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航空煤油储罐火灾爆炸后果分析
摘要
本次课程设计是针对航空煤油储罐事故后果的定量分析，根据航空煤油的理化性质，得到航空煤油的主要危险特性，并通过事件树分析法对航空煤油储罐可能存在的事故后果进行辨识与分析，通过对泄漏量、池火灾和喷射火、蒸汽爆炸及对事故伤害等方面进行定量计算，根据计算的结果，提出科学、合理、可行的安全对策措施和管理措施。
关键词：
航空煤油储罐；事件树；事故后果模型；定量计算
目录
摘要1
1储罐的基本情况2
1.1航空煤油储罐区基本情况2
1.2储存的主要危险物料2
2储罐区的事故类型分析3
2.1液体泄漏的事件树分析4
3储罐区事故后果的定量计算4
3.1泄漏场景及频率4
3.2泄漏5
3.2.1液体经储罐上的孔流出5
3.3喷射火模式计算6
3.3.1水平方向喷射火计算6
3.3.2.垂直方向喷射火计算8
3.4蒸气云爆炸（TNT当量法）模式计算11
3.5池火灾模式计算13
3.5.1液池直径13
3.5.2确定火焰高度14
3.5.3计算火焰表面热通量15
3.5.4目标接收到的热通量的计算15
3.5.5视角系数的计算16
3.6沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE）模式计算17
3.6.1火球直径的计算17
3.6.2火球持续时间的计算17
3.6.3目标接收到热辐射通量的计算18
4结论18
主要参考文献20
附录一：
泄漏场景23
附录二：
泄漏频率的确定23
附录三：
英国建筑物破坏等级的划分24
附录四：
不同性质地面物料层厚度24
1储罐的基本情况
1.1航空煤油储罐区基本情况
本次课程设计中，煤油储罐区选择为沈阳市沈阳飞机制造集团某大型航空煤油油库，该油库中有容积为10000m3内浮顶3#航空煤油罐2座，单座内直径30000mm,高度19760mm，拱顶高度3260mm,防火堤为长82000mm,宽70000mm,高2000mm,站区设油罐区、火车装油台区、进出计量区、泵区、站控室、变配电室、消防泵房、污水处理区、行政办公楼等设施。
1.2储存的主要危险物料
航空煤油是石油产品之一。
英文名称JetfuelNo.3，别名航空煤油。
主要由不同馏分的烃类化合物组成。
航空煤油主要用作航空涡轮发动机的燃料，主要危险特性如下表（表1.2）所示：
表1.2航空煤油理化性质
外观与性状
清澈透明,无不溶解水及悬浮物
密度（蒸汽密度）
0.81kg/L（1ｇ／ｃｍ3）
闪点
38
凝固点
47℃（-40℃forJETA）
沸点
176℃
露天燃烧温度
260-315℃
自燃温度
超过425℃
最大燃烧温度
980℃
爆炸范围
0.6%～3.7%
冰点
不高于-47℃
净热值
不小于42.8MJ/kg
运动黏度（40℃）
1.0～2.0mm2/s
芳烃含量
8%～15%
性质
不溶于水，易溶于醇和其他有机溶剂，易挥发，易燃，与空气混合形成爆炸性的混合气
2储罐区的事故类型分析
罐区燃爆事故模式主要有:
喷射火,闪燃与气云爆炸,池火灾,沸腾液体扩展蒸汽爆炸等（BLEVE）。
1）喷射火：
在内部压力作用下,航空煤油大量泄漏、闪蒸,形成射流，在泄漏口处被点燃，由此形成喷射火。
2）闪燃与气云爆炸：
当航空煤油从低温容器中大量泄漏时,其扩散有一个过程,在其最初由液态变成气态时密度大于周围空气,这时在泄漏的航空煤油液相上方就形成了煤油蒸气云,蒸汽云将随风抵达泄漏位置的下风侧,在地面附近形成预混气体,极有可能遇到明火后发生闪燃,若蒸汽云达到爆炸极限后遇到火源则直接发生蒸汽云爆炸，闪燃与气云爆炸的燃烧将迅速扩散回泄漏位置,可能导致罐体爆炸。
蒸汽云爆炸形成的冲击波还可造成更远距离外建筑设施破坏及人员伤亡。
3）池火灾：
