火力發(fā)電廠氨水罐區(qū)消防系統(tǒng)設計

胡正勛HU Zheng-xun；郭三霞GUO San-xia；曾小飛ZENG Xiao-fei；鄒馳ZOU Chi

（中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，長沙 410114）

0 引言

火力發(fā)電廠脫硝工藝中常采用液氨、氨水、尿素作為還原劑，將其溶液噴入爐膛中與煙氣中的NOx反應，將NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O以達到脫硝的目的。對于SCR煙氣脫硝工藝，當火電廠處于郊區(qū)或遠離城區(qū)，且距離液氨產(chǎn)地較近時，宜采用液氨作為還原劑；當火電廠處于大中城市或其近郊區(qū)，宜采用尿素作為還原劑。對于SNCR煙氣脫硝工藝，宜采用尿素作為還原劑；對于SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝，可綜合考慮選擇合適的還原劑；而當鍋爐蒸發(fā)量不大于400t/h時，可采用氨水作為還原劑，氨水質(zhì)量濃度一般為20%~25%。還原劑液氨屬于重大危險源，其存在最主要的、最嚴重的危害為火災、爆炸及毒物危害，其同類還原劑氨水火災危險性比液氨要低，但仍具有一定火災危險性，并被定義為丙類液體，而現(xiàn)行GB 50229-2019《火力發(fā)電廠與變電站設計防火標準》卻沒有相應氨水的消防要求，使設計人員不好把握其消防系統(tǒng)配置要求。本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對火力發(fā)電廠氨水罐區(qū)進行消防系統(tǒng)設計及歸納總結(jié)，為同類型脫硝工程消防設計提供參考。

1 氨水性質(zhì)

氨水為氨氣（NH3）溶于水后的產(chǎn)物，其為混合物，包含NH3、NH3·H2O、H2O三種分子及NH4+、OH-、H+三種離子，其中NH3·H2O為主要成分。氨水有強烈刺鼻氣味，具弱還原性及弱堿性，為無色透明液體，易揮發(fā)，不可燃。氨水受熱可揮發(fā)出NH3，溫度越高，NH3·H2O分解速度越快，NH3聚集可形成爆炸性氣氛。

2 氨水罐區(qū)概述

以國內(nèi)某1×380t/h鍋爐脫硝工程為例，氨水罐區(qū)主要包含氨水罐儲存區(qū)、氨水泵房及電氣儀表輔助區(qū)域。氨水罐區(qū)占地面積212.44m2，建筑高度8.300m，建筑體積約1140m3，建筑耐火等級為二級，氨水泵房和低壓配電室有圍護結(jié)構、氨水罐區(qū)敞開無圍護結(jié)構。氨水儲罐區(qū)有兩個氨水儲罐（1用1備），每個氨水儲罐（固定頂罐）內(nèi)筒直徑為4800mm，外筒直徑為4900mm，高度為6000mm，液位高度為5.8m。氨水儲罐的單罐容積為105m3，橫截面積為18.85m2。

由于氨水能揮發(fā)NH3，氨水罐儲存區(qū)一般采用半封閉式結(jié)構，其能防止陽光直射氨水儲罐，減少NH3逸出量，同時能避免形成可集聚氣體死角。同時，一般將電氣儀表輔助區(qū)域與氨水罐儲存區(qū)進行隔離布置，并與氨水泵房合并布置。氨水罐區(qū)平面布置如圖1所示。

3 氨水罐區(qū)消防設計

根據(jù)DL/T 5480-2013《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設計技術規(guī)程》第3.2.15條及其條文解釋，氨水罐區(qū)火災危險性分類宜按丙類液體考慮。氨水罐區(qū)的火災危險性分類應比同類還原劑的液氨罐區(qū)要低，根據(jù)GB 50160-2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》第3.0.2條，液氨屬于乙A類可燃液體，因此電廠脫硝用氨水的火災危險性按丙類對待。

3.1 室外消火栓系統(tǒng)

根據(jù)GB 50016-2014（2018版）《建筑設計防火規(guī)范》第8.1.2條，儲罐區(qū)應設置室外消火栓系統(tǒng)；同時根據(jù)GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》第7.3.6條，丙類液體儲罐一旦發(fā)生火災，火場溫度高，人員很難接近，同時還有可能發(fā)生泄漏和爆炸，因此要求氨水罐區(qū)室外消火栓設置在距儲罐壁15m外的安全地點。根據(jù)GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》第7.3.6條，單個氨水儲罐單罐容積小于5000m3，氨水罐區(qū)室外消防系統(tǒng)設計流量為15L/s。

