液化烃球罐区消防冷却水系统设计

田婵婵（天津市化工设计院，天津300193）

液化烃球罐区消防冷却水系统设计

田婵婵
（天津市化工设计院，天津300193）

液化烃球罐区应设置消防冷却水系统，本文以山东省某工程液化烃球罐区为例，分析液化烃球罐火灾的危险性及水喷雾冷却灭火的机理，重点对固定式水喷雾冷却系统的设计和计算进行探讨。

液化烃；球罐；消防冷却；水喷雾冷却系统

本文以山东省某工程液化烃球罐区为例，分析液化烃球罐火灾的危险性及水喷雾冷却灭火的机理，重点对固定式水喷雾冷却系统的设计和计算进行探讨。

1水喷雾冷却系统灭火机理

水喷雾冷却系统是利用水雾喷头在一定压力作用下把水流分解成直径1mm以下的细小水雾滴喷射到燃烧的物体表面，通过表面冷却、窒息、乳化、稀释实现灭火的一种固定式灭火系统。细小的雾状水滴，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[1]。液化烃的分子量较高，燃烧时会在球罐外壁表面形成抗湿的碳沉积，水流不易形成水膜，导致水流对罐壁的冷却效果不佳甚至失效。水喷雾冷却系统喷出的雾状水滴具有很强的冲击力将沉积碳冲刷掉，并在罐壁外表面形成水膜，从而提高了冷却效果，避免罐壁发生热塑裂口。因此，对于液化烃球罐的冷却保护方面水喷雾冷却系统优于水喷淋系统。

2液化烃球罐区消防冷却系统的设计计算

2.1系统设置及设计参数的选择

2.1.1设计依据：《石油化工企业设计防火规范》(GB50160—2008)简称《石化规》；《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219-2014）简称《水喷雾》。

2.1.2系统的设置：本工程罐区设2000m3球罐，4座；球罐直径φ=15.7m，球罐壁厚δ=30mm。根据《石化规》要求“当单罐容积等于或大于1000m3时，应采用固定式水喷雾系统及移动消防冷却系统”。本工程2000m3球罐设置水喷雾冷却系统，并在防火堤外均匀布置消防水炮及消火栓移动冷却设施，该工程系统流程图如图1所示。

图1 球罐区水喷雾冷却水系统流程图

2.1.3设计参数的选择：（1）喷水强度：水喷雾系统喷水强度《水喷雾》规范要求：“着火罐冷却水供给强度不应小于9.0L/min·m2”，根据国内对液化烃储罐受热喷水保护试验，为了确保消防冷却的稳妥可靠性，本工程喷水强度取10.0L/min·m2。移动式消防水量《石化规》要求“储罐容积大于或等于1000m3时，不应小于80L/S。”（2）冷却范围及保护面积：“着火罐及距离着火罐1.5倍着火罐直径范围内的相邻罐应同时冷却，相邻罐超过3座时，按3座较大的邻近罐计算”。着火罐保护面积应按其罐体外表面面积计算，相邻罐保护面积应按其罐体外表面面积的1/2计算。球罐外表面面积：S=πφ2，φ为球罐体外径，设计人员在计算球罐表面积时往往忽略了球罐的壁厚，计算结果偏小。

2.2供水管道的布置

水喷雾系统在沿纬线方向布置环管，沿经线方向布置供水干管与各环管相连接，干管在球罐底部与对应的雨淋报警阀组连接。管道设计的原则是供水压力均衡，为了保证同一环管上各喷头工作压力及各环管之间压力的均衡，本文在供水管道布置时采取如下措施：

（1）对于容积大于1000m3的球罐，顶层环管与底层环管之间的垂直压差较大。上半球、下半球采用两个独立的供水系统，不但能达到均衡水压的作用，还能满足作为相邻罐只冷却罐壁表面积1/2的要求，同时当夏季需要防晒喷淋时可只对上半球进行喷淋，减少用水量。

