淺析大型儲罐固定式消防系統(tǒng)新技術(shù)進(jìn)展

劉釔池，貝雅梅，劉江波，張福強(qiáng)，馬偉平

(1. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河北 任丘 062552；2. 渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北 任丘 062552；3. 中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120；4. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000；5. 中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

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淺析大型儲罐固定式消防系統(tǒng)新技術(shù)進(jìn)展

劉釔池1，貝雅梅2，劉江波3，張福強(qiáng)4，馬偉平5

(1. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河北 任丘 062552；2. 渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北 任丘 062552；3. 中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120；4. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000；5. 中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

介紹了國外新型儲罐泡沫滅火技術(shù)現(xiàn)狀和適用范圍，包括液下噴射泡沫滅火系統(tǒng)、移動式消防設(shè)施以及CFITM，TANK GUARD和SEF泡沫滅火系統(tǒng)。提出了提高儲罐固定式消防系統(tǒng)可靠性和應(yīng)急保障能力的建議，包括推廣應(yīng)用浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)，儲罐固定式消防系統(tǒng)泡沫混合液供給強(qiáng)度應(yīng)不小于4 L/(min·m2)，冷卻水供給時(shí)間不少于15 h以及配備柴油儲備量能滿足消防泵運(yùn)轉(zhuǎn)不低于6 h的柴油機(jī)泵等。

儲罐固定式消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)泡沫滅火系統(tǒng)

鑒于國內(nèi)原油戰(zhàn)略儲備庫需求和儲罐大型化發(fā)展趨勢，最大浮頂儲罐容積已達(dá) 1.5×105m3，儲罐運(yùn)行管理難度和安全風(fēng)險(xiǎn)增大。另一方面，國內(nèi)儲罐建設(shè)規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不斷提高，國內(nèi)部分已建油庫消防系統(tǒng)不滿足規(guī)范要求，例如消防水池容量、泡沫罐容量達(dá)不到最低容量要求；冷卻水、泡沫供給系統(tǒng)不合理，消防泵房內(nèi)無備用消防泵，未采用雙電源或者柴油消防泵；消防給水系統(tǒng)不獨(dú)立，與生活給水系統(tǒng)公用等[1]。此外儲罐消防系統(tǒng)維護(hù)、檢測和演練有待改進(jìn)，不能完全掌握泡沫滅火系統(tǒng)實(shí)際滅火能力，存在消防設(shè)備陳舊、技術(shù)人員檢修不及時(shí)的問題，消防系統(tǒng)長期處于喪失工作能力狀態(tài)。

儲罐固定式消防系統(tǒng)按照設(shè)置型式可分為罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)和浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)。借鑒國內(nèi)外管道行業(yè)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和推薦做法，提高儲罐消防系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)急保障能力具有重要意義。

1　儲罐固定式消防系統(tǒng)存在的問題

1.1難以應(yīng)對儲罐全面積火災(zāi)

儲罐火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明： 密封圈雷擊著火是浮頂罐最常見的火災(zāi)類型[2]；其次是浮頂和中央排水管故障、罐底和罐壁腐蝕以及閥門損壞、管線斷裂引起的火災(zāi)事故。API 對1951—1995 年發(fā)生的81 起直徑超過30 m的大型浮頂儲罐火災(zāi)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，密封圈火災(zāi)占統(tǒng)計(jì)事故的72.8%。2007年5月24日和6月24日鎮(zhèn)海國家儲備庫47號外浮頂罐連續(xù)兩次遭雷擊，儲罐邊緣密封圈處著火[3]。國外有浮頂下沉伴隨火災(zāi)發(fā)生，最終形成儲罐全面積敞口火災(zāi)的案例，例如1981年美國Amoco石油公司某煉油廠一個(gè)1×105m3原油浮頂罐發(fā)生了浮頂沉沒，導(dǎo)致火災(zāi)失控。

