LNG金屬外壁全容罐固定消防用水量設計

周 春，汪玲玲，張德久

(中機國際工程設計研究院有限責任公司 華東分院，江蘇 南京 210023)

1 概述

根據《國務院關于促進天然氣協調穩定發展的若干意見》(國發辦〔2018〕31號)，供氣企業到2020年形成不低于其年合同銷售量10%的儲氣能力，城鎮燃氣企業到2020年形成不低于其年用氣量5%的儲氣能力，各地區到2020年形成不低于保障本行政區域3天日均消費量的儲氣能力。

為了響應政府號召，建立健全不同層次的儲氣系統，自2018年以來，全國各地相繼建成了一些較大規模的LNG應急調峰儲配站，以實現城鎮燃氣企業和各地區應具備的應急調峰能力，滿足當地的應急調峰需求。

工程常用LNG儲罐分為金屬外壁儲罐和混凝土外壁儲罐。由于國家設計規范對混凝土外壁儲罐的固定消防用水量有明確規定，業內沒有爭議，因此本文主要對尚值得討論的LNG金屬外壁全容罐的固定消防用水量進行探討。

2 LNG儲罐的固定消防用水量

2.1 LNG儲配站中LNG儲罐的消防用水量計算

目前，LNG儲配站的LNG儲罐進行固定消防用水量計算時，一般依據GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統技術規范》、GB 50219—2014《水噴霧滅火系統技術規范》和GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》。

按照GB 50974—2014第3.4.5條，全冷凍式液化烴儲罐外壁為鋼制的單容罐時，冷卻面積及保護范圍為著火罐的罐壁外表面積、罐頂外表面積及距著火罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍內的鄰近罐的罐壁外表面積的1/2。罐壁供水強度不應小于2.5 L/(min·m2)，罐頂供水強度不應小于4 L/(min·m2)。全冷凍式液化烴儲罐為外壁鋼筋混凝土結構的雙容罐、全容罐時，不考慮罐頂和罐壁的固定冷卻，但管道進出口等局部危險處應設置水噴霧系統，供水強度不應小于20 L/(min·m2)。

GB 50219—2014第3.1.11條規定：①系統用于冷卻全冷凍式液化烴儲罐時，采用鋼制外壁的單容罐，著火罐及距著火罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍內的相鄰罐應同時冷卻。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罐壁外表面面積的1/2及罐頂外表面面積之和計算。②混凝土外壁與儲罐間無保冷材料的雙容罐，著火罐的罐壁與罐頂及距著火罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍內的相鄰罐罐頂應同時冷卻。③混凝土外壁與儲罐間有保冷材料填充的雙容罐，著火罐的罐頂及距著火罐罐壁1.5倍著火罐直徑范圍內的相鄰罐罐頂應同時冷卻。④采用混凝土外壁的全容罐，當管道進出口在罐頂時，冷卻范圍應包括罐頂泵平臺，且宜包括罐頂管帶和鋼梯。第3.1.2條規定：用于防護冷卻的全冷凍式液化烴儲罐，單、雙容罐的罐壁供水強度不應小于2.5 L/(min·m2)，罐頂供水強度不應小于4 L/(min·m2)。全容罐的罐頂泵平臺、管道進出口等局部危險部位供水強度不應小于20 L/(min·m2)，罐頂管帶供水強度不應小于10 L/(min·m2)。

GB 50183—2004第10.4.5條規定：液化天然氣廠站的消防水系統，采用混凝土外罐的雙層殼罐，當管道進出口在罐頂時，應在罐頂泵平臺處設置固定水噴霧系統，供水強度不小于20.4 L/(min·m2)。第8.5.5條規定：全冷凍式液化石油氣儲罐固定式消防冷卻水供水強度與冷卻面積應滿足：①著火罐及鄰罐罐頂的冷卻水供水強度不宜小于 4 L/(min·m2)，冷卻面積按罐頂全表面積計算；②著火罐及鄰罐罐壁的冷卻水供水強度不宜小于2 L/(min·m2)，著火罐冷卻面積按罐全表面積計算，鄰罐冷卻面積按罐表面積的一半計算。LNG儲罐一般是參照全冷凍式液化石油氣儲罐的要求執行。

經過分析，以上3個設計規范關于全冷凍式液化烴儲罐為金屬單容罐、混凝土雙容罐、混凝土全容罐的固定消防冷卻系統的冷卻部位、保護面積和供水強度均有明確要求，但有差異，且均沒有涉及金屬外壁全容罐的固定消防用水量計算的相關內容。因此在實際工程設計時，LNG金屬外壁全容罐的固定消防用水量到底是參照以上規范中單容罐的要求進行設計，還是參照混凝土全容罐進行設計，還是將兩者要求結合起來進行設計，存在一定爭議。

