基于FSA的相鄰罐消防冷卻水系統設計探討

張祎達 孫龍珠 連廣宇

中國石油工程建設有限公司北京設計分公司

油田站場罐區具有物料存量大、火災危險性較高等特點，因此罐區消防冷卻系統是油田站場消防設計重點，著火罐常為固定式/半固定式冷卻噴淋系統[1-3]。對于相鄰罐如何確定固定式冷卻噴淋系統、冷卻噴淋強度及面積，國內外做法有明顯區別，本文重點圍繞上述問題，通過總結國內外標準的不同及國際慣例做法，借助火災安全分析（FAS）結論，按不同火災工況下相鄰罐壁接收的熱輻射強度對相鄰罐消防冷卻系統設計進行復核，以判定消防冷卻方案的完整性。

1 相鄰罐消防冷卻保護確定

罐區消防冷卻水系統設計首要任務是確定儲罐消防冷卻水形式選擇。相鄰罐采用固定式消防冷卻系統的確定，通常為衡量罐壁之間間距是否大于N倍罐直徑，如法國道達爾石油標準按1.25倍，我國標準按1.5 倍，科威特石油標準按3 倍。對于國內外標準，在相鄰罐采用固定式消防冷卻系統冷卻噴淋強度及面積對比[4-6]如表1所示。

在某些國際標準中，更多借助火災安全風險分析確定消防冷卻水系統方案，通過罐表面受到熱輻射強度來確定相鄰罐的冷卻范圍，比如荷蘭殼牌石油標準要求熱輻射強度超過8 kW/m2則需消防冷卻，但可采用移動式消防冷卻水系統，超過32 kW/m2則需固定式消防冷卻系統；科威特石油標準要求超過12.5 kW/m2則需固定式消防冷卻系統。對于著火罐而言，罐體表面熱輻射強度必然超過標準的限值，需采用固定式消防冷卻水系統降溫是可以理解的，而對于相鄰罐消防冷卻水系統如何選擇，更適用于熱輻射強度來評判。

在美國石油協會API 521—2014 標準中，對熱輻射造成人體和設備結構的影響如表2 所示，其中熱輻射的影響已包含太陽輻射熱。

表2 熱輻射的影響結果Tab.2 Effects of thermal radiation

一般情況下，鋼制設備暴露在熱輻射強度12.5 kW/m2及以下時，不需額外防火保護設計，在此熱通量水平下，金屬表面溫度約至300 ℃左右，不會危及其性能完整性；熱輻射強度在12.5 kW/m2至37.5 kW/m2之間，則需要采取一定防火保護設計（如消防冷卻、擴大設備間距、增加防火涂料等），否則可能火勢擴大；熱輻射強度在37.5 kW/m2以上，鋼制設備將很快超過臨界金屬溫度400 ℃，從而導致設備性能快速降低，火災會進一步擴大和升級。綜上，國際項目通常按熱輻射強度8～12.5 kW/m2設置移動式消防冷卻系統，超過12.5 kW/m2設固定式消防冷卻系統保護。

2 火災安全分析應用

某海外油田項目，罐區儲罐直徑46 m，高度20 m，罐間距設計大于著火罐1.5倍直徑范圍，1座儲罐固定式冷卻噴淋水量為600 m3/h，1 個消火栓輔助消防冷卻設計流量考慮55 m3/h，1 個消防炮輔助消防冷卻設計流量考慮110 m3/h。設計方案中罐區消防冷卻水最大用量考慮1 座著火罐固定式冷卻噴淋水量+輔助消防冷卻量（4個消火栓用量）[7-10]，不考慮相鄰罐冷卻噴淋，共820 m3/h。

結合以上案例，借助火災安全風險分析方法，利用DNV PHAST 軟件對罐區設施建模，計算熱輻射影響范圍，校核設備安全間距、消防冷卻方案和相鄰罐冷卻設計等。首先，根據罐區物料特性及工藝流程，對罐區開展事故樹分析（圖1），確定有兩種火災工況會發生，即工況1 儲罐泄漏產生液池火；工況2 罐區管廊泄漏產生噴射火。分別對這兩種工況在主風向和任意風向進行模擬計算，按國際上認可的熱輻射強度12.5 kW/m2作為影響范圍參考值，計算結果如圖2、圖3所示。

