大型液化烴球罐區(qū)的消防設(shè)計

楊理（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司上海分公司，上海200136）

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大型液化烴球罐區(qū)的消防設(shè)計

楊理
（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司上海分公司，上海200136）

摘要：結(jié)合工程實例，闡述了液化烴球罐區(qū)的穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)以及水噴霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計要點，詳細(xì)介紹了罐區(qū)消防水量的計算過程、環(huán)管及噴頭的布置方法。

關(guān)鍵詞：液化烴罐區(qū)；穩(wěn)高壓；水噴霧；水霧噴頭

1　概述

液化烴是指在15℃時，飽和蒸氣壓大于0.1MPa的烴類液體及其它類似液體，其成分一般包括乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烯、丁烷以及其它碳?xì)浠衔铮€有微量的硫化合物，屬多組分混合物（不包括液化天然氣），其火災(zāi)危險性為甲類。石油化工企業(yè)普遍采用臥式圓罐和球形罐作為儲存液化烴的容器，包括全壓力式、半冷凍式以及全冷凍式儲罐。

液化烴儲罐一旦泄漏，過熱液體會發(fā)生氣化，形成蒸汽云，蒸汽云遇火源發(fā)生爆炸后，會回火點燃泄漏源，形成噴射火，使儲罐暴露于火焰，若此時不能對儲罐進行有效冷卻，罐內(nèi)液體會急速膨脹、沸騰，液面以上的罐壁（干壁）溫度將迅速升高，強度下降；同時蒸汽壓會出現(xiàn)異常升高，一定時間后，干壁將產(chǎn)生熱塑性破口，罐內(nèi)壓力急劇下降，液體處于深過熱狀態(tài)，迅速膨脹氣化產(chǎn)生大量蒸汽，從而引發(fā)沸液蒸汽爆炸，導(dǎo)致重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，其后果是災(zāi)難性的。對于液化烴儲罐設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)的主要目的就是對儲罐進行冷卻降溫，防止形成沸液蒸汽爆炸，同時對相鄰罐進行噴水冷卻保護，使儲罐不會因受熱發(fā)生損壞。

本文結(jié)合工程實例，依據(jù)國家規(guī)范及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，淺要分析大型液化烴儲罐區(qū)的消防給水系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)的設(shè)計要點。

2　工程介紹

某球罐區(qū)共建有全壓力式球罐5臺，其中2000m3球罐2臺，直徑為φ15.7m，1000m3球罐3臺，直徑為φ12.3m，平面布置見圖1。

3　罐區(qū)消防水量

圖1　球罐平面布置圖

根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（GB50160- 2008，以下簡稱《石化規(guī)》），并參考《中國石油化工集團公司液化烴球罐區(qū)安全技術(shù)管理暫行規(guī)定》（以下簡稱《暫行規(guī)定》），液化烴罐區(qū)應(yīng)設(shè)穩(wěn)高壓水消防給水系統(tǒng)，單罐容積≥1000m3的大型液化烴罐區(qū)應(yīng)采用固定式水噴霧（水噴淋）系統(tǒng)及移動消防冷卻水系統(tǒng)。當(dāng)儲罐儲存的物料燃燒，在罐壁可能生成碳沉積時，應(yīng)設(shè)水噴霧系統(tǒng)。罐區(qū)的消防冷卻總用水量應(yīng)該按儲罐固定式消防冷卻用水量與移動消防冷卻用水量之和計算?！妒?guī)》8.10.4規(guī)定，全壓力式液化烴儲罐著火罐及距著火罐罐壁1.5倍直徑范圍內(nèi)的鄰近罐冷卻水供給強度均不應(yīng)小于9L/min·m2，同時在其對應(yīng)的條文說明中解釋到，國內(nèi)通過對液化烴儲罐火災(zāi)受熱噴水保護試驗得出結(jié)論：噴水強度取10L/min·m2較為穩(wěn)妥可靠。因此本項目計算噴水強度均按10L/min·m2考慮。

另外，《石化規(guī)》8.10.7規(guī)定，液化烴罐區(qū)的消防延續(xù)時間按6h計算，而《暫行規(guī)定》3.2.7.2中規(guī)定，液化烴球罐區(qū)的消防水源應(yīng)可靠，供水時間不低于8h。本項目按從嚴(yán)原則消防延續(xù)時間以8h計。

