地上立式储罐消防冷却水系统喷头的选型布置

2016-06-21 01:50钱婵娟安徽实华工程技术股份有限公司上海分公司上海200136
安徽化工 2016年3期

钱婵娟(安徽实华工程技术股份有限公司上海分公司,上海200136)



地上立式储罐消防冷却水系统喷头的选型布置

钱婵娟
(安徽实华工程技术股份有限公司上海分公司,上海200136)

摘要:目前石油化工企业大量的地上立式储罐设有固定式消防冷却水系统,一般采用水幕喷头。介绍了水幕喷头的喷射角、喷头间距及喷头与罐壁距离对喷头喷射效果的影响,从而选择适当的喷头工作参数,达到合理布置喷头的目的。

关键词:消防冷却水系统;水幕喷头;喷射角;流量系数

可燃液体储罐火灾危险性较大,着火时火焰高、辐射热大。储罐发生火灾时,着火储罐的罐壁直接受到火焰威胁。根据有关资料介绍,对于地上的钢储罐火灾,一般情况下5min内可以使罐壁温度达到500℃,使钢板强度降低一半,8~10min以后钢板会失去支持能力。根据《石油库设计规范》(GB50074- 2014)要求“容量大于或等于3000m3或罐壁高度大于或等于15m的地上立式储罐,应设固定式消防冷却水系统”。本文结合某石油库工程实例,对一现有立式罐增设固定式消防冷却水系统的喷头选型布置介绍如下。

1 储罐规格及火灾危险类别

储罐为内浮顶罐,浮盘为铝浮盘(易熔材料)。储存介质为石脑油,火灾危险性为甲B类。储罐容积为10000m3,直径D为30m,罐壁高H为15.85m,设有一圈加强圈,加强圈无导流设施,加强圈距罐壁顶4m。

2 消防冷却水流量估算

根据《石油库设计规范》(GB50074- 2014)12.2.8条规定,固定式消防冷却系统着火罐供水范围为罐壁外表面积,供水强度q不小于2.5L/min·m2;12.2.10条规定,储罐抗风圈或加强圈不具备冷却水导流功能时,其下面应设冷却喷水环管。根据《石油库设计规范》要求,本储罐需设两圈消防水环管,顶层环管消防冷却水流量Q1=3.14×D×H1×q1=3.14×30×4×2.5=942L/min;加强圈下环管消防冷却水流量Q2=3.14×D×H2×q2=3.14× 30×11.85×2.5=2791L/min。

根据《水喷雾灭火系统技术规范》(GB50219- 2014)3.2.12规定,固定顶储罐和按固定顶储罐对待的内浮顶储罐的冷却水环管宜沿罐壁顶部单环布置,当储罐抗风圈或加强圈无导流设施时,其下面应设置冷却水环管。当采用多环布置时,着火罐顶层环管保护范围内的冷却水供给强度应按本规范表3.1.2规定的2倍计算(即不小于5.0L/min·m2)。参照《水喷雾灭火系统技术规范》规定,本储罐需设两圈消防水环管,顶层环管消防冷却水流量Q1=3.14×D×H1×q1=3.14×30×4×5=1884L/min;加强圈下环管消防冷却水流量Q2=3.14×D×H2×q2= 3.14×30×11.85×2.5=2791L/min。

根据《石油化工企业给水排水系统设计规范》(SH3015- 2003)规定,拱顶罐夏季喷淋冷却用水量指标为0.4~0.6m3/(m·h)。根据上述计算结果,按《石油库设计规范》(GB50074- 2014)要求,顶层环管消防冷却水用量为0.6m3/(m·h),加强圈下环管消防冷却水用量为1.78m3/(m·h),顶层环管消防冷却水用量仅相当于夏季喷淋冷却用水量。按《水喷雾灭火系统技术规范》(GB50219- 2014)规定,顶层环管消防冷却水用量为1.2m3/(m·h),加强圈下环管消防冷却水用量为1.78m3/ (m·h)。

对于固定顶储罐,发生火灾时一般为全液面火灾,液面以上的干壁升温很快,若得不到及时有效的冷却,容易失效,造成更大火灾。

综上考虑,本储罐消防冷却水流量参照《水喷雾灭火系统技术规范》(GB50219- 2014)规定计算,即顶层环管消防冷却水流量Q1=1884L/min;加强圈下环管消防冷却水流量Q2=2791L/min。