池火灾是指储罐中的可燃液体遇火源或泄漏后遇火源发生的火灾，是可燃液体贮罐区易发生的主要火灾类型。
在空气供应充足的开放空气环境中池火灾的主要危害时是热辐射，造成人员伤亡和设备损坏，甚至发生连锁事故。
4）沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE）：
储存有可燃液化气的储罐，如果受到外部火焰的长时间烘烤，储罐的强度将逐步减低当强度下降到一定程度时，储罐将突然破裂，由此带来压力突然降低，液化气迅速气化并燃烧，导致沸腾液体扩展为蒸汽爆炸事故（BLEVE）的发生。
沸腾液体扩展为蒸汽爆炸事故一般是比较严重的，能造成巨大的财产损失和人员伤亡。
2.1液体泄漏的事件树分析
3储罐区事故后果的定量计算
3.1泄漏场景及频率
泄漏场景根据泄漏孔径大小可分为完全破裂以及孔泄漏两大类，有代表性的泄漏场景见附录一（表1泄漏场景）。
当设备（设施）直径小于150mm时，取小于设备（设施）直径的孔泄漏场景以及完全破裂场景。
泄漏频率的确定参考AQT3046-2013化工企业定量风险评价导则【1】，见附录二（泄漏频率的确定）。
3.2泄漏
3.2.1液体经储罐上的孔流出
瞬时质量流率为：
……（3.2）
式中：
Qm——质量流率，单位为kg/s；
P——储罐内液体压力，单位为Pa；
P0——环境压力，单位为Pa；
C0——液体泄漏系数；
g——重力加速度，9.8m/s2；
A——泄漏孔面积，单位为m2；
ρ——液体密度，单位为kg/m3；·
hL——泄漏孔上方液体高度，单位为m。
由航空煤油的理化性质可知ρ=0.81kg/L=810kg/m3，假定裂口形状为圆形，泄漏场景为5mm孔径倾斜向下泄漏到环境中，A=π×r2=3.14×52/4=19.635mm2C0=0.65，P=79380Pa,hL=10m所以：
Qm=810×19.635×10-6×0.65×
=0.1635kg/s
其他泄漏场景、泄漏孔径和质量流率同理可求，具体数据如下表3.2。
表3.2质量流率
泄漏场景
泄漏孔径（mm）
质量流率（Kg/S）
小孔泄漏
5
0.1635
中孔泄漏
25
4.0865
大孔泄漏
100
65.384
完全破裂
150
147.12
3.3喷射火模式计算
3.3.1水平方向喷射火计算
加压的可燃物泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。
假定火焰为圆锥形，并用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。
a）火焰长度计算
喷射火的火焰长度可用如下方程得到：
……（3.3）
式中：
L——火焰长度，单位为m；
HC——燃烧热，单位为J/kg；
m——质量流速，单位为kg/s。
HC=43070kJ/kg,m=0.1635kg/s，则：
其他泄漏场景、泄漏孔径和火焰长度同理可求，具体数据如下表3.3。
表3.3火焰长度
泄漏场景
泄漏孔径（mm）
火焰长度（m）
小孔泄漏
5
0.3156
中孔泄漏
25
1.2572
大孔泄漏
100
4.5189
完全破裂
150
6.4776
b）热辐射的通量计算
距离火焰点源为X（m）处接收到的热辐射通量可用下式表示：
……（3.4）
式中：
q——距离X处接收的热辐射的通量，单位为kw/m2；
f——热辐射率；
τ——大气传输率。
大气传输率τ按下式计算：
……（3.5）
X=10m，则
0.87
其他泄漏场景、泄漏孔径和热辐射的通量同理可求，具体数据如下表3.4。
表3.4热辐射的通量
泄漏场景
泄漏孔径（mm）
热辐射的通量（kw/m2）
小孔泄漏
5
0.000729
中孔泄漏
25
0.0183
大孔泄漏
100
0.2924
完全破裂
150
0.6579
3.3.2.垂直方向喷射火计算
a）火焰高度的计算
