大型液化烃球罐区的消防设计

杨理（安徽实华工程技术股份有限公司上海分公司，上海200136）



大型液化烃球罐区的消防设计

杨理
（安徽实华工程技术股份有限公司上海分公司，上海200136）

摘要：结合工程实例，阐述了液化烃球罐区的稳高压消防水系统以及水喷雾灭火系统的设计要点，详细介绍了罐区消防水量的计算过程、环管及喷头的布置方法。

关键词：液化烃罐区；稳高压；水喷雾；水雾喷头

1　概述

液化烃是指在15℃时，饱和蒸气压大于0.1MPa的烃类液体及其它类似液体，其成分一般包括乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烯、丁烷以及其它碳氢化合物，还有微量的硫化合物，属多组分混合物（不包括液化天然气），其火灾危险性为甲类。石油化工企业普遍采用卧式圆罐和球形罐作为储存液化烃的容器，包括全压力式、半冷冻式以及全冷冻式储罐。

液化烃储罐一旦泄漏，过热液体会发生气化，形成蒸汽云，蒸汽云遇火源发生爆炸后，会回火点燃泄漏源，形成喷射火，使储罐暴露于火焰，若此时不能对储罐进行有效冷却，罐内液体会急速膨胀、沸腾，液面以上的罐壁（干壁）温度将迅速升高，强度下降；同时蒸汽压会出现异常升高，一定时间后，干壁将产生热塑性破口，罐内压力急剧下降，液体处于深过热状态，迅速膨胀气化产生大量蒸汽，从而引发沸液蒸汽爆炸，导致重大人员伤亡和财产损失，其后果是灾难性的。对于液化烃储罐设置水喷雾灭火系统的主要目的就是对储罐进行冷却降温，防止形成沸液蒸汽爆炸，同时对相邻罐进行喷水冷却保护，使储罐不会因受热发生损坏。

本文结合工程实例，依据国家规范及相关企业标准，浅要分析大型液化烃储罐区的消防给水系统和水喷雾系统的设计要点。

2　工程介绍

某球罐区共建有全压力式球罐5台，其中2000m3球罐2台，直径为φ15.7m，1000m3球罐3台，直径为φ12.3m，平面布置见图1。

3　罐区消防水量

图1　球罐平面布置图

根据《石油化工企业设计防火规范》（GB50160- 2008，以下简称《石化规》），并参考《中国石油化工集团公司液化烃球罐区安全技术管理暂行规定》（以下简称《暂行规定》），液化烃罐区应设稳高压水消防给水系统，单罐容积≥1000m3的大型液化烃罐区应采用固定式水喷雾（水喷淋）系统及移动消防冷却水系统。当储罐储存的物料燃烧，在罐壁可能生成碳沉积时，应设水喷雾系统。罐区的消防冷却总用水量应该按储罐固定式消防冷却用水量与移动消防冷却用水量之和计算。《石化规》8.10.4规定，全压力式液化烃储罐着火罐及距着火罐罐壁1.5倍直径范围内的邻近罐冷却水供给强度均不应小于9L/min·m2，同时在其对应的条文说明中解释到，国内通过对液化烃储罐火灾受热喷水保护试验得出结论：喷水强度取10L/min·m2较为稳妥可靠。因此本项目计算喷水强度均按10L/min·m2考虑。

另外，《石化规》8.10.7规定，液化烃罐区的消防延续时间按6h计算，而《暂行规定》3.2.7.2中规定，液化烃球罐区的消防水源应可靠，供水时间不低于8h。本项目按从严原则消防延续时间以8h计。

根据《石化规》8.10.5，移动消防冷却用水量应按罐组内最大一个储罐用水量确定，储罐容积小于400m3时，不应小于30L/s；大于或等于400m3小于1000m3时，不应小于45L/s；大于或等于1000m3时，不应小于80L/s。当罐组只有一个储罐时，计算用水量可减半。

本项目的一次火灾消防冷却用水最大量计算见表1，设定着火罐为G201，则邻近罐为G101、G102。

表1　一次火灾消防水用量表

以上为消防水量的理论最小值，在球罐经计算确定了水喷雾系统环管及喷头具体布置情况后，还应根据每个球罐最终配置的喷头数量和喷头的K特性系数，重新校核罐区的消防冷却水量。

4　水喷雾系统设计

4.1系统组成

水喷雾灭火系统是在自动喷水灭火系统的基础上发展起来的，该灭火系统使用专用的水雾喷头，将水喷射成微小雾滴进行灭火或防护冷却的一种固定式灭火系统。此系统不仅安全可靠，经济实用，而且具有适用范围广，灭火效率高的优点。

水喷雾灭火系统由水源、供水设备、管道、雨淋报警阀（或电动控制阀、气动控制阀）、过滤器和水雾喷头等组成。

本工程考虑到雨淋阀组安装使用的环境要求比较高（需设置在不低于4℃并有排水设施的室内），而球罐区内非净化风接管较为便捷，故选用了气动阀门作为水喷雾灭火系统的控制阀。

4.2系统流程

根据《石化规》8.10.9、8.10.10，当储罐采用固定式消防冷却水系统时，对储罐的阀门、液位计、安全阀等宜设水喷雾或水喷淋喷头保护；储罐容积大于400m3时，供水竖管应采用2条，并对称布置；采用固定水喷雾系统时，罐体管道设置宜分为上半球和下半球2个独立供水系统；储罐容积大于1000m3时，应采用遥控控制阀，控制阀前应设置带旁通阀的过滤器。

