低溫液氨儲(chǔ)罐固定冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

徐秉坤

（上?？圃蓟こ淘O(shè)計(jì)有限公司 上海 200235）

低溫液氨儲(chǔ)罐固定冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

徐秉坤

（上?？圃蓟こ淘O(shè)計(jì)有限公司 上海 200235）

本文依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目介紹了低溫液氨儲(chǔ)罐的固定冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并討論了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于固定冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)不一致時(shí)如何選用的問(wèn)題，希望有關(guān)部門給出權(quán)威解釋或統(tǒng)一設(shè)計(jì)參數(shù)。關(guān)于系統(tǒng)布置，主要描述了諸如噴頭布置等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

液氨消防水噴霧；噴頭布置

引言

液氨作為一種重要的化工原料，隨著國(guó)內(nèi)化工行業(yè)蓬勃發(fā)展，液氨儲(chǔ)罐的規(guī)模也越來(lái)越大，此外，由于低溫液氨在儲(chǔ)存、運(yùn)輸成本上有較大優(yōu)勢(shì)，低溫液氨儲(chǔ)罐應(yīng)用也較多。

從火災(zāi)危險(xiǎn)性來(lái)看，根據(jù)GB50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱石化規(guī)）3.0.1與3.0.2條的規(guī)定，液氨屬于乙A類可燃液體。另外，根據(jù)GB18218-2009《重大危險(xiǎn)源辨識(shí)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，液氨儲(chǔ)罐屬于重大危險(xiǎn)源。因此，目前無(wú)論企業(yè)還是消防主管部門，對(duì)液氨儲(chǔ)罐的消防設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、安全操作、運(yùn)行管理，都非常關(guān)注。

本文從實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目出發(fā)，以2015年前后陸續(xù)更新的相關(guān)消防規(guī)范為依據(jù)，探討大型液氨儲(chǔ)罐的相關(guān)消防設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1　項(xiàng)目概況

1.1液氨儲(chǔ)罐概況

本項(xiàng)目有液氨儲(chǔ)罐2座，屬于鋼制全冷凍式雙防罐，為立式平底圓筒型全容罐，儲(chǔ)存介質(zhì)為低溫液氨，內(nèi)外罐直徑分別為25m及27m。外罐高度18m，有效容積8100m3。操作工況為內(nèi)罐常壓，外罐7kPa，操作溫度內(nèi)罐-33.3℃，外罐常溫。內(nèi)罐采用吊頂結(jié)構(gòu)，內(nèi)外罐支架填充隔熱層，對(duì)內(nèi)罐能起到有效的保冷作用。

另外，工藝設(shè)計(jì)上采用的冰機(jī)保冷、泄壓、氮封等安全措施，不在本文討論范圍內(nèi)，故不贅述。

1.2消防采用規(guī)范討論

根據(jù)新消防給水規(guī)范《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱消水規(guī)，GB50974-2014）第3.4.7條，全冷凍式液氨儲(chǔ)罐應(yīng)按全冷凍式液化烴儲(chǔ)罐外壁為鋼制單防罐設(shè)計(jì)。按目前廣泛采用的水噴霧系統(tǒng)作為固定冷卻水系統(tǒng)時(shí)，噴水強(qiáng)度應(yīng)采用罐壁2.5L/min·m2和罐頂4.0L/min·m2設(shè)計(jì)，供水持續(xù)6h。

消規(guī)在規(guī)定了噴水強(qiáng)度的同時(shí)，要求當(dāng)采用水噴霧系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)符合《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50219）的要求。如何理解“系統(tǒng)設(shè)置”是否包含噴水強(qiáng)度，顯然會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)一定難度。因?yàn)椋?015年8月即將實(shí)施的《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱新水霧規(guī)，GB50219-2014）第3.1.2條明確規(guī)定，液氨儲(chǔ)罐噴水強(qiáng)度按6.0L/min·m2設(shè)計(jì)，不區(qū)分罐壁和罐頂，與消規(guī)矛盾。如果按照現(xiàn)行水霧規(guī)，則供給時(shí)間上按儲(chǔ)罐直徑大小，分別定為4.0h和6.0h，也與石化規(guī)和消水規(guī)都為6.0h相矛盾，相關(guān)規(guī)范關(guān)于噴霧強(qiáng)度及持續(xù)供給時(shí)間的比較見(jiàn)表1。

所以，在針對(duì)液氨儲(chǔ)罐的消防設(shè)計(jì)上，相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)亟待統(tǒng)一。

