消防炮在石油化工企業(yè)中的使用

谷晨，桑錦柱(中藍(lán)連海設(shè)計研究院有限公司，江蘇 連云港 222003)

1 石油化工企業(yè)消防炮概述

由于所生產(chǎn)或使用材料的火災(zāi)危險性、特殊生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物的特點等原因，石化行業(yè)的火災(zāi)具有擁有屬性多樣、爆炸危險性大、火災(zāi)損失和影響大、滅火難度大、消防力量消耗大等特點。在石油化工工業(yè)的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)中使用的大部分原料、中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品都是易燃易爆的，造成材料著火會引起爆炸性火災(zāi)。生產(chǎn)中使用的設(shè)備多為壓力容器，大部分為密封或相對密封。如果在設(shè)備運行過程中發(fā)生超溫、超壓或異常反應(yīng)，會導(dǎo)致設(shè)備爆炸，釋放大量的內(nèi)容物，增加燃燒強度，使火勢更加蔓延。并且石油作為液體燃料，當(dāng)它從設(shè)備中釋放出來時，就會流動起來。特別是該設(shè)備容量大，當(dāng)損壞嚴(yán)重時，其內(nèi)部流體會被沖出，造成大面積的流動火災(zāi)情況。大面積流動火災(zāi)容易發(fā)生在油品儲存區(qū)或油桶儲存區(qū)。在生產(chǎn)設(shè)備區(qū)域也有大量易燃液體被處理的火災(zāi)案例。流動火災(zāi)蔓延迅速，如果不能及時控制，容易造成大面積燃燒和燃燒設(shè)備爆炸事故。除此之外，石油化工企業(yè)的火災(zāi)還具有爆發(fā)性強的特點。。

2 石油化工企業(yè)的消防炮設(shè)備消防需求分析

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和對原油需求的不斷增加，由于國際原油市場的動蕩，近年來我國原油的戰(zhàn)略儲備顯著增加。大型浮頂油罐是我國目前儲存原油的主要類型油罐。我國單罐最大容量達(dá)到15×104m3和10×104m3容量的浮頂罐是儲存原油的主要類型。一個大型油庫的總?cè)萘砍^幾百萬立方米。大型原油庫具有較高的爆炸危險性，原油易燃易爆，火災(zāi)事故是造成大型原油庫高風(fēng)險的主要原因之一。國內(nèi)石油化工行業(yè)罐區(qū)火災(zāi)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，原油罐區(qū)火災(zāi)事故占40%。在1951～1995年收集的81起大型浮頂油罐火災(zāi)事故中，發(fā)生了22起全地面火災(zāi)，占總事故數(shù)的27% ，而收集的油罐直徑在30.5～100 m 之間，因此，大型浮頂油罐發(fā)生全地面火災(zāi)的風(fēng)險不容忽視，研究如何處理大型浮頂油罐的全地面火災(zāi)是大型原油庫消防研究部門的重要工作。

3 石油化工企業(yè)消防炮的建設(shè)措施探究

3.1 研究現(xiàn)狀

雖然大型浮頂油罐全地面火災(zāi)的性質(zhì)和發(fā)展規(guī)律還有待進一步研究，但目前仍存在以下問題：

(1)由于原油具有低閃點、高揮發(fā)性和高流動性，火焰在油面上傳播很快，熱空氣流在火焰中是湍流的。

(2)火焰具有溫度高、熱輻射強、煙層厚等特點。而且，火焰中心的溫度達(dá)到了1 050～1 400 ℃。

(3)油面易再燃。

(4)油層傳熱速度快，油罐長時間燃燒可能導(dǎo)致溢油和翻船。

與固定式噴嘴開口槍頭相比，自適應(yīng)槍頭的開口可通過自適應(yīng)機構(gòu)調(diào)整，以匹配射流系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)。因此，具有自適應(yīng)槍頭的消防炮具有射程寬、射程遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，可以滿足更多的火力需求。此外，火災(zāi)預(yù)警探測和火災(zāi)視頻圖像探測也被用來減少人身傷害和財產(chǎn)損失[1]。消防炮自適應(yīng)炮頭噴射系統(tǒng)的工作介質(zhì)一般是含有一定量空氣的水，即氣液混合液。消防泵是噴射系統(tǒng)的動力源，在其啟動、停止和正常工作條件下都可能發(fā)生流量和壓力脈動。因此，混入流體中的空氣不可避免地會溶解或釋放，導(dǎo)致流體的壓縮性和等效剛度不斷變化，從而影響射流系統(tǒng)的模態(tài)特性，最終影響射流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。同樣，當(dāng)消防監(jiān)視器在戶外工作時，可能會有隨機激勵，如風(fēng)，這使得噴氣系統(tǒng)的動力學(xué)行為更加復(fù)雜。由于流體壓縮性和壓力脈動對流體狀態(tài)參數(shù)有周期性或隨機性的影響，自適應(yīng)射流系統(tǒng)是一個非自治系統(tǒng)。

