蔣慧靈，蔣云濤，吳劍付，張飛飛，曾明輝

(1.武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000； 2.漳州市公安消防支隊，福建 漳州 363000； 3.銅川市公安消防支隊，陜西 銅川 727000； 4.福州市公安消防支隊，福建 福州 350000)

0 引言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，我國對石油的需求不斷增加，大型油庫越建越多，規(guī)模越來越大。截止到2015年，我國已建成8個國家石油儲備基地，總儲備庫容2 860×104m3，總儲備原油2 610萬噸?？紤]到原油儲運問題，這些大型油庫大多分布在雷電活動頻率高的南方及南方沿海地區(qū)。并且，外浮頂結(jié)構(gòu)的原油儲罐本身就存在火災(zāi)隱患，主要原因是浮盤與罐壁之間的密封圈為兩個密封結(jié)構(gòu)所組成，下部的為一次密封，主要以軟密封或機械密封為主，上部的為二次密封,主要有滑板安裝和邊緣安裝兩種形式。儲罐由于施工誤差和浮盤移動等原因的影響，造成一次密封與罐壁間存在間隙，二次密封因為彈力作用與罐壁緊密貼合，從而使油氣存儲于一、二次密封圈內(nèi)，形成油氣混合物[1]。一旦遭遇雷擊，因在罐壁和浮盤間存在電位差，易在間隙發(fā)生放電。

表1是近年國內(nèi)外發(fā)生的大型外浮頂罐火災(zāi)事故，從表中可以看出，事故都是由雷擊引起的，絕大多數(shù)都發(fā)生在一、二次密封圈[1-2]。

表1 近年國內(nèi)外發(fā)生的大型外浮頂罐火災(zāi)事故

目前，針對大型外浮頂罐雷電火災(zāi)，采取的措施主要有雷電預(yù)警系統(tǒng)和消防自動控制系統(tǒng)，但是兩者之間相互獨立，各自對油罐區(qū)進行保護，不能形成有效的聯(lián)動機制，并且消防自動控制系統(tǒng)中未能接入可燃氣體探測報警信號，不能提前采取有效的預(yù)警措施。本文提出大型外浮頂罐充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)設(shè)計這一課題，通過可燃油氣探測器、氧氣探測器、火焰探測器、光纖感溫火災(zāi)探測器、閃電定位儀和地面電場儀等設(shè)備對油罐區(qū)進行實時監(jiān)測，根據(jù)報警情況，采用對一、二次密封圈實施充氮保護的方式，開發(fā)合理的聯(lián)動控制程序，降低一、二次密封圈的油氣濃度，抑制火災(zāi)發(fā)生。

1 大型外浮頂罐充氮保護系統(tǒng)原理與組成

1.1 充氮保護系統(tǒng)原理

充氮保護系統(tǒng)選用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氮氣作為惰化氣體，氮氣不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，價格低廉，生產(chǎn)工藝簡單，可以廣泛應(yīng)用于隔離、阻燃、防爆等方面。經(jīng)過近些年的探索，充氮保護技術(shù)廣泛應(yīng)用于固定頂罐和內(nèi)浮頂罐，但由于外浮頂罐一、二次密封圈密封性能不佳，充氮保護很少應(yīng)用于外浮頂罐。然而，曾明輝、張飛飛等通過大量試驗研究證明，外浮頂罐采用充氮保護在技術(shù)上是可行的，并且設(shè)計了充氮保護系統(tǒng)[1-5]。

充氮保護系統(tǒng)的滅火原理主要是向密封圈內(nèi)充入氮氣，將密封圈空間內(nèi)的油氣混合物排擠出來，使密封圈內(nèi)油氣混合物濃度降低，氧化反應(yīng)速率降低，使燃燒不再擴大，同時還可有效防止硫化物“自燃”。因此，在外浮頂罐上安裝惰性氣體釋放裝置，使用氮氣通入，可有效提高外浮頂罐的雷電防護能力，從而實現(xiàn)主動防雷和防火。

