浅析液化烃球罐固定式消防冷却水系统的设计与计算

王丙贤

【摘 要】通过介绍液化烃的性质及液化烃火灾的特点对液化烃储罐发生火灾危险性及水喷雾冷却灭火的机理进行分析，列举了液化烃球罐水喷雾系统的设计计算实例，提出了设计中应注意的问题。

【关键词】液化烃，球罐，水喷雾灭火系统

1概述

球罐是石油化工企業常用的储存液态烃的容器。液化烃的主要成分是：乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烃类组成，在气态时比空气重，（是空气的1.5～2.0倍）。液化烃储罐发生火灾的根源是液化烃泄漏。液化烃一旦泄漏，迅速汽化且难以控制。汽化时，从周围环境吸收大量的热量，使空气中的水份冷却成为细小雾滴，形成液化烃的蒸气云。液化烃的蒸气云从泄漏点沿地面向下风向或低洼处漂移、积聚。液化轻烃爆炸极限低（2%～10%体积比），

如大量泄漏遇明火可造成大面积的火灾或可燃蒸气云爆炸事故。液化轻烃的燃烧热值高，爆炸迅速、威力大，破坏性强，其火焰温度达200℃以上，极易引起邻罐的爆炸。

液化轻烃生产出来，为了便于储存和运输，通常进行加压和冷却使其汽化，储存在密闭的压力储罐内，由于球罐耐压大且受力均匀，储存量大，因而石化企业普遍采用球罐做为储存液化气的压力容器。

液化烃球罐发生火灾时，若球罐内尚有剩余可燃气体时就将火扑灭，剩余的可燃气体泄漏出来与空气混合到一定的浓度，遇明火就会发生爆炸，产生更大的危害。因此，控制液化气球罐火灾的根本措施是切断气源和紧急排空。在完成放空之前应维持其稳定燃烧，同时对着火罐及相邻罐进行喷水冷却保护，使球罐不会因受热发生破坏。因为液化烃会吸收热量而大量蒸发，导致罐内温度、压力升高。罐壁的热量不能及时的传出，温度迅速升高，强度急剧下降。如果不及时供给冷却水，一般在火灾持续10min左右将出现热塑裂口使储罐破裂。因此对储罐壁进行及时有效的冷却，是防止球罐发生破裂而引起灾难性火灾事故的重要措施。

2水喷雾灭火系统工作原理

水喷雾灭火系统通过高压使喷头产生细小的水雾滴直接喷射到正在燃烧的物质表面产生表面冷却、窒息、乳化、稀释等作用来灭火或防护冷却的一种固定式灭火系统。从水雾喷头喷出的雾状水滴，粒径细小，表面积很大，遇火后迅速汽化，带走大量的热量，使燃烧表面迅速降温，燃烧体达到冷却的目的。水雾还会在罐壁表面形成一层水膜，使罐壁温度不再升高，避免了罐壁发生热塑裂口，从而保护了储罐。

3液化烃球罐水喷雾冷却系统的设计

本文根据加纳液化石油天然气工程项目2000m3液化气球罐为例。

3.1供水管道设计

系统管道设计的原则是压力平衡即同一环管上各喷头工作压力的平衡，各环

管间压力的平衡。只有压力平衡，供水量才能平衡，布水才均匀。为此在管道设计时，采取以下措施：

1）上、下半罐体上的供水环管对称布置。

2）环管应由两条对称布置的立管供水，以确保同一环管上喷头的实际工作

压力基本相同。对于容积为2000m3的储罐，环管较长，阻力较大。由两条对称布置的的立管供水，可降低环管阻力。

3）环管与供水立管连接处设减压孔板，调节各环路水压，使各环路水压基本一致。

4）对于容积为2000m3的储罐，罐体直径较大，顶环与底环之间的高差达

十多米，垂直压差较大。为平衡水压，上、下半罐体应分别由两条对称布置的立管供水，上、下半罐体的供水管各自独立控制。这一措施还满足了夏季防晒喷淋只做上半罐体喷淋的要求。

