地上立式儲罐消防冷卻水系統(tǒng)噴頭的選型布置

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

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地上立式儲罐消防冷卻水系統(tǒng)噴頭的選型布置

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

摘要：目前石油化工企業(yè)大量的地上立式儲罐設(shè)有固定式消防冷卻水系統(tǒng)，一般采用水幕噴頭。介紹了水幕噴頭的噴射角、噴頭間距及噴頭與罐壁距離對噴頭噴射效果的影響，從而選擇適當(dāng)?shù)膰婎^工作參數(shù)，達(dá)到合理布置噴頭的目的。

關(guān)鍵詞：消防冷卻水系統(tǒng)；水幕噴頭；噴射角；流量系數(shù)

可燃液體儲罐火災(zāi)危險(xiǎn)性較大，著火時(shí)火焰高、輻射熱大。儲罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，著火儲罐的罐壁直接受到火焰威脅。根據(jù)有關(guān)資料介紹，對于地上的鋼儲罐火災(zāi)，一般情況下5min內(nèi)可以使罐壁溫度達(dá)到500℃，使鋼板強(qiáng)度降低一半，8～10min以后鋼板會失去支持能力。根據(jù)《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50074- 2014）要求“容量大于或等于3000m3或罐壁高度大于或等于15m的地上立式儲罐，應(yīng)設(shè)固定式消防冷卻水系統(tǒng)”。本文結(jié)合某石油庫工程實(shí)例，對一現(xiàn)有立式罐增設(shè)固定式消防冷卻水系統(tǒng)的噴頭選型布置介紹如下。

1　儲罐規(guī)格及火災(zāi)危險(xiǎn)類別

儲罐為內(nèi)浮頂罐，浮盤為鋁浮盤（易熔材料）。儲存介質(zhì)為石腦油，火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲B類。儲罐容積為10000m3，直徑D為30m，罐壁高H為15.85m，設(shè)有一圈加強(qiáng)圈，加強(qiáng)圈無導(dǎo)流設(shè)施，加強(qiáng)圈距罐壁頂4m。

2　消防冷卻水流量估算

根據(jù)《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50074- 2014）12.2.8條規(guī)定，固定式消防冷卻系統(tǒng)著火罐供水范圍為罐壁外表面積，供水強(qiáng)度q不小于2.5L/min·m2；12.2.10條規(guī)定，儲罐抗風(fēng)圈或加強(qiáng)圈不具備冷卻水導(dǎo)流功能時(shí)，其下面應(yīng)設(shè)冷卻噴水環(huán)管。根據(jù)《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，本儲罐需設(shè)兩圈消防水環(huán)管，頂層環(huán)管消防冷卻水流量Q1=3.14×D×H1×q1=3.14×30×4×2.5=942L/min；加強(qiáng)圈下環(huán)管消防冷卻水流量Q2=3.14×D×H2×q2=3.14× 30×11.85×2.5=2791L/min。

根據(jù)《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50219- 2014）3.2.12規(guī)定，固定頂儲罐和按固定頂儲罐對待的內(nèi)浮頂儲罐的冷卻水環(huán)管宜沿罐壁頂部單環(huán)布置，當(dāng)儲罐抗風(fēng)圈或加強(qiáng)圈無導(dǎo)流設(shè)施時(shí)，其下面應(yīng)設(shè)置冷卻水環(huán)管。當(dāng)采用多環(huán)布置時(shí)，著火罐頂層環(huán)管保護(hù)范圍內(nèi)的冷卻水供給強(qiáng)度應(yīng)按本規(guī)范表3.1.2規(guī)定的2倍計(jì)算（即不小于5.0L/min·m2）。參照《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，本儲罐需設(shè)兩圈消防水環(huán)管，頂層環(huán)管消防冷卻水流量Q1=3.14×D×H1×q1=3.14×30×4×5=1884L/min；加強(qiáng)圈下環(huán)管消防冷卻水流量Q2=3.14×D×H2×q2= 3.14×30×11.85×2.5=2791L/min。

