液化石油氣儲槽之火災擴散模擬分析The Simulation of LPG Storage Tank Fire Spread

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

計畫編號：NSC 89-2212-E-110-045

執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

主持人：黃仁智副教授 (國立中山大學機械工程學系)

計畫參與人員：羅子敬王啟明（中山大學機械所）

一、中文摘要 工業火災中，有關大型儲槽的火災是最危險的。除了因為大量的可燃性液、氣體會燃燒產生有毒物質外，燃燒所引起的輻射量，對鄰近的儲槽造成加溫的效應，更是不可忽視。加上氧氣供應量充足，容易引發連鎖性的爆炸反應。因此，對於搶救火災的消防人員常常造成嚴重的傷害。本研究分析液化石油氣儲槽受鄰近儲槽火災的熱輻射影響，結果發現影響此火災熱輻射效應最大的因素是兩儲槽間的距離，其次是厚度。若無法增加兩儲槽間的距離，則必須增加儲槽的厚度，或者用灑水的方式降溫，以提高安全性。 關鍵詞：儲槽火災、熱輻射、LPG 二、研究目的 近年來，工廠火災的意外事件頻傳。尤其是大型廠房火災中，有關可燃性液體、可燃性氣體發生的意外，往往造成重大的傷害。其中，又以大型儲槽燃燒爆炸所造成的傷害最大。大型儲槽燃燒所產生的大量輻射熱，在台灣工廠儲槽比鄰而建的情況下，相當容易產生加溫效果而引起連鎖的燃燒、爆炸反應，增加傷亡人數與財物損失。液化石油氣（LPG）主要成分是丙烷、丁烷加上少許的丙烯、丁烯，由於發熱值很高，因此在很小的體積內即儲存有很高的能量。當儲槽發生火災時，面對燃燒儲槽的表面會因熱輻射作用而使溫度逐漸升高。其次，熱藉由熱傳遞作用會傳至儲槽內部並加溫儲存的燃料，當溫度達某一程度時，會使燃料氣化產生 BLEVE【1】效應，而起火甚至爆炸。本研究的目的即在模擬儲槽火災之情況，確認儲槽發生火災時兩儲槽之安全距離，幫助現場人員了解及預防，並能在火災時積極且迅速的控制情勢。本研究將使用 Solid Flame Model 熱輻射模式，配合套裝軟體，模擬球型儲槽火災時，對鄰近儲槽及周圍環境熱輻射效應及溫度變化。並以工程學的觀點，來分析所得到的結果，以及需要改進的地方。 三、理論模式 3 - 1 儲槽熱傳模式之分析 本文對儲槽熱效應的探討以臥式儲槽為對象。圖一為槽體在部分受熱後，槽體溫度分佈的六個節點，圖二為火燄完全包圍的儲槽溫度分佈的四個節點。據此，我們可依能量守恆公式: (熱能累積率 )=(熱能流入率 )-(熱能流出率)+(熱能產生率) （1）模式中，各區域的面積及體積可由下式推導。r為儲槽的半徑，L為儲槽的長度，VL 是儲槽中LPG之體積，見圖一，求出θ 後，即可求出各區域之面積與體。 V_L =Lr − −          2 1 2 2 π θ sin θ （2）面積之公式如下列四式 : ) 2 sin ( 2 2 ₂1 1 = rθL + r θ − θ A f （3） ) 2 sin ( ) ( 2 2 ₂1 2 = r π−θ L +r π −θ+ θ A _f （4） ) 2 sin ( ) ( 2 2 ₂1 3 = rθ L−L +r θ − θ A _f （5） ) 2 sin ( ) )( ( 2 2 ₂1 4= rπ−θ L−L +r π−θ+ θ A _f （6） Lf係指儲槽遭火燄包覆之長度，若儲槽完全為火燄包圍時，模式簡化為四個節上列式中點，則其面積可由以下二式求得: ) 2 sin ( 2 2 2 ₂1 1 = rθL + r θ − θ A （7） ) 2 sin ( 2 ) ( 2 2 1₂ 2 = r π −θ L+ r π −θ+ θ A （8）

(2)

熱傳係數 h 可由理論及經驗公式推導，如槽壁與槽外空氣接觸的熱傳係數 h1ah、h2ah、h3ac、 h4ac可依據自然對流公式：

(

)

3 1 31 . 1 a T T h = − （9） 3 - 2 儲槽火災模式 儲槽火災對鄰近儲槽的影響非常大，一般我們可將儲槽火災分為二種形式，一種為池火 ﹐ 另一種為儲槽掀頂燃燒。當儲槽破裂時，其液體洩漏出來產生液池並引燃產生池火，此時火焰對儲槽的熱傳以對流為主，外洩的池液視儲槽破洞的大小而決定其涵蓋的範圍。池火燃燒的火焰可能吞沒整個儲槽，其表面熱通量可以高達 4 0 - 2 0 0 k W / m2_{。或當儲槽} 破裂時，氣液混合物被點燃而造成掀頂式的儲槽火災，對鄰近儲槽的危害則主要為熱輻射 ﹐ 但當火焰水平長度超過與鄰近儲槽的距離時，其熱對流的影響則變得很重要。遠距離的池火亦可依照掀頂火災之熱輻射的方式計算。 C r o c k e r 和 N a p i e r 【 2 】發表儲槽火災的模型評估以及對儲槽安全距離的計算，我們採用柱狀火燄模式 ( s o l i d f l a m e m o d e l ) ，如圖三，此種模型假設火焰為圓柱形，且其表面熱輻射量各點均勻，對於鄰近的物體所接受的熱輻射量可表為：

