可燃液體立式儲罐罐區(qū)消防系統(tǒng)設(shè)計

時曉寧，王全貴

（中國中輕國際工程有限公司，北京，100026）

可燃液體立式儲罐罐區(qū)消防系統(tǒng)設(shè)計

時曉寧，王全貴

（中國中輕國際工程有限公司，北京，100026）

介紹了甲、乙、丙類可燃液體立式儲罐罐區(qū)消防冷卻水系統(tǒng)和泡沫滅火系統(tǒng)的分類和組成，并結(jié)合某項目罐區(qū)工程設(shè)計實例闡述了固定式消防冷卻水系統(tǒng)計算過程、設(shè)備選型以及固定式泡沫滅火系統(tǒng)計算過程和設(shè)備選型。

立式儲罐罐區(qū)；固定式消防冷卻；泡沫滅火

1 概述

精細(xì)化工是國民經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域之一，是新材料的重要組成部分。它已經(jīng)成為石油化工、煤化工、天然氣化工等化學(xué)工業(yè)發(fā)展的總趨勢。由于它在國民經(jīng)濟(jì)中的特殊地位，它和能源、信息、生物化工以及材料學(xué)科之間有著緊密的聯(lián)系，它在我國現(xiàn)代化建設(shè)中的作用將愈來愈重要，而成為不可替代、不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。精細(xì)化工是石油和化學(xué)工業(yè)的深加工產(chǎn)業(yè)，可燃、易燃類液體儲罐也是精細(xì)化工項目不可或缺的一部分，如烷基苯、脂肪醇、環(huán)氧乙烷等介質(zhì)在化工行業(yè)的工程設(shè)計中多為常見。甲、乙、丙類液體儲罐火災(zāi)危險性較大，火災(zāi)的火焰高、輻射熱大，還可能出現(xiàn)油品流散。為防止油罐發(fā)生火災(zāi)，油罐變形、破裂或者發(fā)生突沸，需要采用大量的水對甲、乙、丙類液體儲罐進(jìn)行冷卻，并及時實施撲救工作。為了減少或避免火災(zāi)事故的發(fā)生，貫徹以“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的消防方針。設(shè)計中必須嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，從預(yù)防火災(zāi)，防止火災(zāi)蔓延及消防三方面采取措施，以確保建設(shè)項目的生產(chǎn)安全。

2 規(guī)范條文及系統(tǒng)分析

2.1 罐區(qū)消防設(shè)計依據(jù)

甲、乙、丙類液體儲罐罐區(qū)消防系統(tǒng)設(shè)計通常主要執(zhí)行以下規(guī)范：

a.《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2014)

b.《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(GB50160-2008)

c.《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB50974-2014)

d.《建筑滅火器配置設(shè)計規(guī)范》(GB50140- 2005)

e.《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50151-2010)

f.《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50084-2001)

2.2 相關(guān)規(guī)范條文分析對比

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2014)，8.1.4條規(guī)定：甲、乙、丙類液體儲罐（區(qū)）的儲罐應(yīng)設(shè)置移動水槍或固定水槍冷卻設(shè)施。高度大于15m或單罐容積大于2000m3的甲、乙、丙類液體地上儲罐，宜采用固定水冷卻設(shè)施。8.3.10條規(guī)定，單罐容積大于1000m3的固定頂罐應(yīng)設(shè)置固定式泡沫滅火系統(tǒng)，且均為強(qiáng)制性條文。

《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（GB50160-2008）8.4.5條規(guī)定，罐壁高于17m儲罐、容積等于或大于2000m3低壓儲罐應(yīng)設(shè)置固定式消防冷卻水系統(tǒng)。8.7.2條關(guān)于固定式泡沫滅火系統(tǒng)的規(guī)定：單罐容積等于或大于10000m3的非水溶性可燃液體儲罐；單罐容積等于或大于500m3的水溶性可燃液體儲罐；甲、乙類和閃點等于小于90℃的丙類可燃液體的浮頂罐及浮盤為非易熔材料的內(nèi)浮頂罐單罐容積等于或大于500m3的非水溶性可燃液體儲罐。此條規(guī)定為強(qiáng)制性條款，必須嚴(yán)格執(zhí)行。

