液化烴球罐區消防冷卻水系統設計

田嬋嬋（天津市化工設計院，天津300193）

液化烴球罐區消防冷卻水系統設計

田嬋嬋
（天津市化工設計院，天津300193）

液化烴球罐區應設置消防冷卻水系統，本文以山東省某工程液化烴球罐區為例，分析液化烴球罐火災的危險性及水噴霧冷卻滅火的機理，重點對固定式水噴霧冷卻系統的設計和計算進行探討。

液化烴；球罐；消防冷卻；水噴霧冷卻系統

本文以山東省某工程液化烴球罐區為例，分析液化烴球罐火災的危險性及水噴霧冷卻滅火的機理，重點對固定式水噴霧冷卻系統的設計和計算進行探討。

1水噴霧冷卻系統滅火機理

水噴霧冷卻系統是利用水霧噴頭在一定壓力作用下把水流分解成直徑1mm以下的細小水霧滴噴射到燃燒的物體表面，通過表面冷卻、窒息、乳化、稀釋實現滅火的一種固定式滅火系統。細小的霧狀水滴，表面積很大，遇火后迅速汽化，帶走大量的熱量，使燃燒表面迅速降溫，燃燒體達到冷卻的目的[1]。液化烴的分子量較高，燃燒時會在球罐外壁表面形成抗濕的碳沉積，水流不易形成水膜，導致水流對罐壁的冷卻效果不佳甚至失效。水噴霧冷卻系統噴出的霧狀水滴具有很強的沖擊力將沉積碳沖刷掉，并在罐壁外表面形成水膜，從而提高了冷卻效果，避免罐壁發生熱塑裂口。因此，對于液化烴球罐的冷卻保護方面水噴霧冷卻系統優于水噴淋系統。

2液化烴球罐區消防冷卻系統的設計計算

2.1系統設置及設計參數的選擇

2.1.1設計依據：《石油化工企業設計防火規范》(GB50160—2008)簡稱《石化規》；《水噴霧滅火系統技術規范》（GB50219-2014）簡稱《水噴霧》。

2.1.2系統的設置：本工程罐區設2000m3球罐，4座；球罐直徑φ=15.7m，球罐壁厚δ=30mm。根據《石化規》要求“當單罐容積等于或大于1000m3時，應采用固定式水噴霧系統及移動消防冷卻系統”。本工程2000m3球罐設置水噴霧冷卻系統，并在防火堤外均勻布置消防水炮及消火栓移動冷卻設施，該工程系統流程圖如圖1所示。

圖1 球罐區水噴霧冷卻水系統流程圖

2.1.3設計參數的選擇：（1）噴水強度：水噴霧系統噴水強度《水噴霧》規范要求：“著火罐冷卻水供給強度不應小于9.0L/min·m2”，根據國內對液化烴儲罐受熱噴水保護試驗，為了確保消防冷卻的穩妥可靠性，本工程噴水強度取10.0L/min·m2。移動式消防水量《石化規》要求“儲罐容積大于或等于1000m3時，不應小于80L/S?！保?）冷卻范圍及保護面積：“著火罐及距離著火罐1.5倍著火罐直徑范圍內的相鄰罐應同時冷卻，相鄰罐超過3座時，按3座較大的鄰近罐計算”。著火罐保護面積應按其罐體外表面面積計算，相鄰罐保護面積應按其罐體外表面面積的1/2計算。球罐外表面面積：S=πφ2，φ為球罐體外徑，設計人員在計算球罐表面積時往往忽略了球罐的壁厚，計算結果偏小。

2.2供水管道的布置

水噴霧系統在沿緯線方向布置環管，沿經線方向布置供水干管與各環管相連接，干管在球罐底部與對應的雨淋報警閥組連接。管道設計的原則是供水壓力均衡，為了保證同一環管上各噴頭工作壓力及各環管之間壓力的均衡，本文在供水管道布置時采取如下措施：

（1）對于容積大于1000m3的球罐，頂層環管與底層環管之間的垂直壓差較大。上半球、下半球采用兩個獨立的供水系統，不但能達到均衡水壓的作用，還能滿足作為相鄰罐只冷卻罐壁表面積1/2的要求，同時當夏季需要防曬噴淋時可只對上半球進行噴淋，減少用水量。