消防泵的壓力脈動成分有三種: 隨機脈動、葉片通過頻繁脈動和旋轉(zhuǎn)頻繁脈動。消防泵的壓力脈動與泵的葉輪和導(dǎo)葉的相對運動密切相關(guān)，并受泵內(nèi)二次流和汽蝕的影響。壓力脈動可用于測定最佳效率點，監(jiān)測出口壓力，以及故障診斷和預(yù)防。此外，還有學(xué)者對水動力元件的壓力脈動機理進行了研究。利用剪切應(yīng)力傳輸(SST)湍流模型計算了混流泵的非定常流動和壓力脈動特性。

在動態(tài)分析中，系統(tǒng)的設(shè)計和狀態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)特性有不可忽視的影響。在動力學(xué)參數(shù)分析和優(yōu)化設(shè)計方面，學(xué)者們?nèi)〉昧嗽S多研究成果。敏感度分析、數(shù)值模擬、回授線性化等方法已被學(xué)者應(yīng)用于研究動態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的影響分析。在參數(shù)優(yōu)化方面，多因素設(shè)計優(yōu)化已成為主要的研究方向。

總之，消防炮自適應(yīng)炮頭噴射系統(tǒng)在運行過程中不可避免地會出現(xiàn)壓力脈動，使系統(tǒng)具有明顯的非線性特性，影響噴射性能。目前，關(guān)于消防炮自適應(yīng)炮頭射流系統(tǒng)的動力學(xué)研究文獻很少，對射流系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性的研究也很少。為此，基于多尺度方法，對消防炮自適應(yīng)炮頭噴射系統(tǒng)進行了非線性動力學(xué)分析，將已知的射流系統(tǒng)參數(shù)代入導(dǎo)出的參數(shù)振動方程，采用 Runge-Kutta 方法進行了數(shù)值模擬，揭示了流體脈動頻率、進氣量、流體壓力等設(shè)計參數(shù)對射流系統(tǒng)主共振和聯(lián)合共振響應(yīng)幅值的影響規(guī)律，為消防炮自適應(yīng)炮頭噴射系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

3.2 消防系統(tǒng)設(shè)計計算

目前大型浮頂油罐采用的是固定泡沫滅火系統(tǒng)，其基本原理是撲滅邊緣封閉火。以10×104m3浮頂油罐為例，全地面火燃燒面積為邊緣密封火最大燃燒面積的75倍。油庫現(xiàn)有的消防系統(tǒng)顯然不能完全滿足全面滅火的需要。目前世界上成功撲滅大型浮頂儲罐全地面火災(zāi)的案例很少，而且大型儲罐全地面火災(zāi)的試驗研究受到試驗成本高、試驗結(jié)果重復(fù)性差等因素的嚴(yán)重制約。這種消防系統(tǒng)的設(shè)計缺乏足夠的事故信息和實驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)在能做的就是根據(jù)中小型平底鍋的全面火災(zāi)事故和幾個浮頂罐滅火實驗進行設(shè)計。以10×104m3大型浮頂油罐全地面火災(zāi)撲救為例，詳細(xì)介紹了大型原油庫消防系統(tǒng)設(shè)計的探索[2]。

大型浮頂油罐全地面火災(zāi)燃面較大，火焰中心至周邊距離達(dá)數(shù)十米。但泡沫在油面上的最大擴散距離不超過30 m，大多數(shù)泡沫僅為24～26 m。泡沫從罐殼頂部的泡沫噴嘴流下罐殼，難以到達(dá)火焰中心，導(dǎo)致泡沫層無法覆蓋整個燃燒表面，此外，火焰周圍復(fù)雜的湍流氣流可能大大影響泡沫流在火焰中的運動軌跡，導(dǎo)致一些泡沫逃逸到燃燒罐外部。由于火焰溫度較高，大量的泡沫在到達(dá)燃油表面之前就已經(jīng)蒸發(fā)掉，導(dǎo)致泡沫的大量流失。在日本進行的大型儲罐滅火實驗表明，到達(dá)燃油表面的泡沫量僅占總泡沫量的30%，消失泡沫量為61%，蒸發(fā)泡沫量為9%。需要指出的是，火焰表面的溫度高于1 000 ℃，燃燒的油表面溫度約為350 ℃，因此泡沫在到達(dá)燃燒的油表面之前由于蒸發(fā)而迅速分解成液滴。只有當(dāng)油面溫度低于147 ℃ 時，泡沫層才能在油面上不斷擴散。

