加氫站及加氫合建站消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)探索

孟進(jìn)朝

（河北海川能源科技股份有限公司，河北 石家莊 050000）

氫氣作為最清潔的能源，被認(rèn)為是未來(lái)替代傳統(tǒng)化石能源最理想的新型能源，在國(guó)家“3060 碳達(dá)峰碳中和”能源發(fā)展背景下，加氫站在近幾年得到蓬勃發(fā)展。作為新興能源供應(yīng)模式，現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范均指出加氫站建設(shè)過(guò)程中應(yīng)設(shè)置消防水系統(tǒng)。

1 消防設(shè)計(jì)要求

現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《加氫站技術(shù)規(guī)范》和《汽車(chē)加油加氣站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》作為加氫站建設(shè)的主要參考規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，均對(duì)加氫站建設(shè)的消防系統(tǒng)建設(shè)提出明確要求，指出加氫站建設(shè)過(guò)程中必須設(shè)置消防水系統(tǒng)[1]?！都託湔炯夹g(shù)規(guī)范》要求加氫站內(nèi)消防水系統(tǒng)應(yīng)依據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》對(duì)可燃?xì)怏w罐區(qū)的室外消火栓設(shè)計(jì)流量和火災(zāi)延續(xù)時(shí)間≥3h。

可燃?xì)怏w儲(chǔ)罐區(qū)室外消火栓的設(shè)計(jì)流量可燃?xì)怏w儲(chǔ)罐或儲(chǔ)罐區(qū)（m3）500＜V≤10 000 15 L/s 10 000＜V≤50 000 20 50 000＜V≤100 000 25 100 000＜V≤200 000 30 V＞200 000 35

《汽車(chē)加油加氣加氫站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)室外消火栓的設(shè)計(jì)流量規(guī)定≥15 L/s，并對(duì)消火栓的供水壓力應(yīng)滿(mǎn)足移動(dòng)式水槍出口處水壓不小于0.2 MPa[2]。該標(biāo)準(zhǔn)中特別指出加氫站中可設(shè)置≥30 m3的可循環(huán)使用的消防水系統(tǒng)。

2 循環(huán)消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與計(jì)算

加氫站、加氫合建站依據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》采用非循環(huán)式消防系統(tǒng)時(shí)，消防水池容積應(yīng)按以下方式進(jìn)行計(jì)算[3]：

首先應(yīng)確定加氫站或加氫合建站氫氣儲(chǔ)存總?cè)莘e。加氫站內(nèi)固定和非固定儲(chǔ)氫設(shè)施的總?cè)莘e為單個(gè)儲(chǔ)氫設(shè)施幾何容積（m3）和設(shè)計(jì)工作壓力（絕對(duì)壓力，105Pa）的乘積計(jì)算后相加之和。

目前高壓儲(chǔ)氫加氫站內(nèi)氫氣儲(chǔ)存設(shè)施有兩種，分別是固定儲(chǔ)氫瓶組（罐）和氫氣拖車(chē)，固定儲(chǔ)氫瓶組（罐）壓力一般為45 MPa 或87.5 MPa，氫氣拖車(chē)壓力一般為20 MPa，幾何容積一般為24 m3。

式中:VH-站內(nèi)氫氣儲(chǔ)存總?cè)莘e；V固1、V固2-站內(nèi)固定儲(chǔ)氫瓶組（罐）幾何容積；V車(chē)-氫氣拖車(chē)幾何容積。例如，某項(xiàng)目設(shè)45 MPa 固定儲(chǔ)氫瓶組9 m3，設(shè)氫氣拖車(chē)2 輛，那么站內(nèi)儲(chǔ)氫總?cè)莘e結(jié)合式（1）計(jì)算后為13 650 m3。其次，根據(jù)站內(nèi)儲(chǔ)氫總?cè)莘e，確定合理的消火栓設(shè)計(jì)流量和消防水池有效容積。根據(jù)《加氫站技術(shù)規(guī)范》和《汽車(chē)加油加氣站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)加氫站及加氫合建站要求，站內(nèi)最高氫氣儲(chǔ)量不允許超過(guò)8 000 kg。

