вблиз и резервуара. Когда расстояние от резервуара близко, значение тепл ового излучения достигает максимума при скорости ветра 10 м/с. Ког да расстояние от резервуара большое, значение теплового излучени я достигает максимума при скорости ветра 6 м/с.

(a)v=0m/s

(б) v=5м/с

Study on Pool Fire Characteristics of Port Crude Oil Storage Tank

(c) v=10

Рис. 5. Форма очага пожара и параметры пламени

(a) v=0m/s

(b) v=5m/s

198 F. Chen and C. Han

(c) v=10

Рис. 6. Форма очага пожара и параметры пламени

Рис. 7. Распределение теплового излучения при различных скоростях ветр а в подветренном направлении при высоте уровня жидкости (z = 20,0 м) ава рийного резервуара.

3.5 Чрезвычайные стратегии

Согласно результатам численного моделирования, зона сильной рад иации постепенно распространяется вниз с увеличением скорости ве тра, и в резервуаре для хранения с подветренной стороны может воз никнуть авария с непрямым распространением пожара в бассейне. К ак только в порту появится резервуар для хранения сырой нефти, по жаротушение и спасение должны строго следовать основному принц ипу: «сначала контролировать, а затем одновременно тушить, закупо ривать и осушать». Основная задача – быстро перекрыть все материа лы, подающие и соединительные трубопроводы горящего резервуар а, и открыть аварийный запорный клапан соседнего резервуара. При контроле пожара также необходимо обеспечить охлаждающую защи ту окружающих резервуаров для хранения, чтобы уменьшить вторич ные бедствия, вызванные эффектом домино.

утечки опасного груза в порту. Наука и технология портов, (04):22

-26. резервуары для сырой нефти. Общественная безопасность К итая (Академическое издание), (2): 54-58. иальная безопасность и окружающая среда, 35 (16): 14-17 + 20 neering, 8(4). Схема распростр анения аварий, вызванных пожаром. 517-528. Инженерная, 13(4).

пожара в пожарной дамбе. Проседиа Инжиниринг, 84(1): 565-577.

Study on Pool Fire Characteristics of Port Crude Oil Storage Tank

4 вывода

1) В соответствии с расстоянием между резервуарами, определенным китайскими спецификациями, после того, как в одном из резервуаро в происходит пожар по всей поверхности бассейна, тепловое излуче ние, получаемое соседними резервуарами при большой скорости вет ра, превышает критическое значение теплового излучения, которое очень легко перерастает в пожар в бассейне с несколькими резервуа рами.

2) При ветре высота и длина пламени бассейна постепенно умень шаются с увеличением скорости ветра. По мере увеличения скорости ветра угол наклона пламени увеличивается, а при достижении 10 м/с угол наклона пламени достигает 48°.

3) В процессе пожара на всей поверхности бассейна зона сильной радиации в основном концентрируется в пространстве над нефтяны м резервуаром аварийного резервуара и постепенно распространяет ся вниз с увеличением скорости окружающего ветра. Скорость ветра оказывает большое влияние на распределение теплового излучения вблизи резервуара, и в резервуаре, расположенном с подветренной с тороны, может возникнуть авария с непрямым распространением по жара в бассейне.

Ссылки

1. Хуан М.Л., Чен Ф.Ю., Ма М.Л. (2023) Строительство места пожара и взрыва 2

. ЛЮ Ж. Х. (2017) Анализ мер по ликвидации и спасению при пожаре жидкост и в пожарных дамбах 3. Э. Д. М. (2022) Исследование тепловых радиационны х характеристик пожара в резервуаре с сырой нефтью. Хим- 4. Пуркерамат А лиреза, Данешмер Алиреза, Джалили Сина, Аминфар Кияраш. (2022) Числен ная оценка термоструктурной нестабильности цилиндрических резервуаро в, подвергшихся пожару в бассейне. Журнал ASCE-ASME о рисках и неопред еленности в инженерных системах, Часть A: Гражданское строительство. 5.

Ашер М.А., Мохаммад Н.С., Айнул М.А. и др. (2022) Подход к моделированию

CFD для прогнозирования 6. Рая Хакки Исмаил, Омар Х. Харуфа. (2023) Влиян ие формы углов плана на скорость распространения огня в высотных здани ях. Международный журнал безопасности и защиты 7. ЧЖАН М., СОНГ В.Х., В

АН Дж. и др. (2014) Анализ моделирования последствий аварий 8. Huang K, Li

Q, Xu J и др. (2019) Исследование влияния скорости ветра на распределение теплового излучения при пожаре резервуарного бассейна на нефтебазе. Те пловая наука и технология, 18 (05): 386-391.

200 F. Chen and C. Han

Открытый доступ Эта глава лицензируется в соответствии с условиями между народной лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 (http://creativeco mmons.org/licenses/by-nc/4.0/), которая разрешает любое некоммерческое исполь зование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспрои зведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укаж ете первоначальный автор(ы) и источник, предоставите ссылку на лицензию

Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения.

Изображения или другие материалы третьих сторон в этой главе включены в лицензию Creative Commons этой главы, если иное не указано в ссылке на мате риал. Если материал не включен в лицензию Creative Commons главы, и ваше п редполагаемое использование не разрешено законодательством или превы шает разрешенное использование, вам необходимо будет получить разреше ние непосредственно от владельца авторских прав.