消防冷卻水霧噴淋在液氨罐區(qū)的應(yīng)用

張丹妮，吳嘉賓

(中國空分工程有限公司，浙江 杭州 310052)

氨作為輕工、化肥、制藥、染料、制冷劑等生產(chǎn)過程中重要的化工原料，得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于低溫液氨在儲存和運(yùn)輸成本方面存在巨大優(yōu)勢，以液氨形式的運(yùn)輸或者儲存日漸增多，液氨儲罐的規(guī)模也在增加。

近年來，我國因液氨泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸等事故屢有發(fā)生，目前為止因液氨泄漏而造成傷害最大的事故是2013年，吉林寶豐公司的電氣火災(zāi)導(dǎo)致氨大量泄漏引起的火災(zāi)爆炸事故(特別重大事故)，造成121人死亡，近百人受傷。事故發(fā)生后各地都組織對相關(guān)涉氨企業(yè)進(jìn)行安全審查，經(jīng)審查和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)部分企業(yè)的液氨儲罐(區(qū))消防設(shè)施存在不符合現(xiàn)行法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)象，可見液氨罐區(qū)規(guī)范消防設(shè)計及其重要。本文以浙江某市的液氨罐區(qū)(罐區(qū)包含3座100 m3全壓力式臥罐)為例，探討液氨罐區(qū)消防水霧噴淋的設(shè)計。

1 氨的物質(zhì)特性

氨氣是一種無色的有毒氣體，密度比空氣輕，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味。在常溫下是氣態(tài)，當(dāng)加壓到0.7 MPa時或溫度降至零下33℃時會變?yōu)橐簯B(tài)氨。氨極易溶于水，在常溫常壓條件下，1體積水就能溶解約700體積的氨。氨可通過吸入、皮膚接觸等方式侵入，對人體造成健康危害，低濃度氨對粘膜有刺激作用，高濃度可造成組織溶解性壞死，引起化學(xué)性肺炎及灼傷[1]。

液氨是有強(qiáng)烈刺激性氣味的無色易燃有毒液體，氨氣與空氣混合物的爆炸極限是15.7%～27.4%。火災(zāi)危險性根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB50160-20018)(2018年版)的3.0.1與3.0.2條規(guī)定，氨氣屬于乙類可燃?xì)怏w，液氨屬于乙A類可燃液體。

據(jù)《危險化學(xué)品重大危險源辨識》(GB18218-2018)辨識，只要氨儲量超過10 t，液氨罐區(qū)即為重大危險源。本次舉例設(shè)計液氨罐區(qū)(三座100 m3液氨儲罐)已構(gòu)成三級危險化學(xué)品重大危險源。

2 液氨儲罐水噴淋設(shè)計

2.1 液氨儲罐水霧噴淋概述

水霧噴淋系統(tǒng)被普遍應(yīng)用于涉氨企業(yè)。水噴霧滅火系統(tǒng)是想對保護(hù)對象噴射水霧進(jìn)行滅火火防護(hù)冷卻的系統(tǒng)，主要由水源、供水設(shè)備、管道、雨淋報警閥(或電工控制閥、氣動控制閥)、過濾器和水霧噴頭等組成。水噴霧滅火機(jī)理主要是表面冷卻、窒息、乳化和稀釋。水霧噴頭噴出的霧狀水滴的粒徑細(xì)小，表面積大，遇火后迅速汽化并吸收大量的熱能，從而使燃燒表面迅速降溫，燃燒體達(dá)到冷卻的目的。水霧還會在燃燒物表面形成一層水膜，從而燃燒體溫度不再升高，并且使燃燒終止。

另外，噴淋系統(tǒng)吸收利用氨氣的原理是氨極易溶于水，在氨泄漏事故發(fā)生時，采用水噴淋方式對污染區(qū)進(jìn)行凈化吸收，使泄漏的氨與水結(jié)合成氨水，以防止氨氣泄漏擴(kuò)散的目的。為了獲得更好的吸收效率，通常使用以下兩種改進(jìn)方法：一是物理方法，將水霧化，利用霧狀水對氨進(jìn)行吸收，這是改變氣液接觸面積，達(dá)到氣體的氣體溶解速度增快的目的。二是化學(xué)方法，在清水中加入酸性物質(zhì)，然后利用酸性液體吸收氨氣，這是通過氨與酸性物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得溶質(zhì)氨在液相中的濃度減小，增大傳質(zhì)推動力，進(jìn)而提高了氨氣的吸收效率[2]。

本次設(shè)計采用水霧噴淋方式，且液氨儲罐設(shè)有氨氣(有毒氣體)報警檢測裝置，同時將有毒氣體濃度檢測信號引入至可燃有毒報警控制器，并納入火災(zāi)報警系統(tǒng)。當(dāng)有毒氣體濃度超限時能及時聲光報警，可第一時間發(fā)現(xiàn)泄漏情況，及時處理可能發(fā)生儲罐泄漏、管道破裂等事故，由于氨氣報警器與噴淋系統(tǒng)是聯(lián)動的，一旦報警器發(fā)出報警信號，噴淋系統(tǒng)會立即響應(yīng)，進(jìn)入工作狀態(tài)。

2.2 液氨儲罐水霧噴淋用水量設(shè)計

本次液氨儲罐水噴淋設(shè)計根據(jù)主要《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB50160-20018)(2018年版)和《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB50219-2014)。

規(guī)范GB50160“8.10.13全壓力式及半冷凍式液氨儲罐宜采用固定式水噴霧系統(tǒng)和移動式消防冷卻水系統(tǒng)，冷卻水供給強(qiáng)度不宜小于6 L/min·m2，其他消防要求與全壓力式及半冷凍式液化烴儲罐相同?！薄?.10.7液化烴罐區(qū)的消防用水延續(xù)時間按6 h計算?！?/p>

