液化烴球罐消防設(shè)計及常見問題探討

李樹金，許小艷

(1 中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071； 2 上海同大規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司青島分公司，山東 青島 266034)

液化烴是指在15 ℃時，飽和蒸氣壓大于0.1 MPa的烴類液體及其它類似液體，其主要成分為C2～C5碳氫化合物及微量硫化物，屬多組分混合物[1-2]。液化烴火災(zāi)危險性為甲A類且爆炸極范圍較寬(1.5%～12%)，一旦發(fā)生泄漏，在通風不良處積聚，遇明火可造成大面積的火災(zāi)或爆炸事故[3-6]。為避免泄漏及火災(zāi)或爆炸事故發(fā)生，液化烴球罐消防設(shè)計就顯得格外重要。

本文根據(jù)最新的《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準》(GB 50160-2008)(2018年版)及《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50219-2014)，以石化企業(yè)內(nèi)3000 m3壓力式液化烴球罐為例，對其固定式消防冷卻水噴霧裝置進行設(shè)計，并對設(shè)計中存在的問題進行詳細探討。

1 球罐固定水噴霧系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基本參數(shù)

3000 m3壓力式液化烴球罐固定式消防冷卻水噴霧系統(tǒng)設(shè)計基本參數(shù)選用如下：

(1)球罐直徑：?=18 m；

(2)供水強度：9 L/min·m2；

(3)冷卻面積：著火罐全表面積，距著火罐1.5D內(nèi)鄰近罐半表面積；

(4)消防時間：6 h；

(5)噴頭工作壓力：0.35 MPa；

(6)噴頭噴射角度：120°、150°；

(7)噴頭距罐壁距離：0.6 m(120°噴頭)、0.33 m(150°噴頭)；

(8)環(huán)管距罐壁距離：0.75 m；

(9)消防豎管設(shè)置：上下半球各2根。

1.2 環(huán)管圈數(shù)計算

固定式消防冷卻水噴霧裝置噴頭水霧錐底圓半徑：

R1=B·tan(θ/2)=0.6×tan 60=1.04 m；

R2=B·tan(θ/2)=0.33×tan 75=1.23 m。

環(huán)管布置層數(shù)：N=9×π/2R2=13.59。

考慮到噴頭水霧錐沿緯線方向應(yīng)相交、沿經(jīng)線方向應(yīng)相接，管道支架墊板避讓球罐本體焊縫、柱腿、球罐附件及第一圈環(huán)管避讓罐頂平臺等因素。經(jīng)實際布置，確定3000 m3球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置共設(shè)置14圈環(huán)管，各層環(huán)管位置詳見圖1。

圖1 3000 m3球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置環(huán)管位置示意圖

1.3 噴頭數(shù)量計算

根據(jù)《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50219-2014)要求，水霧噴頭可矩形或菱形布置。本工程采用矩形布置，水霧噴頭之間的距離不應(yīng)大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑[7]。

最小噴頭間距計算：

D1=1.4R=1.4×1.04=1.46 m；

D2=1.4R=1.4×1.23=1.72 m。

考慮噴頭水霧錐沿緯線方向應(yīng)相交、沿經(jīng)線方向應(yīng)相接，并根據(jù)各環(huán)管位置，確定各環(huán)選用噴頭角度及噴頭數(shù)量詳見表1。

表1 固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)水霧噴頭選用角度及數(shù)量

1.4 噴頭參數(shù)計算

根據(jù)上述確定的各環(huán)管位置及噴頭數(shù)量，計算各噴頭參數(shù)。

(1)150°噴頭參數(shù)確定

150°噴頭保護球冠表面積：S=2πRH=54.88 m2。

150°噴頭總數(shù)：16個。

球罐供水強度：9 L/min·m2。

單個150°噴頭噴水量：9×754.88/16=30.87 L/min。

選用水霧噴頭規(guī)格參數(shù)：流量36 L/min，工作壓力0.35 MPa，流量系數(shù)K=19.24，噴射角度θ=150°[8]。

(2)120°噴頭參數(shù)確定

保護球罐120°噴頭總數(shù)：516個。

球罐供水強度：9 L/min·m2。

120°噴頭保護球罐面積：S=4πr2-54.88=1017.88 m2-54.88=962.48 m2。

單個120°噴頭噴水量：9×(962.48)÷516=16.8 L/min。

選用水霧噴頭規(guī)格參數(shù)：流量18 L/min，工作壓力0.35 MPa，流量系數(shù)K=9.54，噴射角度θ=120°[8]。

固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)水霧噴頭規(guī)格參數(shù)選用結(jié)果詳見表2。

表2 固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)水霧噴頭規(guī)格參數(shù)

1.5 環(huán)管管徑計算

各環(huán)管噴頭數(shù)量及規(guī)格參數(shù)確定后，根據(jù)噴頭噴水量，計算各消防冷卻水噴霧環(huán)管管徑結(jié)果如表3所示。

