石化裝置反應器水噴霧滅火系統(tǒng)設計實例研究

摘要：

石化裝置反應器火災具有高溫、高壓及易燃的特點，一旦發(fā)生火災可能引發(fā)連鎖反應，造成巨大損失。水噴霧滅火系統(tǒng)以其表面冷卻、窒息、乳化等多重作用，能夠有效控制火勢，抑制復燃。本設計實例采用電動啟動水噴霧系統(tǒng)，結合裝置區(qū)的多層露天結構特點，對不同反應器進行合理布置和分組控制，保證滅火效率與經濟性。設計充分考慮了設備材質、噴頭性能參數及布置要求，確保系統(tǒng)在火災時能夠迅速響應，最大程度減少火災對人員、設備的影響。

關鍵詞：石化裝置；水噴霧；滅火系統(tǒng)；雨淋閥；噴頭

作者簡介：

檀香逸（1993— ），女，漢族，安徽望江人，碩士研究生，研究方向：建筑給排水、海綿城市、化工消防。

引言

在石油化工行業(yè)，反應器是核心的生產裝置之一，其運行條件通常涉及高溫、高壓以及化學反應的復雜性。因此，反應器一旦發(fā)生火災，可能引發(fā)嚴重的連鎖事故，導致不可估量的經濟損失。特別是在火災可能引發(fā)高溫裂解或爆炸等次生災害的情況下，反應器的火災防控設計顯得尤為重要。因此，針對石化裝置反應器設計高效的滅火系統(tǒng)是提升安全生產水平、減少火災風險的關鍵環(huán)節(jié)。水噴霧滅火系統(tǒng)作為一種常見的火災防控手段，因其覆蓋范圍廣、滅火效果好以及對設備冷卻功能顯著等特點，被廣泛應用于石油化工裝置中。相較于傳統(tǒng)的二氧化碳或干粉滅火系統(tǒng)，水噴霧具有更高的環(huán)保性，并能夠有效防止火災蔓延和設備過熱。然而，石化裝置反應器的特殊性決定了在水噴霧滅火系統(tǒng)的設計中必須考慮多種因素，包括設備布局、介質特性和工藝要求等，只有進行合理的系統(tǒng)設計，才能在事故發(fā)生時發(fā)揮最大效能。本文基于某石化裝置反應器為實例，探討如何優(yōu)化設計水噴霧滅火系統(tǒng)，以達到對火災的有效控制并降低次生風險的目的。

一、滅火機理

（一）表面冷卻

水霧滴在火災撲滅過程中具有重要作用。由于其較大的表面積，能夠快速吸收燃燒物質產生的熱量并迅速汽化。這個汽化過程不僅吸收了大量的熱能，還使燃燒物質的表面溫度迅速降低，從而阻止了進一步的熱分解和燃燒反應的繼續(xù)。水霧滴的表面冷卻效果與其噴霧液滴的表面積和滅火用水與可燃物閃點之間的溫度差密切相關。當溫差足夠高時，水霧滴能顯著降低燃燒物的溫度，從而有效終止燃燒。

（二）窒息

水霧滴在高溫下迅速汽化，生成體積是原液態(tài)水1680倍的水蒸氣。水蒸氣擴散后，降低了燃燒區(qū)域空氣中的氧含量，從而抑制燃燒或使其中斷，實現窒息滅火效果。

（三）乳化

當水霧滴噴射到不溶于水的可燃液體表面時，水霧通過與液體的攪拌作用產生乳化效應，進而形成一層乳化層。這層乳化層有效阻斷了氧氣與燃料之間的接觸，抑制了燃燒過程。對于輕質油類，如汽油或煤油，乳化層只在持續(xù)噴射水霧的過程中保持存在，起到抑制燃燒的作用；對于黏度較大的重質油類，如柴油或原油，乳化層即使在水霧噴射停止后依然能夠維持較長時間。這種持久的乳化層能夠有效防止燃燒的再次發(fā)生，減少復燃風險。

二、水噴霧滅火系統(tǒng)分類

（一）電動啟動水噴霧滅火系統(tǒng)

電動啟動水噴霧滅火系統(tǒng)是一種高效的消防設備，其主要功能依賴普通火災報警系統(tǒng)的協(xié)同工作。該系統(tǒng)通過點型火災探測器和線型火災探測器等火災探測器，實時監(jiān)測潛在的火災風險。一旦探測到火警信號，火災報警控制器（聯(lián)動型）會迅速發(fā)出報警并自動激活雨淋閥和電磁閥。這一系列聯(lián)動反應使得消防水泵能夠快速啟動，迅速釋放水噴霧，抑制火勢蔓延。為了確保滅火系統(tǒng)在發(fā)生火災時能夠迅速反應，管道須始終保持充滿水的狀態(tài)。這種設計不僅能縮短響應時間，還能提高滅火效率，確保在緊急情況下最大程度地保護人員和財產安全。

