消防冷卻水霧噴淋在液氨罐區的應用

張丹妮，吳嘉賓

(中國空分工程有限公司，浙江 杭州 310052)

氨作為輕工、化肥、制藥、染料、制冷劑等生產過程中重要的化工原料，得到越來越廣泛的應用。由于低溫液氨在儲存和運輸成本方面存在巨大優勢，以液氨形式的運輸或者儲存日漸增多，液氨儲罐的規模也在增加。

近年來，我國因液氨泄漏引發的火災爆炸等事故屢有發生，目前為止因液氨泄漏而造成傷害最大的事故是2013年，吉林寶豐公司的電氣火災導致氨大量泄漏引起的火災爆炸事故(特別重大事故)，造成121人死亡，近百人受傷。事故發生后各地都組織對相關涉氨企業進行安全審查，經審查和調研，發現部分企業的液氨儲罐(區)消防設施存在不符合現行法規和標準要求的現象，可見液氨罐區規范消防設計及其重要。本文以浙江某市的液氨罐區(罐區包含3座100 m3全壓力式臥罐)為例，探討液氨罐區消防水霧噴淋的設計。

1 氨的物質特性

氨氣是一種無色的有毒氣體，密度比空氣輕，具有強烈的刺激性臭味。在常溫下是氣態，當加壓到0.7 MPa時或溫度降至零下33℃時會變為液態氨。氨極易溶于水，在常溫常壓條件下，1體積水就能溶解約700體積的氨。氨可通過吸入、皮膚接觸等方式侵入，對人體造成健康危害，低濃度氨對粘膜有刺激作用，高濃度可造成組織溶解性壞死，引起化學性肺炎及灼傷[1]。

液氨是有強烈刺激性氣味的無色易燃有毒液體，氨氣與空氣混合物的爆炸極限是15.7%～27.4%。火災危險性根據《石油化工企業設計防火標準》(GB50160-20018)(2018年版)的3.0.1與3.0.2條規定，氨氣屬于乙類可燃氣體，液氨屬于乙A類可燃液體。

據《危險化學品重大危險源辨識》(GB18218-2018)辨識，只要氨儲量超過10 t，液氨罐區即為重大危險源。本次舉例設計液氨罐區(三座100 m3液氨儲罐)已構成三級危險化學品重大危險源。

2 液氨儲罐水噴淋設計

2.1 液氨儲罐水霧噴淋概述

水霧噴淋系統被普遍應用于涉氨企業。水噴霧滅火系統是想對保護對象噴射水霧進行滅火火防護冷卻的系統，主要由水源、供水設備、管道、雨淋報警閥(或電工控制閥、氣動控制閥)、過濾器和水霧噴頭等組成。水噴霧滅火機理主要是表面冷卻、窒息、乳化和稀釋。水霧噴頭噴出的霧狀水滴的粒徑細小，表面積大，遇火后迅速汽化并吸收大量的熱能，從而使燃燒表面迅速降溫，燃燒體達到冷卻的目的。水霧還會在燃燒物表面形成一層水膜，從而燃燒體溫度不再升高，并且使燃燒終止。

另外，噴淋系統吸收利用氨氣的原理是氨極易溶于水，在氨泄漏事故發生時，采用水噴淋方式對污染區進行凈化吸收，使泄漏的氨與水結合成氨水，以防止氨氣泄漏擴散的目的。為了獲得更好的吸收效率，通常使用以下兩種改進方法：一是物理方法，將水霧化，利用霧狀水對氨進行吸收，這是改變氣液接觸面積，達到氣體的氣體溶解速度增快的目的。二是化學方法，在清水中加入酸性物質，然后利用酸性液體吸收氨氣，這是通過氨與酸性物發生化學反應，使得溶質氨在液相中的濃度減小，增大傳質推動力，進而提高了氨氣的吸收效率[2]。

本次設計采用水霧噴淋方式，且液氨儲罐設有氨氣(有毒氣體)報警檢測裝置，同時將有毒氣體濃度檢測信號引入至可燃有毒報警控制器，并納入火災報警系統。當有毒氣體濃度超限時能及時聲光報警，可第一時間發現泄漏情況，及時處理可能發生儲罐泄漏、管道破裂等事故，由于氨氣報警器與噴淋系統是聯動的，一旦報警器發出報警信號，噴淋系統會立即響應，進入工作狀態。

2.2 液氨儲罐水霧噴淋用水量設計

本次液氨儲罐水噴淋設計根據主要《石油化工企業設計防火標準》(GB50160-20018)(2018年版)和《水噴霧滅火系統設計規范》(GB50219-2014)。