國內(nèi)應(yīng)對大型儲罐全面積火災(zāi)的首選方式是固定式消防系統(tǒng)，但固定式消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是撲救密封圈火災(zāi)。根據(jù)大量火災(zāi)事故案例，儲罐泡沫滅火系統(tǒng)在撲救油罐高液位密封圈火災(zāi)時(shí)效果顯著，儲罐低液位時(shí)，上部噴射的泡沫下降過程中易被火焰吹開而很難落入密封圈或液面上，儲罐液上噴射泡沫滅火設(shè)施不能有效撲救在浮頂下降、傾斜及全面池火時(shí)浮頂油罐火災(zāi)[2]。

此外，GB 50151—2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定固定式泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)滿足在泡沫泵或泡沫混合液泵啟動后，將泡沫混合液或泡沫輸送到保護(hù)對象的時(shí)間不超過5min[4]。對于大型儲罐、低液位和儲罐全面積火災(zāi)情形下，泡沫供給強(qiáng)度可能不滿足文獻(xiàn)[4]的要求，存在安全隱患[5]。

1.2罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)缺陷

國內(nèi)大部分浮頂儲罐采用罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在以下缺陷：

1) 泡沫噴射口設(shè)置在罐頂沿罐周等角均布，如外界風(fēng)力較大，雖泡沫噴射口設(shè)有泡沫導(dǎo)流板，泡沫仍易被風(fēng)吹散，造成大量泡沫損失。

2) 啟動滅火系統(tǒng)后，泡沫沿罐壁流至浮盤泡沫堰板與罐壁之間的環(huán)形空間，形成一定厚度泡沫帶淹沒密封圈后，泡沫從密封圈頂部裂口溢流進(jìn)入密封圈內(nèi)部實(shí)施滅火。研究表明： 對于1.5×105m3大型浮頂儲罐，泡沫在環(huán)形空間匯集至少需要9min，特別是密封圈著火點(diǎn)不正對泡沫噴射口正下方時(shí)，很可能錯(cuò)過最佳的滅火時(shí)機(jī)[5]。

3) 雷電引起的密封圈火災(zāi)可能伴隨大雨，噴射泡沫會被雨水稀釋，影響滅火效果。

1.3浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)

國內(nèi)僅少數(shù)浮頂儲罐采用浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)。泡沫噴射口設(shè)置在泡沫堰板與二次密封支撐板之間的開放空間，噴出泡沫直接覆蓋在油面實(shí)施滅火，避免外界風(fēng)力和雨水對泡沫的影響，但仍不能完全解決泡沫只有完全淹沒金屬支撐板后才能進(jìn)入密封圈內(nèi)部滅火的問題。泡沫管線穿越二次密封金屬支撐板處需有效密封，否則導(dǎo)致密封圈內(nèi)油氣從穿越處泄漏。此外，只有在儲罐檢修期間才能對泡沫管線進(jìn)行維修，泡沫管線耐腐蝕、耐高溫、耐高壓等性能要求高，造價(jià)高，從而限制了應(yīng)用范圍。

1.4泡沫供給強(qiáng)度

儲罐固定式消防系統(tǒng)主要是泡沫滅火系統(tǒng)和水噴淋系統(tǒng)，針對泡沫液供給強(qiáng)度、供給時(shí)間和鄰近儲罐冷卻等問題，GB 50074—2014《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定如下：

1) 著火的固定頂儲罐以及距離該儲罐罐壁不大于1.5D(D為著火儲罐直徑)范圍內(nèi)的相鄰儲罐，均應(yīng)冷卻。

2) 著火的外浮頂、內(nèi)浮頂儲罐應(yīng)冷卻，相鄰儲罐可不冷卻。

3) 著火的固定頂儲罐和內(nèi)/外浮頂罐的固定式冷卻水供給強(qiáng)度分別為不小于2.0L/(min·m2)和2.5L/(min·m2)，相鄰儲罐冷卻水供給強(qiáng)度為不小于2.0L/(min·m2)。