（二）傳動管啟動水噴霧滅火系統(tǒng)

在現代消防技術中，傳動管被廣泛應用于水噴霧滅火系統(tǒng)，作為火災探測的重要手段。該系統(tǒng)主要分為充水型和充氣型兩種類型。傳動管通過監(jiān)測周圍環(huán)境溫度的變化，能夠及時探測到火災發(fā)生。當火災導致溫度急劇上升時，傳動管內部的壓力發(fā)生變化，從而觸發(fā)雨淋閥的打開。一旦雨淋閥開啟，消防水泵便開始運作，向水霧噴頭供水，形成細小的水霧顆粒。這種水霧不僅能有效覆蓋火源，降低火災溫度，還能迅速抑制火焰蔓延，從而實現有效的滅火功能。系統(tǒng)的設計結合了壓縮空氣和壓力水的雙重作用，確保在火災發(fā)生時迅速響應。氣動閥的使用進一步增強了系統(tǒng)的靈活性與可靠性，使其在各種復雜環(huán)境下均能穩(wěn)定工作。

根據傳動管內充壓介質的不同，傳動管可以分為充液傳動管和充氣傳動管。充液傳動管適用于不結冰的環(huán)境，通常需要在管道末端安裝自動排氣閥，以便在介質充滿后自動排出多余氣體，確保系統(tǒng)正常運行。充氣傳動管適合于各種場合使用，要求保持穩(wěn)定的氣壓。特別需要注意的是，在北方寒冷地區(qū)，應在管道的最低點設置冷凝器和汽水分離器。這些裝置的作用是防止在低溫環(huán)境中產生的冷凝水結冰，從而導致管道堵塞，影響整體系統(tǒng)的效率。

三、系統(tǒng)組成和產品的性能要求

（一）噴頭的分類

離心型水霧噴頭主要分為A型和B型。A型噴頭具有可調節(jié)噴頭方向的特點，能夠靈活應對不同的火災場景，適合撲救電氣火災，因其電絕緣性可有效避免電氣設備的二次損壞。B型噴頭采用固定噴頭方向，適用于特定區(qū)域的保護。此外，撞擊霧化型水霧噴頭通過撞擊濺水盤形成均勻的水霧，能夠迅速降低火災現場的溫度，形成有效的滅火屏障。在安裝方式上，噴頭可根據需求選擇水平或斜向安裝，以優(yōu)化噴灑效果和覆蓋范圍。

（二）主要性能參數

在噴頭的使用中，工作壓力是影響霧化效果的關鍵因素。噴頭工作的壓力越高，霧滴的粒徑就越小，霧化效果也隨之提升，噴頭在滅火和冷卻過程中的效率會顯著提高。因此，為了實現最佳的霧化效果，噴頭的工作壓力必須保持在合理的范圍內，以確保產生足夠細小的水霧。霧化角是另一個重要參數，它影響著噴出的水霧形狀。常見的霧化角包括45°、60°、90°、120°和150°。不同的應用場合需要選擇合適的霧化角，以確保水霧能夠有效覆蓋目標區(qū)域。例如，較小的霧化角適合于較近距離的滅火，而較大的霧化角適用于需要大范圍覆蓋的場合。此外，有效射程是決定水霧覆蓋范圍的重要因素。噴頭與保護對象之間的距離應小于其有效射程，這樣才能確保噴出的水霧能夠有效地滅火或進行冷卻。如果距離過遠，水霧可能無法到達目標區(qū)域，從而降低滅火和冷卻效果。霧滴尺寸以特征直徑Dv0.90表示，在額定工作壓力下，Dv0.90應小于1.000mm，以保證良好的霧化效果。只有在控制好工作壓力、霧化角、有效射程和霧滴尺寸的情況下，才能充分發(fā)揮水霧噴頭的作用，實現最佳的滅火和冷卻效果。

四、工程概述

本項目的生產裝置區(qū)為多層露天鋼架結構，主要生產二氯甲烷、三氯甲烷及四氯乙烯。裝置區(qū)內生產單元存在危險性較高的反應器，詳細資料如表1所示。

表1" 反應器數量及特性一覽表

防火對象名稱數量危險物名稱介質狀態(tài)危險物水溶性儲罐高度儲罐直徑

1#反應器4一氯甲烷等氣、液不溶55903400

氯甲烷中間槽2一氯甲烷液不溶50003200

2#反應器2一氯甲烷液不溶163101800

根據相關規(guī)定，當罐壁高度超過17m的儲罐、容積等或容積等于或大于2000m3的低壓儲罐，必須設置固定式消防冷卻水系統(tǒng)。這些儲罐的規(guī)模和危險特性決定了其在火災發(fā)生時面臨較高的火災風險，需要配置固定的冷卻系統(tǒng)，以確保在火災初期迅速降溫，防止罐體結構因高溫失效而引發(fā)更為嚴重的災害。固定式消防冷卻水系統(tǒng)通過持續(xù)噴射冷卻水，有效地降低了儲罐溫度，防止火勢蔓延，為進一步采取應急措施爭取了寶貴時間。本項目的反應器及中間槽屬于反應設施，不屬于儲罐，高度和容積均未達到規(guī)范要求，按規(guī)范可不設。水噴霧可采用電動啟動或傳動管啟動雨淋報警閥，工作原理如圖1所示；本項目采用電動啟動，電動啟動方式系統(tǒng)如圖2所示。