經(jīng)對比分析，《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求比相應(yīng)的《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》更具有針對性更加嚴(yán)格；因為《建筑設(shè)計防火規(guī)范》是行業(yè)消防規(guī)范的母本，故在設(shè)計要從嚴(yán)執(zhí)行。設(shè)計中是否設(shè)置固定式消防冷卻系統(tǒng)以及固定式泡沫滅火系統(tǒng)應(yīng)主要執(zhí)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的相關(guān)條文。執(zhí)行中如遇不同規(guī)范規(guī)定不一致時，應(yīng)根據(jù)實際情況分析，以保證消防安全為前提進(jìn)行選擇執(zhí)行的條款。

2.3 消防冷卻水系統(tǒng)可以分為兩種方式：固定式消防冷卻水系統(tǒng)、移動式消防冷卻水系統(tǒng)

固定式消防冷卻水系統(tǒng)，由固定消防水池（罐）、消防水泵、消防給水管網(wǎng)及儲罐上設(shè)置的固定冷卻水噴淋裝置組成。

移動式消防冷卻水系統(tǒng)：宜為室外消火栓或消防炮。

依據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，地上立式儲罐冷卻水系統(tǒng)的保護(hù)范圍和噴水強(qiáng)度不應(yīng)小于表1的規(guī)定。本文未涉及到內(nèi)浮頂罐，故表格中未列出內(nèi)浮頂罐的數(shù)值。

表1　地上立式儲罐冷卻水系統(tǒng)的保護(hù)范圍和噴水強(qiáng)度

2.4 泡沫滅火系統(tǒng)可以分為三種方式：固定式泡沫滅火系統(tǒng)、半固定式泡沫滅火系統(tǒng)和移動式泡沫滅火系統(tǒng)

固定式泡沫滅火系統(tǒng)：由固定的泡沫消防水泵或泡沫混合液泵、泡沫比例混合器（裝置）、泡沫產(chǎn)生器（或噴頭）和管道等組成的滅火系統(tǒng)。

半固定式泡沫滅火系統(tǒng)：由固定的泡沫產(chǎn)生器與部分連接管道，泡沫消防車或機(jī)動消防泵，用水帶連接組成的滅火系統(tǒng)。

移動式泡沫滅火系統(tǒng)：由消防車、機(jī)動消防泵或有壓水源，泡沫比例混合器，泡沫槍、泡沫炮或移動產(chǎn)生器，用水帶連接組成的滅火系統(tǒng)。

依據(jù)《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》要求，非水溶性液體儲罐液上噴射系統(tǒng) 泡沫混合液供給強(qiáng)度和連續(xù)供給時間不應(yīng)小于表2的規(guī)定。

3 根據(jù)某工程可燃液體立式儲罐區(qū)的滅火及冷卻用水系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行實例分析

3.1 罐區(qū)概況

罐區(qū)內(nèi)共有7臺立式儲罐雙排布置，如圖1、如圖2所示。圖1、圖2分別為分2段、4段布置固定冷卻系統(tǒng)管。通過對比兩種不同的布管方式的實際用水量及控制方式，從而選擇4段布置固定冷卻系統(tǒng)管作為優(yōu)化設(shè)計方案。

儲罐儲存介質(zhì)均為可燃液體，其中2臺500m3的罐相對于其他罐體積很小，且著火罐周圍已有4個較大容量的鄰近罐，故可以不考慮。給容積大于2000m3的5個立式罐編號，分別為1#、2#、3#、4#、5#，經(jīng)計算比對，1#罐為著火罐計算水量最大，故以1#為著火罐計算，具體參數(shù)如表3所示。

3.2 冷卻水系統(tǒng)理論計算：

依據(jù)《石化規(guī)》8.4.5條，罐區(qū)內(nèi)大于2000m3的儲罐設(shè)置固定式消防冷卻水系統(tǒng)。固定式消防冷卻水水量計算分為理論消防冷卻水量與實際消防冷卻水量。