表3 固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)管管徑

1.6 消防水用量

(1)罐壁消防用水流量

保護球罐罐壁120°噴頭總數(shù)：516個，150°噴頭總數(shù)：16個。

單個球罐的消防冷卻水設(shè)計用量：(516×18+36×16)÷60=164.4 L/s。

(2)罐頂平臺、閥門等附件消防用水流量

保護罐頂平臺、閥門等附件120°噴頭總數(shù)：12個。

保護罐頂平臺、閥門等附件消防冷卻水設(shè)計用量：18×12÷60=3.6 L/s。

(3)固定式消防冷卻水總量

消防冷卻水總流量：164.4+3.6=168 L/s。

理論計算水量：4×3.14×R2×9=4×3.14×92×9÷60=152.60 L/s。

152.60 L/s<168 L/s<183.12 L/s(1.2倍理論計算流量)，滿足要求。

單罐固定式消防冷卻水總用水量：168×3.6×6=3629 m3。

2 球罐消防常見問題

2.1 赤道處是否布置環(huán)管

(1)赤道處設(shè)置環(huán)管

由于赤道處設(shè)置環(huán)管，噴頭覆蓋面積大，對整個球罐而言，可使整套固定式消防冷卻水噴霧裝置環(huán)管數(shù)目最少。在噴頭距罐壁特定距離的情況下，赤道處設(shè)置噴淋環(huán)管，經(jīng)合理布置可實現(xiàn)環(huán)管數(shù)量減少1圈，節(jié)省固定式消防冷卻水噴霧裝置投資。

(2)赤道處不設(shè)置環(huán)管

對于某個廠區(qū)或庫區(qū)而言，球罐區(qū)消防冷卻水量往往是控制點，其決定了整個項目的消防加壓泵站規(guī)模及消防冷卻水儲備量。赤道處不設(shè)置環(huán)管有利于減少上半球消防用水量，當某一球罐著火時，著火罐與鄰近罐整體消防用水量減少更多，進而可使整個項目的消防冷卻水泵規(guī)格、消防冷卻水管網(wǎng)管徑及消防冷卻水儲備量均有一定程度的減少，實現(xiàn)滿足規(guī)范的前提下，減少項目整體投資。

2.2 球罐罐壁頂部冷卻保護

由于球罐頂部設(shè)有罐頂平臺，平臺距離罐頂一般小于250 mm，在平臺下設(shè)置環(huán)管時，勢必造成環(huán)管與罐壁距離減少，噴頭覆蓋面積縮小。環(huán)管越靠近球罐頂部布置，環(huán)管距離罐壁越近，噴頭覆蓋面積越小，造成球罐頂部總有一部分表面無法被水霧全覆蓋，違背設(shè)計規(guī)范。

部分設(shè)計院或廠家在解決此問題時，有如下兩個方案：

(1)在罐頂平臺上部設(shè)置噴頭

平臺上部設(shè)置噴頭能夠滿足球罐全部表面積被水霧覆蓋。但不能同時滿足水霧噴頭噴口對準球心且噴頭距罐壁不大于0.7 m的規(guī)范要求。

(2)第一圈噴淋環(huán)管噴頭略作傾斜

通過第一圈環(huán)管噴頭向球頂方向略作傾斜，來實現(xiàn)水霧覆蓋球罐頂部外壁，從而做到球罐表面積全覆蓋。但此做法違背了規(guī)范要求水霧噴頭噴口對準球心的規(guī)定。

2.3 球罐區(qū)消防管道布置

球罐區(qū)消防冷卻水管道布置形式主要有兩種。

(1)消防冷卻水管道集中布置

此做法消防冷卻水管道一般考慮與儲運工藝管道共同布置在同一管架上。球罐區(qū)消防冷卻水管道集中布置后，雨淋閥組一般亦集中布置，整個球罐區(qū)管道布置規(guī)整，雨淋閥組集中布置，有利于檢修及日常維護。但消防冷卻水管道與儲運工藝管道布置在同一管架上，在極端情況下，如工藝管道發(fā)生爆炸，消防冷卻水管道會有損壞的風險。

(2)消防冷卻水管道分散布置

消防冷卻水管道分散布置一般會導致雨淋閥組亦分散布置。本布置形式消防冷卻水管道與儲運工藝管道分開，更為安全，可避免消防冷卻水管道在極端情況下被儲運工藝管道爆炸損壞，但各雨淋閥組布置分散，管理維護不方便。

3 結(jié) 論

通過上述對3000 m3壓力式球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置計算及設(shè)計中常見問題探討，形成結(jié)論如下：

(1)球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置在工程設(shè)計時，建議赤道處不布置環(huán)管。赤道處設(shè)置環(huán)管只對噴頭距罐壁特定的距離情況下，經(jīng)合理布置可減少一圈，并不是任何情況下均減少一圈。如上述3000 m3球罐噴頭距離罐壁0.6 m的情況下，赤道處布置一圈環(huán)管，經(jīng)詳細布置，整個水噴霧系統(tǒng)環(huán)管仍為14圈，并未減少。赤道處不布置環(huán)管，能夠保證既滿足規(guī)范要求又節(jié)省項目整體投資，上下半球供水更為均等，建議采用。

(2)本文第一圈噴頭未采用常規(guī)120°噴頭設(shè)計，而采用150°噴頭，在罐頂平臺下布置一圈環(huán)管即可保證球罐罐頂部全覆蓋要求。隨著國家對噴頭CCCF認證由強制性認證改為自愿性認證，建議第一圈環(huán)管噴頭采用150°水霧噴頭，甚至考慮整套消防冷卻水噴霧裝置均采用150°噴頭，減少環(huán)管數(shù)量，節(jié)省投資。

(3)球罐區(qū)消防冷卻水管道兩種布置形式均滿足規(guī)范要求。建議寒冷地區(qū)集中布置，雨淋閥組布置于雨淋閥室內(nèi)，冬季溫暖地區(qū)可集中布置可分散布置，優(yōu)先采取分散布置方式，保證消防供水安全。