1.2 充氮保護系統(tǒng)組成

充氮保護系統(tǒng)以同一個防火堤內(nèi)的4個外浮頂罐為一組，充氮保護系統(tǒng)的成組管網(wǎng)布置如圖1所示。氮氣充入管網(wǎng)、油氣回收管網(wǎng)布置在浮盤上。隨著儲罐的進出油，浮盤會上浮下移，為了保證油氣回收管網(wǎng)和充氮管網(wǎng)的正常使用，本系統(tǒng)采用鍍鋅鋼管，充氮管網(wǎng)立管在自動扶梯頂部處、沿浮梯下到浮盤的底部處以及浮盤上的各個連接點均設(shè)置了能轉(zhuǎn)動的曲臂結(jié)構(gòu)，上下兩個曲臂結(jié)構(gòu)能夠使油氣回收干管和充氮干管上下轉(zhuǎn)動。浮盤上的曲臂結(jié)構(gòu)為柱狀結(jié)構(gòu)，底部接萬向輪，能使連接的充氮干管和油氣回收干管左右轉(zhuǎn)動，保證了充氮管網(wǎng)隨浮盤的升降調(diào)整水平相對位置。單罐充氮系統(tǒng)管網(wǎng)布置如圖2所示。按照課題組之前的試驗結(jié)果，以10×104m3外浮頂罐的罐區(qū)為例，該罐直徑80 m，高21.8 m，充氮干管和油氣回收干管、充氮環(huán)管和油氣回收環(huán)管、充氮支管和油氣回收支管的管徑可以分別設(shè)計為110 mm、80 mm和14 mm，進、出氣孔的截面直徑為14 mm[3-4]。

圖1 罐區(qū)充氮保護系統(tǒng)組成圖

圖2 外浮頂罐充氮管網(wǎng)布置俯視圖及曲臂結(jié)構(gòu)位置

此外，閃電定位儀、地面電場儀分別設(shè)置在油罐區(qū)內(nèi)，整個罐區(qū)共用1個閃電定位儀和1個地面電場儀。氮氣機房和油氣回收機房合用設(shè)置，并與控制室設(shè)置于防火堤外。

火焰探測器設(shè)置在罐頂環(huán)形通道防護欄的DN50立柱上，根據(jù)每個火焰探測器的探測周長和罐的直徑可確定火焰探測器的數(shù)量為4個。光纖光柵感溫火災(zāi)探測器沿著二次密封上檐，可以每隔3 m設(shè)置一個光柵節(jié)，需要安裝86個光柵節(jié)?？紤]在一、二次密封圈增加用電設(shè)備會增加火災(zāi)風(fēng)險，系統(tǒng)將可燃油氣探測器、氧氣探測器設(shè)置在防火堤外的充氮機房中，利用吸氣泵和管線實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。根據(jù)《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》(GB 50493—2009)和國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，可燃氣體探測器水平設(shè)置間距為25 m，設(shè)置在與一次密封圈垂直距離0.3 m處；氧氣探測器在充氮干管和充氮環(huán)管交點處每側(cè)各設(shè)置2個，距離分別為距交點四分之一周長和三分之一周長處，垂直方向上設(shè)置在與一次密封圈垂直距離0.3 m處。每個可燃氣體探測器和氧氣探測器分別對應(yīng)一條探測管線，每個外浮頂罐設(shè)置10條可燃氣體探測管線，4條氧氣探測管線。氣體濃度預(yù)警系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 可燃油氣、氧氣探測管線的布置俯視圖

2 充氮保護系統(tǒng)的聯(lián)動控制設(shè)計

2.1 充氮保護聯(lián)動控制設(shè)計原理

充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)的設(shè)計原理如圖4所示。火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、雷電預(yù)警系統(tǒng)將監(jiān)測到的相關(guān)參數(shù)分別傳輸至充氮聯(lián)動控制器，充氮聯(lián)動控制器對得到的數(shù)據(jù)進行處理分析，當(dāng)滿足系統(tǒng)邏輯動作條件時，聲光報警裝置、充氮保護系統(tǒng)和油氣回收系統(tǒng)會同時啟動。由于一、二次密封圈內(nèi)充入氮氣，因此氧氣濃度會逐漸降低，當(dāng)氧氣探測器監(jiān)測到的氧氣濃度達到設(shè)定的停止閾值時，聲光報警裝置、充氮保護系統(tǒng)和油氣回收系統(tǒng)會同時停止。同時，充氮聯(lián)動控制器上會顯示關(guān)鍵參數(shù)、充氮及油氣回收系統(tǒng)的啟停信號和聲光報警信號等，從而實現(xiàn)外浮頂罐的防雷保護、預(yù)防火災(zāi)的目的。

圖4 充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2.2 充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)動作閾值設(shè)計