火焰高度按下式计算：
……（3.6）
式中：
L——火焰长度，单位为m；
dj——喷管直径，单位为m；
CT——燃料-空气计算化学反应中燃料的摩尔系数；
Tf——燃烧火焰的绝热温度，单位为K；
Tj——喷射流体的绝热温度，单位为K；
αT——燃料-空气计量化学反应中产生每摩尔燃烧产物所需反应物的摩尔数；
Ma——空气的摩尔质量，单位为g/mol；
Mf——燃料的摩尔质量，单位为g/mol。
对于大多数燃料而言，CT远小于1，αT近似等于1，Tf和Tj的比值在7到9之间。
dj=5mm,CT=0.05,αT=1,Tf/Tj=9,Ma=29,Mf=250,Rg=8.314472J/（mol·K）,则：
L=127.28*0.005=0.6364m
其他泄漏场景、泄漏孔径和火焰高度同理可求，具体数据如下表3.5。
表3.5火焰高度
泄漏场景
泄漏孔径（mm）
火焰高度（m）
小孔泄漏
5
0.6364
中孔泄漏
25
3.182
大孔泄漏
100
12.728
完全破裂
150
19.092
b）目标接收到热辐射通量的计算
……（3.7）
式中：
q（r）——距离r处目标接收到的热通量，单位为kW/m2；
——大气传输率；
——热辐射系数；
——燃料的质量流速，单位为kg/s；
——燃烧热，单位为kJ/kg；
——视角因子。
=0.8224，
=0.15，
=0.1635kg/s，
ΔHC=43070kJ/kg，
=0.000796，则：
kW/m2
其他泄漏场景、泄漏孔径和热辐射通量同理可求，具体数据如下表3.6。
表3.6热辐射通量
泄漏场景
泄漏孔径（mm）
热辐射通量（kw/m2）
小孔泄漏
5
0.689
中孔泄漏
25
17.2736
大孔泄漏
100
276.378
完全破裂
150
621.876
大气传输率可按下式计算：
……（3.8）
式中：
——大气传输率；
Pw——大气中水蒸汽的分压，单位为Pa；
Xs——目标到火焰表面的距离，单位为m。
假设Xs=10m，则
0.8224
大气中水蒸汽分压Pw可按下式计算：
……（3.9）
式中：
Pw——大气中水蒸汽的分压，单位为Pa；
RH——相对湿度，%；
Ta——环境温度，K。
沈阳ＲＨ＝６８％，Ｔａ＝２９８．１５Ｋ则：
２１６８．１４Ｐａ
视角因子
可按下式计算：
……（3.10）
式中：
r——目标到火焰中心的距离，单位为m。
3.4蒸气云爆炸（TNT当量法）模式计算
对蒸气云爆炸研究采用TNT当量法。
计算公式如下：
（3.11）
式中，
为蒸气云的TNT当量，
；
为蒸气云的TNT当量系数，取0.04；
为蒸气云燃料总质量，
；
为燃料的燃烧值，
；
为TNT的爆炸热，
，取4500
。
泄漏物质为航空煤油，航空煤油的燃烧热为43070
，蒸气云之中燃料总质量取航空煤油储罐泄漏10
时所泄漏的航空煤油的质量。
当泄漏质量流速为0.1635kg/s时，泄漏10
所泄漏的质量为98.1
。
代入式（3.11）中可得:
结合爆炸性物质的蒸气云TNT当量计算死亡半径、财产损失半径、人员安全距离，公式如下：
a．死亡半径Ｒ0.5
由下式确定:
（3.12）
代入上式得：
Ｒ0.5=13.6（37.553/1000）0.37=4.0379m
b．财产损失半径Ｒi
由下式确定Ｒi:
（3.13）
式中：
Ri为i区半径，m；Ki为常量，计算财产损失半径时破坏等级i＝2，取=4.6（参见附录三），代入上式得：
14.9482m
c．人员安全距离确定R
爆炸中心与给定超压间的距离可以按下式计算。
Ｒ=0.3967WTNT1/3exp{3.5031－0.7241ln（Δp/6900）+0.0398［ln（Δp/6900）2］（3.14）
通常情况下，轻伤半径按Δp=17kPa计算。
即对应的Ｒ值为人员安全距离半径，则上式简化为:
Ｒ=7．1WTNT1/3（3.15）
代入上式得：