（2）上、下半球各采用2條對稱布置的供水豎管，以保證同一環管上各噴頭實際工作壓力基本相同，罐表面積的冷卻強度相同。尤其對于容積為2000m3的球罐，環管較長，阻力較大，兩條對稱布置的供水立管，可降低環管阻力，有利于保證水壓均衡。

（3）為了保證各層環管之間的壓力均衡，大多資料提出在低層環管上設置減壓孔板，調節各環管水壓差。本文不建議使用減壓孔板，因為減壓孔板易被堵塞，一旦堵塞將給消防冷卻帶來隱患。本文采用減小管徑，增大管道損失的方式調整各環管水壓，使各環管水壓基本一致，保證各環上噴頭的工作壓力基本相同。減小低層環管管徑不但能調整各環管的壓差，平衡水壓，同時能節約投資成本。

（4）雨淋報警閥前設置過濾網孔徑為4.0目/ cm2～4.7目/cm2的過濾器，可防止雜物破壞雨林報警閥的嚴密性，保證水流暢通。由于雨淋閥與球罐往往有一定距離，而水霧噴頭口徑小，易堵塞，因此在球罐底部供水橫管上增設Y型過濾器，該過濾器有兩個作用：一方面過濾雜質、防止堵塞，另一方面起到放空閥的作用，系統噴水后，打開Y型過濾器后蓋，將系統積水放空，防止管道內因積水結冰而造成管道的損傷。另外為了防止管道內壁生銹，堵塞噴頭，選擇不易生銹的管材，本工程過濾器與雨林報警閥之間及雨淋閥后的管道采用內外熱浸鍍鋅鋼管。

2.3噴頭選擇與布置

2.3.1噴頭的選擇：中速水霧噴頭是一種撞擊霧化噴頭，壓力水進入噴頭后，經收縮流速加快，撞擊至特定的濺水盤分解形成霧化。中速水霧噴頭對火災區外表面持續噴霧，一方面防止表面迅速升溫、火災蔓延，另一方面能加速水蒸氣散發、稀釋液化烴蒸氣云，降低爆炸危險。該噴頭主要用于保護閃點在66℃以下的易燃液體、氣體和固體危險區域[2]。液化烴屬于甲A類易燃液體，閃點小于28℃，因此，本工程選用中速水霧噴頭，型號為ZSTWC16-125，工作壓力為0.14～0.50MPa，流量系數K=16。單個球罐固定式水噴霧系統理論設計水量及布置噴頭總數詳見表1。

由表1表可知：著火罐固定式水噴霧冷卻系統的理論水量Q理論=130L/S。

表1 水噴霧冷卻系統理論設計水量及布置噴頭總數

2.3.2噴頭的布置：對于噴頭的布置，多數資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實現，但在球面上很難實現。本文認為噴頭的布置應以使水霧直接噴向并覆蓋保護對象為原則，保證水霧噴頭的水霧錐沿緯線方向應相交，沿經線方向宜相接。噴頭在有效射程內，噴霧粒徑小且均勻，滅火和防護冷卻的效率高，超出有效射程后噴霧性能明顯下降且可能出現飄逸現象，限制噴頭與保護對象之間的距離十分重要，因此水霧噴頭與保護對象之間距離不得大于水霧噴頭的有效射，且應滿足規范要求“水噴霧噴頭與儲罐外壁之間的距離不應大于0.7m”。根據廠家提供的中速噴頭的有效射程，本工程噴頭與球罐外表面距離B=0.60m，水霧錐底圓半徑：R=Btan（θ/2）=1.15m。設計時應根據水霧噴頭的供水壓力均勻布置噴頭間距，沿緯線方向布置間距宜為1.4R～1.7R（R為水霧錐底圓半徑，即為1.61m～1.95m。遵照“沿經線方向宜相接”的布置原則，根據噴頭保護球罐表面弧長計算環管層數N= [(πφ/2)/2R]+1=11。水噴霧冷卻系統噴頭布置如圖2所示。

噴頭的布置除罐體外，對球罐兩極處的液位計、閥門、安全閥等容易發生泄漏的部位增設噴頭以實現完全覆蓋。本例球罐鋼支柱有防護層保護因此不必設噴頭，設計時務必考慮鋼支柱是否有防護層，若無防護層或防護層耐火極限不滿足規范要求時應增設水霧噴頭保護。

