PDF《森林输油站场防火安全距离的确定》

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2013 年8月第32 卷第8期安全消防 网络出版时间: 2013-7-26 9:21:39 网络出版地址: http://www.

cnki.net/kcms/detail/13.1093.TE.20130726.0921.001.html 中俄原油管道漠大线 (漠河-大庆) 是我国第一 条穿越原始森林的输油管道, 穿越大兴安岭森林超过

400 km, 较多输油站场建设在森林之中.由于大兴安 岭地区火灾事故频发, 森林火灾时刻威胁着输油站场 的安全.抑制森林火灾对输油站场的影响已成为当务 之急, 建立防火隔离带能有效抑制森林火灾向输油站 场的蔓延, 保证站场安全.输油站防火隔离带是在输 油站场周边林区开设的带状空地, 需要在考虑安全性 的基础上兼顾经济性, 合理确定站场防火隔离带的宽 度即防火安全距离不仅可以确保站场的安全, 还可以 节约土地资源.近年来, 国内外很多学者开展了森林 火灾对输油站场影响的研究, 但大多只是应用软件对 森林火灾的热辐射作用进行数值模拟研究[1-2] , 并未建 立森林输油站场防火隔离带的计算模型.以漠河站为 例, 采用固体火焰模型得出了漠河站防火安全距离, 可 为森林输油站场防火安全距离的确定提供参考.

1 数学模型的建立 1.1 热辐射对设备设施的破坏准则 在森林火灾中, 火灾向输油站场蔓延的方式主要 有热对流、 热辐射和飞火[3]

3 种.在已经建有防火隔离 带的情况下, 热辐射是森林火灾中对输油站场危害最 大的蔓延方式, 因此主要考虑热辐射对防火隔离带宽 森林输油站场防火安全距离的确定 王新 张华兵 曹涛 程万洲 中国石油管道科技研究中心油气管道输送国家工程实验室, 河北廊坊

065000 文章编号: 1000-8241 (2013) 08-0899-04 摘要: 森林火灾对站场热辐射的危害问题越来越突出, 在站场周边开辟防火隔离带是减少火灾热辐 射危害的有效方式之一.合理确定站场防火安全距离, 不仅可以确保站场安全, 还可以节约土地资 源.采用固体火焰辐射模型和热辐射伤害准则, 建立了森林输油站场防火安全距离的计算模型.应 用该模型, 计算了不同距离处森林火灾对于漠河输油站场的热辐射通量, 分析了火灾火线强度、 火焰 倾角及火焰温度等因素对于防火安全距离确定的影响作用.以漠河站为例, 计算得出了防火的安全 距离, 为确定森林输油站场防火安全距离提供了有效的参考依据. (表

1、 图

4、 参11) 关键词: 输油站场;

防火安全距离;

热辐射;

固体火焰模型;

视角系数 中图分类号: TE88 文献标识码: A doi: 10.6047/j.issn.1000-8241.2013.08.021 Determination of fire safety distance for pump stations in forest area Wang Xin, Zhang Huabing, Cao Tao, Cheng Wanzhou National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil &

Gas Pipeline, PetroChina Pipeline R &

D Center, Langfang, Hebei,

065000 Abstract: Heat radiation from forest fire would cause damage to the equipments in pump stations. Constructing fire-proof barrier around pump station is one of the most effective ways to reduce the fire heat radiation hazard. Rational forest fire- proof safety distance can ensure the safety of the pump station and save land occupation at the same time. A safety distance calculation model is built based on solid fire radiation model and heat radiation damage code. Taking the Mohe Pump Station as an example, heat radiation flux at different distance from forest fires is calculated by the model, and effects of fire intensity, flame tilt angle and flame temperature on the safety distance from forest fires are analyzed. The safety distance for fire control of Mohe Pump Station is calculated, which provides basis to the determination of safety fire prevention distances for pump stations in forest area. (1 Table,

4 Figures,

11 References) Key words: pump station, fire control safety distance, heat radiation, solid-flame model, view factor 安全消防