根據(jù)《石油化工企業(yè)給水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH3015- 2003）規(guī)定，拱頂罐夏季噴淋冷卻用水量指標(biāo)為0.4～0.6m3/（m·h）。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，按《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50074- 2014）要求，頂層環(huán)管消防冷卻水用量為0.6m3/（m·h），加強(qiáng)圈下環(huán)管消防冷卻水用量為1.78m3/（m·h），頂層環(huán)管消防冷卻水用量僅相當(dāng)于夏季噴淋冷卻用水量。按《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50219- 2014）規(guī)定，頂層環(huán)管消防冷卻水用量為1.2m3/（m·h），加強(qiáng)圈下環(huán)管消防冷卻水用量為1.78m3/ （m·h）。

對于固定頂儲罐，發(fā)生火災(zāi)時(shí)一般為全液面火災(zāi)，液面以上的干壁升溫很快，若得不到及時(shí)有效的冷卻，容易失效，造成更大火災(zāi)。

綜上考慮，本儲罐消防冷卻水流量參照《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50219- 2014）規(guī)定計(jì)算，即頂層環(huán)管消防冷卻水流量Q1=1884L/min；加強(qiáng)圈下環(huán)管消防冷卻水流量Q2=2791L/min。

3　噴頭的布置及選型

根據(jù)《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50074- 2014）12.2.10條規(guī)定，冷卻水噴淋環(huán)管上應(yīng)設(shè)置水幕式噴頭，噴頭布置間距不宜大于2m，噴頭的出水壓力不應(yīng)小于0.1MPa。《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50219- 2014）3.1.3條規(guī)定水霧噴頭的工作壓力，當(dāng)用于滅火時(shí)不應(yīng)小于0.35MPa，當(dāng)用于防護(hù)冷卻時(shí)不應(yīng)小于0.2MPa，但對于甲B、乙、丙類液體儲罐不應(yīng)小于0.15MPa；3.2.6條規(guī)定，當(dāng)保護(hù)對象為甲、乙、丙類液體和可燃?xì)怏w儲罐時(shí)，水霧噴頭與保護(hù)儲罐外壁之間的距離不應(yīng)大于0.7m。

對于地上立式儲罐消防冷卻水系統(tǒng)噴頭設(shè)計(jì)，除上述要求外，規(guī)范并未具體介紹如何選型布置。下面以本儲罐為例，分析地上立式儲罐消防冷卻水系統(tǒng)噴頭選型布置問題。

先分析噴射角、噴頭間距及噴頭與罐壁距離對噴頭噴射效果的影響，合理布置噴頭，再確定噴頭的流量系數(shù)及工作壓力。

3.1噴頭噴射角對噴頭噴射效果的影響

設(shè)定噴頭間距及噴頭與罐壁的距離，本儲罐噴頭與罐壁之間的距離為0.6m。噴頭間距按2m布置。噴頭采用水幕噴頭，當(dāng)噴射角分別為90°、120°、150°時(shí)其噴射效果分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　

圖2　

圖3　

由圖1可知，當(dāng)水幕噴頭噴射角為90°時(shí)，部分罐壁不能被噴淋水所覆蓋，即不能在罐壁形成連續(xù)的水膜，此時(shí)不能滿足消防冷卻要求。

由圖2可知，當(dāng)水幕噴頭噴射角為120°時(shí)，罐壁完全被噴淋水所覆蓋，其中113.5°噴射角以內(nèi)的水均勻覆蓋于罐壁，兩側(cè)各有3.25°噴射角的水與相鄰噴頭噴射出的水相交后垂直噴射于罐壁，即噴頭噴出的水約有95%（113.5/120）均勻分布于罐壁，其余集中噴射于相鄰噴頭中心線與罐壁相交處，即冷卻水有效利用率為95%。

