石化罐區(qū)消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

張建清,楊 志,宋端啟

(南京睿實(shí)消防安全設(shè)備有限公司，江蘇南京 211100)

我國(guó)的儲(chǔ)油設(shè)施多以地上儲(chǔ)罐為主，且以金屬結(jié)構(gòu)居多，按用途可分為生產(chǎn)油罐、存儲(chǔ)油罐等；按形式可分為立式儲(chǔ)罐、臥式儲(chǔ)罐等；按結(jié)構(gòu)分類，可分為固定頂儲(chǔ)罐、浮頂儲(chǔ)罐及球形儲(chǔ)罐等；按體積分類，100 m3以上為大型儲(chǔ)罐，多為立式儲(chǔ)罐，100 m3以下的為小型儲(chǔ)罐，多為臥式儲(chǔ)罐。

石油是易燃易爆液體，具有燃燒速度快、火勢(shì)兇猛、輻射熱強(qiáng)、沸騰噴濺、擴(kuò)散蔓延快等特點(diǎn)[1，2]，火災(zāi)危險(xiǎn)性極大，易造成撲救困難、人身傷亡及財(cái)產(chǎn)的重大損失。為保證大型油罐及罐群的安全，將火災(zāi)撲滅在初期階段，必須提高油庫(kù)的消防報(bào)警系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)[3]。我國(guó)現(xiàn)有的《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》及《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》沒(méi)有針對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的選型提出明確要求，石油儲(chǔ)罐區(qū)采用傳統(tǒng)的消防設(shè)施存在著很多安全問(wèn)題。因此，本文以國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范要求為基礎(chǔ)，結(jié)合近年來(lái)的消防新技術(shù)，引入分布式光纖測(cè)溫、圖像火災(zāi)探測(cè)、高壓細(xì)水霧、固定消防炮等先進(jìn)產(chǎn)品，提出了一整套適用于石油化工儲(chǔ)罐區(qū)的消防技術(shù)解決方案[4]。

1 儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)消防現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)消防現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)很多儲(chǔ)罐區(qū)的消防設(shè)施按照相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，主要設(shè)置有火災(zāi)探測(cè)、冷卻及消防滅火系統(tǒng)：①溫度探測(cè)：采用常規(guī)的感溫電纜對(duì)罐體進(jìn)行溫度探測(cè)；②火災(zāi)探測(cè)：采用常規(guī)的火焰探測(cè)器對(duì)罐體進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)；③報(bào)警系統(tǒng)；采用常規(guī)的火災(zāi)報(bào)警按鈕，經(jīng)人工確認(rèn)觸發(fā)報(bào)警；④冷卻系統(tǒng)：在罐壁周圍設(shè)置水噴淋或水噴霧進(jìn)行消防冷卻；⑤滅火系統(tǒng)：采用平衡壓力比例混合泡沫滅火系統(tǒng)，實(shí)施液上噴射泡沫的滅火方式[5]。

1.2 儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)消防存在問(wèn)題

a)早期的感溫電纜火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(其原理為利用熱敏電阻達(dá)到設(shè)定溫度后，熔接產(chǎn)生電纜短路進(jìn)行報(bào)警)具有2個(gè)缺點(diǎn)：①由于其選擇線性感溫電纜等電信號(hào)傳感器，引入電對(duì)于儲(chǔ)油罐是引入了一定的安全隱患；②由于大型浮頂罐的環(huán)境條件和感溫電纜自身的局限性，感溫電纜只能進(jìn)行定溫報(bào)警而無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位報(bào)警，而且誤報(bào)率很高。

b)傳統(tǒng)的火焰探測(cè)器采用傳感器進(jìn)行探測(cè)報(bào)警，當(dāng)采集的現(xiàn)場(chǎng)火焰光譜達(dá)到閥值后，給出報(bào)警信息。此種探測(cè)器存在探測(cè)距離短、誤報(bào)率高等缺點(diǎn)。

c)報(bào)警系統(tǒng)同探測(cè)、滅火系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，缺乏系統(tǒng)性火災(zāi)管理平臺(tái)[6]。

d)采用噴淋或水噴霧系統(tǒng)進(jìn)行消防冷卻，因水滴霧化效果差，壓力低，冷卻效果較差[7]。

e)消防滅火系統(tǒng)手段比較落后，基本全部采用手動(dòng)操作，且需控制的設(shè)備、閥門數(shù)量較多，流程復(fù)雜，操作時(shí)間較長(zhǎng)，極易發(fā)生誤操作，油罐區(qū)的安全難以保證[8，9]。

2 石油化工儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)石化儲(chǔ)罐區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)及火災(zāi)危險(xiǎn)性，火災(zāi)探測(cè)需要對(duì)溫度、可燃?xì)怏w濃度、火焰等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文主要介紹先進(jìn)的分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)及圖像型火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

