張偉方
(新煤化工設(shè)計(jì)院(上海)有限公司,上?!?00233)
LNG全冷凍式儲(chǔ)罐區(qū)的消防設(shè)計(jì)方案探討
張偉方
(新煤化工設(shè)計(jì)院(上海)有限公司,上海200233)
結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例,根據(jù)相關(guān)規(guī)范及液化天然氣(LNG)的性質(zhì)特點(diǎn),就LNG全冷凍式儲(chǔ)罐區(qū)的消防設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討,同時(shí)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)在消防設(shè)計(jì)中的作用進(jìn)行了討論。
液化天然氣;全冷凍式儲(chǔ)罐區(qū);消防設(shè)計(jì)
天然氣是一種高效、清潔的能源。為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),改善日益嚴(yán)重的環(huán)境污染狀況,補(bǔ)充短缺的天然氣能源供應(yīng),國(guó)家擬大幅增產(chǎn)和進(jìn)口天然氣[1-2]。我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展的初級(jí)階段,在建設(shè)大型天然氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目,特別是在全冷凍式儲(chǔ)存液化天然氣(LNG)方面的經(jīng)驗(yàn)尚顯不足,沒(méi)有專門適用于LNG儲(chǔ)存的消防設(shè)計(jì)規(guī)范。結(jié)合某煤化工項(xiàng)目工程實(shí)例,參照、比較我國(guó)LNG相關(guān)規(guī)范,本文著重闡述LNG全冷凍式儲(chǔ)罐區(qū)消防設(shè)計(jì)方案的確定,同時(shí)對(duì)主導(dǎo)專業(yè)在消防設(shè)計(jì)中的作用進(jìn)行探討。
1.1LNG物性
本工程儲(chǔ)存的LNG主要物性如表1所示。
1.2LNG危險(xiǎn)性分析
LNG一旦發(fā)生事故泄漏溢出,最初會(huì)猛烈沸騰,然后蒸發(fā)速率將迅速衰減至一個(gè)固定值。蒸發(fā)的氣體快速向周圍擴(kuò)散,因大量吸熱使周圍空氣溫度降低,大氣中水蒸氣冷凝成為霧。天然氣與空氣形成可燃?xì)怏w混合物的“霧”云,當(dāng)“霧”云中天然氣體積分?jǐn)?shù)在5%~15%時(shí)就可能被引燃和引爆。
表1 LNG主要物性Tab.1 Main physica1 properties of LNG
如果泄漏溢出發(fā)生在水上時(shí),LNG的密度比水小,因此LNG浮在水面上,由于水和LNG間有非常高的熱傳遞速率,水與LNG間的接觸面激烈地蒸發(fā),就會(huì)發(fā)生快速相變現(xiàn)象,盡管不發(fā)生燃燒,但這種現(xiàn)象具有爆炸的所有其它特征。
本罐區(qū)為煤化工項(xiàng)目的配套設(shè)施,LNG全冷凍式儲(chǔ)罐區(qū)包括2臺(tái)公稱容積為1 500 m3的單防罐(罐體D=12.4 m,H=12.52 m),由內(nèi)罐和外罐組成,內(nèi)罐主要材質(zhì)為奧氏體耐低溫不銹鋼(S30408),外罐材料為Q345R。內(nèi)外罐之間填充絕熱材料珠光砂+氮?dú)?,絕熱層厚度達(dá)1.2 m,LNG儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)有防火堤,內(nèi)設(shè)集液池。
目前我國(guó)防火規(guī)范中針對(duì)天然氣工程僅有GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》,尚無(wú)專門適用于LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和使用方面的消防標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,因此LNG全冷凍式儲(chǔ)罐區(qū)的消防設(shè)計(jì)大都參考國(guó)內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定,在此對(duì)相關(guān)規(guī)范的適用性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,并給出LNG工程的適用規(guī)范。
3.1GB/T 20368—2012《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》