由圖3可知，當(dāng)水幕噴頭噴射角為150°時(shí)，罐壁完全被噴淋水所覆蓋，其中113.5°噴射角以內(nèi)的水均勻覆蓋于罐壁，兩側(cè)各有18.25°噴射角的水與相鄰噴頭噴射出的水相交后垂直噴射于罐壁，即約有76%（113.5/150）的水均勻分布于罐壁，其余集中噴射于相鄰噴頭中心線與罐壁相交處，此時(shí)冷卻水有效利用率為76%，利用率較低。增大噴頭間距，可減少噴淋水相交部分，理論上可以提高冷卻水有效利用率。但考慮到噴頭的有效射程以及火焰的熱氣流與風(fēng)對噴水的影響，一般噴頭布置間距不宜大于2m。

綜上，當(dāng)噴頭間距及噴頭與罐壁的距離確定時(shí)，噴頭噴射角越小，罐壁被單個(gè)噴頭噴淋水所覆蓋的范圍越小；當(dāng)噴淋水完全覆蓋罐壁時(shí)，其噴頭有效噴射角為一定值；當(dāng)噴淋水完全覆蓋罐壁時(shí)，噴射角越大，冷卻水有效利用率越低。

3.2噴頭間距對噴頭噴射效果的影響

設(shè)定噴頭噴射角及噴頭與罐壁的距離，本儲罐噴頭與罐壁之間的距離為0.6m，噴頭噴射角為120°。噴頭采用水幕噴頭，當(dāng)噴頭間距分別為2.4、2、1.6m時(shí)其噴射效果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4　

圖5　

圖6　

由圖4可知，當(dāng)水幕噴頭間距為2.4m時(shí)，部分罐壁不能被噴淋水所覆蓋，即不能在罐壁形成連續(xù)的水膜，此時(shí)不能滿足消防冷卻要求。

由圖5可知，當(dāng)水幕噴頭間距為2m時(shí)，罐壁完全被噴淋水所覆蓋，其中113.5°噴射角以內(nèi)的水均勻覆蓋于罐壁，兩側(cè)各有3.25°噴射角的水與相鄰噴頭噴射出的水相交后垂直噴射于罐壁，即噴頭噴出的水約有95% （113.5/120）均勻分布于罐壁，其余集中噴射于相鄰噴頭中心線與罐壁相交處，即冷卻水有效利用率為95%。

由圖6可知，當(dāng)水幕噴頭間距為1.6m時(shí)，罐壁完全被噴淋水所覆蓋，其中102.3°噴射角以內(nèi)的水均勻覆蓋于罐壁，兩側(cè)各有8.85°噴射角的水與相鄰噴頭噴射出的水相交后垂直噴射于罐壁，即約有85%（102.3/120）的水均勻分布于罐壁，其余集中噴射于相鄰噴頭中心線與罐壁相交處，此時(shí)冷卻水有效利用率為85%。

綜上，當(dāng)噴頭噴射角及噴頭與罐壁的距離確定時(shí)，罐壁被單個(gè)噴頭噴淋水所覆蓋的范圍為一定值；當(dāng)噴淋水完全覆蓋罐壁時(shí)，噴頭間距越小，冷卻水有效利用率越低。

3.3噴頭與罐壁的距離對噴頭噴射效果的影響

設(shè)定噴頭噴射角及噴頭間距，本儲罐噴頭間距為2m，噴頭噴射角為120°。噴頭采用水幕噴頭，當(dāng)噴頭與罐壁的距離分別為0.5、0.6、0.7m時(shí)其噴射效果如圖7、圖8、圖9所示。

圖7　

圖8　

圖9　

由圖7可知，當(dāng)水幕噴頭與罐壁的距離為0.5m時(shí)，部分罐壁不能被噴淋水所覆蓋，即不能在罐壁形成連續(xù)的水膜，此時(shí)不能滿足消防冷卻要求。