圖1　兩段環(huán)路配管

圖2　四段環(huán)路配管

表2　非水溶性液體儲罐液上噴射系統(tǒng)泡沫混合液供給強(qiáng)度和連續(xù)供給時間

3.2.1 理論消防冷卻水量計算

理論消防冷卻水量計算公式：

Q1=A q=π D H q

A——罐壁表面積，m2；

q——供水強(qiáng)度，L/min·m2；

D——罐直徑，m；

H——罐壁高度，m；

著火罐冷卻水量：Q1= A q

鄰近罐冷卻水量：Q1= 1/2 A q=1/2 π D H q

3.2.2 實際消防冷卻水量計算

3.2.2.1 實際冷卻水量與罐壁配管段數(shù)有關(guān)

故討論配置2段環(huán)路（如圖1所示）及4段環(huán)路管道（如圖2所示）兩種情況討論。陰影部分為需要冷卻水保護(hù)的罐壁周面積。

1) 罐壁配2段環(huán)管（圖1）

與著火罐正對需要冷卻的一側(cè)噴頭開啟，故實際計算水量Q2=Q1#+1/2* Q2#+ Q3#+ Q4#

2) 罐壁配4段環(huán)管（圖2）

與著火罐正對需要冷卻的一側(cè)噴頭開啟，實際計算水量Q2=Q1#+1/2*Q2#+ 3/4*Q3#+ 1/2*Q4#

以上兩種情況分析可知，罐壁保護(hù)采用2段環(huán)管的情況下，如果鄰近著火罐最近的一側(cè)需要保護(hù)，則需要開啟兩根立管的閥門才可實現(xiàn)，這樣看鄰近罐也需要全周面積冷卻，而不是冷卻一半的周面積；而4段環(huán)路設(shè)置配管比2段環(huán)路設(shè)置配管控制水量更靈活，鄰近罐3#罐與4#罐可以只開啟與著火罐最接近的一側(cè)，故4段環(huán)路配管比2段環(huán)路冷卻水量可以節(jié)省。

3.2.2.2 實際冷卻水量與罐壁是否設(shè)置加固作用的加強(qiáng)筋也有關(guān)

1#~ 5#每個罐壁上設(shè)置有兩條加肋筋。在消防冷卻噴淋過程中，加肋筋下側(cè)出現(xiàn)無法覆蓋的空白區(qū)域，影響冷卻效果，故需在加肋筋下方加設(shè)一圈噴頭，保證消防冷卻無死角。加肋筋下方的噴頭負(fù)責(zé)冷卻的區(qū)域為罐頂與加強(qiáng)筋之間、兩加肋筋之間或加強(qiáng)筋與罐底之間的罐壁面積。實際冷卻水量即為罐壁上所有噴頭噴水量之和。

根據(jù)罐壁保護(hù)面積大小不同，噴頭流量系數(shù)以及噴水量也不同。選用水幕噴頭類型分別為：ZSTMB/13，k=13；ZSTMB/28，k=25。下圈加肋筋與罐底間需保護(hù)面積較大，選用流量系數(shù)大的ZSTMB/28，k=25噴頭。加強(qiáng)肋角鋼下部沿罐周每隔1.5~2m均布噴頭，最不利點噴頭出口壓力為0.1MPa，ZSTMB/13噴頭流量0.22L/S，噴頭平均壓力0.3MPa，噴頭平均流量0.375L/ S；ZSTMB/28噴頭流量0.42L/S，噴頭平均壓力0.3MPa，噴頭平均流量0.72L/S；故單罐環(huán)管實際流量為噴頭個數(shù)*噴頭流量。噴頭的工作壓力由防火堤前的減壓閥組進(jìn)行調(diào)節(jié)，每層環(huán)管的壓力由減壓孔板進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2.2.3 實際冷卻水量計算結(jié)果

實際冷卻水量與計算結(jié)果如表4。

表3　儲罐區(qū)儲罐概況表

通過分析兩種情況并對計算結(jié)果進(jìn)行對比可以看出：配2段環(huán)管所需的冷卻水量為173.46L/S，配4段環(huán)管所需的冷卻水量為138.18L/S，雖然配4段環(huán)管冷卻水立管數(shù)量與2段環(huán)管相比多了兩根，管道耗材上略有增加，但是消防冷卻水量卻減少了25L/S，而且預(yù)計冷卻效果四段優(yōu)于二段，故選擇4段布管方式。