（一）系統(tǒng)水量確定

由于1#反應器、氯甲烷中間槽和2#反應器位置較為分散，不在同一樓層，各組反應器著火時并沒有相關性和同時性。為減少消防水量，降低基建投資，本次設計的系統(tǒng)水量以每組反應器為單位計算，設計采用3組雨淋閥分別控制的方式。根據工藝需求，每個罐子單獨設置雨淋閥。根據《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50219－2014）表3.1.2，本項目反應器屬于甲乙類液體及可燃氣體生產、輸送、裝卸設施，供給強度9L/（min·m2），持續(xù)供給時間6h。本項目需設固定消防冷卻系統(tǒng)的設備均為固定頂，根據《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50219－2014）第3.1.9條及《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》（GB50974-2014）第3.4.2條，距著火固定罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍內的臨近罐應設置冷卻水系統(tǒng)。本項目著火罐均含臨近罐，一次火災延續(xù)時間內所需消防冷卻水量按2#反應器計，為448m3。

（二）選型設計

1.噴頭選型及布置

水霧噴頭的選擇需要考慮材質、工作壓力、噴霧形狀和有效射程等。《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50219-95）第3.1.3條規(guī)定，水霧噴頭用于防護冷卻時工作壓力不小于0.2Mpa；本項目選擇水霧噴頭ZSTWB34/120，流量特性系數K=34，工作壓力0.35Mpa，噴射角度=120°，有效射程2.4m，噴頭材質為青銅，適用于有防腐需求的場所。

由于本項目設置水霧噴頭的目的主要為防護冷卻，因此噴頭設置距離參照《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50219－95）第3.2.3條對甲乙丙類液體和可燃氣體儲罐的規(guī)定，水霧噴頭與保護儲罐外壁之間的距離為0.6m。噴頭布置應使水霧直接噴向并覆蓋保護對象，當試水時設計噴頭數不能滿足要求，現場增設噴頭。由于裝置區(qū)為室外場所，為防止灰塵堵塞噴頭內部水流通道，噴頭設防塵帽。

2.系統(tǒng)附件

本項目采用雨淋報警閥組，采用電動開啟，同時具有遠程手動控制和現場應急機械啟動功能，控制盤上顯示雨淋報警閥開閉狀態(tài)。報警閥進出口設壓力表，閥前設可沖洗過濾器（過濾器濾網采用耐腐蝕金屬材料，網孔基本尺寸為0.6mm—0.71mm），報警閥采用水力警鈴報警，水力警鈴應設置在公共通道或值班室附近的外墻上，應設置檢修、測試用的閥門。雨淋報警閥和水力警鈴采用熱鍍鋅鋼管進行連接，其公稱直徑不宜小于20mm，當公稱直徑為20mm時，其長度不宜大于20m。雨淋報警閥宜設置在溫度不低于4℃室內，并設排水設施，宜布置在靠近保護對象并便于人員安全操作的位置。室內報警閥設置在室內的雨淋報警閥宜距地面1.2m，兩側與墻的距離不應小于0.5m，正面與墻的距離不應小于1.2m，雨淋報警閥凸出部位之間的距離不應小于0.5m。

參考文獻

徐文.大型化工裝置水噴霧滅火系統(tǒng)設計.2001全國工業(yè)用水與廢水處理技術交流會，2001.

何宇飛.水噴霧滅火系統(tǒng)在石化裝置中的應用.給水排水，2015，51（S1）：297-299.

王驍.數據機房火災報警設計中與民用建筑的異同分析.消防界（電子版），2023，9（04）：69-71.

郝英才，宋文華，張炳鋒，等.石化裝置區(qū)水噴霧滅火系統(tǒng)可靠性研究.中國安全生產科學技術，2015，11（10）：173-178.

郭超，劉烜，曹澤昊，等.某水電站一起主變水噴霧滅火系統(tǒng)誤噴淋分析.云南水力發(fā)電，2023，39（09）：278-281.

王召.變電站變壓器泡沫水噴霧滅火系統(tǒng)工作原理及其應用技術分析.消防界（電子版），2023，9（10）：25-27.

張炯輝.水噴霧滅火系統(tǒng)及其在電纜隧道中的應用.遼寧經濟職業(yè)技術學院學報，2013（06）：60-61.

陳冰茹.聚丙烯裝置中水噴霧滅火系統(tǒng)的設計要點.化工與醫(yī)藥工程，2019，40（04）：1-5.