圖1 罐區儲罐泄漏事故樹分析Fig.1 Fault tree analysis of tank leakage in tank farm

圖2 罐區儲罐泄漏產生液池火熱輻射影響范圍計算Fig.2 Calculation of the thermal radiation influence range of liquid pool fire caused by tank leakage in the tank farm

圖3 罐區管廊泄漏產生噴射火熱輻射影響范圍計算Fig.3 Calculation of the thermal radiation influence range of jet fire caused by pipeline gallery leakage in the tank farm

工況1根據計算結果發現：

（1）在主風向下，熱輻射強度12.5 kW/m2影響范圍覆蓋部分靠近圍堰的道路，此區域布置的雨淋閥、手/電動閥、消防栓/炮等需考慮重新布置位置，若位置不便于調整，則需考慮增加防火保護措施如防護墻、防火涂料等；在非主風向下，熱輻射強度12.5 kW/m2影響范圍覆蓋部分廠區道路及罐區管廊帶，此時需考慮事故發生頻率的高低，若在業主可接受風險水平下，則可不考慮該區域防火保護措施，但最終確定是由業主來決定。

（2）在任意風向下，相鄰罐組均在熱輻射強度12.5 kW/m2影響范圍之外，從熱輻射影響角度校核罐安全間距滿足要求，相鄰罐無需冷卻噴淋系統設計。

（3）工況1 的罐區消防冷卻水最大用量考慮1 座著火罐固定式冷卻噴淋水量+輔助消防冷卻量（4 個消火栓用量），不考慮相鄰罐冷卻噴淋，最終為820 m3/h。

工況2根據計算結果發現：

（1）在主風向下，熱輻射強度12.5 kW/m2影響范圍集中在儲罐圍堰內，未覆蓋到路側消防栓/炮，則路側消防栓/炮不需考慮防火保護措施；在非主風向下，熱輻射強度12.5 kW/m2影響范圍覆蓋部分廠區道路及罐區管廊帶，此時需考慮事故發生頻率的高低，若在業主可接受風險水平下，則可不考慮該區域防火保護措施，但最終確定是由業主來決定。

（2）在任意風向下，熱輻射強度12.5 kW/m2影響范圍最多同時覆蓋1 座相鄰罐表面，考慮噴射火的方向性，按1座儲罐1/2表面冷卻噴淋。

（3）由于工況2 為噴射火工況，這樣具有高輻射強度的撞擊火焰對相鄰罐的熱沖擊非常大，罐表面冷卻噴淋水會被干擾和衰減，此時需采用消防炮提高受火部位的噴淋強度，因此，輔助消防冷卻設計流量應額外考慮2 個消防炮對罐表面的保護，工況2的罐區消防冷卻水最大用量考慮1座儲罐1/2表面固定式冷卻噴淋水量+輔助消防冷卻量（4 個消火栓+2個消防炮用量），最終為740 m3/h。

通過以上兩個工況對比，工況1 為罐區消防冷卻水最大用量，原設計方案無需調整。

3 結束語

（1）對于相鄰罐固定式消防冷卻系統界定，國內外均有采用罐壁之間間距是否大于1.25～3倍罐直徑來確定，國際上也有通過熱輻射強度超過12.5 kW/m2為設計固定式消防冷卻系統，火災安全分析通過熱輻射強度來量化消防冷卻水形式選擇，國際上以熱輻射強度8～12.5 kW/m2設置移動式消防冷卻系統，超過12.5 kW/m2為設計固定式消防冷卻系統，對于相鄰罐消防冷卻水系統選擇，更適用于熱輻射強度來評判。

（2）對于相鄰罐消防冷卻保護，總體趨勢為我國標準體現冷卻噴淋強度低，罐壁冷卻面積大；國際標準體現冷卻噴淋強度高，罐壁冷卻面積小，考慮罐壁上半部分氣相空間冷卻，針對固定頂油罐，國際標準還包括罐頂面積冷卻。

海外油田結合項目合同要求特點，通常優先執行國際標準，對于其要求不清晰之處，可采用中國標準有效補充，同時開展火災安全分析復核消防系統設計方案，通過以上對消防冷卻系統設計和分析，可為其他海外項目消防設計提供參考。