甲醇罐區(qū)消防及噴淋冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

孫冠華，展學(xué)成

(1.航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州 730010；2.中國石油蘭州化工研究中心，甘肅蘭州 730060)

甲醇罐區(qū)消防及噴淋冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

孫冠華1，展學(xué)成2

(1.航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州 730010；2.中國石油蘭州化工研究中心，甘肅蘭州 730060)

為加強(qiáng)消防系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)甲醇罐區(qū)噴淋冷卻水的節(jié)水回用，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，從形式選擇、設(shè)計(jì)計(jì)算、系統(tǒng)布置和操作控制等方面闡述了消防及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法。根據(jù)點(diǎn)火源模型的計(jì)算結(jié)果，提出甲醇罐區(qū)泡沫消防管道設(shè)計(jì)宜采取分散布置，替代原來集中布置的敷設(shè)形式，優(yōu)化后夏季噴淋冷卻系統(tǒng)的水回用率達(dá)到了98.25%。通過優(yōu)化，降低了儲罐事故狀態(tài)下熱輻射對相鄰泡沫管道的影響程度，減少了消防車械的擁堵狀況，提高了消防精度。此外，循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)還有效減少了企業(yè)污水的排放量，人工操作量小，實(shí)現(xiàn)了較為智能的冷卻水回用功能。

消防工程；甲醇儲罐；泡沫消防；夏季噴淋冷卻；回用

儲罐是化工企業(yè)儲存物料的設(shè)施，生產(chǎn)中的液體原料、成品和中間品都需臨時或長期存儲在罐區(qū)內(nèi)。為了保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，做好石油化工儲罐的消防設(shè)計(jì)非常重要。此外，隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，用水量也隨之攀升，用水形勢日趨緊張[1]，現(xiàn)有法規(guī)、條例等對工業(yè)企業(yè)用水量及水利用率的要求也愈發(fā)嚴(yán)格。然而，目前儲罐泡沫液管道設(shè)計(jì)規(guī)范中對管道走向并沒有明確的要求，為了設(shè)計(jì)施工方便，人們對圍堰內(nèi)的管道通常采用集中式布置。根據(jù)以往甲醇儲罐發(fā)生的事故可以看出，這種布置方式在火災(zāi)中存在著一定的安全隱患，容易造成更大的損失。此外，夏季冷卻水量相比消防用水量小，也一直未得到充分重視，但隨著儲罐的大型化及目前廠礦企業(yè)控制用水規(guī)定的日益嚴(yán)格，加之冷卻水較為清潔且不需要進(jìn)行特殊處理，因此可以對夏季冷卻用水進(jìn)行循環(huán)利用。目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)者在此方面鮮有研究。

本研究對甲醇儲罐區(qū)的消防及夏季噴淋冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要闡述，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化：以管道分散布置取代集中布置，提高泡沫滅火系統(tǒng)的安全性能；增加夏季冷卻用水回用系統(tǒng)，減少企業(yè)污水的排放量，提高水的利用率。此外，對循環(huán)夏季噴淋冷卻水的系統(tǒng)控制及運(yùn)行方式進(jìn)行了總體說明。

1 項(xiàng)目概況

某公司新建1套年產(chǎn)100萬t甲醇的煤化工裝置。新建項(xiàng)目中配套設(shè)置一處甲醇罐區(qū)，罐區(qū)內(nèi)設(shè)有4座甲醇儲罐，單罐貯量5 000 m3，根據(jù)SH/T 3007—2014《石油化工儲運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的規(guī)定，儲罐形式選用立式內(nèi)浮頂罐，材質(zhì)為易熔材料。甲醇在常態(tài)下為液體，易揮發(fā)，沸點(diǎn)為64.5 ℃，20 ℃時的飽和蒸氣壓為12.8 kPa。以地面固定甲醇儲罐為例，夏季晝夜溫差按10 ℃考慮，則1臺裝料系數(shù)為85%的5 000 m3的儲罐揮發(fā)損失達(dá)77.2 kg/d。針對甲醇易燃、易爆和高揮發(fā)性的特點(diǎn)，采用內(nèi)浮頂罐可減少油品的蒸發(fā)損耗，降低火災(zāi)發(fā)生的危險性[3]。

2 總體平面布置

通過對某化工公司甲醇儲罐爆炸燃燒事故及某氮肥廠甲醇計(jì)量槽爆炸事故的分析可知，甲醇燃燒和爆炸事故的起因大多來自爆炸混合物，因此控制爆炸混合物的形成和避免甲醇接觸火源或高溫物體這兩個因素尤為重要[4]。結(jié)合生產(chǎn)需要、安全距離的要求及項(xiàng)目地形地勢，布置罐區(qū)周圍的總體平面示意圖，見圖1，間距滿足GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡稱“石化防火規(guī)范”)[5]的要求，泡沫站距保護(hù)對象的距離滿足GB 50151—2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“泡沫滅火規(guī)范”)[6]輸送時間不大于5 min的要求。此外，根據(jù)國家安全監(jiān)管總局《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》[7]，甲醇罐區(qū)布置為單罐單堤形式。