儲罐壁消防立管及噴頭布置

儲罐平面噴頭布置

噴頭安裝大樣圖

表4　實際冷卻水量與計算結(jié)果

《石化規(guī)》規(guī)定本罐區(qū)消防時間為4小時（著火罐為固定頂罐），儲罐采用固定式消防冷卻水系統(tǒng)時，室外消火栓水量不應(yīng)小于15L/S。因此，罐區(qū)的消防冷卻水應(yīng)為：138.18+15=153.18L/S，考慮10%安全系數(shù)，消防總水量應(yīng)取168.5L/S。

3.3 泡沫滅火系統(tǒng)計算：

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、《泡沫滅火設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，本罐區(qū)采用固定式低倍數(shù)的液上噴射泡沫滅火系統(tǒng)。

3.3.1 泡沫混合液用量計算

儲罐區(qū)泡沫滅火系統(tǒng)撲救一次火災(zāi)的泡沫混合液的設(shè)計用量，按罐內(nèi)用量、該罐輔助泡沫槍用量、管道剩余量三者之和確定。計算公式見下式：

M1＝A1R1T1＋nQft＋V

式中M1——撲救一次火災(zāi)的泡沫混合液的設(shè)計用量，（L）；

A1——單個儲罐的保護(hù)面積，m2；

R1——泡沫混合液供給強(qiáng)度，L/（min · m2）；

T1——泡沫混合液連續(xù)供給的時間，min；

n ——計算儲罐的輔助泡沫槍數(shù)量，支；

Qf——每支輔助泡沫槍的泡沫混合液流量，L/min；

t ——泡沫槍的混合液連續(xù)供給的時間，min；

V ——系統(tǒng)管道內(nèi)泡沫混合液剩余量，m3。

本罐區(qū)內(nèi)可燃液體為非水溶性乙類液體，選用水成膜泡沫液。水成膜泡沫混合液供給強(qiáng)度R1為5L/ min·m2，連續(xù)供給時間T1為45min，罐區(qū)最大罐為2#罐A1=Πd2/4=307.76m2，最大罐所需要的泡沫混合液流量為26L/S，選用2支PC16型號泡沫產(chǎn)生器，實際2支PC16泡沫產(chǎn)生器的泡沫混合液流量為2×16=32L/S，泡沫混合液量為86.4 m3。

據(jù)GB50151-2010表4.1.4規(guī)定輔助泡沫槍罐區(qū)設(shè)1支泡沫槍，每支輔助泡沫槍的泡沫液流量Qf取240L/min，連續(xù)供給時間t為20min，泡沫槍需泡沫混合液量nQft =4.8 m3。

泡沫管網(wǎng)取DN150，總長約為450m，管道剩余量V約為7.95m3。

M1=86.4+4.8+7.95=99.15m3

混合泡沫液濃度為6%，故本罐區(qū)需泡沫量約為6m3，配制泡沫液所需水量為94m3。

3.3.2 泡沫比例混合裝置

本工程采用立式泡沫比例混合裝置。立式泡沫比例混合裝置由立式泡沫罐、膠囊、比例混合器、進(jìn)水系、出水系、安全閥、壓力表、控制閥門及一些輔助零部件等組成。當(dāng)消防水流過該泡沫比例混合裝置的比例混合器時，比例混合器將其按比例分流，其中一部分水進(jìn)入帶膠囊的泡沫比例混合裝置夾層，擠壓膠囊，置換裝置內(nèi)儲存的泡沫滅火劑，使水與泡沫滅火劑按 6%比例進(jìn)行自動混合，輸出的泡沫混合液由6%的泡沫與94%的水組成。泡沫混合液供噴射設(shè)備（泡沫消火栓、空氣泡沫產(chǎn)生器、泡沫噴頭）使用。其中空氣泡沫產(chǎn)生器將6%的泡沫混合液與94%的空氣混合形成空氣泡沫，空氣泡沫噴入罐體內(nèi)可對可燃液體覆蓋從而與空氣阻隔進(jìn)行滅火。

3.4 消防總水量及配套消防設(shè)施

3.4.1 消防總水量

消防水量為消防冷卻水量與泡沫消防用水量之和，火災(zāi)延續(xù)時間為4小時，總水量計算如下：168.5× 4×3.6+94=2520.4m3, 消防水池有效容積為2600 m3，設(shè)置兩座獨(dú)立的消防水池，有效容積分別為1300 m3。

