液化烴球罐區(qū)消防冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

田嬋嬋（天津市化工設(shè)計院，天津300193）

液化烴球罐區(qū)消防冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

田嬋嬋
（天津市化工設(shè)計院，天津300193）

液化烴球罐區(qū)應(yīng)設(shè)置消防冷卻水系統(tǒng)，本文以山東省某工程液化烴球罐區(qū)為例，分析液化烴球罐火災(zāi)的危險性及水噴霧冷卻滅火的機(jī)理，重點(diǎn)對固定式水噴霧冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和計算進(jìn)行探討。

液化烴；球罐；消防冷卻；水噴霧冷卻系統(tǒng)

本文以山東省某工程液化烴球罐區(qū)為例，分析液化烴球罐火災(zāi)的危險性及水噴霧冷卻滅火的機(jī)理，重點(diǎn)對固定式水噴霧冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和計算進(jìn)行探討。

1水噴霧冷卻系統(tǒng)滅火機(jī)理

水噴霧冷卻系統(tǒng)是利用水霧噴頭在一定壓力作用下把水流分解成直徑1mm以下的細(xì)小水霧滴噴射到燃燒的物體表面，通過表面冷卻、窒息、乳化、稀釋實現(xiàn)滅火的一種固定式滅火系統(tǒng)。細(xì)小的霧狀水滴，表面積很大，遇火后迅速汽化，帶走大量的熱量，使燃燒表面迅速降溫，燃燒體達(dá)到冷卻的目的[1]。液化烴的分子量較高，燃燒時會在球罐外壁表面形成抗?jié)竦奶汲练e，水流不易形成水膜，導(dǎo)致水流對罐壁的冷卻效果不佳甚至失效。水噴霧冷卻系統(tǒng)噴出的霧狀水滴具有很強(qiáng)的沖擊力將沉積碳沖刷掉，并在罐壁外表面形成水膜，從而提高了冷卻效果，避免罐壁發(fā)生熱塑裂口。因此，對于液化烴球罐的冷卻保護(hù)方面水噴霧冷卻系統(tǒng)優(yōu)于水噴淋系統(tǒng)。

2液化烴球罐區(qū)消防冷卻系統(tǒng)的設(shè)計計算

2.1系統(tǒng)設(shè)置及設(shè)計參數(shù)的選擇

2.1.1設(shè)計依據(jù)：《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(GB50160—2008)簡稱《石化規(guī)》；《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50219-2014）簡稱《水噴霧》。

2.1.2系統(tǒng)的設(shè)置：本工程罐區(qū)設(shè)2000m3球罐，4座；球罐直徑φ=15.7m，球罐壁厚δ=30mm。根據(jù)《石化規(guī)》要求“當(dāng)單罐容積等于或大于1000m3時，應(yīng)采用固定式水噴霧系統(tǒng)及移動消防冷卻系統(tǒng)”。本工程2000m3球罐設(shè)置水噴霧冷卻系統(tǒng)，并在防火堤外均勻布置消防水炮及消火栓移動冷卻設(shè)施，該工程系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 球罐區(qū)水噴霧冷卻水系統(tǒng)流程圖

2.1.3設(shè)計參數(shù)的選擇：（1）噴水強(qiáng)度：水噴霧系統(tǒng)噴水強(qiáng)度《水噴霧》規(guī)范要求：“著火罐冷卻水供給強(qiáng)度不應(yīng)小于9.0L/min·m2”，根據(jù)國內(nèi)對液化烴儲罐受熱噴水保護(hù)試驗，為了確保消防冷卻的穩(wěn)妥可靠性，本工程噴水強(qiáng)度取10.0L/min·m2。移動式消防水量《石化規(guī)》要求“儲罐容積大于或等于1000m3時，不應(yīng)小于80L/S?！保?）冷卻范圍及保護(hù)面積：“著火罐及距離著火罐1.5倍著火罐直徑范圍內(nèi)的相鄰罐應(yīng)同時冷卻，相鄰罐超過3座時，按3座較大的鄰近罐計算”。著火罐保護(hù)面積應(yīng)按其罐體外表面面積計算，相鄰罐保護(hù)面積應(yīng)按其罐體外表面面積的1/2計算。球罐外表面面積：S=πφ2，φ為球罐體外徑，設(shè)計人員在計算球罐表面積時往往忽略了球罐的壁厚，計算結(jié)果偏小。