本規(guī)范是等同翻譯美國(guó)防火協(xié)會(huì)的NFPA 59A Standard for the Production,Storage,and Handling of Liquefied Natural Gas(LNG)(2013版)。雖然適用于LNG儲(chǔ)罐(除凍土地下罐)的設(shè)計(jì)、施工和操作等方面,但規(guī)范中消防設(shè)計(jì)的部分理念與我國(guó)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范存在較大差異,特別在消防用水量、供水范圍、供給強(qiáng)度等方面沒(méi)有具體規(guī)定,而是要根據(jù)LNG設(shè)施的規(guī)模、設(shè)施、當(dāng)?shù)貤l件等進(jìn)行火災(zāi)危險(xiǎn)分析,識(shí)別可能發(fā)生的主要火災(zāi)危險(xiǎn)事故,然后確定可能發(fā)生的火災(zāi)規(guī)模和影響范圍,針對(duì)每種火災(zāi)事故分別確定需要同時(shí)使用的消防設(shè)施和所需水量,并將可能發(fā)生的最不利火災(zāi)事故所需的消防水量作為消防設(shè)計(jì)水量。因此在設(shè)計(jì)執(zhí)行中有一定難度。
規(guī)范中僅有的明確性條款為12.4.2條:“消防水系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)向包括消防水炮的固定消防設(shè)施供水,應(yīng)按廠區(qū)一次最大預(yù)期火災(zāi)的設(shè)計(jì)用水量和壓力,并加上裕量63 L/s(1 000 ga1/min)進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)于移動(dòng)式水槍的延續(xù)供水時(shí)間,不能少于2小時(shí)”[3]。此“設(shè)計(jì)用水量”亦為評(píng)價(jià)得出。
本規(guī)范由于消防措施的設(shè)置是基于“評(píng)價(jià)”設(shè)置,國(guó)內(nèi)消防設(shè)計(jì)時(shí),缺乏具體的可操作性,但可參考其消防理念。
3.2GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》
該規(guī)范適用于LNG供氣站和小型天然氣液化站的工程設(shè)計(jì),其消防及安全設(shè)計(jì)規(guī)定主要秉承NFPA 59A的理念,即進(jìn)行安全評(píng)價(jià)后確定消防設(shè)計(jì)方案。同時(shí)借鑒了我國(guó)相關(guān)規(guī)范如GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》等經(jīng)驗(yàn),有一定的參考性,但對(duì)于消防用水量、供水范圍、供給強(qiáng)度等方面的規(guī)定也是語(yǔ)焉不詳。
對(duì)于本罐區(qū)消防設(shè)計(jì)值得參考的條文是:①規(guī)范10.4.5條:“儲(chǔ)存總?cè)萘看笥诨虻扔?65m3的液化天然氣罐組應(yīng)設(shè)固定供水系統(tǒng)”,“固定消防水系統(tǒng)的消防水量考慮200 m3/h的余量”;②規(guī)范10.4.6條:“液化天然氣儲(chǔ)罐總?cè)萘看笥诨虻扔? 000 m3的站場(chǎng),集液池應(yīng)配固定式全淹沒(méi)高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)”;③規(guī)范10.4.7條:“液化天然氣儲(chǔ)罐通向大氣的安全閥出口管應(yīng)設(shè)置固定干粉滅火系統(tǒng)”[4]。
雖然有關(guān)LNG儲(chǔ)罐消防用水量、供水范圍、供給強(qiáng)度等方面在第10章“液化天然氣站場(chǎng)”中沒(méi)有規(guī)定,但在第8章中對(duì)全冷凍式液化石油氣固定消防冷卻水供給有明確規(guī)定,且與GB 50160—2008中全冷凍式液化烴儲(chǔ)罐消防冷卻水強(qiáng)度有所不同。
GB50183—2004修訂討論稿中已經(jīng)對(duì)上述問(wèn)題有了明確規(guī)定,同時(shí)調(diào)整了噴水強(qiáng)度,與GB50160—2008一致,給設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多可執(zhí)行的規(guī)定。
目前消防設(shè)計(jì)及消防審查時(shí),大都以此規(guī)范為主要依據(jù)進(jìn)行LNG工廠及儲(chǔ)罐的消防設(shè)計(jì)和審查。
3.3GB/T 22724—2008《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)》
GB/T 22724—2008《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)》修改自EN 1473∶1997 Installation and equipment for liquefied natural gas。從附錄B列舉的兩者技術(shù)差異及其原因來(lái)看,對(duì)于EN 1473的采用特別是有關(guān)消防的條款并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性修改。
本規(guī)范中消防設(shè)計(jì)雖然從消防水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)以及干粉系統(tǒng)等方面作了比較詳細(xì)的闡述和規(guī)定,但和其它國(guó)外規(guī)范存在相同的問(wèn)題:一些消防系統(tǒng)的設(shè)置程度仍然是依賴項(xiàng)目的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。