根據(jù)《石化規(guī)》8.10.5，移動消防冷卻用水量應(yīng)按罐組內(nèi)最大一個儲罐用水量確定，儲罐容積小于400m3時，不應(yīng)小于30L/s；大于或等于400m3小于1000m3時，不應(yīng)小于45L/s；大于或等于1000m3時，不應(yīng)小于80L/s。當(dāng)罐組只有一個儲罐時，計算用水量可減半。

本項目的一次火災(zāi)消防冷卻用水最大量計算見表1，設(shè)定著火罐為G201，則鄰近罐為G101、G102。

表1　一次火災(zāi)消防水用量表

以上為消防水量的理論最小值，在球罐經(jīng)計算確定了水噴霧系統(tǒng)環(huán)管及噴頭具體布置情況后，還應(yīng)根據(jù)每個球罐最終配置的噴頭數(shù)量和噴頭的K特性系數(shù)，重新校核罐區(qū)的消防冷卻水量。

4　水噴霧系統(tǒng)設(shè)計

4.1系統(tǒng)組成

水噴霧滅火系統(tǒng)是在自動噴水滅火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該滅火系統(tǒng)使用專用的水霧噴頭，將水噴射成微小霧滴進行滅火或防護冷卻的一種固定式滅火系統(tǒng)。此系統(tǒng)不僅安全可靠，經(jīng)濟實用，而且具有適用范圍廣，滅火效率高的優(yōu)點。

水噴霧滅火系統(tǒng)由水源、供水設(shè)備、管道、雨淋報警閥（或電動控制閥、氣動控制閥）、過濾器和水霧噴頭等組成。

本工程考慮到雨淋閥組安裝使用的環(huán)境要求比較高（需設(shè)置在不低于4℃并有排水設(shè)施的室內(nèi)），而球罐區(qū)內(nèi)非凈化風(fēng)接管較為便捷，故選用了氣動閥門作為水噴霧滅火系統(tǒng)的控制閥。

4.2系統(tǒng)流程

根據(jù)《石化規(guī)》8.10.9、8.10.10，當(dāng)儲罐采用固定式消防冷卻水系統(tǒng)時，對儲罐的閥門、液位計、安全閥等宜設(shè)水噴霧或水噴淋噴頭保護；儲罐容積大于400m3時，供水豎管應(yīng)采用2條，并對稱布置；采用固定水噴霧系統(tǒng)時，罐體管道設(shè)置宜分為上半球和下半球2個獨立供水系統(tǒng)；儲罐容積大于1000m3時，應(yīng)采用遙控控制閥，控制閥前應(yīng)設(shè)置帶旁通閥的過濾器。

本項目的水噴霧系統(tǒng)流程圖見圖2。

4.3噴頭選型與布置

水噴霧噴頭的型號很多，可參考國標(biāo)圖集04S206《自動噴水與水噴霧滅火設(shè)施安裝》選型，也可以根據(jù)廠家提供的樣本進行選型；對于大型項目，還可以根據(jù)設(shè)計要求確定流量系數(shù)和噴霧角后再進行噴頭加工。

《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50219- 2014，以下簡稱《水霧規(guī)》）中規(guī)定，當(dāng)保護對象為甲、乙、丙類液體和可燃?xì)怏w儲罐時，水霧噴頭與保護儲罐外壁之間的距離不應(yīng)大于0.7m。當(dāng)保護對象為球罐時，水霧噴頭的噴口應(yīng)朝向球心，水霧錐沿緯方向應(yīng)相交，沿經(jīng)線方向應(yīng)相接（不小于1000m3時，緯線方向應(yīng)相交，經(jīng)線方向宜相接，但赤道以上環(huán)管間距不應(yīng)大于3.6m），無防護層的球罐鋼支柱和罐體液位計、閥門等處應(yīng)設(shè)水霧噴頭保護。

以本項目中的2000m3球罐為例，選用ZSTWB/SL - S232- 40- 120型噴頭，流量系數(shù)K=18.9，噴射角θ為120℃，噴頭距罐壁距離B為0.65m，如圖3所示。

水霧錐底圓半徑R=0.65tan=1.13m（公式見《水霧規(guī)》式3.2.4），所保護的弧長對應(yīng)的角度α為19.35°，則沿經(jīng)線方向所需設(shè)環(huán)管數(shù)為180/19.35=9.3，即需設(shè)10圈環(huán)管。

