基于火灾数值模拟的某石化企业压缩机厂房结构抗火性能研究

【摘要】 近些年来,民用建筑的抗火研究得到了充足的发展,而针对石化企业的钢结构厂房做的抗火研究相对较少。该文选取某石化企业乙烯改扩建工程中的乙烯／丙烯压缩机厂房作为研究对象,该厂房采用钢结构,火灾危险性类别为甲A类,发生火灾时为升温速度更快温度更高的烃类火,对该钢结构厂房的抗火性能做出研究。本文采用FDS和PyroSim火灾动力学软件,考虑建筑物尺寸、生产工艺、火源热释放速率、火源位置、可燃物的热燃烧属性、初始环境条件和门窗洞口等影响火灾场景的诸多因素后,设计多个不同的火灾场景做数值模拟分析。通过火灾场景的数值模拟,判断该厂房的火灾规模大小,对火灾下的室内温度场和烟气可见度等影响钢结构厂房的结构响应和消防安全的指标做出分析,判断该压缩机厂房的高温危险区域。通过对温度场的分析,判断出“最危险火灾场景”,选取“最危险火灾场景”的温度场作为厂房室内火灾下的温度场,取其温度值并假定火灾整个过程都处于这个温度的恒温状态。根据传热学原理,对该厂房的钢构件做升温分析计算,判断其安全性能,并对该厂房的防火保护给出建议。 

1绪论

1.1选题背景

我国的石油化工发展迅速，到目前为止，我国已有约1800多家中小型氮肥企业，100多家大型石油化工基地和3000多家化工厂。我国经济实力的不断加强，对生产安全和环境保护提出更高的要求，国家大力发展对化工企业老旧厂房扩建工程、引进大型生产装置和加快自主研发速度，以适应新时期的工业生产要求。

本文所选工程背景为某石化企业乙稀改扩建工程（图1.1），位于大庆市郊区，国家重点建设项目。该工程钢结构部分主要由管廊、裂解炉和压缩厂房三部分组成，使用钢材共计2万多吨，总投资约140亿元。该工程地上部分有裂解装置、压缩装置、炼油装置、共用工程建筑和其他附属结构，全部釆用钢结构建筑。

该文所选的某压缩机厂房（图1.2）中的裂解气压缩机是乙炼裂解装置的关键设备，被称为乙稀裂解装置的心脏，其正常运转是保证乙稀裂解装置乃至配套装置正常生产的先决条件。

1.2某压縮机厂房工程概况

1.2.1某压縮机厂房的结构设计内容

1、设计依据

1）上级主管部门对初步设计的批复文件。

2）项目所在地的气候分区：寒冷地区。年平均温度：4.4°C；风压：0.55KN/m2；基本雪压：0.3KN/m2；全年主导风向：西北风；最大冻深2.09m：厂区地下水位在1.5m-2m之间；年平均降水量427.1mm；地震烈度：6度。

3）现行相关的国家规范及行业规定及国家标准图集。

2、本项目工程技术指标：

该压缩机厂房单层且有多个不同标高的操作平台，技术指标见下表。楼梯间及厂房标高101.200m以下采用轻集料小型混凝土空心砌块，101.200m以上轻钢结构围护墙体采用彩钢夹心板墙板，中填岩棉保护层，墙面釆光板墙体采用双层透明聚碳酸酯波形采光板。压缩机厂房的技术指标见表1-2:

3、本工程的建设地点：

本项目为大庆石化某乙稀改扩建工程，乙稀装置乙烯丙稀压缩机厂房；建筑物设计使用年限50年。

4本工程的主要特征表：

压缩机厂房的结构体系和建筑做法详见表1.3。

2某压缩机厂房火灾场景的数值模拟

2.1某压缩机厂房的火灾场景设计

2.1.1火灾场景设计概述

火灾场景从广义上讲就是我们根据真实的火灾资料，人为设定的一个从火灾引燃、火灾增长阶段、稳定燃烧阶段和减弱阶段的整个火灾过程（图2.1)。火灾场景是以可燃物燃烧特性为基础，并结合建筑结构、使用功能、环境状态等边界条件来设定的模拟场景。