(1)消防水系統(tǒng)。規(guī)定的供水“應(yīng)提供不小于在一次最大預(yù)期火災(zāi)中消防系統(tǒng)所需的流量加上余量100 L/s,對(duì)移動(dòng)式水槍時(shí)間不少于2 h”[5]。
(2)噴淋系統(tǒng)。強(qiáng)調(diào)LNG火災(zāi)不能用水來(lái)控制和撲滅,LNG與水接觸后,氣化速度加快,燃燒速度增加,對(duì)火災(zāi)控制產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,噴淋水主要用來(lái)冷卻儲(chǔ)罐及設(shè)備,減少儲(chǔ)罐和設(shè)備受到熱輻射的影響?!霸O(shè)備冷卻的重要性及所需的水量取決于危險(xiǎn)評(píng)價(jià)”[5]。
(3)水幕系統(tǒng)?!叭绻ㄟ^(guò)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)證明水幕系統(tǒng)有效,則應(yīng)考慮使用水幕系統(tǒng)”?!笆褂盟坏哪康氖菫榱丝焖俳档蚅NG氣團(tuán)的氣體濃度,使之低于空氣中該氣體的燃點(diǎn)”?!八粦?yīng)盡可能地靠近LNG可能溢出和聚積的區(qū)域”?!肮┧畯?qiáng)度宜為70 L/(min·m)”[5]。
(4)泡沫系統(tǒng)?!癓NG發(fā)生泄漏及燃燒后,可用消防泡沫來(lái)減少火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射及降低LNG的氣化率”?!癓NG的攔蓄區(qū)和集液池應(yīng)配泡沫發(fā)生器”[5]。
(5)干粉系統(tǒng)。“依據(jù)危險(xiǎn)評(píng)價(jià),應(yīng)在LNG站場(chǎng)的裝卸區(qū)、泵區(qū)、BOG壓縮機(jī)、汽化器等可能泄漏處安裝干粉滅火系統(tǒng)”。干粉一般應(yīng)為碳酸氫鈉型或碳酸氫鉀型,并與泡沫滅火配套聯(lián)用[5]。
本規(guī)范屬于EN(歐洲標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)體系,與上述GB/T 20368—2012一樣,由于消防措施的設(shè)置是基于“評(píng)價(jià)”設(shè)置,國(guó)內(nèi)消防設(shè)計(jì)時(shí),缺乏具體的可操作性,但可參考其消防理念。
3.4GB/T 19204—2003《液化天然氣的一般特性》
本規(guī)范側(cè)重介紹LNG的物性和一般特性,簡(jiǎn)要提及LNG火災(zāi)的預(yù)防和保護(hù),即推薦使用干粉(最好是碳酸鉀)滅火器處理LNG失火;高倍數(shù)泡沫材料可用于覆蓋LNG池火并能極大地降低其輻射作用;水不可用于撲滅LNG火災(zāi),消防水可用于冷卻或產(chǎn)生泡沫[6]。
有關(guān)LNG火災(zāi)的預(yù)防和保護(hù)的設(shè)計(jì),應(yīng)遵守EN1473(即GB/T 22724—2008)的規(guī)定。
3.5GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》
新建、改擴(kuò)建石油化工工程的防火設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵守本規(guī)范。以煤為原料的煤化工工程,除煤的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、處理等以外,后續(xù)加工過(guò)程與石油化工相同,可參照?qǐng)?zhí)行本規(guī)范。術(shù)語(yǔ)中“液化烴”的定義注明不包括LNG,貌似LNG不適用于本規(guī)范。但對(duì)比本規(guī)范中“液化烴(甲A)”與GB 50183—2004中“LNG(甲A)”的定義,可以發(fā)現(xiàn),二者對(duì)于 “液態(tài)烴”的定義條件不同(即不同的溫度和壓力),基于此,本規(guī)范中“液態(tài)烴”的定義不包括LNG是正確的。經(jīng)過(guò)以上對(duì)LNG物性的分析,筆者認(rèn)為,全冷凍式LNG罐區(qū)消防設(shè)計(jì)可以參照本規(guī)范中關(guān)于“全冷凍式液化烴儲(chǔ)罐”的相關(guān)規(guī)定,并在消防裕量和移動(dòng)式消防水量方面針對(duì)LNG作局部調(diào)整[7]。
3.6GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》
本規(guī)范的“液化天然氣供應(yīng)”中規(guī)定,本章適用于液化天然氣總儲(chǔ)存容積不大于2 000 m3的城鎮(zhèn)化天然氣供應(yīng)站工程設(shè)計(jì)[8]。因此該規(guī)范不作為本罐區(qū)消防設(shè)計(jì)的重要參考。