因球罐頂部設(shè)有操作平臺，底部設(shè)有操作閥門，若安裝環(huán)管則不方便閥門的操作，故將最上兩圈和最下兩圈環(huán)管分別合并，即實際環(huán)管為8圈。合并后再從頂部和底部環(huán)管上安裝支管及噴頭，用于保護球罐的兩極、閥門和支柱。

圖2　水噴霧系統(tǒng)流程圖

圖3　噴頭布置計算

根據(jù)規(guī)范要求，水霧錐沿緯線方向應(yīng)相接，按菱形布置時其間距不應(yīng)大于1.7倍的R，即同一圈環(huán)管上的噴頭間距不大于1.9m。經(jīng)計算，各圈環(huán)管噴頭數(shù)如圖4所示。

5　水量核算

為保證供水均衡，在每圈環(huán)管的入口均安裝減壓孔板，將每只噴頭的工作壓力控制在0.4MPa左右，以滿足滅火需求。按公式，算得每個噴頭的流量為0.63L/s，上下半球共設(shè)有212只噴頭，即水噴霧設(shè)施的總流量為133.56L/s，滿足最低129.06L/s的水量要求。

6　其它設(shè)計注意事項

（1）在罐區(qū)穩(wěn)高壓系統(tǒng)設(shè)計中，關(guān)于穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量，《石化規(guī)》的正式條文中并未有規(guī)定，僅在8.5.1的條文解釋中提到“穩(wěn)壓泵的設(shè)計水量要考慮消防水管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏量和一支水槍出水量（5L/s）”。而在《暫行規(guī)定》中的3.2.7.2條規(guī)定“穩(wěn)壓泵的流量不宜小于啟動1只消火栓時的流量”。本項目依然按從嚴(yán)原則，即按不低于1只消火栓的流量進行設(shè)計。

圖4　環(huán)管及噴頭布置圖

（2）水噴霧系統(tǒng)響應(yīng)時間應(yīng)不大于120s。

（3）所選用的控制閥門應(yīng)具有遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場控制以及應(yīng)急機械啟動功能，開啟時間不宜大于45s，應(yīng)能就地及遠(yuǎn)程顯示閥門開、閉狀態(tài)信號，應(yīng)能在閥門故障時報警。閥組的安裝位置應(yīng)距被保護的罐壁不小于15m。

（4）氣動閥宜設(shè)置儲備氣罐，氣罐的容積可按與氣罐連接的所有氣動閥啟閉3次所需氣量計算。

（5）按防火堤內(nèi)面積每400m2配置一個手提式干粉滅火器，但每個儲罐配置滅火器的數(shù)量不宜超過3個，且宜布置在防火堤外踏步邊。

7　結(jié)束語

穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)服務(wù)于整個罐區(qū)，設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)為系統(tǒng)的流量、壓力以及消防水池的儲量，其中流量及消防水儲量還需在噴頭的特性及數(shù)量確定后，再重新核算。

水噴霧滅火系統(tǒng)服務(wù)單個球罐，設(shè)計關(guān)鍵為噴水強度達標(biāo)以及面積的全覆蓋，合理的選擇、布置環(huán)管和噴頭，在使水噴霧滅火系統(tǒng)達到設(shè)計強度的同時，還可最大程度地節(jié)約投資成本。

對于大型液化烴罐區(qū)，穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)及水噴霧滅火系統(tǒng)的設(shè)置是對儲罐安全運行的重要保障，結(jié)合可燃?xì)怏w報警儀、火災(zāi)探測器等儀表設(shè)施，可以有效地降低事故發(fā)生概率，減少事故時的人員和財產(chǎn)損失。

參考文獻

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Firefighting Design for Liquefied Hydrocarbon Tank Farm

YANG Li
（Shanghai Branch，Anhui Shihua Engineering&Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200136，China）

Abstract：Combined with engineering example，the design point of stabilized high pressure fire water system and water spray fire protection system for liquefied hydrocarbon tank farm were described，as well as the calculation of the firewater demand for the tank farm，and ringpipes and spraynozzles arrangement method.

Key words：liquefied hydrocarbon tank farm；stabilized high pressure；water spray；spraynozzle

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.027

中圖分類號：TQ053.2

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1008- 553X（2016）03- 0075- 04

收稿日期：2016- 03- 10

作者簡介：楊理（1982-），女，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)，工程師，從事給排水工程設(shè)計工作，021- 61941055，13482555296，yangli@gcsj.com。