（2）上、下半球各采用2条对称布置的供水竖管，以保证同一环管上各喷头实际工作压力基本相同，罐表面积的冷却强度相同。尤其对于容积为2000m3的球罐，环管较长，阻力较大，两条对称布置的供水立管，可降低环管阻力，有利于保证水压均衡。

（3）为了保证各层环管之间的压力均衡，大多资料提出在低层环管上设置减压孔板，调节各环管水压差。本文不建议使用减压孔板，因为减压孔板易被堵塞，一旦堵塞将给消防冷却带来隐患。本文采用减小管径，增大管道损失的方式调整各环管水压，使各环管水压基本一致，保证各环上喷头的工作压力基本相同。减小低层环管管径不但能调整各环管的压差，平衡水压，同时能节约投资成本。

（4）雨淋报警阀前设置过滤网孔径为4.0目/ cm2～4.7目/cm2的过滤器，可防止杂物破坏雨林报警阀的严密性，保证水流畅通。由于雨淋阀与球罐往往有一定距离，而水雾喷头口径小，易堵塞，因此在球罐底部供水横管上增设Y型过滤器，该过滤器有两个作用：一方面过滤杂质、防止堵塞，另一方面起到放空阀的作用，系统喷水后，打开Y型过滤器后盖，将系统积水放空，防止管道内因积水结冰而造成管道的损伤。另外为了防止管道内壁生锈，堵塞喷头，选择不易生锈的管材，本工程过滤器与雨林报警阀之间及雨淋阀后的管道采用内外热浸镀锌钢管。

2.3喷头选择与布置

2.3.1喷头的选择：中速水雾喷头是一种撞击雾化喷头，压力水进入喷头后，经收缩流速加快，撞击至特定的溅水盘分解形成雾化。中速水雾喷头对火灾区外表面持续喷雾，一方面防止表面迅速升温、火灾蔓延，另一方面能加速水蒸气散发、稀释液化烃蒸气云，降低爆炸危险。该喷头主要用于保护闪点在66℃以下的易燃液体、气体和固体危险区域[2]。液化烃属于甲A类易燃液体，闪点小于28℃，因此，本工程选用中速水雾喷头，型号为ZSTWC16-125，工作压力为0.14～0.50MPa，流量系数K=16。单个球罐固定式水喷雾系统理论设计水量及布置喷头总数详见表1。

由表1表可知：着火罐固定式水喷雾冷却系统的理论水量Q理论=130L/S。

表1 水喷雾冷却系统理论设计水量及布置喷头总数

2.3.2喷头的布置：对于喷头的布置，多数资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实现，但在球面上很难实现。本文认为喷头的布置应以使水雾直接喷向并覆盖保护对象为原则，保证水雾喷头的水雾锥沿纬线方向应相交，沿经线方向宜相接。喷头在有效射程内，喷雾粒径小且均匀，灭火和防护冷却的效率高，超出有效射程后喷雾性能明显下降且可能出现飘逸现象，限制喷头与保护对象之间的距离十分重要，因此水雾喷头与保护对象之间距离不得大于水雾喷头的有效射，且应满足规范要求“水喷雾喷头与储罐外壁之间的距离不应大于0.7m”。根据厂家提供的中速喷头的有效射程，本工程喷头与球罐外表面距离B=0.60m，水雾锥底圆半径：R=Btan（θ/2）=1.15m。设计时应根据水雾喷头的供水压力均匀布置喷头间距，沿纬线方向布置间距宜为1.4R～1.7R（R为水雾锥底圆半径，即为1.61m～1.95m。遵照“沿经线方向宜相接”的布置原则，根据喷头保护球罐表面弧长计算环管层数N= [(πφ/2)/2R]+1=11。水喷雾冷却系统喷头布置如图2所示。

喷头的布置除罐体外，对球罐两极处的液位计、阀门、安全阀等容易发生泄漏的部位增设喷头以实现完全覆盖。本例球罐钢支柱有防护层保护因此不必设喷头，设计时务必考虑钢支柱是否有防护层，若无防护层或防护层耐火极限不满足规范要求时应增设水雾喷头保护。