由于目前我國(guó)LNG方面的消防安全評(píng)價(jià)技術(shù)和評(píng)價(jià)體系等尚未成熟,無(wú)法借鑒國(guó)際上LNG項(xiàng)目所設(shè)置的消防設(shè)施根據(jù)消防安全評(píng)價(jià)的方法來(lái)確定?,F(xiàn)階段,本工程結(jié)合LNG的物性、危險(xiǎn)性特征及工程規(guī)模等,根據(jù)以上對(duì)相關(guān)規(guī)范的分析,確定了LNG全冷凍式罐區(qū)的消防設(shè)計(jì)方案。
4.1消防噴淋冷卻系統(tǒng)
LNG火災(zāi)不能用水來(lái)控制和撲滅,因此,消防給水主要用來(lái)噴淋冷卻儲(chǔ)罐,減少儲(chǔ)罐受到熱輻射的影響。
4.1.1設(shè)計(jì)原則
(1)儲(chǔ)罐所需的消防冷卻水由廠區(qū)消防泵房、消防水池及穩(wěn)高壓消防給水管網(wǎng)提供,管網(wǎng)采用Φ 406 mm×10 mm的管道。
(2)儲(chǔ)罐設(shè)置固定式和移動(dòng)式消防冷卻水系統(tǒng),固定式消防冷卻水系統(tǒng)采用水噴淋、水炮型式。
(3)消防冷卻用水量按著火罐和距著火罐1.5倍直徑范圍內(nèi)鄰近罐的固定消防冷卻用水量及移動(dòng)消防冷卻用水量之和計(jì)算[7]。
(4)罐頂冷卻水供給強(qiáng)度為4 L/(min·m2);罐壁冷卻水供給強(qiáng)度為2.5 L/(min·m2),鄰近罐冷卻面積按半個(gè)罐壁考慮[7]。
(5)固定消防水系統(tǒng)的消防水量考慮200 m3/h的余量[4]。
(6)移動(dòng)式消防冷卻水量按45 L/s(162 m3/h)考慮[4]。
(7)火災(zāi)延續(xù)時(shí)間按6 h計(jì)算[7]。
4.1.2消防水量確定
根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則,LNG儲(chǔ)罐區(qū)的消防冷卻用水量計(jì)算結(jié)果如表2所示。
表2 LNG儲(chǔ)罐區(qū)的消防冷卻用水量Tab.2 Quantity of fire coo1ing water for LNG tank farm
因此,6 h的消防冷卻水量為3 666 m3。
4.1.3消防水炮的設(shè)置
參照GB 50160—2008相關(guān)規(guī)定,全冷凍式液化烴儲(chǔ)罐四周應(yīng)設(shè)置固定水炮。
4.1.4移動(dòng)式消防冷卻水
在防火堤外的穩(wěn)高壓消防系統(tǒng)水環(huán)網(wǎng)上每隔60 m左右設(shè)置1套室外消火栓,環(huán)狀管網(wǎng)上設(shè)置若干分隔閥門,確保每段消火栓的數(shù)量不超過(guò)5個(gè)。參考相關(guān)規(guī)范,移動(dòng)式消防冷卻水量按162 m3/h考慮。
4.2泡沫滅火系統(tǒng)
LNG集液坑設(shè)置高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)。
高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)的設(shè)置目的是迅速覆蓋整個(gè)集液池,隔斷LNG與大氣接觸,控制泄漏到集液池內(nèi)的LNG揮發(fā)及發(fā)生流淌火災(zāi)。
設(shè)計(jì)泡沫混合液供給強(qiáng)度為7.2 L/(min·m2),泡沫混合液的供給時(shí)間為40min。泡沫原液選用3%的高倍數(shù)原液,選用發(fā)泡倍數(shù)為500倍的泡沫發(fā)生器,額定流量為4 L/s。
高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式,集液池設(shè)置3個(gè)低溫探測(cè)器,當(dāng)有2個(gè)低溫探測(cè)器探測(cè)到有LNG泄漏或火焰探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)后,由火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng),向集液池內(nèi)噴射泡沫混合液。
4.3干粉滅火系統(tǒng)
LNG儲(chǔ)罐通向大氣的安全閥出口處設(shè)置固定式干粉滅火系統(tǒng),用于撲救該處的火災(zāi)。系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式,設(shè)置100%的干粉備用量。
4.4移動(dòng)式滅火器材
LNG罐區(qū)內(nèi)每臺(tái)儲(chǔ)罐配置2具50kg,2具8kg的BC類干粉滅火器;在BOG壓縮機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置1具50kg,2具8kg的BC類干粉滅火器,以保證迅速有效地?fù)錅绯跗诨馂?zāi)和零星火災(zāi)。
實(shí)際上,LNG區(qū)別于其它大多數(shù)石油化工品的一個(gè)重要特性,是其溢出與水接觸后的快速相變,不利于對(duì)事故的控制和處置,LNG全冷凍式儲(chǔ)罐區(qū)消防設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何在火災(zāi)時(shí)避免LNG溢出物與消防冷卻水接觸。因此,儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)在儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)備布置時(shí)需要考慮該因素,與消防專業(yè)一起完成全冷凍式LNG儲(chǔ)罐區(qū)的消防設(shè)計(jì)。