5）水雾喷头内径只有几毫米，容易堵塞，在球罐底部的供水管上设Y型过滤器。

3.2球罐水喷雾冷却系统的计算

3.2.1确定球罐固定冷却水喷雾系统的用水量Q

Q=4R2q=·D2·q

根据API-2030标准中第7.3.5项和NFPA15标准中第7.4.2项的要求，球罐消防喷淋设计强度为10.2L/min﹒m2，考虑相邻。

3.2.2水雾喷头的布置

水雾喷头的布置方式可为矩形或菱形，当按矩形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.4倍水雾喷头的水雾锥底圆半径；当菱形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.7倍水雾喷头的水雾锥底圆半径。

本工程实例中保护对象为球罐，水雾喷头的喷口应面向球心；水雾锥沿纬线方向相交，沿经线方向相接；水雾喷头与储罐外壁之间的距离不大于0.70m。

无防护层的球罐钢支柱和罐体液位计、阀门等处应设水雾喷头保护。

3.2.3水雾锥底圆半径（m）

R=B·tgθ/2

B—水雾喷头的喷口与罐壁之间的距离，

根据API-2030标准中第7.3.5项和NFPA15标准中第7.4.2项的要求，水雾喷头与储罐外壁之间的距离不应大于0.7m，在实际工程中一般取值0.6～0.7m。罐容积越大，B值越大，本工程选用0.65m。

θ--水雾喷头的雾化角（本工程实例中选用雾化角为120°的雾化喷头）

R=0.65xtg（120/2）=0.65x1.732=1.126（m）

3.2.4喷头的布置

1）经线方向喷头布置：（水雾锥宜相接）

每圈环管上均匀分布的喷头均指向球心，则冷却保护的罐壁为对应球心角为α的环状罐壁。

在三角形abo中根据三角形正弦定理可以得出方程：=

β=1800-θ/2–α/2

计算得出：α=19.40

根据喷嘴喷出的水雾锥覆盖罐体表面弧长所对应的角α得出纬线方向喷淋环管数M=1800/α=9.3≈10

当设置10条纬向喷淋环管时，α实际=18°，球罐半径r=15.7/2=7.85m，则喷头的雾化角θ应为：

sin（α实际/2）=R/r

R=sin（α/2）x7.85=1.228m

tg（θ/2）=R/{B+[r–r.cos（α/2）]}=1.65

θ/2=58.8°

θ=117.6°

因此選取雾化角为120°的喷头，设置10圈水平环管，可以满足要求。

2）纬线方向喷头布置：（水雾锥应相交）

纬向水雾喷头按矩形布置，喷头之间的间距按1.4倍的水雾锥底圆半径，即水雾喷头之间的距离（近似弧长）D=1.126x1.4=1.576（m）。

3.2.5冷却水喷雾设计水量校核

Q设计单罐水喷雾冷却水量为：Q1=131.58L/s

水雾喷头型号为：ZSTWA-30-120，流量为30L/min，雾化角为120°

Q实际=Nq=236x30L/min=7080L/min=118L/s

3.2.6确定是否增加喷头对储罐的阀门、液位计、安全阀等设施进行保护，并且重新核算冷却水量。

3.2.7计算各环管的管径，确定供水树管根数及管径

喷头要求工作压力不小于0.35MPa，供水流速不大于3m/s，通过查询水利计算表得出相应的管径。

4总结

针对液化烃球罐火灾的特点，水喷雾系统可以有效的控制液化烃球罐的初期火灾，避免恶性爆炸事故的发生。

通过2000m3球罐的设计实例，在进行水喷雾灭火系统设计时应注意以下几点：

（1）合理选择喷头型号，喷头的布置、喷头的数量需要进行校核，应选择喷头流量总和与规范规定的设计流量接近的喷头，不可随意选用，以免计算出来的系统消防水量不足或水量消耗过多。

（2）球罐喷头的布置与喷头的雾化角、有效射程有关，设计时应注意选择合适的雾化角和有效射程，以保证喷头的喷射水雾锥能覆盖整个球体。

（3）喷头的流量与系统的压力有关，不同的系统压力，喷头的流量不同，选择喷头时应注意系统的压力范围。

参考文献：

[1]NFPA15《StandardforWaterSprayFixedSystemsforFireProtection》

[2]《水喷雾灭火系统设计规范》GB50219-95

[3]《石油工业防火用水喷淋系统应用指南》SY/T6557-2003