2.2 廠站設計規范中的消防用水量計算

GB 51156—2015《液化天然氣接收站工程設計規范》和GB 51261—2019《天然氣液化工廠設計標準》均有LNG金屬外壁全容罐固定消防用水量計算的相關內容。

GB 51156—2015第11.2.9條第3款規定：單容罐、雙容罐和外罐為鋼質的全容罐，其消防用水量應按著火罐和距著火罐1.5倍直徑范圍內鄰近罐的固定消防用水量之和計算；著火罐的冷卻面積應為罐頂和罐壁面積，鄰近罐的冷卻面積應為罐頂和半個罐壁面積。罐壁冷卻水供水強度不應小于2.5 L/(min·m2)，罐頂冷卻水供水強度不應小于4 L/(min·m2)。第11.3.3條規定：單容罐、雙容罐和外罐為鋼質的全容罐罐頂和罐壁應設置固定消防冷卻水系統，罐頂平臺重要閥門和設備法蘭接口應設水噴霧噴頭保護。

GB 51261—2019第12.2.6條規定：液化天然氣儲罐的固定消防冷卻用水的設計流量應符合：當儲罐外壁為鋼質時，應按著火罐和距著火罐直徑(臥式罐按其直徑和長度之和的一半)1.5倍范圍內鄰近罐的固定消防用水量之和計算；著火罐的保護范圍應為罐壁表面積和罐頂表面積，鄰近罐的保護范圍應為罐壁表面積的一半和罐頂表面積。著火罐和鄰近罐的罐壁供水強度不應小于2.5 L/(min·m2)，罐頂供水強度不應小于4 L/(min·m2)。

分析發現，以上兩個標準對于LNG金屬外壁全容罐的固定消防用水量、冷卻范圍和冷卻水供水強度的要求均一致。區別在于GB 51156—2015同時要求LNG金屬外壁全容罐的罐頂平臺重要閥門和設備法蘭接口應設水噴霧噴頭保護，GB 51261—2019無此要求。

2.3 計算實例比較

以1臺外罐外直徑為35 m、高度為35.52 m、有效容積為2×104m3的LNG金屬外壁全容罐為例，分別按3種情況計算儲罐的固定消防用水量：只考慮罐頂和罐壁的固定冷卻(稱為方法1)；考慮罐頂、罐壁、罐頂管帶及檢修通道、泵平臺的固定冷卻(稱為方法2)；考慮罐頂和罐壁，同時在罐頂平臺重要閥門和設備法蘭接口設置水噴霧噴頭保護的固定冷卻(稱為方法3)。經計算，該全容罐的罐壁保護面積為3 277 m2，罐頂保護面積為1 071 m2，罐頂管帶及檢修通道保護面積為125 m2，罐頂泵平臺保護面積為53 m2。罐壁供水強度按2.5 L/(min·m2)考慮，罐頂供水強度按4 L/(min·m2)考慮，罐頂管帶及檢修通道供水強度按10.2 L/(min·m2)考慮，泵平臺供水強度按20.4 L/(min·m2)考慮，在罐頂平臺重要閥門和設備法蘭接口按共設置水噴霧噴頭40個考慮。該儲罐固定消防用水量計算結果見表1。

表1 2×104 m3液化天燃氣金屬外壁全容罐不同計算方法下固定消防用水量

根據表1，按6 h滅火時間考慮，方法1對應的消防用水量為4 493 m3，方法2對應的消防用水量為5 342 m3，方法3對應的消防用水量為4 920 m3。

3 結論

通過對GB 50974—2014、GB 50219—2014、GB 50183—2004、GB 51156—2015、GB 51261—2019的條款分析并經過計算實例的比較，筆者認為在城鎮燃氣LNG儲配站設計標準頒布之前，LNG金屬外壁全容罐的固定消防用水量可以參照GB 51156—2015進行設計，這樣既考慮了儲罐固定消防的安全性，也適當減小了消防系統特別是消防水池的建設成本，提高了建站經濟性。主要要求如下。

① 根據儲罐的罐壁和罐頂面積，按著火罐和鄰近罐的保護面積分別進行罐壁消防用水量和罐頂消防用水量的計算。

② 根據計算的罐壁、罐頂消防用水量和所選擇的水噴霧噴頭特性，計算水噴霧噴頭數量。

③ 根據罐壁、罐頂面積和計算得到的噴頭數量布置罐頂和罐壁的水噴霧噴頭；根據罐頂平臺重要閥門和設備法蘭接口的位置布置一定數量的水噴霧噴頭。

④ 根據實際布置的罐頂、罐壁、罐頂平臺重要閥門和設備法蘭接口處的水噴霧噴頭數量和噴頭特性，計算實際的消防用水量，得到儲罐的固定消防用水量。