本项目的水喷雾系统流程图见图2。

4.3喷头选型与布置

水喷雾喷头的型号很多，可参考国标图集04S206《自动喷水与水喷雾灭火设施安装》选型，也可以根据厂家提供的样本进行选型；对于大型项目，还可以根据设计要求确定流量系数和喷雾角后再进行喷头加工。

《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219- 2014，以下简称《水雾规》）中规定，当保护对象为甲、乙、丙类液体和可燃气体储罐时，水雾喷头与保护储罐外壁之间的距离不应大于0.7m。当保护对象为球罐时，水雾喷头的喷口应朝向球心，水雾锥沿纬方向应相交，沿经线方向应相接（不小于1000m3时，纬线方向应相交，经线方向宜相接，但赤道以上环管间距不应大于3.6m），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。

以本项目中的2000m3球罐为例，选用ZSTWB/SL - S232- 40- 120型喷头，流量系数K=18.9，喷射角θ为120℃，喷头距罐壁距离B为0.65m，如图3所示。

水雾锥底圆半径R=0.65tan=1.13m（公式见《水雾规》式3.2.4），所保护的弧长对应的角度α为19.35°，则沿经线方向所需设环管数为180/19.35=9.3，即需设10圈环管。

因球罐顶部设有操作平台，底部设有操作阀门，若安装环管则不方便阀门的操作，故将最上两圈和最下两圈环管分别合并，即实际环管为8圈。合并后再从顶部和底部环管上安装支管及喷头，用于保护球罐的两极、阀门和支柱。

图2　水喷雾系统流程图

图3　喷头布置计算

根据规范要求，水雾锥沿纬线方向应相接，按菱形布置时其间距不应大于1.7倍的R，即同一圈环管上的喷头间距不大于1.9m。经计算，各圈环管喷头数如图4所示。

5　水量核算

为保证供水均衡，在每圈环管的入口均安装减压孔板，将每只喷头的工作压力控制在0.4MPa左右，以满足灭火需求。按公式，算得每个喷头的流量为0.63L/s，上下半球共设有212只喷头，即水喷雾设施的总流量为133.56L/s，满足最低129.06L/s的水量要求。

6　其它设计注意事项

（1）在罐区稳高压系统设计中，关于稳压泵的设计流量，《石化规》的正式条文中并未有规定，仅在8.5.1的条文解释中提到“稳压泵的设计水量要考虑消防水管网系统泄漏量和一支水枪出水量（5L/s）”。而在《暂行规定》中的3.2.7.2条规定“稳压泵的流量不宜小于启动1只消火栓时的流量”。本项目依然按从严原则，即按不低于1只消火栓的流量进行设计。

图4　环管及喷头布置图

（2）水喷雾系统响应时间应不大于120s。

（3）所选用的控制阀门应具有远程控制、现场控制以及应急机械启动功能，开启时间不宜大于45s，应能就地及远程显示阀门开、闭状态信号，应能在阀门故障时报警。阀组的安装位置应距被保护的罐壁不小于15m。

（4）气动阀宜设置储备气罐，气罐的容积可按与气罐连接的所有气动阀启闭3次所需气量计算。

（5）按防火堤内面积每400m2配置一个手提式干粉灭火器，但每个储罐配置灭火器的数量不宜超过3个，且宜布置在防火堤外踏步边。

7　结束语

稳高压消防水系统服务于整个罐区，设计的关键参数为系统的流量、压力以及消防水池的储量，其中流量及消防水储量还需在喷头的特性及数量确定后，再重新核算。

水喷雾灭火系统服务单个球罐，设计关键为喷水强度达标以及面积的全覆盖，合理的选择、布置环管和喷头，在使水喷雾灭火系统达到设计强度的同时，还可最大程度地节约投资成本。

对于大型液化烃罐区，稳高压消防水系统及水喷雾灭火系统的设置是对储罐安全运行的重要保障，结合可燃气体报警仪、火灾探测器等仪表设施，可以有效地降低事故发生概率，减少事故时的人员和财产损失。

参考文献

［1］GB50160- 2008，石油化工企业设计防火规范［S］.

［2］GB50219- 2014，水喷雾灭火系统技术规范［S］.

［3］Q/SH0700- 2009（E），中国石化炼化工程建设标准给水排水与消防［S］.

［4］中国石油化工集团公司液化烃球罐区安全技术管理暂行规定.

［5］张力.水喷雾灭火系统在液化石油气球罐消防设计中的应用与研究［J］.给水排水，2012，38（9）：88-91.□

Firefighting Design for Liquefied Hydrocarbon Tank Farm

YANG Li
（Shanghai Branch，Anhui Shihua Engineering&Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200136，China）

Abstract：Combined with engineering example，the design point of stabilized high pressure fire water system and water spray fire protection system for liquefied hydrocarbon tank farm were described，as well as the calculation of the firewater demand for the tank farm，and ringpipes and spraynozzles arrangement method.

Key words：liquefied hydrocarbon tank farm；stabilized high pressure；water spray；spraynozzle

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.027

中图分类号：TQ053.2

文献标识码：B

文章编号：1008- 553X（2016）03- 0075- 04

收稿日期：2016- 03- 10

作者简介：杨理（1982-），女，毕业于安徽工业大学，工程师，从事给排水工程设计工作，021- 61941055，13482555296，yangli@gcsj.com。