GB50219表3.1.2中液氨儲罐設(shè)施供給強(qiáng)度為6 L/min·m2，持續(xù)供給時間為6 h，響應(yīng)時間為120 s。根據(jù)以上規(guī)范(GB50160和GB50219要求是一致的)，本項目液氨儲罐水噴霧系統(tǒng)供給強(qiáng)度為6 L/min·m2，持續(xù)供給時間按6 h計。

規(guī)范GB50160 “8.10.4全壓力式及半冷凍式液化烴儲罐固定式消防冷卻水系統(tǒng)的用水量計算應(yīng)符合下列規(guī)定：3.著火罐冷卻面積應(yīng)按其罐體表面積計算；鄰近罐冷卻面積應(yīng)按其半個罐體表面積計算；4.距著火罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍的鄰罐超過3個時，冷卻水量可按3個罐的用水量計算。”本項目100 m3臥式罐尺寸為3×13.8 m，總長15.616 m，臥罐間距為1.6 m，因此最大用水量假定中間的儲罐起火，最大冷卻面積為其罐體表面積與兩個鄰近罐半個罐體表面積之和。

本次項目水霧噴淋用水量設(shè)計如表1。

表1 水霧噴淋用水量設(shè)計表

2.3 液氨儲罐水霧噴淋管道設(shè)計

每臺儲罐設(shè)置矩水霧噴淋管道，管道設(shè)計應(yīng)滿足系統(tǒng)設(shè)計流量、設(shè)計壓力條件。工作壓力滿足GB50160“3.1.3水霧噴頭的工作壓力，當(dāng)用于滅火時不應(yīng)小于0.35 MPa，當(dāng)用于防護(hù)冷卻時不應(yīng)小于0.2 MPa，但對于甲B、乙、丙類液體儲罐不應(yīng)小于0.15 MPa?！?/p>

管道內(nèi)的平均流速不宜大于5 m/s，由此最終確定供水管道管徑為DN80。

消防給水引入管設(shè)雨淋閥，雨淋閥后設(shè)置減壓閥，閥后方壓力約為0.30 MPa，以此保證用于每根支管壓力P>0.2 MPa。

雨淋閥與消控室連鎖，如果現(xiàn)場條件允許，雨淋報警閥組應(yīng)當(dāng)設(shè)置在裝卸設(shè)施15 m外區(qū)域范圍(安全范圍)，確保發(fā)生火災(zāi)時能在自動控制失效的情況下，人員能夠安全接近，現(xiàn)場應(yīng)急機(jī)械手動開啟雨淋報警閥組。

圖1 本次項目水霧噴淋供水管道設(shè)計示意圖

2.4 液氨儲罐水霧噴淋噴頭設(shè)計

液氨儲罐水霧噴淋噴頭流量計算依據(jù)(GB50219-2015)7.1.1，水霧噴淋噴頭流量個數(shù)計算依據(jù)7.1.2，水霧噴淋噴頭布置依據(jù)(GB50219-2015)3.2.4。

7.1.1水霧噴頭流量應(yīng)按下式計算：

式中：q——水霧噴頭的流量(L/min)；

P——水霧噴頭的工作壓力(MPa)；

K——水霧噴頭的流量系數(shù)，取值由噴頭制造商提供。

7.1.2保護(hù)對象所需水霧噴頭的計算數(shù)量應(yīng)按下式計算：

式中：N——保護(hù)對象所需水霧噴頭的計算數(shù)量(只)；

S——保護(hù)對象的保護(hù)面積(m2)；

W——保護(hù)對象的設(shè)計供給強(qiáng)度[L/(min·m2)]。

3.2.4水霧噴頭的平面布置方式可為矩形或菱形。當(dāng)按照矩形布置時，噴頭布置間距不應(yīng)大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑。

水霧錐底圓半徑應(yīng)按下式計算：

式中：R——水霧錐底半徑(m)；

B——水霧噴頭的噴口與保護(hù)對象之間的距離(m)；

θ——水霧噴頭的霧化角(°)。

水霧噴頭的類型有很多[3]，本此設(shè)計選用中速水霧噴頭(ZSTWC32-120)，高度為2.5 m時最發(fā)噴射直徑約為7 m。流量系數(shù)取為30，噴射角為120°，工作壓力取0.2 MPa。

本設(shè)計水霧噴頭的噴口與保護(hù)對象(儲罐壁)之間的距離為0.65 m，根據(jù)上述公式得出：

R為1.13 m，水霧噴頭之間的距離不大于1.582 m。本此設(shè)計水霧噴頭采用矩形布置，水霧噴頭間距取1.5 m，每個儲罐共布置水霧噴頭40個，確保噴霧對罐體表面全覆蓋，能滿足規(guī)范要求。液氨儲罐水霧噴頭剖視圖見圖2。

圖2 液氨儲罐水霧噴頭剖視圖

3 結(jié)語

消防設(shè)計嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行國家法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，能從很大程度降

低火災(zāi)爆炸的風(fēng)險及危害程度。本文例舉消防冷卻水霧噴淋系統(tǒng)在液氨罐區(qū)的應(yīng)用，能有效降低液氨罐區(qū)因泄漏導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。

本次液氨儲罐消防水霧噴淋設(shè)計符合國家相關(guān)規(guī)范及當(dāng)?shù)卣块T的要求，并且已通過當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門的驗(yàn)收。液氨儲罐，甚至其他甲乙類液體儲罐的水霧噴淋系統(tǒng)可根據(jù)本文思路進(jìn)行設(shè)計。