2.2.1 氣體報警系統(tǒng)的動作閾值設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，結(jié)合外浮頂罐的結(jié)構(gòu)特點，可燃氣體爆炸下限的80%作為可燃油氣報警閾值。充氮停泵的動作依據(jù)是油氣的安全氧濃度，當(dāng)氧氣濃度低于安全氧濃度值時，無論油氣的濃度是多少，油氣都不會被引燃。為確保氧氣濃度充分降低，可以將油氣安全氧濃度10%的90%設(shè)定為氧氣濃度閾值[3-4]，因此，將原油揮發(fā)氣體的氧氣濃度閾值9%設(shè)定為停泵的動作依據(jù)。

2.2.2 閃電距離和地面場強閾值設(shè)計

在雷電預(yù)警系統(tǒng)中，閃電定位儀測定閃電距離，地面電場儀測定地面電場強度。閃電距離和地面電場強度結(jié)合起來作為充氮聯(lián)動控制器啟動充氮系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)和聲光報警裝置的判斷依據(jù)。當(dāng)閃電距離或地面電場強度達到設(shè)定的預(yù)警閾值時，雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號。

對于雷電的預(yù)警，不論是閃電定位儀還是地面電場儀，預(yù)警均分為四個級別。閃電距離的預(yù)警級別為：大于30 km、20～30 km、10～20 km、小于10 km[1]。閃電距離越小，說明雷電發(fā)生在該區(qū)域的概率越大。地面電場強度的預(yù)警級別為：小于2 kV·m-1、2～4 kV·m-1、4～7 kV·m-1[1]、大于7 kV·m-1。地面電場強度越大，說明雷電發(fā)生在該區(qū)域的概率越大。

從雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號到雷電的發(fā)生，這個過程一般需要60～90 min。結(jié)合實際工程情況和本系統(tǒng)的邏輯動作方式，將閃電距離預(yù)警閾值設(shè)定為30 km，當(dāng)閃電距離小于30 km時，雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號；將地面場強預(yù)警閾值設(shè)定為2 kV·m-1，當(dāng)?shù)孛鎴鰪姶笥? kV·m-1時，雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號。

2.3 充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)的動作程序設(shè)計

通過分析探測器與明火火災(zāi)、雷擊火災(zāi)、熱輻射火災(zāi)發(fā)展過程的對應(yīng)關(guān)系，參考國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，結(jié)合實際工程情況，確定本課題大型外浮頂罐充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)的邏輯動作方式如表2和圖5所示[5]。

從表2和圖5可以看出大型外浮頂罐充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)的邏輯動作方式可歸納為以下兩種：(1)當(dāng)可燃油氣探測器監(jiān)測到一、二次密封圈某處的可燃油氣濃度達到預(yù)警閾值，距離該處最近的火焰探測器和光纖感溫火災(zāi)探測器同時報警，則認定發(fā)生明火或者熱輻射火災(zāi)，聲光報警、充氮保護系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)同時啟動。由于一、二次密封圈內(nèi)充入惰性氣體氮氣，因此氧氣濃度會逐漸下降，當(dāng)氧氣探測器監(jiān)測到的氧氣濃度達到設(shè)定的停止閾值時，聲光報警、充氮保護系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)同時停止。(2)當(dāng)可燃油氣探測器監(jiān)測到一、二次密封圈某處的可燃油氣濃度達到預(yù)警閾值，罐區(qū)內(nèi)的閃電定位儀或者地面電場儀發(fā)出雷電預(yù)警信號，那么認定將要發(fā)生雷擊火災(zāi)，聲光報警、充氮保護系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)同時啟動。由于一、二次密封圈內(nèi)充入惰性氣體氮氣，因此氧氣濃度會逐漸下降，當(dāng)氧氣探測器監(jiān)測到的氧氣濃度達到設(shè)定的停止閾值時，聲光報警、充氮保護系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)同時停止。

表2 大型外浮頂罐充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)的邏輯動作方式

注：表中1表示報警，0表示正常，其中可燃油氣探測器、火焰探測器和光纖感溫火災(zāi)探測器是三個相鄰的探測器。

圖5 充氮聯(lián)動控制的邏輯框圖

3 充氮保護系統(tǒng)的聯(lián)動控制數(shù)據(jù)通信與軟件設(shè)計

3.1 充氮保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信與存儲

充氮保護聯(lián)動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和存儲主要包括讀取可燃油氣探測器、氧氣探測器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，及從其他數(shù)據(jù)庫中讀取火焰探測器、光纖感溫火災(zāi)探測器、閃電定位儀和地面電場儀的數(shù)據(jù)。