4) 直徑大于20m固定頂儲罐和內(nèi)浮頂罐的消防冷卻水最小供給時(shí)間不小于9h，其他儲罐不少于6h。

以“大連7.16油庫火災(zāi)事故”為例[7]，在對著火儲罐進(jìn)行滅火同時(shí)對鄰近受到威脅的6座儲罐及輸油管道進(jìn)行冷卻，滅火用時(shí)15h，使用泡沫1300t、用水約6×104t，計(jì)算泡沫混合液供給強(qiáng)度為4.3L/(min·m2)。該事故中泡沫液供給強(qiáng)度和供給時(shí)間均高于文獻(xiàn)[6]的規(guī)定，著火浮頂罐可不冷卻的規(guī)定也與實(shí)際消防要求有差距。此外儲罐滅火后還應(yīng)向著火儲罐補(bǔ)充噴射泡沫，避免油氣揮發(fā)，冷卻罐壁降至室溫。建議在條件允許的情況下，消防水池和泡沫罐的容積應(yīng)適當(dāng)增加，以增加泡沫液供給強(qiáng)度和供給時(shí)間。

1.5消防泵

針對消防冷卻水泵和泡沫消防水泵的設(shè)置，文獻(xiàn)[6]規(guī)定一級油庫應(yīng)各設(shè)1臺備用泵，二、三級油庫可共用1臺備用泵，四、五級油庫可不設(shè)備用泵，備用泵量程不小于最大主泵的工作能力。消防水泵應(yīng)為正壓啟動或自吸啟動，采用自吸啟動時(shí)，自吸時(shí)間不宜大于45s。一、二、三級油庫的消防水泵有2個(gè)獨(dú)立電源供電時(shí)，主泵應(yīng)為電動泵，備用泵可為電動泵或柴油機(jī)泵；只有1個(gè)電源供電時(shí)，消防水泵應(yīng)采用下列方式之一： 主泵和備用泵均為柴油機(jī)泵；電動機(jī)泵和柴油機(jī)泵互為主泵和備用泵。

油庫消防系統(tǒng)采用雙電源或雙回路供電方式，應(yīng)對配電設(shè)施進(jìn)行改造，或者設(shè)計(jì)較大容量的變配電措施。消防泵偶爾使用，采用雙電源或雙回路供電方式不經(jīng)濟(jì)。此外，很多火災(zāi)事故初期火勢并不大，但由于電纜損壞，消防系統(tǒng)無備用動力源，造成火災(zāi)擴(kuò)大[7]，提高消防系統(tǒng)供電可靠性具有重要意義。實(shí)踐證明柴油機(jī)泵操作維護(hù)簡便，作為消防水泵具有明顯優(yōu)勢。俄羅斯應(yīng)用柴油燃料的發(fā)電機(jī)快速啟動消防泵的技術(shù)成熟，柴油儲備量能滿足消防泵運(yùn)轉(zhuǎn)不低于6h，確保發(fā)生火災(zāi)和電力中斷情況下驅(qū)動消防泵，建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)針對柴油機(jī)消防泵的油料儲備量應(yīng)適當(dāng)增加。

2　國內(nèi)外儲罐泡沫消防系統(tǒng)新技術(shù)

2.1液下噴射泡沫滅火系統(tǒng)

液下噴射泡沫滅火系統(tǒng)是在可燃液體下部注入泡沫，泡沫受浮力作用上升到液體表面并擴(kuò)散，形成泡沫層的滅火系統(tǒng)，液下滅火設(shè)施宜應(yīng)用于撲救拱頂油罐火災(zāi)。伊朗國家石油規(guī)范規(guī)定原油固定頂儲罐應(yīng)設(shè)置由泡沫消防水泵、 泡沫比例混合裝置、 高背壓泡沫產(chǎn)生器等組成的液下噴射泡沫滅火系統(tǒng)[8]。該滅火方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 泡沫管線和泡沫噴射口在儲罐底部，儲罐火災(zāi)狀態(tài)下不易損壞。