2.2供水管道的布置

水噴霧系統(tǒng)在沿緯線方向布置環(huán)管，沿經(jīng)線方向布置供水干管與各環(huán)管相連接，干管在球罐底部與對應(yīng)的雨淋報警閥組連接。管道設(shè)計的原則是供水壓力均衡，為了保證同一環(huán)管上各噴頭工作壓力及各環(huán)管之間壓力的均衡，本文在供水管道布置時采取如下措施：

（1）對于容積大于1000m3的球罐，頂層環(huán)管與底層環(huán)管之間的垂直壓差較大。上半球、下半球采用兩個獨(dú)立的供水系統(tǒng)，不但能達(dá)到均衡水壓的作用，還能滿足作為相鄰罐只冷卻罐壁表面積1/2的要求，同時當(dāng)夏季需要防曬噴淋時可只對上半球進(jìn)行噴淋，減少用水量。

（2）上、下半球各采用2條對稱布置的供水豎管，以保證同一環(huán)管上各噴頭實際工作壓力基本相同，罐表面積的冷卻強(qiáng)度相同。尤其對于容積為2000m3的球罐，環(huán)管較長，阻力較大，兩條對稱布置的供水立管，可降低環(huán)管阻力，有利于保證水壓均衡。

（3）為了保證各層環(huán)管之間的壓力均衡，大多資料提出在低層環(huán)管上設(shè)置減壓孔板，調(diào)節(jié)各環(huán)管水壓差。本文不建議使用減壓孔板，因為減壓孔板易被堵塞，一旦堵塞將給消防冷卻帶來隱患。本文采用減小管徑，增大管道損失的方式調(diào)整各環(huán)管水壓，使各環(huán)管水壓基本一致，保證各環(huán)上噴頭的工作壓力基本相同。減小低層環(huán)管管徑不但能調(diào)整各環(huán)管的壓差，平衡水壓，同時能節(jié)約投資成本。

（4）雨淋報警閥前設(shè)置過濾網(wǎng)孔徑為4.0目/ cm2～4.7目/cm2的過濾器，可防止雜物破壞雨林報警閥的嚴(yán)密性，保證水流暢通。由于雨淋閥與球罐往往有一定距離，而水霧噴頭口徑小，易堵塞，因此在球罐底部供水橫管上增設(shè)Y型過濾器，該過濾器有兩個作用：一方面過濾雜質(zhì)、防止堵塞，另一方面起到放空閥的作用，系統(tǒng)噴水后，打開Y型過濾器后蓋，將系統(tǒng)積水放空，防止管道內(nèi)因積水結(jié)冰而造成管道的損傷。另外為了防止管道內(nèi)壁生銹，堵塞噴頭，選擇不易生銹的管材，本工程過濾器與雨林報警閥之間及雨淋閥后的管道采用內(nèi)外熱浸鍍鋅鋼管。

2.3噴頭選擇與布置

2.3.1噴頭的選擇：中速水霧噴頭是一種撞擊霧化噴頭，壓力水進(jìn)入噴頭后，經(jīng)收縮流速加快，撞擊至特定的濺水盤分解形成霧化。中速水霧噴頭對火災(zāi)區(qū)外表面持續(xù)噴霧，一方面防止表面迅速升溫、火災(zāi)蔓延，另一方面能加速水蒸氣散發(fā)、稀釋液化烴蒸氣云，降低爆炸危險。該噴頭主要用于保護(hù)閃點(diǎn)在66℃以下的易燃液體、氣體和固體危險區(qū)域[2]。液化烴屬于甲A類易燃液體，閃點(diǎn)小于28℃，因此，本工程選用中速水霧噴頭，型號為ZSTWC16-125，工作壓力為0.14～0.50MPa，流量系數(shù)K=16。單個球罐固定式水噴霧系統(tǒng)理論設(shè)計水量及布置噴頭總數(shù)詳見表1。