图2 水喷雾冷却系统喷头布置图

2.4球罐区冷却系统的水量计算

2.4.1固定式水喷雾系统水力计算

本例上、下半球各采用两条对称布置的供水竖管，水力计算时可取环管一半作为支管，从最不利点喷头逐点进行水力计算。规范要求“用于防护冷却时工作压力不应小于0.20MPa”，为了确保冷却效果安全可靠本例将最不利点喷头工作压力定为0.35MPa。随着喷头、管段的增加，各喷头的实际工作压力及实际出水量增大。本工程经水力计算，着火罐固定式水喷雾系统实际计算流量Qj=145L/S，系统设计流量QS=kQj=1.05×145=153L/S，平均喷水强度W=11.15 L/min·m2，大于理论强度10 L/min·m2，满足《水喷雾》规范要求。设计人员在计算时，切不可为了简化计算过程将喷头工作压力设定为某一固定值，环管管径设计水量均按此固定值计算，这样将使计算结果（包括冷却水水量及管网供水压力）偏小，最终导致消防水泵选型不准、消防水池容积偏小。冷却水系统在实际运行时的喷水强度、连续喷水时间将达不到规范要求。

2.4.2球罐区冷却系统的水量计算

球罐区一次消防用水量应为着火罐水喷雾冷却系统水量（Qs）、相邻罐水喷雾冷却系统水量（Qx）、移动冷却水量（Qy）与注水水量（Qz）之和，即Q= Qs+ Qx+Qy+Qz。本工程相邻罐共3个，Qx=246 L/s，在罐区防火堤外均匀布置型号为SP30的消防水炮和型号为SS150-1.6的消火栓，确保每个球罐至少在2个消防水炮及2个消火栓保护范围内，故移动水量Qy= 80L/S。注水系统用于事故时球罐泄漏置换用水，根据工艺专业提供，注水管道压力为1.33MPa，流量为25L/s。故总用水流量Q=504 L/s，火灾延续时间6 h，则罐区一次消防用水总量为10887 m3。

3水喷雾冷却水系统控制与操作

雨淋报警阀组是实现球罐自动喷雾的关键部件，在球罐区附近的雨淋阀室内设有8套雨淋报警阀组，分别控制各球罐上、下半球的系统供水。气控雨淋报警阀组具有开启迅速，系统响应时间短等优点，本工程采用气控雨淋报警阀，在球罐上布置带闭式喷头的传动管。传动管中充有压缩空气，当罐区内发生火灾时，随着罐体温度升高，干式传动管上所设的闭式喷头动作，传动管内压力下降，由压力开关将压力信号转换为电信号，报至水喷雾灭火系统控制器，由控制器发出指令自动开启相应的雨淋阀组（包括控制着火罐及其相邻罐的雨淋阀组），压力水经雨淋阀进入管道，并从水雾喷头喷出，进行冷却。灭火结束后，应将系统管线内的水放空。

4 结语

4.1上、下半球采用两个独立的供水系统，不但能达到均衡水压的作用，还能满足作为相邻罐只冷却罐壁表面积1/2的要求，同时可以解决夏季防晒只对上半罐体进行喷淋降温的要求，减少用水量。

4.2雨淋报警阀组的位置很关键，要尽量靠近被保护对象，缩短管道充水时间，利于系统快速启动，以满足《水喷雾》规范响应时间不应大于120S的要求。同时要保证火灾时人员的安全性，距被保护球罐罐壁不宜小于15m。

4.3水喷雾冷却系统的水力计算过程较为复杂繁琐，建议采用专业的消防设计软件，使水力计算工作方便快捷，计算结果更加准确。

［1］张晨霞,韩红琪,李学志.液化烃球罐固定式水喷雾系统计算方法的探讨〔J〕.工业用水与废水,2010(2)41.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.017

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1008-1267（2016）02-0051-03

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