浮頂油罐全面火災(zāi)的完全防護區(qū)是油罐的橫截面。根據(jù)《低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50151—92)，固定泡沫滅火系統(tǒng)的最小泡沫施加量為5.0 L/min，最小排放時間為45 min。80 m 直徑10×104m3浮頂油罐的截面為5 024 m2，因此其泡沫-水溶液消耗量為:根據(jù)《低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50151—92)要求的固定泡沫滅火系統(tǒng)，泡沫水溶液的最低使用量為240 L/min，最低排放時間為30 min，需要增設(shè)三根泡沫軟管手柄，即三根輔助泡沫軟管手柄的泡沫水溶液是3×240×30=21.6 m3。

實際上，泡沫軟管由于受到罐體火焰強烈的熱輻射而不能應(yīng)用于滿面火災(zāi)。因此，該罐的泡沫水溶液總量為：

大型浮頂油罐全地面火災(zāi)的主要滅火設(shè)施是流量大于 40 000 L/min 的泡沫監(jiān)測器。2004年和2005年在日本進行了幾次大型浮頂油罐全地面火災(zāi)試驗，為設(shè)計全地面火災(zāi)消防系統(tǒng)積累資料。規(guī)定泡沫應(yīng)有效地應(yīng)用于燃油表面，直徑大于30 m 的儲罐應(yīng)配備流量不低于10 000 L/min、最小連續(xù)排放時間大于2 h的大流量泡沫監(jiān)測器。假設(shè)滅火時間為4 h，10×104m3儲罐的泡沫溶液消耗量為45 216 L/min×240 min= 10 852 m3。

TFEX 工程有限公司采用環(huán)形連續(xù)直線噴嘴滅火，并繪制了泡沫施加速度與燃燒油面之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，僅通過增加泡沫出口或泡沫監(jiān)測器的數(shù)量來增加泡沫量是無法撲滅直徑大于80 m 的儲罐上的大型火災(zāi)的，泡沫層在油面上的鋪展距離、油性、風(fēng)速、火焰的破壞和熱上升氣流等因素影響著滅火的成功[3]。

目前，在現(xiàn)有消防設(shè)備的基礎(chǔ)上，油庫主管道的最大消防水流量為26 400 L/min。油庫的消防水貯存量一般限制在5 000 m3左右，消防水通常儲存在多個水箱或水槽中。因此，除非油庫現(xiàn)有消防系統(tǒng)的容量至少提高6～10倍，否則現(xiàn)有的消防系統(tǒng)不能滿足全面滅火的需要，因為油庫的消防蓄水量和用水量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最低要求。為了滿足上述需要，現(xiàn)有的消防系統(tǒng)應(yīng)進行如下改造[4]。

(1)一次滅火時，消防水庫應(yīng)滿足最小滅火能力，消防水可儲存在大型儲罐中。(2)增加消防泵，以滿足消防主管道的流量要求。根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50160—2008)，消防給水管道的最大流速不大于3.5 m/s，主消防給水管道直徑至少為1 000 mm，滿足160 339 L/min。

(3)每個大型原油庫應(yīng)配備最少3臺大流量泡沫監(jiān)測儀，能力不低于40 000 L/min，另外，泡沫精料儲存量應(yīng)達(dá)到150 %。

4 結(jié)語

大型浮頂油罐的全面火災(zāi)雖然具有較高的風(fēng)險性和較低的概率，但一旦發(fā)生，將給國民財產(chǎn)造成巨大損失，對環(huán)境造成不利影響。隨著大型浮頂油罐的增加，我國油庫全面滅火的滅火能力應(yīng)盡快提高。對于油庫，應(yīng)充分認(rèn)識大型油罐全面火災(zāi)的危險性，改善消防基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，加強大型火災(zāi)的應(yīng)對能力。對消防研究部門而言，對大型浮頂油罐全地面火災(zāi)的研究還需進一步深入，需要進行全面的消防實驗，以優(yōu)化消防系統(tǒng)設(shè)備，進一步研究消防策略，發(fā)展高效的消防設(shè)備，提高大型油庫的消防能力。