石化罐區消防安全系統設計淺析

張建清,楊 志,宋端啟

(南京睿實消防安全設備有限公司，江蘇南京 211100)

我國的儲油設施多以地上儲罐為主，且以金屬結構居多，按用途可分為生產油罐、存儲油罐等；按形式可分為立式儲罐、臥式儲罐等；按結構分類，可分為固定頂儲罐、浮頂儲罐及球形儲罐等；按體積分類，100 m3以上為大型儲罐，多為立式儲罐，100 m3以下的為小型儲罐，多為臥式儲罐。

石油是易燃易爆液體，具有燃燒速度快、火勢兇猛、輻射熱強、沸騰噴濺、擴散蔓延快等特點[1，2]，火災危險性極大，易造成撲救困難、人身傷亡及財產的重大損失。為保證大型油罐及罐群的安全，將火災撲滅在初期階段，必須提高油庫的消防報警系統及滅火系統[3]。我國現有的《石油化工企業設計防火規范》及《石油庫設計規范》沒有針對火災自動報警系統的選型提出明確要求，石油儲罐區采用傳統的消防設施存在著很多安全問題。因此，本文以國家設計規范要求為基礎，結合近年來的消防新技術，引入分布式光纖測溫、圖像火災探測、高壓細水霧、固定消防炮等先進產品，提出了一整套適用于石油化工儲罐區的消防技術解決方案[4]。

1 儲罐區內消防現狀及存在問題

1.1 儲罐區內消防現狀

目前，國內很多儲罐區的消防設施按照相關規范的設計要求，主要設置有火災探測、冷卻及消防滅火系統：①溫度探測：采用常規的感溫電纜對罐體進行溫度探測；②火災探測：采用常規的火焰探測器對罐體進行火災探測；③報警系統；采用常規的火災報警按鈕，經人工確認觸發報警；④冷卻系統：在罐壁周圍設置水噴淋或水噴霧進行消防冷卻；⑤滅火系統：采用平衡壓力比例混合泡沫滅火系統，實施液上噴射泡沫的滅火方式[5]。

1.2 儲罐區內消防存在問題

a)早期的感溫電纜火災探測報警系統(其原理為利用熱敏電阻達到設定溫度后，熔接產生電纜短路進行報警)具有2個缺點：①由于其選擇線性感溫電纜等電信號傳感器，引入電對于儲油罐是引入了一定的安全隱患；②由于大型浮頂罐的環境條件和感溫電纜自身的局限性，感溫電纜只能進行定溫報警而無法實現定位報警，而且誤報率很高。

b)傳統的火焰探測器采用傳感器進行探測報警，當采集的現場火焰光譜達到閥值后，給出報警信息。此種探測器存在探測距離短、誤報率高等缺點。

c)報警系統同探測、滅火系統相對獨立，缺乏系統性火災管理平臺[6]。

d)采用噴淋或水噴霧系統進行消防冷卻，因水滴霧化效果差，壓力低，冷卻效果較差[7]。

e)消防滅火系統手段比較落后，基本全部采用手動操作，且需控制的設備、閥門數量較多，流程復雜，操作時間較長，極易發生誤操作，油罐區的安全難以保證[8，9]。

2 石油化工儲罐區火災探測系統設計

根據石化儲罐區的區域特點及火災危險性，火災探測需要對溫度、可燃氣體濃度、火焰等進行監測。本文主要介紹先進的分布式光纖感溫火災探測系統及圖像型火災探測報警系統。

2.1 分布式光纖感溫火災探測系統

當光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時，會產生多種類型的輻射散射。分布式光纖感溫火災探測系統(DTS)利用同一根光纖作為溫度信息的傳感和傳導介質，通過測量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光與Stokes光強度的比值變化實現對外部溫度的監測，如圖1所示。在時域中，利用OTDR技術(光學時域反射技術)，根據光在纖中的傳輸速率和入射光與后向拉曼散之間時差，可以對不同的溫度點進行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。

分布式光纖感溫火災探測系統應用于石化行業，主要體現出以下幾點優勢：①安全性好，在罐區無電檢測，可適用于對安全等級要求較高的場所；②溫度可以顯示，報警溫度可以根據現場需要進行設置或變更；③可靠性高，不受電磁、雷擊干擾，性能十分穩定，壽命長，長期可靠性好，適合長期安全監測；④可不動火不用電，帶油安裝，不影響正常生產；⑤尺寸小，質量輕，有利于微型化；⑥同冷卻系統可以實現自動聯動，當檢測罐壁溫度達到設定的溫度值時，可自動聯動高壓細水霧對罐體進行降溫，或聯動固定式消防炮系統，對罐體進行自擺式噴水降溫。