2) 泡沫受高溫和輻射熱破壞影響小，滅火效率高。

該滅火方式需解決的主要問題是防止泡沫夾帶過多油品成為可燃泡沫而失去滅火能力，只能選擇同時(shí)具有疏水性和疏油性的氟蛋白泡沫，泡沫發(fā)泡倍數(shù)控制在3倍較為適宜。此外，泡沫噴射口的止回閥容易密封不嚴(yán)，可能導(dǎo)致罐內(nèi)油品滲漏問題。伊朗某油田儲罐在止回閥后設(shè)置超壓爆破片，可有效防止油品泄漏[9]。

2.2移動式消防設(shè)施

外浮頂罐發(fā)生全面積敞口火災(zāi)難于撲救，特別是原油罐長時(shí)間大火會發(fā)生沸溢。國外已有應(yīng)用移動式大流量泡沫炮成功撲救大型儲罐全面積火災(zāi)的事故案例。例如： 美國曾成功撲救過直徑60.96m的油罐火災(zāi)，使用了巨型泡沫炮，射程152m，流量在250 L/s以上。沙特阿莫科公司推薦撲救直徑60～100m浮頂罐火災(zāi)，可使用流量260～930L/s消防炮。移動式消防設(shè)備泡沫供給強(qiáng)度明顯高于固定式消防系統(tǒng)，例如美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA 11—2016StandardforLow-，Medium，andHigh-ExpansionFoam[10]規(guī)定: 針對原油儲罐全面積火災(zāi)，采用固定式泡沫滅火系統(tǒng)，泡沫混合液的供給強(qiáng)度為4L/(min·m2)，持續(xù)供給時(shí)間為55min。采用泡沫炮滅火，泡沫混合液供給強(qiáng)度為6.5L/(min·m2)，持續(xù)供給時(shí)間為65min。為彌補(bǔ)泡沫液損失量，泡沫炮實(shí)際泡沫供給強(qiáng)度通常需提高至 10 L/(min·m2)以上[11]。

2.3CFITM氣體滅火系統(tǒng)

荷蘭SAVAL 公司開發(fā)的CFITM氣體滅火系統(tǒng)包括氣體滅火劑儲存罐、感溫探頭、滅火劑噴頭、管線等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　CFITM氣體滅火系統(tǒng)示意

滅火劑噴頭與感溫探頭一起敷設(shè)，探頭間距約2 m，單個(gè)系統(tǒng)可覆蓋40m罐周，安裝系統(tǒng)數(shù)量取決于儲罐大小。發(fā)生密封圈火災(zāi)時(shí)，火焰熱量使一個(gè)或多個(gè)探頭/裝置啟動，氣體滅火劑通過噴頭直接噴射到火焰上，滅火劑儲存罐設(shè)有液位和壓力開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)維護(hù)方便，可遠(yuǎn)程監(jiān)控，可靠性高，滅火速度快，不需額外動力，自動檢測滅火，不需水源，適合水源缺乏地區(qū)，在沙特和伊朗應(yīng)用較多。

2.4TANK GUARD泡沫滅火系統(tǒng)

環(huán)球技術(shù)公司開發(fā)的TANK GUARD泡沫滅火系統(tǒng)包括泡沫液儲罐、線性感溫報(bào)警系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　TANK GUARD泡沫滅火系統(tǒng)示意

線性感溫報(bào)警系統(tǒng)在密封圈內(nèi)，泡沫噴頭穿過金屬支撐板進(jìn)入密封圈內(nèi)部，密封圈內(nèi)出現(xiàn)火焰時(shí)泡沫直接噴射至油面滅火。泡沫液儲罐容量250L，儲存200L泡沫混和液，液體上方充裝高壓氣體，探頭間距約2 m，單個(gè)系統(tǒng)可覆蓋40m罐周，TANK GUARD泡沫滅火系統(tǒng)在西亞應(yīng)用較多。

2.5FoamFatale(SEF)泡沫滅火系統(tǒng)