目前我國(guó)尚沒(méi)有專門適用于全冷凍式LNG儲(chǔ)存的消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,另一方面,由于全冷凍式LNG儲(chǔ)罐罐型選擇不一樣,其消防水量也有很大差別。因此,全冷凍式LNG儲(chǔ)運(yùn)方面的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡可能借鑒國(guó)外的設(shè)計(jì)理念,以GB 50183—2004中LNG相關(guān)消防設(shè)計(jì)規(guī)定為主,并參照GB 50160—2008關(guān)于“全冷凍式液化烴儲(chǔ)罐”的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,以使消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
[1]國(guó)家發(fā)改委.天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃[R].北京:國(guó)家發(fā)改委,2012.
[2]通用電氣公司.中國(guó)的天然氣時(shí)代:能源發(fā)展的創(chuàng)新與變革[R].北京:通用電氣公司,2013.
[3]全國(guó)石油天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)液化天然氣分技術(shù)委員會(huì).液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn):GB/T 20368—2012[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.
[4]中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司,中華人民共和國(guó)公安部.石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB 50183—2004[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2005.
[5]全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計(jì):GB/T 22724—2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.
[6]全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).液化天然氣的一般特性:GB/ T 19204—2003[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.
[7]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB 50160—2008[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.
[8]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50028—2006[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.
Discussion on design scheme of fire protection for LNG tank farm with perfect refrigeration
ZHANG Wei-fang
(Innovative Coal Chemical Design Institute(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)
Based on the practica1 engineering design projects,the design scheme of fire protection for 1iquefied natura1 gas(LNG)tank farm with perfect refrigeration was discussed according to the re1evant standards and characteristics of LNG;meanwhi1e,the ro1e of storage and transportation in fire protection design was discussed.
1iquefied natura1 gas;tank farm with perfect refrigeration;fire-fighting design
TU998.1
A
1009-2455(2016)03-0070-04
張偉方(1982-),女,上海人,工程師,碩士研究生,主要從事給排水、消防設(shè)計(jì)工作,(電話)021-34289000(電子信箱)zhangweifang@iccdi.com.cn。
2016-03-01(修回稿)