規范GB50160“8.10.13全壓力式及半冷凍式液氨儲罐宜采用固定式水噴霧系統和移動式消防冷卻水系統，冷卻水供給強度不宜小于6 L/min·m2，其他消防要求與全壓力式及半冷凍式液化烴儲罐相同。”“8.10.7液化烴罐區的消防用水延續時間按6 h計算。”

GB50219表3.1.2中液氨儲罐設施供給強度為6 L/min·m2，持續供給時間為6 h，響應時間為120 s。根據以上規范(GB50160和GB50219要求是一致的)，本項目液氨儲罐水噴霧系統供給強度為6 L/min·m2，持續供給時間按6 h計。

規范GB50160 “8.10.4全壓力式及半冷凍式液化烴儲罐固定式消防冷卻水系統的用水量計算應符合下列規定：3.著火罐冷卻面積應按其罐體表面積計算；鄰近罐冷卻面積應按其半個罐體表面積計算；4.距著火罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍的鄰罐超過3個時，冷卻水量可按3個罐的用水量計算。”本項目100 m3臥式罐尺寸為3×13.8 m，總長15.616 m，臥罐間距為1.6 m，因此最大用水量假定中間的儲罐起火，最大冷卻面積為其罐體表面積與兩個鄰近罐半個罐體表面積之和。

本次項目水霧噴淋用水量設計如表1。

表1 水霧噴淋用水量設計表

2.3 液氨儲罐水霧噴淋管道設計

每臺儲罐設置矩水霧噴淋管道，管道設計應滿足系統設計流量、設計壓力條件。工作壓力滿足GB50160“3.1.3水霧噴頭的工作壓力，當用于滅火時不應小于0.35 MPa，當用于防護冷卻時不應小于0.2 MPa，但對于甲B、乙、丙類液體儲罐不應小于0.15 MPa。”

管道內的平均流速不宜大于5 m/s，由此最終確定供水管道管徑為DN80。

消防給水引入管設雨淋閥，雨淋閥后設置減壓閥，閥后方壓力約為0.30 MPa，以此保證用于每根支管壓力P>0.2 MPa。

雨淋閥與消控室連鎖，如果現場條件允許，雨淋報警閥組應當設置在裝卸設施15 m外區域范圍(安全范圍)，確保發生火災時能在自動控制失效的情況下，人員能夠安全接近，現場應急機械手動開啟雨淋報警閥組。

圖1 本次項目水霧噴淋供水管道設計示意圖

2.4 液氨儲罐水霧噴淋噴頭設計

液氨儲罐水霧噴淋噴頭流量計算依據(GB50219-2015)7.1.1，水霧噴淋噴頭流量個數計算依據7.1.2，水霧噴淋噴頭布置依據(GB50219-2015)3.2.4。

7.1.1水霧噴頭流量應按下式計算：

式中：q——水霧噴頭的流量(L/min)；

P——水霧噴頭的工作壓力(MPa)；

K——水霧噴頭的流量系數，取值由噴頭制造商提供。

7.1.2保護對象所需水霧噴頭的計算數量應按下式計算：

式中：N——保護對象所需水霧噴頭的計算數量(只)；

S——保護對象的保護面積(m2)；

W——保護對象的設計供給強度[L/(min·m2)]。

3.2.4水霧噴頭的平面布置方式可為矩形或菱形。當按照矩形布置時，噴頭布置間距不應大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑。

水霧錐底圓半徑應按下式計算：

式中：R——水霧錐底半徑(m)；

B——水霧噴頭的噴口與保護對象之間的距離(m)；

θ——水霧噴頭的霧化角(°)。

水霧噴頭的類型有很多[3]，本此設計選用中速水霧噴頭(ZSTWC32-120)，高度為2.5 m時最發噴射直徑約為7 m。流量系數取為30，噴射角為120°，工作壓力取0.2 MPa。

本設計水霧噴頭的噴口與保護對象(儲罐壁)之間的距離為0.65 m，根據上述公式得出：

R為1.13 m，水霧噴頭之間的距離不大于1.582 m。本此設計水霧噴頭采用矩形布置，水霧噴頭間距取1.5 m，每個儲罐共布置水霧噴頭40個，確保噴霧對罐體表面全覆蓋，能滿足規范要求。液氨儲罐水霧噴頭剖視圖見圖2。

圖2 液氨儲罐水霧噴頭剖視圖

3 結語

消防設計嚴格執行現行國家法規與標準，能從很大程度降

低火災爆炸的風險及危害程度。本文例舉消防冷卻水霧噴淋系統在液氨罐區的應用，能有效降低液氨罐區因泄漏導致火災爆炸事故的發生。

本次液氨儲罐消防水霧噴淋設計符合國家相關規范及當地政府部門的要求，并且已通過當地有關部門的驗收。液氨儲罐，甚至其他甲乙類液體儲罐的水霧噴淋系統可根據本文思路進行設計。