2.1 分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種類型的輻射散射。分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)(DTS)利用同一根光纖作為溫度信息的傳感和傳導(dǎo)介質(zhì)，通過(guò)測(cè)量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光與Stokes光強(qiáng)度的比值變化實(shí)現(xiàn)對(duì)外部溫度的監(jiān)測(cè)，如圖1所示。在時(shí)域中，利用OTDR技術(shù)(光學(xué)時(shí)域反射技術(shù))，根據(jù)光在纖中的傳輸速率和入射光與后向拉曼散之間時(shí)差，可以對(duì)不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。

分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于石化行業(yè)，主要體現(xiàn)出以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①安全性好，在罐區(qū)無(wú)電檢測(cè)，可適用于對(duì)安全等級(jí)要求較高的場(chǎng)所；②溫度可以顯示，報(bào)警溫度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行設(shè)置或變更；③可靠性高，不受電磁、雷擊干擾，性能十分穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期可靠性好，適合長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)；④可不動(dòng)火不用電，帶油安裝，不影響正常生產(chǎn)；⑤尺寸小，質(zhì)量輕，有利于微型化；⑥同冷卻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)罐壁溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí)，可自動(dòng)聯(lián)動(dòng)高壓細(xì)水霧對(duì)罐體進(jìn)行降溫，或聯(lián)動(dòng)固定式消防炮系統(tǒng)，對(duì)罐體進(jìn)行自擺式噴水降溫。

圖1 分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)原理

分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)在浮頂儲(chǔ)罐中的應(yīng)用，如圖2所示。分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)方式如下：感溫光纖應(yīng)螺旋設(shè)置在儲(chǔ)罐的側(cè)壁上，或設(shè)置在儲(chǔ)罐頂部的側(cè)壁上，螺旋設(shè)置時(shí)感溫光纖之間的距離應(yīng)小于3 m，見(jiàn)表1。

圖2 分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)在浮頂儲(chǔ)罐中的應(yīng)用

儲(chǔ)罐類型光纖光柵傳感器敷設(shè)內(nèi)、外浮頂罐安裝在浮盤周圍、擋雨板的內(nèi)側(cè)或二次密封裝置的螺栓上拱頂罐安裝在罐頂護(hù)攔的下方,罐頂與罐壁的交界處附近球罐沿噴淋水管或相應(yīng)的位置布設(shè)罐頂、罐中、罐底3圈

2.2 圖像型火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

在選用分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，選擇圖像型火災(zāi)探測(cè)器對(duì)罐區(qū)內(nèi)的圖像、火焰進(jìn)行復(fù)合探測(cè)。圖像型火災(zāi)探測(cè)器在工作時(shí)可不斷采集現(xiàn)場(chǎng)視頻，與感溫探測(cè)系統(tǒng)復(fù)合報(bào)警后，可極大地降低整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象。圖像型火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用如圖3所示。

圖3 圖像型火災(zāi)探測(cè)器在石化儲(chǔ)輻區(qū)的應(yīng)用

圖像型火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用于石化行業(yè)，主要體現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：①火焰檢測(cè)：可以任意設(shè)定防護(hù)區(qū)域和防護(hù)靈敏度，當(dāng)防護(hù)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)火焰時(shí)迅速進(jìn)行報(bào)警，并將火焰區(qū)域在監(jiān)控畫面中標(biāo)識(shí)出來(lái)；②安全監(jiān)控：能夠?qū)崟r(shí)提供火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的視頻，以便能夠快速采取適當(dāng)?shù)拇胧?；③設(shè)備管理：系統(tǒng)支持對(duì)設(shè)備進(jìn)行搜索、設(shè)置、添加和刪除；④聯(lián)動(dòng)報(bào)警滅火功能：提供聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能包括：聲音、開(kāi)關(guān)量輸出(驅(qū)動(dòng)警燈警鈴等)、通過(guò)無(wú)極性總線實(shí)現(xiàn)和火災(zāi)報(bào)警控制的聯(lián)動(dòng)；⑤電子地圖：將攝像機(jī)和實(shí)際監(jiān)控平面圖結(jié)合，以電子地圖的形式顯示在監(jiān)控屏幕上，直觀顯示報(bào)警區(qū)域；⑥歷史記錄存儲(chǔ)及查詢功能：各種報(bào)警及操作信息均有詳細(xì)的記錄，可存儲(chǔ)任意數(shù)量歷史數(shù)據(jù)，并提供完備的數(shù)據(jù)查詢功能；⑦應(yīng)用范圍廣：能夠?qū)ξｋU(xiǎn)場(chǎng)所、爆炸性場(chǎng)所、有毒場(chǎng)所進(jìn)行探測(cè)；⑧探測(cè)距離遠(yuǎn)：特別適用于室外、車場(chǎng)、隧道及室內(nèi)超大空間；⑨環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：智能探測(cè)算法有效避免了環(huán)境光照變化和探測(cè)器振動(dòng)的影響，靈活的分區(qū)和靈敏度設(shè)置功能使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)所。