由圖8可知，當(dāng)水幕噴頭與罐壁的距離為0.6m時(shí)，罐壁完全被噴淋水所覆蓋，其中113.5°噴射角以內(nèi)的水均勻覆蓋于罐壁，兩側(cè)各有3.25°噴射角的水與相鄰噴頭噴射出的水相交后垂直噴射于罐壁，即噴頭噴出的水約有95%（113.5/120）均勻分布于罐壁，其余集中噴射于相鄰噴頭中心線與罐壁相交處，即冷卻水有效利用率為95%。

由圖9可知，當(dāng)水幕噴頭與罐壁的距離為0.7m時(shí)，罐壁完全被噴淋水所覆蓋，其中105.2°噴射角以內(nèi)的水均勻覆蓋于罐壁，兩側(cè)各有7.4°噴射角的水與相鄰噴頭噴射出的水相交后垂直噴射于罐壁，即約有88%（105.2 /120）的水均勻分布于罐壁，其余集中噴射于相鄰噴頭中心線與罐壁相交處，此時(shí)冷卻水有效利用率為88%。

綜上，當(dāng)噴頭噴射角及噴頭間距確定時(shí)，噴頭與罐壁的距離越小，罐壁被單個(gè)噴頭噴淋水所覆蓋的范圍越?。划?dāng)噴淋水完全覆蓋罐壁時(shí)，噴頭與罐壁的距離越大，冷卻水有效利用率越低。

3.4噴頭的布置選型

考慮到項(xiàng)目初投資及今后的管理維護(hù)，應(yīng)盡量減少噴頭數(shù)量。本儲罐消防冷卻系統(tǒng)噴頭與罐壁的距離取0.6m，噴頭噴射角取120°，噴頭間距初步取2m，噴頭個(gè)數(shù)為31.2*3.14/2=48.98，取50個(gè)。實(shí)際噴頭間距約為1.96m，有效噴射角度為112.5°，即冷卻水有效利用率為94%（112.5/120）。

頂層環(huán)管噴頭流量：

加強(qiáng)圈下環(huán)管噴頭流量：

噴頭工作壓力P取0.2MPa，根據(jù)公式q=K（10P）0.5，頂層環(huán)管噴頭流量系數(shù)K1=28.35，加強(qiáng)圈下環(huán)管噴頭流量系數(shù)K2=41.99。根據(jù)廠家提供的樣本，按流量系數(shù)接近且不小于上述計(jì)算結(jié)果選用噴頭。

4　結(jié)論

（1）噴頭噴射角越小，罐壁被單個(gè)噴頭噴淋水所覆蓋的范圍越??；當(dāng)噴淋水完全覆蓋罐壁時(shí)，噴射角越大，冷卻水有效利用率越低。

（2）噴頭間距對罐壁被單個(gè)噴頭噴淋水所覆蓋的范圍沒有影響；當(dāng)噴淋水完全覆蓋罐壁時(shí)，噴頭間距越小，冷卻水有效利用率越低。

（3）噴頭與罐壁的距離越小，罐壁被單個(gè)噴頭噴淋水所覆蓋的范圍越??；當(dāng)噴淋水完全覆蓋罐壁時(shí)，噴頭與罐壁的距離越大，冷卻水有效利用率越低。

（4）計(jì)算單個(gè)噴頭流量時(shí)，應(yīng)根據(jù)噴頭的噴射角及布置位置確定冷卻水的有效利用率，以確保罐壁的冷卻水供給強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

［1］GB50160- 2008，石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［2］GB50074- 2014，石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50219- 2014，水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.029

中圖分類號：TQ053.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008- 553X（2016）03- 0082- 03

收稿日期：2016- 03- 18

作者簡介：錢嬋娟（1988-），女，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，助理工程師，從事給排水設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)工作，021- 61941034，15021787810，qiancj@gcsj.com。