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2013 年8月第32 卷第8期度确定的影响. 当森林火灾热辐射强度足够大时, 可引起周围物 体燃烧或变形, 强烈的热辐射可能烧毁站场设备, 并造 成人员伤亡.热辐射对设备设施的破坏作用一般采用 热通量-时间判据准则, 确定设备设施是否遭热辐射破 坏取决于热通量和作用时间.当火灾热辐射通量为 12.5 kW/m2 时, 可能会造成工艺设备损坏;

当热辐射通 量达到

25 kW/m2 时, 可能会造成钢结构表面严重脱 色, 油漆剥落, 结构明显变形;

当火灾临界热辐射通量 达到

35 kW/m2 时, 工艺设备设施会遭受严重损坏, 连 续暴露时间超过

30 min, 可能会造成钢结构断裂或坍 塌[4] .由于森林火灾发展到一定程度后, 热辐射强度 极大, 在整个火灾过程中火灾规模将维持在较稳定的 功率下, 直至可燃物燃尽, 因此, 考察森林火灾热辐射 对站场设备设施的破坏时, 将按相应热通量来判断设 备设施的破坏情况, 不考虑其持续时间. 1.2 辐射模型 为了更好地描述辐射引燃机制, 需要将火焰形状 进行合理简化.森林火灾主要以火线的方式向前推 进, 采用固体火焰辐射模型计算其对站场设备设施的 热辐射通量.在固体火焰辐射模型中, 将火焰面视为 具有一定倾角的四边形[5] (图1, 其中 lf 为火焰长度, m;

图1森林火灾热辐射示意图 r 为火焰到目标物体的距离, m) .火源对火焰附近的 热辐射强度与火焰温度、 视角系数、 大气透射率等因素 有关[6] : φ=τεσTf

4 Ff→M (1) 式中: φ 为火源对周边物体的热辐射强度, kW/m2 ;

τ 为 大气透射率, 为了计算最大热辐射值, 假设大气透射率 为1;

ε 为火焰发射率, 对于大型火焰采用经验值 1[7] ;

Tf 为火焰温度, K;

Ff→M 为视角系数;

σ 为斯蒂芬-玻尔 兹曼常数, 一般取 5.67*10-8 W/ (m2 ・K4 ) . 1.3 视角系数 为了计算森林火灾火焰面对站场设备设施的热辐 射值, 需要计算火焰面和站场设备设施之间的火焰视 角系数 (图2) .将火焰面视为具有倾角 γ 的四边形, 视角系数计算式[8] : 式中: L 为火焰面宽度的 1/2, m;

γ 为火焰倾角. 由于输油站场处于森林之中, 当发生森林大火时, 可以认为火灾火焰面宽度远大于站场边界宽度, 故视 角系数可以简化为[8] : (3) 图2森林火灾视角系数示意图 (4) 1.4 模型简化 将式 (3) 、 式(4) 代入式 (1) , 可以得到不同距离处 火灾热辐射通量计算公式: (5) 假定不同热辐射临界值为 φ

0、 站场防火安全距离 临界值为 r0, 将不同的热辐射临界值代入式 (5) , 可得: (6) (7) 式中: φ0 为热辐射临界值, kW/m2 ;

r0 为站场防火安全 距离临界值, m. (2) 安全消防

901 www.yqcy.net 通过求解式 (6) 、 式(7) , 可得不同热辐射临界值 下的防火安全距离: (8) 其中, 火焰长度[9] 可表示为: (9) 式中: I 为火线强度, kW/m. 将式 (9) 代入式 (8) , 可得: (10) 可见, 热辐射临界距离即防火安全距离只与森林 火线强度、 火焰的倾角及其温度有关.