设计火灾是针对某一特定火灾场景的工程描述，主要通过热释放速率、火灾增长速度、火源位置、可燃物的燃烧属性、建筑物内的可燃物的布置、环境条件以及消防系统等参数来分析设定。

2.1.2该压缩机厂房火灾场景的建立

火灾场景会有多种，确定火灾场景时，一般遵循“可信最不利”原则，从多种可能发生的场景中选择可能导致火灾风险最大的火灾场景，如发生自动灭火系统或排烟系统等全部失效的最不利情景。

由本课题研究的压缩机厂房的生产工艺特点决定，火灾类型按照油池火的热释放速率曲线设计，其火灾初期增长速度很快(图2.2)。

本课题研究的某大型乙稀装置乙烯丙烯压缩机厂房在火灾场景设计时，结合设备系统的生产工艺特点，分析最具代表性的火灾场景。本节综合考虑了建筑模型（门窗洞口）、设备系统安装布置、当地自然环境状态等因素，且假定的火灾场景处于可燃介质在泄露一定时间后设备停机得到控制。场景的设置不考虑消防人员对火灾的控制，排风系统损坏（采用自然排烟）等最危险的环境。根据工程经验和相关文献，计算模拟时间设定为1800s。

2.2火灾场景中建筑模型的设计

2.2.1建筑结构模型的布置

该工程的大型乙稀装置乙稀丙稀压缩机厂房在火灾场景设计时，利用FDS数值模拟软件建立压缩机厂房建筑结构模型会遇到较大的麻烦，本课题研究采用软件对压缩机厂房的主体结构进行布置建造，大大提高了“重塑”建筑物场景的效率。但课题研究中，若完全按照压缩机厂房中的所有建筑结构、设备布置和其他细部构造建立模型，将会大大增加课题的工作量。

火灾场景的设计中可以只抓住主要矛盾，建立压缩机厂房的主要建筑结构布置，准确定位其中的工艺设备，控制压缩机厂房的排放换气条件，精确控制厂房的屋顶、墙面、门窗洞口的尺寸和定位，正确定义墙体和屋面围护材料的导传热的材料属性等，即可有效控制实际建筑物和数值模型中的火灾场景的计算误差。在本文的压缩机厂房的建筑结构布置中，在以下几个方面准确控制了场景的真实有效性：

1、大型乙稀装置乙稀两稀压缩机厂房中的工艺设备较多，种类功能各不相同，本文中忽略那些小的设备、管道等装置，主要建立大型钢质压缩机和落地润滑油油箱以及连接两者的管线。该工程的压缩机主体坐落在高强混凝土框架基础上，标高10.500m，泄漏物将会向下流淌在厂房地面上，即使发生火灾也减轻了可燃物对压缩机主体的直接燃烧破坏。参见图2.6，压缩机主要设备及基础布置示意图。

3不同火灾场景下热释放速率的计算分析........28

3.1热释放速率曲线的设定.......28

3.2火源位置不同对热释放速率的影响.....30

3.2.1场景广的热释放速率对比分析.....30

3.2.2场景5~8的热释放速率对比分析.........31

3.2.3场景9~12的热释放速率对比分析.......33

4不同火灾场景下的温度场及烟气可见度分析........40

4.1火源位置不同对温度场的影响.........40

4.1.1场景1~4的温度场分析.......40

4.1.2场景5~8的温度场分析对比.....45

5某压缩机厂房火灾下的钢构件升温分析.......59

5.1传热学原理在钢构件升温计算中的应用.......59

5.2涂刷保护层的钢构件升温计算.......59

5.3小结........66

5 某压縮机厂房火灾下的钢构件升温分析

5.1传热学原理在钢构件升温计算中旳应用

在火灾场景中，可燃物产生大量的热量，通过高温空气福射、对流，钢构件也获得热量，温度随之升高。而固体构件内部靠着材料自身热属性进行热量传导。求解钢构件的温度时，一般根据傅里叶导热定律和热平衡原理，利用导热微积分方程，求得钢构件截面上的温度分布。