根據(jù)GB 50016-2014（2018版）《建筑設計防火規(guī)范》第8.2.1條及GB 50160-2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》第8.11.2條，氨水罐區(qū)可不設室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。根據(jù)GB 50016-2014（2018版）《建筑設計防火規(guī)范》第8.3條，氨水罐區(qū)可不設置自動噴水滅火系統(tǒng)。

3.2 固定冷卻水系統(tǒng)

根據(jù)GB 50016-2014（2018版）《建筑設計防火規(guī)范》第8.1.4條及GB 50160-2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》第8.4.5條，丙類液體儲罐應設置移動水槍或固定水冷卻設施，考慮到現(xiàn)場運行經(jīng)驗及GB 50219-2014《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第1.0.3條，氨水儲罐設置固定冷卻水系統(tǒng)，并采用水噴霧型式，按照水噴霧防護冷卻系統(tǒng)進行設計，為氨水儲罐噴霧降溫。

根據(jù)GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》第3.4.2條，固定冷卻水系統(tǒng)（水噴霧防護冷卻系統(tǒng)）冷卻范圍為著火罐表面積+鄰近罐表面積的1/2，供給強度為5.0 L/min·m2（冷卻水多環(huán)布置時，其冷卻水供給強度為單環(huán)布置時2倍）。氨水罐區(qū)設置有2個儲罐，如其中一個氨水罐直接受到火焰威脅，為控制火焰蔓延、降低火焰輻射，保證鄰近罐的安全，應對距著火固定罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍內(nèi)的鄰近罐設置冷卻水系統(tǒng)，因此固定冷卻水系統(tǒng)設計流量按2個氨水儲罐考慮。

固定冷卻水系統(tǒng)理論用水量為1.5×3.14×4.9×6×5.0÷60=11.5L/s。用于防護冷卻丙類液體儲罐的水霧噴頭工作壓力按不小于0.15MPa設計，取值0.2MPa。水霧噴頭選型為ZSTWB/SL-S232-40-120：流量系數(shù)K為18.9，噴射角120°，噴霧有效距離1.8m，工作壓力范圍0.2~0.6MPa。根據(jù)GB 50219-2014《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第7.1條計算公式，最不利點水霧噴頭流量為0.45L/s，2個氨水儲罐水霧噴頭數(shù)量至少為26個。

根據(jù)GB 50219-2014《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第

3.2.4 條，水霧噴頭的平面布置方式可采用矩形或菱形，本文采用矩形設計，則水霧噴頭之間的距離不應大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑，水霧錐底圓半徑公式為：R=Btanθ/2，B為水霧噴頭的噴口與保護對象之間的距離，取值0.7；θ為水霧噴頭的霧化角（120°），則水霧噴頭保護半徑為1.21m，水霧噴頭間的間距應不大于1.7m。根據(jù)以上計算結(jié)果于氨水儲罐罐壁周圍設置水霧噴頭，為保證水霧在罐壁全覆蓋，采用冷卻水多環(huán)布置，單罐噴頭設置4行（環(huán)），每行12個噴頭，均勻布置，單罐水霧噴頭共48個，單罐水霧噴頭布置見圖2。

圖2 單個氨水儲罐水霧噴頭布置圖

根據(jù)GB 50219-2014《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第

7.1.3 及7.1.4條，氨水罐區(qū)固定冷卻水系統(tǒng)（水噴霧防護冷卻系統(tǒng)）設計用水量按系統(tǒng)啟動后同時噴霧的水霧噴頭流量之和確定。因此需從最不利點水霧噴頭（最不利點噴頭工作壓力按0.2MPa設計）開始，沿程按同時噴霧的每個水霧噴頭實際工作壓力逐個計算其流量，然后累積求和。經(jīng)管道水力計算，同時考慮安全系數(shù)1.05，則2個氨水儲罐的固定冷卻水系統(tǒng)設計流量為49.2L/s，持續(xù)供給時間為4.0h。

氨水罐區(qū)2個氨水儲罐間隔較近，當一個儲罐著火時，其鄰近罐也應得到有效防護，如果設置2套雨淋閥組，而有可能不會同時報警，勢必會影響鄰近罐的安全，基于以上考慮，氨水罐區(qū)設置1套雨淋閥組。