Ｒ=7．1*37.5531/3=23.7761m
所以安全区域为距离大于爆心23.7761
的区域。
3.5池火灾模式计算
池火灾事故后果分析包括液池半径、燃烧速率、火焰高度、火灾总的热辐射通量及目标接受的热辐射通量等。
池火灾属于稳态火灾，可选用热通量准则计算热辐射伤害半径。
3.5.1液池直径
当危险单元为油罐或油罐区时，可根据防护堤所围池面积S计算液池直径D：
式中：
S——液池面积，单位为m2；
D——液池直径，单位为m。
最小物料层与地面性质对应关系见附录四（表3不同性质地面物料层厚度）
液池直径D=（4*5740/3.14）1/2=85.51m
3.5.2确定火焰高度
计算池火焰高度的经验公式如下：
……（3.17）
式中：
L——火焰高度，单位为m；
D——池直径，单位为m；
mf——燃烧速率，单位为kg/（m2·s）；
ρ0——空气密度，单位为kg/m3；
g——重力加速度，单位为m/s2。
由参考文献估计可知，2016年沈阳年平均风速2.92m/s，据此依据航空煤油燃烧特性，忽略液池大小对燃烧速率的影响，查询相关论文研究可知mf燃烧速率为0.028kg/（m2·s），空气密度ρ0为1.29kg/m3，所以:
火焰高度L=85.51*42*{0.028/（1.29*
）}0.61
=46.473m
3.5.3计算火焰表面热通量
假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，用下式计算火焰表面的热通量：
……（3.18）
式中：
q0——火焰表面的热通量，单位为kW/m2；
ΔHC——燃烧热，单位为kJ/kg；
——热辐射系数，可取0.15；
——燃烧速率，单位为kg/（m2·s）；
因为航空煤油ΔHC为43070kJ/kg，
为0.15,mf为0.028kg/（m2·s），则有：
=
56.992kW/m2
3.5.4目标接收到的热通量的计算
目标接收到的热通量q（r）的计算公式为：
……（3.19）
式中：
q（r）——目标接收到的热通量，单位为kW/m2；
r——目标到泄漏中心的水平距离，单位为m；
V——视角系数。
V=0.9（见3.5.5），q0取值见3.5.3，r取液池半径即r=D/2（见3.5.1），代入上式得：
3.5.5视角系数的计算
视角系数V与目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径之比s和火焰高度与直径之比h有关。
……（3.20）
……（3.21）
……（3.22）
……（3.23）
……（3.24）
……（3.25）
……（3.26）
……（3.27）
……（3.28）
式中：
S——目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径之比；
h——火焰高度与直径之比；
A、B、J、K、VH、VV——描述方便而引入的中间变量。
从上面的公式可以看出,视角系数V的计算过程是相当复杂的,很难从中观察距离、火焰尺寸是如何影响火焰系数的。
但是,可以从一些实例数据中发现一些规律,视角系数的值总是<1的,且随着s的增大而急剧减小,随着h的增大而缓慢增大。
视角系数V=0.9
3.6沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE）模式计算
采用国际劳工组织建议的沸腾液体扩展为蒸气云爆炸热辐射模型进行计算，步骤如下：
3.6.1火球直径的计算
火球直径计算公式为：
……（3.29）
式中：
R——火球直径，单位为m；
W——火球中消耗的可燃物质量，单位为kg，对于单罐储存，
取罐容量的50%，对于双罐储存，
取罐容量的70%；对于多罐储存，
取罐容量的90%。
计算单罐W=10000*810*0.5=4050000kg
3.6.2火球持续时间的计算