結(jié)合氣體狀態(tài)方程

站內(nèi)儲(chǔ)氫總?cè)莘e（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）、總質(zhì)量與消火栓設(shè)計(jì)流量、消防水池有效容積之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 加氫站氫氣儲(chǔ)量和消防設(shè)水設(shè)計(jì)對(duì)照表

3 循環(huán)消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與論證

某設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)20 MPa 氫氣拖車(chē)2 輛，9 m3的45 MPa 固定儲(chǔ)氫瓶組3 組，1 m3的87.5 MPa 固定儲(chǔ)氫瓶組2 組，設(shè)4 座30 m3埋地油罐（2 汽2 柴），該項(xiàng)目為二級(jí)加油與高壓儲(chǔ)氫加氫合建站。該項(xiàng)目氫氣總儲(chǔ)量為23 500 m3，采用常規(guī)消防水設(shè)計(jì)形式時(shí)，消火栓設(shè)計(jì)流量應(yīng)為20 L/s，該項(xiàng)目消防水池的有效容積不應(yīng)小于216 m3，消防水池建設(shè)容積約為250 m3。該項(xiàng)目符合《汽車(chē)加油加氣站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置不≥30 m3的循環(huán)使用消防水池的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)方案如下：站內(nèi)進(jìn)出口設(shè)排水溝，排水溝一端連接分水井，分水井設(shè)過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾掉粒徑較大的雜質(zhì)，分水井兩側(cè)分別連接閥門(mén)井和消防檢查井。閥門(mén)井內(nèi)閥門(mén)處于常閉狀態(tài)。消防檢查井頂端連接分水井，底部利用管道與消防水池連通，保證消防水在使用時(shí)能夠有效返回消防水池。消防水池內(nèi)設(shè)隔墻，延長(zhǎng)消防水從地面至消防泵入口的時(shí)間，在隔墻與消防水池池壁之間設(shè)擋泥臺(tái)，防止消防水池內(nèi)的沉積物進(jìn)入消防水泵，保護(hù)消防水泵。

圖1 加油加氫合建站消防總平面布置圖

采用地下覆土消防水池，池頂結(jié)合當(dāng)?shù)貎鐾辽疃纫筮M(jìn)行覆土[5]。在消防檢查井、分水井井口配置符合要求的保溫井蓋，防止在過(guò)冬期間消防水因溫度過(guò)低而結(jié)冰，影響站內(nèi)消防使用，保證站內(nèi)消防安全。該形式簡(jiǎn)稱(chēng)為覆土式循環(huán)消防水系統(tǒng)。覆土式循環(huán)消防水系統(tǒng)剖面圖見(jiàn)圖2。

圖2 覆土式循環(huán)消防水系統(tǒng)剖面圖

消防有效容積(Va）計(jì)算公式如下

式中：Va1-消防水池有效容積；Va2-埋地回水管道總?cè)莘e；Va3-消防檢查井與消防水池同高差下的有效容積。

消防水池消減容積（Vb）計(jì)算公式如下：

式中：Vb1-分水井井底與消防檢查井進(jìn)口高差形成的容積；n-消防檢查井?dāng)?shù)量；S-項(xiàng)目消防水區(qū)域面積（m2）；η-地坪高低不平形成的積水和地坪滲水率。

消防水池?zé)o效容積:

式中：Vc-消防水池?zé)o效容積；S-消防水池的投影面積（m2）；△h-消防水池與消防泵入口之間的高差。

因此，消防水池總建設(shè)容積（V總）計(jì)算公式如下

消防水可使用容積為

消防水可使用容積（V可）不應(yīng)小于30m3。

覆土式循環(huán)消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算：結(jié)合該項(xiàng)目消防總平面布置圖，消防設(shè)計(jì)驗(yàn)算需要的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