3.4.2 消防水泵

全廠消防系統(tǒng)形式為穩(wěn)高壓系統(tǒng)。罐區(qū)的消防水量最大，按照罐區(qū)的消防水量選消防泵， Q=170L/S，H=1.0MPa。消防水泵用電負(fù)荷為一級負(fù)荷，配置電力消防泵一臺，柴油機(jī)消防泵一臺，并配置兩臺穩(wěn)壓泵。

3.5 消防管道及閥門控制

(1) 消防水管道管徑為DN300，沿罐區(qū)外呈環(huán)狀布置，罐區(qū)外室外消火栓間距60m布置一個。

(2) 泡沫管道管徑為DN150，沿罐區(qū)外呈環(huán)狀布置，罐區(qū)外泡沫消火栓間距60m布置一個；并配置泡沫槍。

(3) 消防冷卻水進(jìn)水管以及泡沫混合液進(jìn)水管的控制閥門采用電動控制閥，控制閥設(shè)在防火堤外；液化烴儲罐區(qū)的控制閥要求距被保護(hù)罐壁15m以外?？刂崎y前設(shè)置帶旁通閥的過濾器，控制閥后及儲罐上設(shè)置的管道采用鍍鋅管。

(4) 泡沫混合液主管上留出泡沫混合液流量監(jiān)測儀器的安裝位置，在泡沫混合液管道上應(yīng)設(shè)置試驗檢測口，在防火堤外側(cè)最不利和最有利水力條件處的管道上，宜設(shè)置供檢測泡沫產(chǎn)生器工作壓力的壓力表接口。

(5) 防火堤內(nèi)泡沫混合液管道敷設(shè)在管架和管墩上，與罐壁上的泡沫混合液立管之間宜用金屬軟管連接，泡沫混合液和泡沫管道有3‰的坡度放空管道。

(6) 每個泡沫產(chǎn)生器應(yīng)用獨(dú)立的混合液管道引之防火堤外。

(7) 為防止儲罐發(fā)生火災(zāi)時，泡沫發(fā)生器受到影響或破壞，除立管外，其他泡沫混合液管道不得設(shè)置在罐壁上。

4 滅火器

本罐區(qū)采用碳酸氫鈉干粉滅火器，以每300m2設(shè) 1具，共設(shè)20具6kg滅火器。

5 結(jié)語

1. 甲、乙、丙類可燃液體立式儲罐罐區(qū)消防系統(tǒng)設(shè)計首先要明確介質(zhì)性質(zhì)與儲罐容積，然后根據(jù)對應(yīng)的規(guī)范，確定消防的形式。

2. 固定消防冷卻設(shè)計參考《石油化工企業(yè)防火規(guī)范》中的液化烴罐區(qū)滅火，以及《石油庫設(shè)計規(guī)范》《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》設(shè)計；固定消防冷卻消防水量要按照規(guī)范的數(shù)據(jù)計算實際噴頭個數(shù)，然后用實際噴頭個數(shù)計算總水量。

3. 泡沫滅火系統(tǒng)計算實際泡沫混合用量時，按照表面積計算的數(shù)值去選泡沫發(fā)生器，然后根據(jù)泡沫發(fā)生器的數(shù)量在計算實際的泡沫混合液量。

4. 罐區(qū)消防水量的計算及校核是罐區(qū)消防計算的重要步驟，故一定要了解全面的罐區(qū)資料，嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計并留有余量。

[1]GB50974-2014.消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB50140-2005)建筑滅火器配置設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB50160-2008.石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范[S].

[4]GB50151-2010.泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]GB50016-2014.建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[6]GB50084-2001.自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

Fire Control System Design of Flammable Liquid Vertical Storage Tank Farm

Shi Xiaoning, Wang Quangui
(China Light Industry International Engineering Co.,Ltd., Beijing 100026)

The paper introduces classification and structure of the fire-control cooling water system and foam fire-fighting system about the flammable liquid vertical storage tank farm, and combines some tank farm project engineering design example to expound the calculation process and the equipment selection of the fixed fire-control cooling water system as well as the calculation process and equipment selection of fixed foam fire-fighting system.

vertical storage tank farm；fixed fire-control cooling；foam fire-fighting

TQ423

B

1672-2701（2016）11-50-07