由钢构件自身截面特性，可分为轻型和重型钢构件。一般是根据单位长度构件表面积与体积之比F/V来划分钢构件是轻型或者重型钢构件。由于钢材是一种导热性能非常好的建筑材料，轻型钢构件一般可假定其截面上各点温度相同，温度均匀分布。

该工程的钢结构构件大都采用的型Q235B、L型等钢构件，一般认为它们为轻型钢构件。在工程中为了具有实用性，可根据钢结构建筑的工作特点以及工程的具体要求，研究中忽略构件横截面温度的不均匀性，我们假定钢构件横断面上的温度分布均匀，见图5.1。

5.2涂刷保护层的钢构件升温计算

钢结构构件的防火保护主要采用耐火材料包裹、空心封闭截面（主要是柱）冲水和直接在钢构件表面喷涂防火涂料等方法。

近些年来，超薄型防火涂料以易施工、涂层薄、表面光洁、装饰效果好和防火性能卓越的特点在石化企业得到了广泛的应用。本工程均采用超薄型防火涂料进行防火设计。针对超薄型防火涂料的材料属性（表5.1），来计算表面有超薄型防火涂料防火保护的该厂房的钢结构构件的升温情况。

结论

本文针对大庆某改扩建乙烯装置乙烯丙烯压缩机厂房的基本设计资料，充分考虑项目的功能需求和防火目标，通过研究分析火灾场景的设计、多重网格的划分、建筑模型的建立以及材料属性的设置等，利用数值模拟方法建立了该压缩机厂房的个火灾场景，从火灾的热释放速率、温度场、烟气可见度以及钢构件的升温等方面进行了分析，并对厂房的防火保护给出建议。

1、该压缩机厂房火灾热释放速率：

民用建筑的火灾热释放速率一般仅为5MW~20MW，而该厂房的火灾热释放速率一般为，该厂房的烃类火灾规模更大，对结构的抗火性能要求更闻火源位于压缩机厂房吊装孔位置时，火源产生的高温烟气不受建筑结构和工艺设备的阻栏，流通顺畅，氧气充足，热释放速率相对较高；

火源处于压缩机设备下和靠近建筑墙体位置时，火源附近障碍物较多，烟气滞留，空气流通困难，氧气供给不足，热释放速率相对较低，并出现热释放速率的波动现象。

门窗全部开启，排烟能力强，室内外空气流通快，热释放速率较大；门窗关闭时，排烟受限，可燃物产生的有毒不可燃气体抑制可燃介质的燃烧，热释放速率较低开启门窗洞口最大热释放速率是未开启门窗洞口场景下的最大热释放速率的1.6倍左右。

2.该压缩机厂房温度场、钢构件升温及烟气分布规律：

火源位于吊装孔位置时，产生的热量不受平台的阻拦，呈现高度越高温度越低的趋势，温度分布规律为操作平台温度》平台上方1.5m范围温度>屋顶温度，平台温度约为1000°C，平台上方1.5m范围内温度约为600°C，屋顶约为350°C。而火源位于其他位置时，产生的热量都将受到平台的阻拦，平台下方温度明显高于平台上方温度，并且屋顶的温度场也比平台上方的空气温度更高，温度分布规律是操作平台温度》屋顶温度>平台上方1.5m范围温度，平台温度约为1000°C，平台上方1.5Cm范围内温度约为250°C，屋顶约为350°C。

取“最危险的场景”的温度场做为厂房内部的温度场，标高为10.500m处的平台位置温度达到1050°C，在1800s后构件温度约为180°C屋顶温度达到350°C，1800s后钢主、次梁构件温度约为120°C。

门窗开启的场景下，距地面2m处的烟气温度平均值约为40°C可见度大于10m；而关闭门窗的场景，距地面2m处的烟气温度平均值约为140°C可见度小于，建议在压缩机厂房冬季生产作业过程中，加强对消防排烟系统的维护和检测，避免机械排烟通风系统失效的状况。
 

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