消防炮在石油化工企業中的使用

谷晨，桑錦柱(中藍連海設計研究院有限公司，江蘇 連云港 222003)

1 石油化工企業消防炮概述

由于所生產或使用材料的火災危險性、特殊生產工藝、結構和構筑物的特點等原因，石化行業的火災具有擁有屬性多樣、爆炸危險性大、火災損失和影響大、滅火難度大、消防力量消耗大等特點。在石油化工工業的生產過程中，生產中使用的大部分原料、中間產品和最終產品都是易燃易爆的，造成材料著火會引起爆炸性火災。生產中使用的設備多為壓力容器，大部分為密封或相對密封。如果在設備運行過程中發生超溫、超壓或異常反應，會導致設備爆炸，釋放大量的內容物，增加燃燒強度，使火勢更加蔓延。并且石油作為液體燃料，當它從設備中釋放出來時，就會流動起來。特別是該設備容量大，當損壞嚴重時，其內部流體會被沖出，造成大面積的流動火災情況。大面積流動火災容易發生在油品儲存區或油桶儲存區。在生產設備區域也有大量易燃液體被處理的火災案例。流動火災蔓延迅速，如果不能及時控制，容易造成大面積燃燒和燃燒設備爆炸事故。除此之外，石油化工企業的火災還具有爆發性強的特點。。

2 石油化工企業的消防炮設備消防需求分析

隨著我國經濟的持續快速發展和對原油需求的不斷增加，由于國際原油市場的動蕩，近年來我國原油的戰略儲備顯著增加。大型浮頂油罐是我國目前儲存原油的主要類型油罐。我國單罐最大容量達到15×104m3和10×104m3容量的浮頂罐是儲存原油的主要類型。一個大型油庫的總容量超過幾百萬立方米。大型原油庫具有較高的爆炸危險性，原油易燃易爆，火災事故是造成大型原油庫高風險的主要原因之一。國內石油化工行業罐區火災事故統計數據表明，原油罐區火災事故占40%。在1951～1995年收集的81起大型浮頂油罐火災事故中，發生了22起全地面火災，占總事故數的27% ，而收集的油罐直徑在30.5～100 m 之間，因此，大型浮頂油罐發生全地面火災的風險不容忽視，研究如何處理大型浮頂油罐的全地面火災是大型原油庫消防研究部門的重要工作。

3 石油化工企業消防炮的建設措施探究

3.1 研究現狀

雖然大型浮頂油罐全地面火災的性質和發展規律還有待進一步研究，但目前仍存在以下問題：

(1)由于原油具有低閃點、高揮發性和高流動性，火焰在油面上傳播很快，熱空氣流在火焰中是湍流的。

(2)火焰具有溫度高、熱輻射強、煙層厚等特點。而且，火焰中心的溫度達到了1 050～1 400 ℃。

(3)油面易再燃。

(4)油層傳熱速度快，油罐長時間燃燒可能導致溢油和翻船。

與固定式噴嘴開口槍頭相比，自適應槍頭的開口可通過自適應機構調整，以匹配射流系統的壓力、流量等參數。因此，具有自適應槍頭的消防炮具有射程寬、射程遠、穩定性高的優點，可以滿足更多的火力需求。此外，火災預警探測和火災視頻圖像探測也被用來減少人身傷害和財產損失[1]。消防炮自適應炮頭噴射系統的工作介質一般是含有一定量空氣的水，即氣液混合液。消防泵是噴射系統的動力源，在其啟動、停止和正常工作條件下都可能發生流量和壓力脈動。因此，混入流體中的空氣不可避免地會溶解或釋放，導致流體的壓縮性和等效剛度不斷變化，從而影響射流系統的模態特性，最終影響射流系統的穩態和動態性能。同樣，當消防監視器在戶外工作時，可能會有隨機激勵，如風，這使得噴氣系統的動力學行為更加復雜。由于流體壓縮性和壓力脈動對流體狀態參數有周期性或隨機性的影響，自適應射流系統是一個非自治系統。

消防泵的壓力脈動成分有三種: 隨機脈動、葉片通過頻繁脈動和旋轉頻繁脈動。消防泵的壓力脈動與泵的葉輪和導葉的相對運動密切相關，并受泵內二次流和汽蝕的影響。壓力脈動可用于測定最佳效率點，監測出口壓力，以及故障診斷和預防。此外，還有學者對水動力元件的壓力脈動機理進行了研究。利用剪切應力傳輸(SST)湍流模型計算了混流泵的非定常流動和壓力脈動特性。

在動態分析中，系統的設計和狀態參數對系統的動態特性有不可忽視的影響。在動力學參數分析和優化設計方面，學者們取得了許多研究成果。敏感度分析、數值模擬、回授線性化等方法已被學者應用于研究動態系統參數的影響分析。在參數優化方面，多因素設計優化已成為主要的研究方向。

總之，消防炮自適應炮頭噴射系統在運行過程中不可避免地會出現壓力脈動，使系統具有明顯的非線性特性，影響噴射性能。目前，關于消防炮自適應炮頭射流系統的動力學研究文獻很少，對射流系統的非線性動力學特性的研究也很少。為此，基于多尺度方法，對消防炮自適應炮頭噴射系統進行了非線性動力學分析，將已知的射流系統參數代入導出的參數振動方程，采用 Runge-Kutta 方法進行了數值模擬，揭示了流體脈動頻率、進氣量、流體壓力等設計參數對射流系統主共振和聯合共振響應幅值的影響規律，為消防炮自適應炮頭噴射系統的優化設計提供了參考。