表1　設(shè)計(jì)噴霧強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間比較

2　項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)消規(guī)及石化規(guī)，罐壁和罐頂噴水強(qiáng)度分別取為2.5和4.0L/min·m2，水霧噴頭采用全覆蓋布置，持續(xù)供給時(shí)間從嚴(yán)設(shè)計(jì)，按6.0h考慮。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)液氨儲(chǔ)罐2座，直徑相同，距離在1.5倍儲(chǔ)罐直徑之內(nèi)，根據(jù)石化規(guī)第8.10.6條，相鄰罐需計(jì)算冷卻水系統(tǒng)，但冷卻面積只考慮罐壁，不需考慮罐頂。故每只罐壁設(shè)2套獨(dú)立的噴淋環(huán)管，2只雨淋閥，但罐頂可以用一只雨淋閥控制?？紤]到本項(xiàng)目罐頂面積較大，冷卻水系統(tǒng)流量較大，從系統(tǒng)安全考慮，罐頂仍由2只雨淋閥分別控制一半作用面積，所以本項(xiàng)目每只儲(chǔ)罐設(shè)4套獨(dú)立冷卻水管路，4只雨淋閥，相關(guān)布置見(jiàn)圖1。

圖1　系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

在火災(zāi)狀態(tài)下，雨淋報(bào)警閥根據(jù)火災(zāi)探測(cè)自動(dòng)啟動(dòng)，開(kāi)啟著火罐4只雨淋閥，相鄰罐1只雨淋閥。根據(jù)規(guī)范，系統(tǒng)具備自動(dòng)啟動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟動(dòng)功能?？刂七壿嬯P(guān)系見(jiàn)表2。

表2　雨淋閥控制邏輯

值得一提的是，現(xiàn)行水霧規(guī)要求雨淋閥組應(yīng)放置于室內(nèi)，而新水霧規(guī)則改為“宜”置于室內(nèi)，但需距離保護(hù)對(duì)象至少15m。本項(xiàng)目就是因?yàn)闆](méi)有條件置于室內(nèi)故而將雨淋閥組放在罐區(qū)周邊，但設(shè)計(jì)了防雨措施。

2.3消防用水量

經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)罐消防用水量見(jiàn)表3。

表3　設(shè)計(jì)消防用水量

2.4罐壁噴頭布置

為保證防護(hù)冷卻效果，現(xiàn)行水霧規(guī)要求按設(shè)計(jì)噴霧強(qiáng)度向保護(hù)對(duì)象直接噴霧，使水霧覆蓋包圍保護(hù)對(duì)象，而對(duì)于儲(chǔ)罐這類外表為圓形的保護(hù)對(duì)象，如何保證全覆蓋是一個(gè)容易忽略的問(wèn)題。一般常規(guī)做法是根據(jù)噴頭的噴射角度、離罐壁距離將環(huán)管上噴頭在水平方向上交叉覆蓋罐壁表面，但是，確定垂直方向上每層環(huán)管之間的距離時(shí)容易出錯(cuò)，因?yàn)槊總€(gè)噴頭噴向罐壁表面的覆蓋面積，實(shí)際上并不是圓形，而是一個(gè)橢圓形，如圖2所示。

圖2　噴頭覆蓋面積示意圖

由圖2可知，噴射角度一定時(shí)，儲(chǔ)罐直徑越?。赐獗诨《仍酱螅r(shí)，橢圓越扁平。要使噴頭準(zhǔn)確覆蓋罐壁表面，必須將罐壁展開(kāi)為矩形后，用實(shí)際橢圓面積去布置噴頭使上下層環(huán)管之間無(wú)噴霧盲點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

圖3　噴頭布置示意圖

按以上原則，本項(xiàng)目罐壁噴頭選擇K=16，工作壓力P=0.2MPa的中速水霧噴頭，單個(gè)噴頭流量q=K×（10P）1/2=22.62L/min，距罐壁0.45m，噴射角度150°，實(shí)際布置數(shù)量為32個(gè)/圈×6圈=192個(gè)噴頭，設(shè)計(jì)流量為22.62×192=4343L/min，噴水強(qiáng)度4343÷1526= 2.85>2.5L/min·m2，滿足要求。

2.5罐頂噴頭布置

本項(xiàng)目罐頂噴頭選擇K=80，工作壓力P=0.2MPa的中速水霧噴頭，單個(gè)噴頭流量q=K×（10P）1/2=113.12L/min，距罐壁0.60m，噴射角度120°，實(shí)際布置數(shù)量為30個(gè)，設(shè)計(jì)流量為113.12×30=3394L/min，噴水強(qiáng)度為3394÷745=4.56>4.0L/min·m2，滿足要求。