3.3 移動式泡沫滅火系統(tǒng)

根據(jù)GB 50016-2014（2018年版）《建筑設計防火規(guī)范》第8.3.10條，丙類液體儲罐高度小于7m或容量不大于200m3的丙類液體儲罐可采用移動式泡沫滅火系統(tǒng)。移動式泡沫滅火系統(tǒng)由有壓水源、泡沫比例混合器、泡沫槍及泡沫液儲罐組成。移動式泡沫滅火裝置在滅火時其泡沫比例混合器兩端的管牙接口與消防水帶連接，并連接壓力水源，當有不低于0.6MPa壓力的水以很高的速度流過比例混合器的噴嘴時，由于射流質(zhì)點的橫向移動的擴散作用，比例混合器在腔室內(nèi)形成真空（負壓），于是泡沫液儲罐內(nèi)的泡沫液在大氣的壓力作用下通過吸液管進入混合器，與壓力水混合，最終達到一定比例的混合液，經(jīng)泡沫槍噴射泡沫撲滅火災。

根據(jù)GB 50151-2010《泡沫滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第

4.1.2 條，氨水為水溶性丙類液體，應選用移動式液上噴射泡沫滅火系統(tǒng)，同時為避免氨水對普通泡沫的破壞，應選用抗溶性泡沫液，本文泡沫液選低倍數(shù)抗溶氟蛋白泡沫液，其既具有氟蛋白泡沫滅油類火災的功能，又具有抗溶性泡沫滅醇類火災的能力，可以在各種低倍數(shù)泡沫產(chǎn)生設備中與水按3∶97或6∶94的比例混合產(chǎn)生泡沫，本文額定混合比選為3%，泡沫比例混合器選為負壓比例混合器，置于氨水罐區(qū)雨棚內(nèi)。GB 50151-2010《泡沫滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第4.2.2條并沒有規(guī)定水溶性液體氨水的泡沫混合液供給強度和連續(xù)供給時間，本文從安全考慮并以丙酮或甲醇為參比液，將氨水儲罐火災時的泡沫混合液供給強度選為12L/（min·m2），連續(xù)供給時間選為30min。著火面積按2個罐體橫截面計算，故設計流量為452.4L/min，撲滅火災需要的泡沫液設計流量為0.23L/s，消防水設計流量為7.31L/s，泡沫混合液用水由室外消火栓提供。氨水儲罐移動式泡沫滅火系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 氨水儲罐移動式泡沫滅火系統(tǒng)原理圖

3.4 滅火器設置

GB 50229-2019《火力發(fā)電廠與變電站設計防火標準》并未規(guī)定氨水罐區(qū)的火災類別和危險等級，而其第

7.11.1 條規(guī)定液氨區(qū)火災類別為A類，滅火器危險等級為輕級，以液氨區(qū)為參照，氨水儲罐區(qū)火災類別設為A類，滅火器危險等級設為輕級。電氣儀表輔助區(qū)域火災類別為E類，滅火器危險等級為中級。根據(jù)GB 50140-2005《建筑滅火器配置設計規(guī)范》第4.2.1及4.2.5條，分別于氨水罐儲存區(qū)、氨水泵房及電氣儀表輔助區(qū)域設置磷酸銨鹽干粉滅火器MF/ABC4。

3.5 氨水罐區(qū)消防水量

根據(jù)GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》第3.4.2條，丙類可燃液體儲罐的消防給水設計流量應按最大罐組確定，并應按泡沫滅火系統(tǒng)設計流量、固定冷卻水系統(tǒng)設計流量與室外消火栓設計流量之和確定。則氨水罐區(qū)一次火災消防水量為（（15+49.2）×4+7.31×0.5）×3.6=938m3。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)上述分析，氨水罐區(qū)消防系統(tǒng)設計應包含室外消火栓系統(tǒng)、固定冷卻水系統(tǒng)、移動式泡沫滅火系統(tǒng)及滅火器設置，在具體選用設計參數(shù)時，會參照執(zhí)行石油化工類規(guī)范?？紤]氨水罐區(qū)的實際需要，需要明確氨水罐區(qū)消防設計標準，使相關單位設計人員有統(tǒng)一、明確的設計依據(jù)，從而在初步設計階段就能夠充分考慮氨水罐區(qū)的消防需求，合理配置消防水池和消防水泵，建議在修訂《火力發(fā)電廠與變電站設計防火標準》時，補充氨水罐區(qū)消防設計相關條文。