圖2 水噴霧冷卻系統噴頭布置圖

2.4球罐區冷卻系統的水量計算

2.4.1固定式水噴霧系統水力計算

本例上、下半球各采用兩條對稱布置的供水豎管，水力計算時可取環管一半作為支管，從最不利點噴頭逐點進行水力計算。規范要求“用于防護冷卻時工作壓力不應小于0.20MPa”，為了確保冷卻效果安全可靠本例將最不利點噴頭工作壓力定為0.35MPa。隨著噴頭、管段的增加，各噴頭的實際工作壓力及實際出水量增大。本工程經水力計算，著火罐固定式水噴霧系統實際計算流量Qj=145L/S，系統設計流量QS=kQj=1.05×145=153L/S，平均噴水強度W=11.15 L/min·m2，大于理論強度10 L/min·m2，滿足《水噴霧》規范要求。設計人員在計算時，切不可為了簡化計算過程將噴頭工作壓力設定為某一固定值，環管管徑設計水量均按此固定值計算，這樣將使計算結果（包括冷卻水水量及管網供水壓力）偏小，最終導致消防水泵選型不準、消防水池容積偏小。冷卻水系統在實際運行時的噴水強度、連續噴水時間將達不到規范要求。

2.4.2球罐區冷卻系統的水量計算

球罐區一次消防用水量應為著火罐水噴霧冷卻系統水量（Qs）、相鄰罐水噴霧冷卻系統水量（Qx）、移動冷卻水量（Qy）與注水水量（Qz）之和，即Q= Qs+ Qx+Qy+Qz。本工程相鄰罐共3個，Qx=246 L/s，在罐區防火堤外均勻布置型號為SP30的消防水炮和型號為SS150-1.6的消火栓，確保每個球罐至少在2個消防水炮及2個消火栓保護范圍內，故移動水量Qy= 80L/S。注水系統用于事故時球罐泄漏置換用水，根據工藝專業提供，注水管道壓力為1.33MPa，流量為25L/s。故總用水流量Q=504 L/s，火災延續時間6 h，則罐區一次消防用水總量為10887 m3。

3水噴霧冷卻水系統控制與操作

雨淋報警閥組是實現球罐自動噴霧的關鍵部件，在球罐區附近的雨淋閥室內設有8套雨淋報警閥組，分別控制各球罐上、下半球的系統供水。氣控雨淋報警閥組具有開啟迅速，系統響應時間短等優點，本工程采用氣控雨淋報警閥，在球罐上布置帶閉式噴頭的傳動管。傳動管中充有壓縮空氣，當罐區內發生火災時，隨著罐體溫度升高，干式傳動管上所設的閉式噴頭動作，傳動管內壓力下降，由壓力開關將壓力信號轉換為電信號，報至水噴霧滅火系統控制器，由控制器發出指令自動開啟相應的雨淋閥組（包括控制著火罐及其相鄰罐的雨淋閥組），壓力水經雨淋閥進入管道，并從水霧噴頭噴出，進行冷卻。滅火結束后，應將系統管線內的水放空。

4 結語

4.1上、下半球采用兩個獨立的供水系統，不但能達到均衡水壓的作用，還能滿足作為相鄰罐只冷卻罐壁表面積1/2的要求，同時可以解決夏季防曬只對上半罐體進行噴淋降溫的要求，減少用水量。

4.2雨淋報警閥組的位置很關鍵，要盡量靠近被保護對象，縮短管道充水時間，利于系統快速啟動，以滿足《水噴霧》規范響應時間不應大于120S的要求。同時要保證火災時人員的安全性，距被保護球罐罐壁不宜小于15m。

4.3水噴霧冷卻系統的水力計算過程較為復雜繁瑣，建議采用專業的消防設計軟件，使水力計算工作方便快捷，計算結果更加準確。

［1］張晨霞,韓紅琪,李學志.液化烴球罐固定式水噴霧系統計算方法的探討〔J〕.工業用水與廢水,2010(2)41.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.02.017

TU279.7+43

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1008-1267（2016）02-0051-03

2015-11-20