3 喷头的布置及选型

根据《石油库设计规范》(GB50074- 2014)12.2.10条规定,冷却水喷淋环管上应设置水幕式喷头,喷头布置间距不宜大于2m,喷头的出水压力不应小于0.1MPa。《水喷雾灭火系统技术规范》(GB50219- 2014)3.1.3条规定水雾喷头的工作压力,当用于灭火时不应小于0.35MPa,当用于防护冷却时不应小于0.2MPa,但对于甲B、乙、丙类液体储罐不应小于0.15MPa;3.2.6条规定,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。

对于地上立式储罐消防冷却水系统喷头设计,除上述要求外,规范并未具体介绍如何选型布置。下面以本储罐为例,分析地上立式储罐消防冷却水系统喷头选型布置问题。

先分析喷射角、喷头间距及喷头与罐壁距离对喷头喷射效果的影响,合理布置喷头,再确定喷头的流量系数及工作压力。

3.1喷头喷射角对喷头喷射效果的影响

设定喷头间距及喷头与罐壁的距离,本储罐喷头与罐壁之间的距离为0.6m。喷头间距按2m布置。喷头采用水幕喷头,当喷射角分别为90°、120°、150°时其喷射效果分别如图1、图2、图3所示。

图1 

图2 

图3 

由图1可知,当水幕喷头喷射角为90°时,部分罐壁不能被喷淋水所覆盖,即不能在罐壁形成连续的水膜,此时不能满足消防冷却要求。

由图2可知,当水幕喷头喷射角为120°时,罐壁完全被喷淋水所覆盖,其中113.5°喷射角以内的水均匀覆盖于罐壁,两侧各有3.25°喷射角的水与相邻喷头喷射出的水相交后垂直喷射于罐壁,即喷头喷出的水约有95%(113.5/120)均匀分布于罐壁,其余集中喷射于相邻喷头中心线与罐壁相交处,即冷却水有效利用率为95%。

由图3可知,当水幕喷头喷射角为150°时,罐壁完全被喷淋水所覆盖,其中113.5°喷射角以内的水均匀覆盖于罐壁,两侧各有18.25°喷射角的水与相邻喷头喷射出的水相交后垂直喷射于罐壁,即约有76%(113.5/150)的水均匀分布于罐壁,其余集中喷射于相邻喷头中心线与罐壁相交处,此时冷却水有效利用率为76%,利用率较低。增大喷头间距,可减少喷淋水相交部分,理论上可以提高冷却水有效利用率。但考虑到喷头的有效射程以及火焰的热气流与风对喷水的影响,一般喷头布置间距不宜大于2m。

综上,当喷头间距及喷头与罐壁的距离确定时,喷头喷射角越小,罐壁被单个喷头喷淋水所覆盖的范围越小;当喷淋水完全覆盖罐壁时,其喷头有效喷射角为一定值;当喷淋水完全覆盖罐壁时,喷射角越大,冷却水有效利用率越低。

3.2喷头间距对喷头喷射效果的影响

设定喷头喷射角及喷头与罐壁的距离,本储罐喷头与罐壁之间的距离为0.6m,喷头喷射角为120°。喷头采用水幕喷头,当喷头间距分别为2.4、2、1.6m时其喷射效果如图4、图5、图6所示。

图4 

图5 

图6 

由图4可知,当水幕喷头间距为2.4m时,部分罐壁不能被喷淋水所覆盖,即不能在罐壁形成连续的水膜,此时不能满足消防冷却要求。

由图5可知,当水幕喷头间距为2m时,罐壁完全被喷淋水所覆盖,其中113.5°喷射角以内的水均匀覆盖于罐壁,两侧各有3.25°喷射角的水与相邻喷头喷射出的水相交后垂直喷射于罐壁,即喷头喷出的水约有95% (113.5/120)均匀分布于罐壁,其余集中喷射于相邻喷头中心线与罐壁相交处,即冷却水有效利用率为95%。

由图6可知,当水幕喷头间距为1.6m时,罐壁完全被喷淋水所覆盖,其中102.3°喷射角以内的水均匀覆盖于罐壁,两侧各有8.85°喷射角的水与相邻喷头喷射出的水相交后垂直喷射于罐壁,即约有85%(102.3/120)的水均匀分布于罐壁,其余集中喷射于相邻喷头中心线与罐壁相交处,此时冷却水有效利用率为85%。