圖1 總體平面布置示意圖Fig.1 General layout plan

3 消防及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)“石化防火規(guī)范”和“泡沫滅火規(guī)范”，在罐區(qū)采用具備半固定式系統(tǒng)功能的固定式泡沫消防滅火系統(tǒng)。根據(jù)“泡沫滅火規(guī)范”第4.1.2條規(guī)定，采用液上噴射泡沫滅火系統(tǒng)。

3.1 固定式泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 參數(shù)的選擇

本工程占地面積小于1 000 000 m2，根據(jù)“石化防火規(guī)范”第8.4.2條規(guī)定，僅考慮同一時間內(nèi)火災(zāi)次數(shù)為1次。根據(jù)“泡沫滅火規(guī)范”第4.1.4條及第4.2.2 條規(guī)定，撲救流散液體火災(zāi)泡沫混合液供給時間為20 min，撲救儲罐火災(zāi)泡沫混合液供給時間為25 min，泡沫混合液供給強(qiáng)度為12 L/(min·m2)。

3.1.2 泡沫混合液的計(jì)算

單個儲罐的燃燒面積F為346.2 m2，單個罐體需配備3個PCL24立式泡沫產(chǎn)生器、2支PQ8泡沫槍。經(jīng)計(jì)算，撲救儲罐火災(zāi)所需泡沫混合液量為108 m3，撲救流散液體火災(zāi)的泡沫混合液量為19.2 m3，充滿管道所需的泡沫混合液量為5.9 m3，合計(jì)一次火災(zāi)所用泡沫混合液總量為133.1 m3。

在甲醇罐區(qū)或罐組中，以往罐區(qū)內(nèi)的泡沫管道布置采用集中布置方式，這種布置因支墩集中易于設(shè)計(jì)施工而得到普遍采用[8-9]。但是通過分析以往的甲醇儲罐事故現(xiàn)場可以判定，集中布置的泡沫管道在某一儲罐起火燃燒或爆炸時將會影響到通往其他儲罐的泡沫管道，導(dǎo)致泡沫管道點(diǎn)狀泄漏甚至移位斷裂，嚴(yán)重時可使泡沫消防系統(tǒng)失效?；诔鼗馃彷椛涞奈：π?，引入點(diǎn)火源模型計(jì)算法，根據(jù)熱輻射通量計(jì)算式及目標(biāo)熱輻射強(qiáng)度計(jì)算式可知，火災(zāi)圍堰越大、距離儲罐越近，火焰高度越大，受到的熱輻射強(qiáng)度越大[10-12]。熱輻射通量計(jì)算式見式(1)。

(1)

式中：Q為總輻射通量，W；η為效率因子，在0.13～0.35范圍內(nèi)取值，取平均值0.25；dm/dt為燃燒速度，通過《化工安全技術(shù)手冊》查得甲醇為57.6kg/(ms)；Hc為燃燒熱，通過《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》查得甲醇為22 690kJ/kg；r為液池半徑，取20m；h為火焰高度，按式(2)計(jì)算。

h=84r{(dm/dt)/[ρ0(2gr)0.5]}0.6。

(2)

式中：ρ0為環(huán)境空氣密度，標(biāo)況下為1.293 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；其余符號表示內(nèi)容同前，計(jì)算得h=31.6 m。

目標(biāo)熱輻射強(qiáng)度計(jì)算式為

I=Qtc/4πx2。

(3)

式中：I為熱輻射強(qiáng)度，W/m2；tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，一般取值為1；x為目標(biāo)點(diǎn)到液池中心的距離，m。

通過計(jì)算可知，總輻射通量為3.58×107W，在火災(zāi)中距離儲罐中心33.8 m時，熱輻射強(qiáng)度達(dá)到25 kW/m2，即可在無火焰情況下使木材燃燒，并使金屬管道變形，集中式布置將使相鄰罐泡沫液管道暴露在火災(zāi)強(qiáng)熱輻射范圍內(nèi)。

為此，本工作采用分散布置取代集中布置，增加了相鄰罐泡沫液管道距液池中心的距離，且由于圍堰內(nèi)獨(dú)立隔堤有效阻隔散流液體火災(zāi)而對各自泡沫液管道形成保護(hù)，從而減少了儲罐事故狀態(tài)下對彼此泡沫管道的破壞，2種管線布置示意圖如圖2所示。