3.2 消防系統設計計算

目前大型浮頂油罐采用的是固定泡沫滅火系統，其基本原理是撲滅邊緣封閉火。以10×104m3浮頂油罐為例，全地面火燃燒面積為邊緣密封火最大燃燒面積的75倍。油庫現有的消防系統顯然不能完全滿足全面滅火的需要。目前世界上成功撲滅大型浮頂儲罐全地面火災的案例很少，而且大型儲罐全地面火災的試驗研究受到試驗成本高、試驗結果重復性差等因素的嚴重制約。這種消防系統的設計缺乏足夠的事故信息和實驗數據，現在能做的就是根據中小型平底鍋的全面火災事故和幾個浮頂罐滅火實驗進行設計。以10×104m3大型浮頂油罐全地面火災撲救為例，詳細介紹了大型原油庫消防系統設計的探索[2]。

大型浮頂油罐全地面火災燃面較大，火焰中心至周邊距離達數十米。但泡沫在油面上的最大擴散距離不超過30 m，大多數泡沫僅為24～26 m。泡沫從罐殼頂部的泡沫噴嘴流下罐殼，難以到達火焰中心，導致泡沫層無法覆蓋整個燃燒表面，此外，火焰周圍復雜的湍流氣流可能大大影響泡沫流在火焰中的運動軌跡，導致一些泡沫逃逸到燃燒罐外部。由于火焰溫度較高，大量的泡沫在到達燃油表面之前就已經蒸發掉，導致泡沫的大量流失。在日本進行的大型儲罐滅火實驗表明，到達燃油表面的泡沫量僅占總泡沫量的30%，消失泡沫量為61%，蒸發泡沫量為9%。需要指出的是，火焰表面的溫度高于1 000 ℃，燃燒的油表面溫度約為350 ℃，因此泡沫在到達燃燒的油表面之前由于蒸發而迅速分解成液滴。只有當油面溫度低于147 ℃ 時，泡沫層才能在油面上不斷擴散。

浮頂油罐全面火災的完全防護區是油罐的橫截面。根據《低倍數泡沫滅火系統設計規范》(GB 50151—92)，固定泡沫滅火系統的最小泡沫施加量為5.0 L/min，最小排放時間為45 min。80 m 直徑10×104m3浮頂油罐的截面為5 024 m2，因此其泡沫-水溶液消耗量為:根據《低倍數泡沫滅火系統設計規范》(GB 50151—92)要求的固定泡沫滅火系統，泡沫水溶液的最低使用量為240 L/min，最低排放時間為30 min，需要增設三根泡沫軟管手柄，即三根輔助泡沫軟管手柄的泡沫水溶液是3×240×30=21.6 m3。

實際上，泡沫軟管由于受到罐體火焰強烈的熱輻射而不能應用于滿面火災。因此，該罐的泡沫水溶液總量為：

大型浮頂油罐全地面火災的主要滅火設施是流量大于 40 000 L/min 的泡沫監測器。2004年和2005年在日本進行了幾次大型浮頂油罐全地面火災試驗，為設計全地面火災消防系統積累資料。規定泡沫應有效地應用于燃油表面，直徑大于30 m 的儲罐應配備流量不低于10 000 L/min、最小連續排放時間大于2 h的大流量泡沫監測器。假設滅火時間為4 h，10×104m3儲罐的泡沫溶液消耗量為45 216 L/min×240 min= 10 852 m3。

TFEX 工程有限公司采用環形連續直線噴嘴滅火，并繪制了泡沫施加速度與燃燒油面之間的關系。實驗結果表明，僅通過增加泡沫出口或泡沫監測器的數量來增加泡沫量是無法撲滅直徑大于80 m 的儲罐上的大型火災的，泡沫層在油面上的鋪展距離、油性、風速、火焰的破壞和熱上升氣流等因素影響著滅火的成功[3]。

目前，在現有消防設備的基礎上，油庫主管道的最大消防水流量為26 400 L/min。油庫的消防水貯存量一般限制在5 000 m3左右，消防水通常儲存在多個水箱或水槽中。因此，除非油庫現有消防系統的容量至少提高6～10倍，否則現有的消防系統不能滿足全面滅火的需要，因為油庫的消防蓄水量和用水量都遠遠低于最低要求。為了滿足上述需要，現有的消防系統應進行如下改造[4]。

(1)一次滅火時，消防水庫應滿足最小滅火能力，消防水可儲存在大型儲罐中。(2)增加消防泵，以滿足消防主管道的流量要求。根據《石油化工企業設計防火規范》(GB 50160—2008)，消防給水管道的最大流速不大于3.5 m/s，主消防給水管道直徑至少為1 000 mm，滿足160 339 L/min。

(3)每個大型原油庫應配備最少3臺大流量泡沫監測儀，能力不低于40 000 L/min，另外，泡沫精料儲存量應達到150 %。

4 結語

大型浮頂油罐的全面火災雖然具有較高的風險性和較低的概率，但一旦發生，將給國民財產造成巨大損失，對環境造成不利影響。隨著大型浮頂油罐的增加，我國油庫全面滅火的滅火能力應盡快提高。對于油庫，應充分認識大型油罐全面火災的危險性，改善消防基礎設施和設備，加強大型火災的應對能力。對消防研究部門而言，對大型浮頂油罐全地面火災的研究還需進一步深入，需要進行全面的消防實驗，以優化消防系統設備，進一步研究消防策略，發展高效的消防設備，提高大型油庫的消防能力。