综上,当喷头喷射角及喷头与罐壁的距离确定时,罐壁被单个喷头喷淋水所覆盖的范围为一定值;当喷淋水完全覆盖罐壁时,喷头间距越小,冷却水有效利用率越低。

3.3喷头与罐壁的距离对喷头喷射效果的影响

设定喷头喷射角及喷头间距,本储罐喷头间距为2m,喷头喷射角为120°。喷头采用水幕喷头,当喷头与罐壁的距离分别为0.5、0.6、0.7m时其喷射效果如图7、图8、图9所示。

图7 

图8 

图9 

由图7可知,当水幕喷头与罐壁的距离为0.5m时,部分罐壁不能被喷淋水所覆盖,即不能在罐壁形成连续的水膜,此时不能满足消防冷却要求。

由图8可知,当水幕喷头与罐壁的距离为0.6m时,罐壁完全被喷淋水所覆盖,其中113.5°喷射角以内的水均匀覆盖于罐壁,两侧各有3.25°喷射角的水与相邻喷头喷射出的水相交后垂直喷射于罐壁,即喷头喷出的水约有95%(113.5/120)均匀分布于罐壁,其余集中喷射于相邻喷头中心线与罐壁相交处,即冷却水有效利用率为95%。

由图9可知,当水幕喷头与罐壁的距离为0.7m时,罐壁完全被喷淋水所覆盖,其中105.2°喷射角以内的水均匀覆盖于罐壁,两侧各有7.4°喷射角的水与相邻喷头喷射出的水相交后垂直喷射于罐壁,即约有88%(105.2 /120)的水均匀分布于罐壁,其余集中喷射于相邻喷头中心线与罐壁相交处,此时冷却水有效利用率为88%。

综上,当喷头喷射角及喷头间距确定时,喷头与罐壁的距离越小,罐壁被单个喷头喷淋水所覆盖的范围越小;当喷淋水完全覆盖罐壁时,喷头与罐壁的距离越大,冷却水有效利用率越低。

3.4喷头的布置选型

考虑到项目初投资及今后的管理维护,应尽量减少喷头数量。本储罐消防冷却系统喷头与罐壁的距离取0.6m,喷头喷射角取120°,喷头间距初步取2m,喷头个数为31.2*3.14/2=48.98,取50个。实际喷头间距约为1.96m,有效喷射角度为112.5°,即冷却水有效利用率为94%(112.5/120)。

顶层环管喷头流量:

加强圈下环管喷头流量:

喷头工作压力P取0.2MPa,根据公式q=K(10P)0.5,顶层环管喷头流量系数K1=28.35,加强圈下环管喷头流量系数K2=41.99。根据厂家提供的样本,按流量系数接近且不小于上述计算结果选用喷头。

4 结论

(1)喷头喷射角越小,罐壁被单个喷头喷淋水所覆盖的范围越小;当喷淋水完全覆盖罐壁时,喷射角越大,冷却水有效利用率越低。

(2)喷头间距对罐壁被单个喷头喷淋水所覆盖的范围没有影响;当喷淋水完全覆盖罐壁时,喷头间距越小,冷却水有效利用率越低。

(3)喷头与罐壁的距离越小,罐壁被单个喷头喷淋水所覆盖的范围越小;当喷淋水完全覆盖罐壁时,喷头与罐壁的距离越大,冷却水有效利用率越低。

(4)计算单个喷头流量时,应根据喷头的喷射角及布置位置确定冷却水的有效利用率,以确保罐壁的冷却水供给强度。

参考文献

[1]GB50160- 2008,石油化工企业设计防火规范[S].

[2]GB50074- 2014,石油库设计规范[S].

[3]GB50219- 2014,水喷雾灭火系统技术规范[S].□

doi:10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.029

中图分类号:TQ053.2

文献标识码:A

文章编号:1008- 553X(2016)03- 0082- 03

收稿日期:2016- 03- 18

作者简介:钱婵娟(1988-),女,毕业于合肥工业大学,助理工程师,从事给排水设计、消防设计工作,021- 61941034,15021787810,qiancj@gcsj.com。