圖2 兩種不同類型的泡沫管道布置示意圖Fig.2 Diagram of two different types of foam pipe layout

除此之外，泡沫混合液管道分散控制還具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以防止緊急情況下的閥門誤操作，避免泡沫混合液進(jìn)入目的物以外的儲罐而造成不必要的損失；泡沫消防車可進(jìn)行分散撲救，作業(yè)空間充足；不影響隔堤間的通行；管道材料用量較少。詳見表1。

表1 泡沫管道2種布置優(yōu)缺點(diǎn)對照表

3.2 循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)行規(guī)范中，由于內(nèi)浮頂罐自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沒有強(qiáng)制要求設(shè)置夏季冷卻設(shè)施，但考慮到儲罐高度較高、容積較大，接近設(shè)置消防冷卻水系統(tǒng)的臨界點(diǎn)，因此本工程設(shè)置了夏季噴淋冷卻系統(tǒng)，用于儲罐夏季降溫及輔助保護(hù)措施。

3.2.1 水量計(jì)算

根據(jù)SH 3015—2003《石油化工企業(yè)給水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]第5.1.2條，拱頂罐每小時的用水指標(biāo)為0.4～0.6 m3/m，本工程取0.5 m3/m，單個儲罐的周長C為65.94 m，可得用水流量為32.97 m3/h。

本工程地處中原地區(qū)，夏季陽光直射時間較久，溫度較高，綜合考慮，取日冷卻時常T為3 h，罐區(qū)單日噴淋冷卻總用水量S為395.64 m3。

系統(tǒng)蒸發(fā)量和蒸發(fā)損失率分別按式(4)和式(5)計(jì)算：

E=a(R-B)。

(4)

式中：E為蒸發(fā)量，m3/h；a為蒸發(fā)損失率，%；R為系統(tǒng)循環(huán)水量，m3/h；B為系統(tǒng)排污量，m3/h。

a=e(t進(jìn)-t出) 。

(5)

式中：t進(jìn)，t出為循環(huán)冷卻水進(jìn)、出水的溫度；e為環(huán)境溫度系數(shù)，夏季25～30 ℃時取0.15～0.16。

參考規(guī)范及相關(guān)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，排污量B取總水量的1%，為1.32 m3/h，環(huán)冷卻進(jìn)出水溫度差為5 ℃，計(jì)算得到蒸發(fā)量E為0.98 m3/h。根據(jù)式(6)計(jì)算得到系統(tǒng)回用率P為98.25%。

(6)

3.2.2 噴淋系統(tǒng)布置

本儲罐罐壁因設(shè)有加強(qiáng)筋，冷卻水不能順利沿罐壁流至罐底，故宜在罐壁頂及加強(qiáng)筋下方各設(shè)置一個環(huán)噴頭[14]；同時，罐頂受太陽直曬，揮發(fā)的甲醇在罐頂聚集，為避免溫度升高蒸氣壓不斷增大發(fā)生危險，宜在罐頂設(shè)置一個環(huán)噴頭。選用流量系數(shù)K為18.9的水霧噴頭[15]，工作壓力為0.4 MPa，噴頭流量為37.8 L/min。經(jīng)計(jì)算，共需水霧噴頭15個，考慮均布及噴射圓重合原則，頂層設(shè)置噴頭3個，中層設(shè)置噴頭6個，下層設(shè)置噴頭6個。噴頭布置示意圖如圖3所示。

圖3 儲罐噴頭布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sprinkler arrangement

3.2.3 循環(huán)系統(tǒng)布置

夏季冷卻水在使用后水質(zhì)受污染的程度較小，可以考慮回用以節(jié)約用水。根據(jù)《中國石油天然氣集團(tuán)公司石油化工企業(yè)水污染應(yīng)急防控技術(shù)指南》[16]，在圍堤外設(shè)置切換閥門井，實(shí)施雨污分流，清潔雨水及事故消防水進(jìn)入雨水系統(tǒng)，沖洗水、初期雨水及其他無害廢水進(jìn)入污水系統(tǒng)?；赜孟到y(tǒng)依托現(xiàn)有排水系統(tǒng)，通過集水坑收集的噴淋冷卻水進(jìn)入雨水排水管道，經(jīng)過閘板閥井進(jìn)入回用水池，其余進(jìn)入雨水管道的排水經(jīng)過閘板閥井的另一出口進(jìn)入地下雨水管網(wǎng)。整個循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)的具體布置如圖4所示。

圖4 循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of circulating spray cooling system in summer