罐頂是球體的一部分，按相貫線原理，由于水霧噴頭垂直于表面指向球心，故實(shí)際覆蓋面積仍然是圓形，只要滿足投影面積相交即可保證全覆蓋。由于罐頂噴水強(qiáng)度為4.0較罐壁增大很多，需要選擇K系數(shù)較大來(lái)滿足噴水強(qiáng)度。

2.6配水管路減壓

由于噴頭工作壓力為最不利點(diǎn)壓力，對(duì)于每根配水支管來(lái)說(shuō)，雖然離干管由遠(yuǎn)及近的噴頭流量會(huì)越來(lái)越大，但要使系統(tǒng)實(shí)際噴水量最小，每根支管始端的所需壓力P是一定的（P為滿足最不利點(diǎn)為0.2MPa時(shí)的支管始端壓力）。由于每層環(huán)管逐漸升高，對(duì)于每根支管所需要的減壓量都不一樣，如果使用減壓閥，長(zhǎng)期空管狀態(tài)下較易損壞，本項(xiàng)目通過(guò)精確計(jì)算，針對(duì)每個(gè)支管所需減壓量分別設(shè)計(jì)了減壓孔板，使用效果良好。

2.7設(shè)計(jì)小結(jié)

本項(xiàng)目根據(jù)以上方法，首先選擇噴射角度布置噴頭滿足全覆蓋保護(hù)對(duì)象，再根據(jù)噴頭數(shù)量和設(shè)計(jì)用水量選擇噴頭K系數(shù)，不至于使實(shí)際噴水強(qiáng)度超出規(guī)范很多，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的同時(shí)節(jié)省投資。

3　設(shè)計(jì)探討

設(shè)計(jì)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，即使全罐平均噴霧強(qiáng)度滿足要求，單個(gè)噴頭內(nèi)的噴霧強(qiáng)度也有可能不滿足規(guī)范。因?yàn)橄噜弴婎^覆蓋面積重疊部分的強(qiáng)度實(shí)際上超過(guò)了設(shè)計(jì)強(qiáng)度（如圖3中陰影部分實(shí)際上達(dá)到了2倍單個(gè)噴頭的噴水強(qiáng)度），而單個(gè)噴頭內(nèi)未與周邊噴頭重疊的部分則達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。以本項(xiàng)目為例，罐壁單個(gè)噴頭實(shí)際服務(wù)面積達(dá)到了14.12m2，而設(shè)計(jì)噴水流量為22.62L/min，強(qiáng)度為1.60L/min·m2，顯然不滿足規(guī)范，但正是因?yàn)閲婎^之間的交叉使得滿足全覆蓋保護(hù)的同時(shí)又使全罐總的平均噴霧強(qiáng)度達(dá)到了要求。

故規(guī)范所規(guī)定的噴水設(shè)計(jì)強(qiáng)度只能理解為平均噴霧強(qiáng)度，考慮到系統(tǒng)啟動(dòng)后從上至下的淋水冷卻也有較好的冷卻作用。

4　結(jié)論及建議

（1）通過(guò)水霧噴頭的合理選擇、布置以及管路減壓措施，可以使大型液氨儲(chǔ)罐的固定冷卻水系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的同時(shí)，同時(shí)最大程度節(jié)省投資。

（2）相關(guān)規(guī)范對(duì)液氨儲(chǔ)罐的冷卻水噴水強(qiáng)度要求不一致，給選擇設(shè)計(jì)參數(shù)帶來(lái)困難，特別是噴水強(qiáng)度對(duì)于項(xiàng)目的消防投資，尤其是因?yàn)槠渲苯佑绊懴烙盟慷鴮?duì)消防廢水收集池（系統(tǒng)）的投資影響巨大。建議相關(guān)主管部門能統(tǒng)一設(shè)計(jì)參數(shù)或給出權(quán)威解釋。

（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)雨淋閥組置于室外時(shí)，從系統(tǒng)安全考慮，無(wú)論是否處于防爆區(qū)，建議相關(guān)儀表要選擇防爆型。

TQ440.5

A

1673-0038（2015）18-0079-02

2015-4-12

徐秉坤（1983-），男，給排水工程師，主要從事化工行業(yè)給排水、消防設(shè)計(jì)工作。