3 石油石化儲(chǔ)罐區(qū)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石化儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)后，儲(chǔ)罐爆炸主要原因有兩點(diǎn)：①儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力升高；②儲(chǔ)罐壁溫增加引起儲(chǔ)罐材料強(qiáng)度下降[10]。因此，在撲救石油石化罐區(qū)火災(zāi)時(shí)，宜同時(shí)考慮冷卻系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)[11]，采用高壓細(xì)水霧作為冷卻系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)作為滅火系統(tǒng)。

3.1 高壓細(xì)水霧冷卻系統(tǒng)

高壓細(xì)水霧技術(shù)是一種冷卻滅火效率高，又對(duì)環(huán)境無(wú)污染的冷卻滅火技術(shù)。主要采用表面冷卻、窒息、沖擊乳化和稀釋等機(jī)理進(jìn)行冷卻及滅火。采用高壓細(xì)水霧系統(tǒng)作為固定式消防冷卻水系統(tǒng)，主要是在夏季氣溫較高時(shí)，罐體外壁沒(méi)有采用保溫的狀況下，為防止日曬引起罐內(nèi)液體溫度升高，罐內(nèi)壓力上升，對(duì)罐壁進(jìn)行冷卻?；蛟趦?chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)用來(lái)冷卻罐壁，同時(shí)也可以達(dá)到滅火效果。

如圖4所示，油罐區(qū)高壓細(xì)水霧冷卻系統(tǒng)的供水采用環(huán)形管布置，細(xì)水霧噴頭均勻分布在各圈環(huán)形管上，噴頭安裝角度均為垂直指向油罐中心。為平衡各噴頭的工作壓力，均衡油罐表面的冷卻水量，采用2根供水干管對(duì)稱布置。每根供水干管設(shè)高壓電動(dòng)球閥，閥前設(shè)高精過(guò)濾器以過(guò)濾水中的雜質(zhì)。

設(shè)計(jì)要求：①對(duì)于甲、乙、丙類液體的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、裝卸設(shè)施，其設(shè)計(jì)噴霧強(qiáng)度為6 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時(shí)間為4 h;②對(duì)于甲、乙、丙類液體儲(chǔ)罐，直徑20 m以下，設(shè)計(jì)噴霧強(qiáng)度為6 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時(shí)間為4 h；直徑20 m及以上，設(shè)計(jì)噴霧強(qiáng)度為6 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時(shí)間為6 h;③對(duì)于可燃?xì)怏w生產(chǎn)、輸送、裝卸、儲(chǔ)存設(shè)施、罐瓶間及瓶庫(kù)，設(shè)計(jì)為9 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時(shí)間為6 h。

高壓細(xì)水霧系統(tǒng)應(yīng)用于石化行業(yè)，主要體現(xiàn)出以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①安全無(wú)污染：以水為冷卻劑，對(duì)人員安全，對(duì)環(huán)境無(wú)損害和污染；②降煙易疏散：可對(duì)煙氣、毒氣進(jìn)行洗滌與沖刷，提高火場(chǎng)的能見(jiàn)度，便于人員疏散和消防人員的滅火救援；③冷卻效率高：可將極小水滴比表面積增大，可迅速吸收熱量轉(zhuǎn)換成水蒸氣，兼具氣體和傳統(tǒng)噴淋兩種滅火系統(tǒng)的抑制效果，它能夠像氣體滅火系統(tǒng)一樣去除氧氣，同時(shí)還能像水噴淋系統(tǒng)一樣冷卻火焰，其冷卻浸濕作用更是降低了火災(zāi)復(fù)燃的風(fēng)險(xiǎn)，滅火效率是傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)的200～300倍；④絕緣性能好：高壓細(xì)水霧滅火時(shí)用水量極小，大部分水霧遇火后蒸發(fā)，水漬非常小，對(duì)用電設(shè)備幾乎沒(méi)有影響，可以撲滅遮擋火、電氣火；⑤阻隔熱輻射：細(xì)水霧系統(tǒng)動(dòng)作后，蒸發(fā)形成的蒸汽可迅速將罐體、火焰和煙羽籠罩，對(duì)火焰的輻射熱具有極佳的阻隔能力，同時(shí)還能預(yù)濕臨近的燃燒物，達(dá)到阻止火災(zāi)蔓延的效果；⑥用水量極?。焊邏杭?xì)水霧用水量是傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)的1%，且細(xì)小的霧滴對(duì)保護(hù)對(duì)象的沖擊力小，極大降低了撲救損失，減少因微火和水漬損失造成的故障修復(fù)時(shí)間；⑦易安裝維護(hù)：用水量少，無(wú)需龐大的儲(chǔ)水、供水設(shè)備，且細(xì)水霧管道管徑小，材料為耐腐蝕的不銹鋼，所以整個(gè)系統(tǒng)安裝、維護(hù)方便。