3.2.4 系統(tǒng)控制及運(yùn)行

整個循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)控制及運(yùn)行方式如下：開啟夏季噴淋冷卻系統(tǒng)前，手動打開閥門井中的雨水管道閥門，操作控制箱，打開閘板閥井中通往回用水池的閘板，隨后開啟廠區(qū)生活給水閥門使系統(tǒng)開始運(yùn)行；當(dāng)回用水池液位到達(dá)起泵液位時，自吸泵工作，并聯(lián)動自動關(guān)閉廠區(qū)生活給水閥門；隨著冷卻水蒸發(fā)、逸散等損失，回用水池液位低至停泵液位，自吸泵停止工作，此時需重新手動開啟廠區(qū)生活給水閥門，補(bǔ)充冷卻水直至自吸泵重新工作，待整個冷卻過程完成后，將冷卻水收集至回用水池等待下次復(fù)用，超出水量通過溢流口排入地下污水管網(wǎng)。自吸泵依托帶自動控制器的液位浮球閥進(jìn)行啟閉操作。

夏季結(jié)束或需要清掃回用水池時，在關(guān)閉廠區(qū)生活給水閥門狀態(tài)下開啟潛污泵，回用水池余水經(jīng)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)被罐區(qū)內(nèi)集水坑收集，此時打開雨水管道閥門井中的閥門及閘板閥井中通往地下雨水管網(wǎng)的閘板，使余水排入地下雨水管網(wǎng)中?；赜盟嘏趴蘸?，即可進(jìn)行清掃、維護(hù)等工作。整個冷卻系統(tǒng)工作流程見圖5。

圖5 循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 Flow chart of circulating spray cooling system in summer

4 結(jié) 論

1)本設(shè)計(jì)將儲罐泡沫消防管道以分散布置代替集中布置，模擬點(diǎn)火源模型計(jì)算結(jié)果顯示，該布置可顯著減少儲罐事故狀態(tài)下熱輻射對相鄰儲罐泡沫管道的影響,可有效提高消防精度，減少消防車械擁堵。

2)循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較為智能的冷卻水回用功能，僅需開啟或重新開啟系統(tǒng)時進(jìn)行操作，人工操作量小；同時，計(jì)算顯示，整個系統(tǒng)回用率高，可達(dá)98.25%，單日節(jié)水量為388.71 m3。

3)循環(huán)夏季噴淋冷卻系統(tǒng)在圍堰外設(shè)置回用水池，占地較大，如將回用水池置于圍堰內(nèi)則占地較小，但需在罐壁設(shè)置導(dǎo)流槽等獨(dú)立的冷卻水收集設(shè)施。兩者的優(yōu)劣還有待于進(jìn)一步考證。

4)工程投入運(yùn)行后，還需要對本系統(tǒng)運(yùn)行狀況及存在問題進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，以便進(jìn)一步完善相關(guān)內(nèi)容。參考文獻(xiàn)/References:

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Optimization design of fire fighting and spray cooling water system in the area of methanol storage tank

SUN Guanhua1, ZHAN Xuecheng2

(1. Lanzhou Branch of Changzheng Engineering Company Limited, Lanzhou, Gansu 730010, China;2. Lanzhou Research Center of Chemical Engineering of Perto China, Lanzhou, Gansu 730060, China)

In order to enhance the safety and practicability of fire protection system, and realize water saving and reuse of spray cooling water in methanol tank farm, according to the relevant standards, the form of system selection, the calculation method, the system arrangement and the operation process of fire fighting and cooling system are expounded. According to the calculation result of the ignition source model, the optimization design of foam fire pipeline in methanol storage tank is put forward, and the layout of the pipeline is replaced by "scatter arrangement" instead of "concentrated arrangement". The overall water reuse rate of the cooling water system for summer spraying could be up to 98.25%. Through this optimization, the impact of thermal radiation on the adjacent storage tank foam pipe is reduced under the condition of accidents, so does the congestion of fire trucks, and the accuracy of fire fighting is improved. In addition, the system effectively reduces the discharge of sewage in enterprises, and the manual operation is simple, so that the intelligent cooling water reuse function is realized.

fire engineering; methanol storage tank; foaming fire protection; spray cooling in summer; recycling process

1008-1534(2017)04-0254-05

2017-04-11;

2017-05-17；責(zé)任編輯：張士瑩

孫冠華(1987—)，男，山東菏澤人，工程師，碩士，主要從事給排水及水處理技術(shù)方面的工作。

E-mail:ax_dt2@163.com

TU998.1

A

10.7535/hbgykj.2017yx04004

孫冠華，展學(xué)成.甲醇罐區(qū)消防及噴淋冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].河北工業(yè)科技,2017,34(4):254-258. SUN Guanhua, ZHAN Xuecheng.Optimization design of fire fighting and spray cooling water system in the area of methanol storage tank[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(4):254-258.