火球持续时间按下式计算：
……（3.30）
式中：
t——火球持续时间，单位为s；
W——火球消耗的可燃物质量，单位为kg。
3.6.3目标接收到热辐射通量的计算
……（3.31）
式中：
q0——火球表面的辐射通量，单位为W/m2；对于柱形罐取270W/m2，对于球形罐取200W/m2；
——目标到火球中心的平均距离，单位为m。
柱形罐取q0=270W/m2，r=10m,则：
4结论
本次课程设计是对2座容积都为10000m3的航空煤油储罐泄漏的火灾爆炸事故的模拟，首先画出了气相及液相泄漏的事件树，确定了罐区燃爆事故模式主要有:
喷射火,闪燃与气云爆炸,池火灾,沸腾液体扩展蒸汽爆炸BLEVE），泄漏。
通过查阅各种文献和利用《化工企业风险评价导则》（AQ/T3046-2013）推荐的事故后果定量计算模型，对航空煤油储罐泄漏可能发生的事故进行了分析及定量计算。
通过这次课程设计，从中获益不浅。
本次课程设计参考了众多资料和论文，从查找航空煤油的理化性质到动手操作，找图表、写报告等，虽然遇到了不少困难，但从这个过程当中学会了如何跟从资料中找到需要的部分，如何把凌乱的信息整合在一起。
最重要的是在这个过程中将规范运用了起来做到了理论与实际相结合。
航空煤油储罐火灾爆炸后果分析表明，航空煤油油库存在的主要危险是火灾爆炸危险,控制油库火灾爆炸危险的主要途径是有效地控制各种点火源,如:
明火、静电火花等。
只有加强库区管理和检查维护,防止各种点火源的入侵,才能保障库区安全运营。
主要参考文献
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[26]工程常用物质的热物理性质手册
[27]燃烧技术手册
[28]GB253-2008煤油
[29]实用化学手册
[30]石油炼制工艺学
附录一：
泄漏场景
表1泄漏场景
泄漏场景
范围
代表值
小孔泄漏
0mm~5mm
5mm
中孔泄漏
5mm~50mm
25mm
大孔泄漏
50mm~150mm
100mm
完全破裂
>150mm
1）设备（设施）完全破裂或泄漏孔径＞150mm
2）全部存量瞬时释放
附录二：
泄漏频率的确定
8.2泄漏频率
8.2.1泄漏频率可使用以下数据来源：
a）适用于化工行业的失效数据库；
b）企业历史统计数据；
c）基于可靠性的失效概率模型；
d）其他数据来源。
8.2.2泄漏频率数据选择应考虑以下事项：
a）应确保使用的失效数据与数据内在的基本假设相一致；
b）使用化工行业数据库时，宜考虑下列因素对泄漏频率的影响：
——减薄；
——衬里；
——外部破坏；
——应力腐蚀开裂；
——高温氢腐蚀；
——机械疲劳（对于管线）；
——脆性断裂；
——其他引起泄漏的危害因素。
c）如果使用企业历史统计数据，则只有该历史数据充足并具有统计意义时才能使用。
8.2.3可考虑企业工艺安全管理水平对泄漏频率的影响，可采用SY/T6714中8.4条的规定进行修正。
8.2.4当8.1中泄漏场景发生的频率小于10-8/年或事故场景造成的死亡概率小于1％时，在定量风险评价时可不考虑这种场景。
附录三：
英国建筑物破坏等级的划分
表2英国建筑物破坏等级的划分
破坏等级
破坏系数Ai
常数
破坏状况
1
1.0
3.8
所有建筑物全部破坏。
2
0.6
4.6
砖砌房外表50％～70％破损，墙壁下部危险。
3
0.5
9.6
房屋不能再居住，屋基部分或全部破坏，外墙1～2个面部分破损，承重墙损失严重。
4
0.3
28
建筑物受到一定程度破坏，隔墙木机构要加固。
5
0.2
56
房屋经修理可居住，天井瓷砖瓦管不同程度破坏，隔墙木结构要加固。
6
0.1
+
房屋基本无破坏。
附录四：
不同性质地面物料层厚度
表3不同性质地面物
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