由表1表可知：著火罐固定式水噴霧冷卻系統(tǒng)的理論水量Q理論=130L/S。

表1 水噴霧冷卻系統(tǒng)理論設(shè)計水量及布置噴頭總數(shù)

2.3.2噴頭的布置：對于噴頭的布置，多數(shù)資料提出采用矩形或菱形布置，矩形或菱形布置在平面上容易實現(xiàn)，但在球面上很難實現(xiàn)。本文認(rèn)為噴頭的布置應(yīng)以使水霧直接噴向并覆蓋保護(hù)對象為原則，保證水霧噴頭的水霧錐沿緯線方向應(yīng)相交，沿經(jīng)線方向宜相接。噴頭在有效射程內(nèi)，噴霧粒徑小且均勻，滅火和防護(hù)冷卻的效率高，超出有效射程后噴霧性能明顯下降且可能出現(xiàn)飄逸現(xiàn)象，限制噴頭與保護(hù)對象之間的距離十分重要，因此水霧噴頭與保護(hù)對象之間距離不得大于水霧噴頭的有效射，且應(yīng)滿足規(guī)范要求“水噴霧噴頭與儲罐外壁之間的距離不應(yīng)大于0.7m”。根據(jù)廠家提供的中速噴頭的有效射程，本工程噴頭與球罐外表面距離B=0.60m，水霧錐底圓半徑：R=Btan（θ/2）=1.15m。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)水霧噴頭的供水壓力均勻布置噴頭間距，沿緯線方向布置間距宜為1.4R～1.7R（R為水霧錐底圓半徑，即為1.61m～1.95m。遵照“沿經(jīng)線方向宜相接”的布置原則，根據(jù)噴頭保護(hù)球罐表面弧長計算環(huán)管層數(shù)N= [(πφ/2)/2R]+1=11。水噴霧冷卻系統(tǒng)噴頭布置如圖2所示。

噴頭的布置除罐體外，對球罐兩極處的液位計、閥門、安全閥等容易發(fā)生泄漏的部位增設(shè)噴頭以實現(xiàn)完全覆蓋。本例球罐鋼支柱有防護(hù)層保護(hù)因此不必設(shè)噴頭，設(shè)計時務(wù)必考慮鋼支柱是否有防護(hù)層，若無防護(hù)層或防護(hù)層耐火極限不滿足規(guī)范要求時應(yīng)增設(shè)水霧噴頭保護(hù)。

圖2 水噴霧冷卻系統(tǒng)噴頭布置圖

2.4球罐區(qū)冷卻系統(tǒng)的水量計算

2.4.1固定式水噴霧系統(tǒng)水力計算

本例上、下半球各采用兩條對稱布置的供水豎管，水力計算時可取環(huán)管一半作為支管，從最不利點(diǎn)噴頭逐點(diǎn)進(jìn)行水力計算。規(guī)范要求“用于防護(hù)冷卻時工作壓力不應(yīng)小于0.20MPa”，為了確保冷卻效果安全可靠本例將最不利點(diǎn)噴頭工作壓力定為0.35MPa。隨著噴頭、管段的增加，各噴頭的實際工作壓力及實際出水量增大。本工程經(jīng)水力計算，著火罐固定式水噴霧系統(tǒng)實際計算流量Qj=145L/S，系統(tǒng)設(shè)計流量QS=kQj=1.05×145=153L/S，平均噴水強(qiáng)度W=11.15 L/min·m2，大于理論強(qiáng)度10 L/min·m2，滿足《水噴霧》規(guī)范要求。設(shè)計人員在計算時，切不可為了簡化計算過程將噴頭工作壓力設(shè)定為某一固定值，環(huán)管管徑設(shè)計水量均按此固定值計算，這樣將使計算結(jié)果（包括冷卻水水量及管網(wǎng)供水壓力）偏小，最終導(dǎo)致消防水泵選型不準(zhǔn)、消防水池容積偏小。冷卻水系統(tǒng)在實際運(yùn)行時的噴水強(qiáng)度、連續(xù)噴水時間將達(dá)不到規(guī)范要求。