(

4 4

)

o f E F T T Q = τεσ − （10）式中 QE 為單位面積受熱量 F 為火柱到受熱物之視因子 τ 為大氣穿透率 ε 為火焰放射係數 σ 為 S tefan-Boltz mann 常數 Tf 為火焰溫度 T0 為槽體之溫度 F 之計算採用 M o r g a n 及 H a m i l t o n 之式子： ( ) ( ) ( ) _   + − − + − − +     − = − − − 1 1 tan 1 1 1 tan 2 1 tan 1 1 1 2 1 S S S S B S A AB S S A L S L S F π π （ 1 1 ）式中 R = D / 2 , S = X / R ， L = l / R A = ( S + 1 )2+ L2 ， B = ( S - 1 )2 + L2 X 為儲槽火災的中心點到受熱儲槽的槽壁距離。而火焰長度 L 則依據 T h o m a s 【 3 】之經驗式： L D m gD o =  ′′        42 0 61 ρ . （12）上式中 ρ_o為大氣之密度，g 為重力常數， m 為單位面積之燃燒速′′ 率，其值可用 B a b r a u s k a s 【 4 】之經驗公式求得，如下式： m′′ =εm_∞ （13） m H H c v ∞ =10−3 ∆ ∆ * （14） ∆H_v ∆H_v Cp T dT T T c b * ( ) = +

∫

（15） ∆Hc為燃燒熱， ∆Hv為蒸發潛熱， Te 為外界溫度。 四、數值方法 本研究之數值模擬使用 FLUENT 公司發展之 FLUENT 套裝軟體，近年來常被用於解決各種流場問題，其計算結果不但精確度高，且有許多以此軟體模擬分析的論文發表。FLUENT 的主要架構分為兩個部份：前處理部份，主要為建立物理模型、格點劃分及邊界條件位置之訂定等；程式運算核心與後處理部份，包含數值分析運算、結果繪圖與數據分析等。此軟體在數值方法方面，有關對流項可選用上風差分法（ Upwind Differencing ）、 QUICK （ Quadratic Upstream Interpolation of Convective Kinematics）、Power Law 等，而速度和壓力的方程式則可用 SIMPLE、 SIMPLEC、PISO 等演算法則。至於紊流流場模式亦包括標準K−ε、RNGK−ε和 RealizableK−ε模式等選項，其中還可利用壁函數或雙層壁函數（Two-Layer Zonal

(3)

Model）來處理紊流邊界問題。除了廣範的應用範圍與多種的數值方法選項外，FLUENT 在網格建立部份，提供了強大的非結構性網格（Unstructured Meshes）以建立物理模型，簡單來說，使用者可利用不同形狀的網格來輕易的建立形狀複雜的構造。 五、結果與討論 由於液化石油氣在升溫時體積會膨脹，在超過攝氏 40 度，體積會膨脹為 250 倍，儲槽容易因壓力過大而破裂。且液化石油氣著火溫度約為攝氏 500 度，分析結果顯示很多情況下溫度都會超過危險界線，危險度很高。 (1) 當距離一定，燃燒儲槽溫度愈高時，其鄰近儲槽之溫度差隨之愈大。當燃燒儲槽溫度一定，厚度從 0.01 至 0.1m 時，其鄰近儲槽之溫度降隨距離增加則愈小（見圖四至圖七）。 (2) 當燃燒儲槽溫度一定，距離和厚度兩者皆增大時，其周遭環境之溫度降亦會隨其增大（見圖八）。 (3) 厚度：厚度關係著傳入內部的熱能，若將厚度增至 0.1m，溫度可低 280℃。但是通常厚度較薄的儲槽就必須灑水降低溫度，並增加水的厚度來保護內部的儲槽。一般工廠使用厚度 0.05m 的玻璃棉等不燃性隔熱材料，外加厚度 0.0006m 的鐵板在隔熱材料上。 (4) 距離：距離是有效提高安全的方法，國外許多大型廠房皆因此提高兩儲槽距離來增加安全性。若能讓兩儲槽距離 30m 以上，則溫度可降低約 370℃。由上述分析，可知國內許多工廠必須 六、參考文獻 1. 行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所，”液化石油氣槽體 BLEVE 模式建立與控制對策之探討”，研究計劃書 IOSH86-S312（1997）。

2. Crocker, W.P. and D.H. Napier, ”Thermal Radiation Hazards of Liquid Pool Fires and Tank Fires”, I.Chem.E. Symp. Ser.

（1986）

3. Thomas, P.H., 9th Int’l Symposium on Combustion, 844, Academic Press, N.Y. （1963）。

4. Babrauskas, V. , Fire Technol. 19, 251-261（1983）。

5. Patankar, S. V., and Spalding, D. B., “A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows.” Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 15, 1972, pp. 1787-1806。

圖一 : 儲槽部份受熱輻射時溫度節點之分佈

圖二 : 儲槽完全為火燄包覆時溫度節點之分佈

(4)

圖四距離5m燃燒儲槽1800K鄰近儲槽溫度分佈

圖五距離10m燃燒儲槽1800K鄰近儲槽溫度分佈

圖六距離20m燃燒儲槽1800K鄰近儲槽溫度分佈

圖七距離30m燃燒儲槽1800K鄰近儲槽溫度分佈