SEF滅火系統(tǒng)中，壓縮泡沫儲存在壓力儲罐內(nèi)，與儲罐通過管線相連，壓縮泡沫在罐內(nèi)壓力下快速到達(dá)罐頂，結(jié)構(gòu)如圖3所示。沿罐壁頂部設(shè)置環(huán)管，壓縮泡沫從環(huán)管線性開口自動膨脹為泡沫，沿罐壁呈瀑布狀快速流下，向罐中心匯集形成泡沫帶。該系統(tǒng)泡沫供給強(qiáng)度可達(dá)20～40 L/(min·m2)，覆蓋2000m2著火油面形成20cm的泡沫層僅需2min，該系統(tǒng)可用于撲救大型浮頂儲罐的全表面積火災(zāi)。

圖3　FoamFatale(SEF)泡沫滅火系統(tǒng)示意

3　結(jié)論和建議

1) 大型儲罐滅火系統(tǒng)基于撲救密封圈火災(zāi)，隨著儲罐大型化發(fā)展趨勢，儲罐消防系統(tǒng)應(yīng)提高設(shè)計(jì)等級。

2) 浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)相對于罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)更適用于撲救大型儲罐的密封圈火災(zāi)，但應(yīng)致力于提高該滅火系統(tǒng)設(shè)施的可靠性和穩(wěn)定性。

3) 借鑒“大連7.16事故”經(jīng)驗(yàn)，儲罐固定式消防系統(tǒng)泡沫混合液供給強(qiáng)度不應(yīng)小于4L/(min·m2)，冷卻水供給時(shí)間不少于15h，大型浮頂罐著火情況下應(yīng)對鄰近儲罐進(jìn)行冷卻。

4) 不具備雙回路供電方式的油庫消防泵優(yōu)先采用柴油機(jī)泵，柴油儲備量能滿足消防泵運(yùn)轉(zhuǎn)不少于6h。

5) 固定頂儲罐選擇液下噴射泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)考慮泡沫液類型、泡沫發(fā)泡倍數(shù)、泡沫管線防滲漏措施等。

6) 借鑒美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 11—2016，大型儲罐應(yīng)配備移動式消防設(shè)備，泡沫混合液供給強(qiáng)度是6.5L/(min·m2)，持續(xù)供給時(shí)間是65min，用以撲救儲罐全面積火災(zāi)。

7) 國外新型滅火系統(tǒng)啟動快、滅火效率高，適用于撲救浮頂罐密封圈初期火災(zāi)。

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Review on New Technology of Fixed Fire-Fighting System for Large Scale Tanks

Liu Yichi1， Bei Yamei2， Liu Jiangbo3， Zhang Fuqiang4， Ma Weiping5

(1. Hebei Huabei Petroleum Ganghua Survey Planning & Design Co. Ltd.，Renqiu， 062552， China；2. No.4 Drilling Engineering Company， BHDC， Renqiu， 062552, China；3. China Petroleum Engineering & Construction Corp.， Beijing， 100120, China；4. China PetroleumPipeline No.4 Construction Company， Langfang， 065000, China；5. PetroChina Pipeline R&D Center， Langfang， 065000, China)

Abstracts： The current status and application scope of foreign new foam fire extinguishing technology are introduced including base injection foam extinguishing system， movable fire-fighting facilities， CFITM， TANK GUARD and SEF foam extinguishing system. Suggestions to improve reliability and emergency support capacity of tank fixed fire-fighting system are proposed including application of floating edge foam fire-fighting system. Foam supply strength is no less than 4L/(min·m2). Cooling water supply time is no less than 15 h and equipment of diesel fire pump with diesel storage capacity is no less than 6 h.

tank；fixed fire-fighting system；design；standard；foam extinguishing system

劉釔池(1987—)，女，河北滄州人，2010年畢業(yè)于重慶科技學(xué)院油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)就職于河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，主要從事油田地面工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

發(fā)展與評述

TU998.1

B

1007-7324(2016)04-0001-04

稿件收到日期： 2016-04-12。