圖4 高壓細(xì)水霧系統(tǒng)

3.2 泡沫滅火系統(tǒng)

3.2.1泡沫滅火系統(tǒng)概述

泡沫滅火系統(tǒng)是經(jīng)多年實(shí)踐證明的石化行業(yè)有效滅火方式，與消防炮結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)石化儲(chǔ)罐區(qū)滅火的有效性、機(jī)動(dòng)性，其系統(tǒng)滅火示意如圖5所示。

圖5 泡沫滅火系統(tǒng)工作原理

泡沫滅火系統(tǒng)主要由消防水泵、消防水源、泡沫滅火劑儲(chǔ)存裝置、泡沫比例混合裝置、泡沫產(chǎn)生裝置及管道等組成。通過(guò)泡沫比例混合器將泡沫滅火劑與水按比例混合成泡沫混合液，再經(jīng)泡沫產(chǎn)生裝置形成空氣泡沫后施放到著火對(duì)象上實(shí)施滅火。泡沫滅火系統(tǒng)按泡沫產(chǎn)生倍數(shù)的不同，可分為高、中、低倍數(shù)3種[12，13]。

3.2.2泡沫消防炮系統(tǒng)在罐區(qū)內(nèi)應(yīng)用

泡沫消防炮滅火系統(tǒng)在規(guī)范中作為泡沫滅火系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，但隨著近年的技術(shù)發(fā)展，泡沫消防炮在罐區(qū)內(nèi)的應(yīng)用出現(xiàn)以下新的趨勢(shì)。

a)大流量、長(zhǎng)射程的消防炮技術(shù)在油罐區(qū)內(nèi)的滅火作戰(zhàn)中發(fā)揮出越來(lái)越重大的作用。目前先進(jìn)的消防炮結(jié)合大功率的高壓泵組射程可達(dá)上百米，可對(duì)大容量的油罐進(jìn)行有效覆蓋、保護(hù)。

b)遠(yuǎn)程控制、智能控制、視頻監(jiān)控等技術(shù)與消防炮技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了遠(yuǎn)程遙控消防炮視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在油罐區(qū)內(nèi)使用遠(yuǎn)程遙控消防炮，不需安防人員對(duì)消防炮進(jìn)行近距離手動(dòng)操作，在消防炮控制室可根據(jù)遠(yuǎn)程視頻畫面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可大大提高消防炮的響應(yīng)速度，同時(shí)加強(qiáng)了安防人員的個(gè)人安全。

c)預(yù)置位自擺式控制功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)火情時(shí)，按照預(yù)設(shè)程序可實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)消防炮、消防泵等消防設(shè)施，消防炮在預(yù)制位自動(dòng)自擺噴射泡沫進(jìn)行滅火。

d)聯(lián)動(dòng)控制冷卻功能，罐區(qū)內(nèi)固定式消防炮不但可以噴射泡沫進(jìn)行滅火，也可噴射水對(duì)罐體進(jìn)行冷卻。當(dāng)分布式光纖感溫探測(cè)系統(tǒng)或紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)檢測(cè)到罐壁溫度達(dá)到預(yù)警值時(shí)，可自動(dòng)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)消防炮系統(tǒng)，消防炮系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)ε菽捱M(jìn)行自擺式均勻?yàn)⑺禍亍?/p>

3.2.3泡沫混合液供給強(qiáng)度

石化儲(chǔ)罐區(qū)泡沫滅火系統(tǒng)混合液供給強(qiáng)度設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2和表3所列。

表2 固定頂油罐泡沫滅火系統(tǒng)混合液供給強(qiáng)度

表3 浮頂油罐泡沫滅火系統(tǒng)混合液供給強(qiáng)度

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，10萬(wàn)噸級(jí)罐區(qū)、萬(wàn)噸級(jí)裝卸油碼頭等設(shè)施越來(lái)越多。儲(chǔ)罐區(qū)存在較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性和危害性，建立一整套高效的儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)安全系統(tǒng)十分必要。本文為石油化工儲(chǔ)罐區(qū)提供了一套整體消防安全系統(tǒng)解決方案，采用分布式光纖感溫火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)和圖像型火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)控，采用高壓細(xì)水霧和泡沫滅火系統(tǒng)進(jìn)行冷卻及滅火，將火災(zāi)監(jiān)控和消防滅火進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，是預(yù)防和撲救石油化工儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)的一種有效解決方案。