為了將可燃油氣探測器和氧氣探測器在一、二次密封圈內(nèi)監(jiān)測到的油氣濃度、氧氣濃度等物理信號輸入到充氮保護控制器，需要將可燃油氣探測器、氧氣探測器的輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集模塊會將電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)字信號傳輸至充氮聯(lián)動控制器。充氮聯(lián)動控制器接收到數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)臄?shù)字信號后，應(yīng)對被測氣體進行氣體濃度標(biāo)定，得出對應(yīng)數(shù)字信號與濃度的關(guān)系，并將轉(zhuǎn)換公式編入充氮聯(lián)動控制器內(nèi)，從而將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成具體的可燃油氣濃度、氧氣濃度。火焰探測器和光纖感溫火災(zāi)探測器測得的數(shù)據(jù)可以直接從火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的控制主機中讀取出，閃電定位儀和地面電場儀的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)從當(dāng)?shù)氐臍庀蟛块T獲取，若在油罐區(qū)設(shè)置了閃電定位儀和地面電場儀，則可以直接從油罐區(qū)內(nèi)的雷電預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)。

所有數(shù)據(jù)儲存基于Access軟件實現(xiàn)，語言為C Sharp。通過在Visual Studio中編寫相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲代碼，并設(shè)置數(shù)據(jù)存儲路徑，與參數(shù)設(shè)置界面中的數(shù)據(jù)刷新間隔實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接，數(shù)據(jù)每次刷新，即在Access表格內(nèi)記錄一次數(shù)據(jù)，每間隔1 s即對1～10號可燃油氣探測器和1～4號氧氣探測器所監(jiān)測的數(shù)據(jù)記錄一次。

3.2 充氮聯(lián)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

充氮聯(lián)動控制系統(tǒng)基于Visual Studio和C Sharp來開發(fā)實現(xiàn)充氮聯(lián)動控制器的功能，該軟件采用的是Windows窗口應(yīng)用程序，以Windows窗口界面作為各子系統(tǒng)交互的媒介，主要顯示開始界面、網(wǎng)口配置界面、參數(shù)設(shè)置界面和閾值設(shè)定界面，圖6是充氮聯(lián)動控制軟件的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 充氮聯(lián)動控制器整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為充氮聯(lián)動控制系統(tǒng)軟件開始界面。該軟件具有操作簡單方便，容易使用的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時接收、顯示與判斷，參數(shù)的校正與調(diào)整，通信網(wǎng)口的設(shè)置，最終充氮保護系統(tǒng)的啟動與停止等目的。

從圖7中可以看出，在開始界面內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：(1)顯示/選擇當(dāng)前控制對象；(2)選擇手動或者自動的工作模式；(3)選擇充氮流量大?。?4)手動啟停充氮系統(tǒng)；(5)設(shè)備自檢流程介紹；(6)實時顯示可燃油氣濃度、氧氣濃度，閃電距離、地面場強和火焰探測器、光纖感溫火災(zāi)探測器的狀態(tài)(綠色表示正常，紅色表示報警)；(7)網(wǎng)口配置，可以設(shè)置網(wǎng)口通信IP和端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通信；(8)參數(shù)設(shè)置，在參數(shù)設(shè)置界面可以控制每個輸入輸出通道是否使用，可以針對實際工程中采集的信號類別設(shè)置校正值，同時還能夠設(shè)置采集數(shù)據(jù)的刷新時間等參數(shù)；(9)閾值設(shè)置，通過該界面可以對可燃油氣濃度閾值、氧氣濃度閾值、閃電距離閾值和地面場強閾值進行設(shè)定，從而實現(xiàn)聯(lián)動控制充氮保護系統(tǒng)和油氣回收系統(tǒng)。

圖7 充氮保護聯(lián)動控制軟件的開始界面

4 結(jié)語

本文根據(jù)大型外浮頂罐的結(jié)構(gòu)特點和火災(zāi)危險性設(shè)計的充氮系統(tǒng)，對保護大型外浮頂罐一、二次密圈具有較強的現(xiàn)實意義。并且，基于氣體濃度預(yù)警、雷電預(yù)警和火災(zāi)自動報警的報警設(shè)計，充分考慮了三者之間的邏輯關(guān)系，使充氮保護系統(tǒng)的聯(lián)動控制程序更加科學(xué)合理，為有效實現(xiàn)大型外浮頂罐的消防安全提供了設(shè)計依據(jù)。

參考文獻：

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