2.4.2球罐區(qū)冷卻系統(tǒng)的水量計算

球罐區(qū)一次消防用水量應(yīng)為著火罐水噴霧冷卻系統(tǒng)水量（Qs）、相鄰罐水噴霧冷卻系統(tǒng)水量（Qx）、移動冷卻水量（Qy）與注水水量（Qz）之和，即Q= Qs+ Qx+Qy+Qz。本工程相鄰罐共3個，Qx=246 L/s，在罐區(qū)防火堤外均勻布置型號為SP30的消防水炮和型號為SS150-1.6的消火栓，確保每個球罐至少在2個消防水炮及2個消火栓保護(hù)范圍內(nèi)，故移動水量Qy= 80L/S。注水系統(tǒng)用于事故時球罐泄漏置換用水，根據(jù)工藝專業(yè)提供，注水管道壓力為1.33MPa，流量為25L/s。故總用水流量Q=504 L/s，火災(zāi)延續(xù)時間6 h，則罐區(qū)一次消防用水總量為10887 m3。

3水噴霧冷卻水系統(tǒng)控制與操作

雨淋報警閥組是實現(xiàn)球罐自動噴霧的關(guān)鍵部件，在球罐區(qū)附近的雨淋閥室內(nèi)設(shè)有8套雨淋報警閥組，分別控制各球罐上、下半球的系統(tǒng)供水。氣控雨淋報警閥組具有開啟迅速，系統(tǒng)響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，本工程采用氣控雨淋報警閥，在球罐上布置帶閉式噴頭的傳動管。傳動管中充有壓縮空氣，當(dāng)罐區(qū)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，隨著罐體溫度升高，干式傳動管上所設(shè)的閉式噴頭動作，傳動管內(nèi)壓力下降，由壓力開關(guān)將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，報至水噴霧滅火系統(tǒng)控制器，由控制器發(fā)出指令自動開啟相應(yīng)的雨淋閥組（包括控制著火罐及其相鄰罐的雨淋閥組），壓力水經(jīng)雨淋閥進(jìn)入管道，并從水霧噴頭噴出，進(jìn)行冷卻。滅火結(jié)束后，應(yīng)將系統(tǒng)管線內(nèi)的水放空。

4 結(jié)語

4.1上、下半球采用兩個獨(dú)立的供水系統(tǒng)，不但能達(dá)到均衡水壓的作用，還能滿足作為相鄰罐只冷卻罐壁表面積1/2的要求，同時可以解決夏季防曬只對上半罐體進(jìn)行噴淋降溫的要求，減少用水量。

4.2雨淋報警閥組的位置很關(guān)鍵，要盡量靠近被保護(hù)對象，縮短管道充水時間，利于系統(tǒng)快速啟動，以滿足《水噴霧》規(guī)范響應(yīng)時間不應(yīng)大于120S的要求。同時要保證火災(zāi)時人員的安全性，距被保護(hù)球罐罐壁不宜小于15m。

4.3水噴霧冷卻系統(tǒng)的水力計算過程較為復(fù)雜繁瑣，建議采用專業(yè)的消防設(shè)計軟件，使水力計算工作方便快捷，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

［1］張晨霞,韓紅琪,李學(xué)志.液化烴球罐固定式水噴霧系統(tǒng)計算方法的探討〔J〕.工業(yè)用水與廢水,2010(2)41.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.017

TU279.7+43

B

1008-1267（2016）02-0051-03

2015-11-20