將表2 的數(shù)據(jù)代入式（5），消防水池?zé)o效容積（Vc）為9.60 m3；將表2 的數(shù)據(jù)代入式（4），消防水池消減容積(Vb）為12.57 m3；將表2的數(shù)據(jù)代入式（5），消防水池?zé)o效容積（Vc）為9.60 m3。

表2 覆土式消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

消防水的可使用容積為

將以上數(shù)據(jù)代入式（7），消防水池可使用容積（V可）為30.35 m3，滿(mǎn)足《汽車(chē)加油加氣站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置≥30 m3的循環(huán)使用消防水池的設(shè)計(jì)要求。將以上數(shù)據(jù)代入式（6），消防水池總建設(shè)容積（V總） 為54.95 m3。

4 分析與對(duì)比

地上消防水罐、地下消防水池、地上室內(nèi)消防水箱、覆土式循環(huán)消防水池建設(shè)費(fèi)用和用地情況對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 不同形式消防水池建設(shè)費(fèi)用對(duì)比

北方地區(qū)冬季氣溫較低，消防水罐需配套安裝加熱系統(tǒng)和保溫材料，運(yùn)行和維護(hù)成本較高。地下消防水池設(shè)計(jì)深度較深，建設(shè)成本相對(duì)較高，消防泵房屬于地下空間，不符合加油與加氫合建站中與加油站建設(shè)的規(guī)范要求。地上室內(nèi)消防水箱在北方嚴(yán)寒地區(qū)有一定應(yīng)用，建設(shè)和運(yùn)行成本不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。覆土式循環(huán)消防水系統(tǒng)結(jié)合了消防系統(tǒng)的特點(diǎn)，具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、安全性，在加氫合建站中具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

5 加氫站消防系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程的建議

單獨(dú)建設(shè)的加氫站規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中增設(shè)加油或加氣功能，降低消防系統(tǒng)建設(shè)成本，提高占內(nèi)盈利能力；當(dāng)項(xiàng)目用地面積受限，消防水池建設(shè)面積較小時(shí)，加大消防循環(huán)回收管管徑，提高消防循環(huán)回水管內(nèi)的儲(chǔ)水容積以滿(mǎn)足消防用水的建設(shè)需求；采用覆土式循環(huán)消防水池應(yīng)加強(qiáng)站內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生管理，及時(shí)清理站內(nèi)垃圾、雜草、樹(shù)葉等，提高消防水水質(zhì)；消防循環(huán)回水管道敷設(shè)與站內(nèi)消防環(huán)管同溝敷設(shè)，降低施工成本，可結(jié)合場(chǎng)地設(shè)計(jì)可采用PPR 管、PE 管代替。

6 結(jié)論

覆土式循環(huán)消防水池具有建設(shè)和使用成本低，無(wú)需做單獨(dú)的防凍設(shè)備和設(shè)計(jì)，運(yùn)行穩(wěn)定性高，使用安全，站區(qū)景觀協(xié)調(diào)性高的優(yōu)點(diǎn)，不存在垃圾清運(yùn)費(fèi)，開(kāi)挖的土石方覆于消防水池頂部，降低了垃圾清運(yùn)費(fèi)。

隨著國(guó)內(nèi)土地的拍賣(mài)價(jià)格越來(lái)越高，為了達(dá)到土地效益的最大化利用，建設(shè)項(xiàng)目的附屬設(shè)施設(shè)計(jì)將會(huì)更加向集約化、小型化發(fā)展[4]。隨著建設(shè)項(xiàng)目不斷向土地的縱深發(fā)展開(kāi)拓，減少地面建設(shè)用地是一個(gè)需要不斷探索的課題。覆土式循環(huán)消防水池用地面積小，提升了地面的利用空間，水池的覆土部分可以用于綠地，土地的綜合使用率大大提高。