圖1 分布式光纖感溫火災探測原理

分布式光纖感溫火災探測系統在浮頂儲罐中的應用，如圖2所示。分布式光纖感溫火災探測系統的布設方式如下：感溫光纖應螺旋設置在儲罐的側壁上，或設置在儲罐頂部的側壁上，螺旋設置時感溫光纖之間的距離應小于3 m，見表1。

圖2 分布式光纖感溫火災探測系統在浮頂儲罐中的應用

儲罐類型光纖光柵傳感器敷設內、外浮頂罐安裝在浮盤周圍、擋雨板的內側或二次密封裝置的螺栓上拱頂罐安裝在罐頂護攔的下方,罐頂與罐壁的交界處附近球罐沿噴淋水管或相應的位置布設罐頂、罐中、罐底3圈

2.2 圖像型火災探測報警系統

在選用分布式光纖感溫火災探測系統的基礎上，選擇圖像型火災探測器對罐區內的圖像、火焰進行復合探測。圖像型火災探測器在工作時可不斷采集現場視頻，與感溫探測系統復合報警后，可極大地降低整個探測系統的誤報、漏報現象。圖像型火災探測器的應用如圖3所示。

圖3 圖像型火災探測器在石化儲輻區的應用

圖像型火災探測報警系統應用于石化行業，主要體現出以下幾個特點：①火焰檢測：可以任意設定防護區域和防護靈敏度，當防護區域內出現火焰時迅速進行報警，并將火焰區域在監控畫面中標識出來；②安全監控：能夠實時提供火災現場的視頻，以便能夠快速采取適當的措施；③設備管理：系統支持對設備進行搜索、設置、添加和刪除；④聯動報警滅火功能：提供聯動報警功能包括：聲音、開關量輸出(驅動警燈警鈴等)、通過無極性總線實現和火災報警控制的聯動；⑤電子地圖：將攝像機和實際監控平面圖結合，以電子地圖的形式顯示在監控屏幕上，直觀顯示報警區域；⑥歷史記錄存儲及查詢功能：各種報警及操作信息均有詳細的記錄，可存儲任意數量歷史數據，并提供完備的數據查詢功能；⑦應用范圍廣：能夠對危險場所、爆炸性場所、有毒場所進行探測；⑧探測距離遠：特別適用于室外、車場、隧道及室內超大空間；⑨環境適應性強：智能探測算法有效避免了環境光照變化和探測器振動的影響，靈活的分區和靈敏度設置功能使得系統可以適應不同的應用場所。

3 石油石化儲罐區滅火系統設計

石化儲罐區發生火災后，儲罐爆炸主要原因有兩點：①儲罐內部的壓力升高；②儲罐壁溫增加引起儲罐材料強度下降[10]。因此，在撲救石油石化罐區火災時，宜同時考慮冷卻系統及滅火系統[11]，采用高壓細水霧作為冷卻系統、泡沫滅火系統作為滅火系統。

3.1 高壓細水霧冷卻系統

高壓細水霧技術是一種冷卻滅火效率高，又對環境無污染的冷卻滅火技術。主要采用表面冷卻、窒息、沖擊乳化和稀釋等機理進行冷卻及滅火。采用高壓細水霧系統作為固定式消防冷卻水系統，主要是在夏季氣溫較高時，罐體外壁沒有采用保溫的狀況下，為防止日曬引起罐內液體溫度升高，罐內壓力上升，對罐壁進行冷卻。或在儲罐發生火災時用來冷卻罐壁，同時也可以達到滅火效果。

如圖4所示，油罐區高壓細水霧冷卻系統的供水采用環形管布置，細水霧噴頭均勻分布在各圈環形管上，噴頭安裝角度均為垂直指向油罐中心。為平衡各噴頭的工作壓力，均衡油罐表面的冷卻水量，采用2根供水干管對稱布置。每根供水干管設高壓電動球閥，閥前設高精過濾器以過濾水中的雜質。

設計要求：①對于甲、乙、丙類液體的生產、儲存、裝卸設施，其設計噴霧強度為6 L/(min·m2)，持續噴霧時間為4 h;②對于甲、乙、丙類液體儲罐，直徑20 m以下，設計噴霧強度為6 L/(min·m2)，持續噴霧時間為4 h；直徑20 m及以上，設計噴霧強度為6 L/(min·m2)，持續噴霧時間為6 h;③對于可燃氣體生產、輸送、裝卸、儲存設施、罐瓶間及瓶庫，設計為9 L/(min·m2)，持續噴霧時間為6 h。