2 森林火灾的主要影响因素 2.1 火线强度 火线强度是林火行为的重要标志之一, 即森林 可燃物燃烧时整个火灾的热量释放速度.一般将火 线强度分为低强度 (小于

750 kW/m) 、 中强度 (750~

3 500 kW/m) 、 高强度 (3

500 kW/m) [8] .根据燃烧部 位的不同, 森林火灾的形式通常分为地表火和树冠 火.其中, 树冠火是指地表火引燃森林的树冠层, 地表 可燃物与树木同时燃烧形成的立体火, 其火线强度为

10 000~90

000 kW/m.较之地表火, 树冠火对站场造 成的风险程度更大, 因此主要计算树冠火对站场的热 辐射影响. 2.2 风速 风速对森林火灾的蔓延有着非常重要的影响, 不 仅会加大火灾的蔓延速度, 且影响着火焰倾角的大小. Alibi 在1981 年研究得出风速与火焰倾角的关系, 在 一定范围内, 风速越大, 火焰倾角越大[10] , 即: (11) 式中: u 为风速, m/s;

g 为重力加速度, m/s2 ;

hf 为火焰 高度, m. 漠河地区主导风向为西风和西北风, 历年平均风 速2.1 m/s.在1986-2007 年间的气象统计资料中, 虽 然各月都有大风天气, 但风速远比不上平原地区, 这主 要是由于森林对大风的形成和发展起着阻碍和削弱的 作用. 2.3 火焰温度 依据式(10) , 火焰温度与森林火灾热辐射临界距离有着密切的关系.在森林火灾中, 火焰具有 极高的温度.试验测得, 森林火灾火焰面温度超过

1 200 K[11] .

3 实例应用 以漠大线首站漠河站为例, 计算漠河站防火安全 距离.漠河输油站位于黑龙江省漠河县, 站场地处浓 密次生林地, 地表植被茂密, 主要为兴安落叶松、 白桦、 樟子松等树种, 均属易燃树种.作为国家重点林区, 同时也是高火险林区, 历史上漠河地区曾多次发生森 林火灾, 如1987 年5月6日, 发生的 5・6 特大森林火 灾, 是有史以来损失最严重的森林火灾之一[11] .因此, 位于漠河林区的漠河站具有极高的火灾风险.漠河站 周边植被茂密, 发生火灾时, 极易形成树冠火, 故漠河 站森林火灾火线强度取 9*104 kW/m;

为得到最安全 的防火隔离带宽度, 火焰倾角取 30° 和60° 进行计算, 火焰温度取

1 200 K. 3.1 距火焰面不同距离处的热辐射通量 火焰面不同距离处的热辐射通量会随火焰倾角变 化 (图 3) , 随着距火焰面距离的不断增大, 站场设施所 受到的热辐射影响不断变小, 距离达到

200 m 时, 热辐 射通量已经小于

10 kW/m2 .根据热辐射通量破坏准 则判断, 此时站场设施受森林火灾影响很小, 站场设施 是安全的. 3.2 不同火线强度时的防火安全距离 防火安全距离随森林火灾火线强度变化 (图4) , 随着森林火灾火线强度的不断增大, 防火安全距离相 王新等: 森林输油站场防火安全距离的确定 Wang Xin, et al: Determination of fire safety distance for pump stations in forest area 图3火线强度 9*104 kW/m 时热辐射通量随与火焰面 距离的变化曲线 安全消防

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2013 年8月第32 卷第8期应增大, 才能保证站场内设施的安全;

同时, 当火焰倾 角增大时, 火灾热辐射的影响距离更大, 相应的防火安 全距离也应更大. 3.3 漠河站的防火安全距离 当漠河站火灾火线强度为 9*104 kW/m 时, 根据 热辐射通量破坏准则可得到漠河站的防火安全距离 (表1) .假定发生森林火灾时, 站场设备设施的临界热 辐射通量为 12.5 kW/m2 , 漠河站安全距离的临界值为 153.9 m, 即漠河站

200 m 宽的防火隔离带能有效阻止 火灾向站场的蔓延.

4 结论 采用固体火焰辐射模型计算了不同距离处森林火 灾对于输油站场的热辐射通量, 得出了森林输油站场 防火安全距离的计算模型, 为确定森林输油站场防火 安全距离提供了有效的参考依据, 主要结论如下: ①防 火安全距离与森林火灾火线强度、 火焰倾角及火焰温 度密切相关, 火线强度越大, 火焰倾角越大, 火焰温度 越高, 森林火灾对站场设备设施的热辐射影响越大;

② ........