高壓細水霧系統應用于石化行業，主要體現出以下幾點優勢：①安全無污染：以水為冷卻劑，對人員安全，對環境無損害和污染；②降煙易疏散：可對煙氣、毒氣進行洗滌與沖刷，提高火場的能見度，便于人員疏散和消防人員的滅火救援；③冷卻效率高：可將極小水滴比表面積增大，可迅速吸收熱量轉換成水蒸氣，兼具氣體和傳統噴淋兩種滅火系統的抑制效果，它能夠像氣體滅火系統一樣去除氧氣，同時還能像水噴淋系統一樣冷卻火焰，其冷卻浸濕作用更是降低了火災復燃的風險，滅火效率是傳統噴淋系統的200～300倍；④絕緣性能好：高壓細水霧滅火時用水量極小，大部分水霧遇火后蒸發，水漬非常小，對用電設備幾乎沒有影響，可以撲滅遮擋火、電氣火；⑤阻隔熱輻射：細水霧系統動作后，蒸發形成的蒸汽可迅速將罐體、火焰和煙羽籠罩，對火焰的輻射熱具有極佳的阻隔能力，同時還能預濕臨近的燃燒物，達到阻止火災蔓延的效果；⑥用水量極小：高壓細水霧用水量是傳統噴淋系統的1%，且細小的霧滴對保護對象的沖擊力小，極大降低了撲救損失，減少因微火和水漬損失造成的故障修復時間；⑦易安裝維護：用水量少，無需龐大的儲水、供水設備，且細水霧管道管徑小，材料為耐腐蝕的不銹鋼，所以整個系統安裝、維護方便。

圖4 高壓細水霧系統

3.2 泡沫滅火系統

3.2.1泡沫滅火系統概述

泡沫滅火系統是經多年實踐證明的石化行業有效滅火方式，與消防炮結合，可實現石化儲罐區滅火的有效性、機動性，其系統滅火示意如圖5所示。

圖5 泡沫滅火系統工作原理

泡沫滅火系統主要由消防水泵、消防水源、泡沫滅火劑儲存裝置、泡沫比例混合裝置、泡沫產生裝置及管道等組成。通過泡沫比例混合器將泡沫滅火劑與水按比例混合成泡沫混合液，再經泡沫產生裝置形成空氣泡沫后施放到著火對象上實施滅火。泡沫滅火系統按泡沫產生倍數的不同，可分為高、中、低倍數3種[12，13]。

3.2.2泡沫消防炮系統在罐區內應用

泡沫消防炮滅火系統在規范中作為泡沫滅火系統的輔助系統，但隨著近年的技術發展，泡沫消防炮在罐區內的應用出現以下新的趨勢。

a)大流量、長射程的消防炮技術在油罐區內的滅火作戰中發揮出越來越重大的作用。目前先進的消防炮結合大功率的高壓泵組射程可達上百米，可對大容量的油罐進行有效覆蓋、保護。

b)遠程控制、智能控制、視頻監控等技術與消防炮技術結合產生了遠程遙控消防炮視頻監控系統。在油罐區內使用遠程遙控消防炮，不需安防人員對消防炮進行近距離手動操作，在消防炮控制室可根據遠程視頻畫面進行遠程控制，可大大提高消防炮的響應速度，同時加強了安防人員的個人安全。

c)預置位自擺式控制功能，當現場出現火情時，按照預設程序可實現一鍵啟動消防炮、消防泵等消防設施，消防炮在預制位自動自擺噴射泡沫進行滅火。

d)聯動控制冷卻功能，罐區內固定式消防炮不但可以噴射泡沫進行滅火，也可噴射水對罐體進行冷卻。當分布式光纖感溫探測系統或紅外熱成像測溫系統檢測到罐壁溫度達到預警值時，可自動聯動啟動消防炮系統，消防炮系統可根據預設程序對泡沫罐進行自擺式均勻灑水降溫。

3.2.3泡沫混合液供給強度

石化儲罐區泡沫滅火系統混合液供給強度設計，見表2和表3所列。

表2 固定頂油罐泡沫滅火系統混合液供給強度

表3 浮頂油罐泡沫滅火系統混合液供給強度

4 結論

隨著經濟社會的快速發展，10萬噸級罐區、萬噸級裝卸油碼頭等設施越來越多。儲罐區存在較大的火災危險性和危害性，建立一整套高效的儲罐區火災安全系統十分必要。本文為石油化工儲罐區提供了一套整體消防安全系統解決方案，采用分布式光纖感溫火災探測系統和圖像型火災探測報警系統進行火災監控，采用高壓細水霧和泡沫滅火系統進行冷卻及滅火，將火災監控和消防滅火進行有機結合，是預防和撲救石油化工儲罐區火災的一種有效解決方案。