李樹金，許小艷

(1 中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071； 2 上海同大規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司青島分公司，山東 青島 266034)

液化烴是指在15 ℃時(shí)，飽和蒸氣壓大于0.1 MPa的烴類液體及其它類似液體，其主要成分為C2～C5碳?xì)浠衔锛拔⒘苛蚧?，屬多組分混合物[1-2]。液化烴火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲A類且爆炸極范圍較寬(1.5%～12%)，一旦發(fā)生泄漏，在通風(fēng)不良處積聚，遇明火可造成大面積的火災(zāi)或爆炸事故[3-6]。為避免泄漏及火災(zāi)或爆炸事故發(fā)生，液化烴球罐消防設(shè)計(jì)就顯得格外重要。

本文根據(jù)最新的《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50160-2008)(2018年版)及《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50219-2014)，以石化企業(yè)內(nèi)3000 m3壓力式液化烴球罐為例，對其固定式消防冷卻水噴霧裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 球罐固定水噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本參數(shù)

3000 m3壓力式液化烴球罐固定式消防冷卻水噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本參數(shù)選用如下：

(1)球罐直徑：?=18 m；

(2)供水強(qiáng)度：9 L/min·m2；

(3)冷卻面積：著火罐全表面積，距著火罐1.5D內(nèi)鄰近罐半表面積；

(4)消防時(shí)間：6 h；

(5)噴頭工作壓力：0.35 MPa；

(6)噴頭噴射角度：120°、150°；

(7)噴頭距罐壁距離：0.6 m(120°噴頭)、0.33 m(150°噴頭)；

(8)環(huán)管距罐壁距離：0.75 m；

(9)消防豎管設(shè)置：上下半球各2根。

1.2 環(huán)管圈數(shù)計(jì)算

固定式消防冷卻水噴霧裝置噴頭水霧錐底圓半徑：

R1=B·tan(θ/2)=0.6×tan 60=1.04 m；

R2=B·tan(θ/2)=0.33×tan 75=1.23 m。

環(huán)管布置層數(shù)：N=9×π/2R2=13.59。

考慮到噴頭水霧錐沿緯線方向應(yīng)相交、沿經(jīng)線方向應(yīng)相接，管道支架墊板避讓球罐本體焊縫、柱腿、球罐附件及第一圈環(huán)管避讓罐頂平臺等因素。經(jīng)實(shí)際布置，確定3000 m3球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置共設(shè)置14圈環(huán)管，各層環(huán)管位置詳見圖1。

圖1 3000 m3球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置環(huán)管位置示意圖

1.3 噴頭數(shù)量計(jì)算

根據(jù)《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50219-2014)要求，水霧噴頭可矩形或菱形布置。本工程采用矩形布置，水霧噴頭之間的距離不應(yīng)大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑[7]。

最小噴頭間距計(jì)算：

D1=1.4R=1.4×1.04=1.46 m；

D2=1.4R=1.4×1.23=1.72 m。

考慮噴頭水霧錐沿緯線方向應(yīng)相交、沿經(jīng)線方向應(yīng)相接，并根據(jù)各環(huán)管位置，確定各環(huán)選用噴頭角度及噴頭數(shù)量詳見表1。

表1 固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)水霧噴頭選用角度及數(shù)量

1.4 噴頭參數(shù)計(jì)算

根據(jù)上述確定的各環(huán)管位置及噴頭數(shù)量，計(jì)算各噴頭參數(shù)。

(1)150°噴頭參數(shù)確定

150°噴頭保護(hù)球冠表面積：S=2πRH=54.88 m2。

150°噴頭總數(shù)：16個(gè)。

球罐供水強(qiáng)度：9 L/min·m2。

單個(gè)150°噴頭噴水量：9×754.88/16=30.87 L/min。

選用水霧噴頭規(guī)格參數(shù)：流量36 L/min，工作壓力0.35 MPa，流量系數(shù)K=19.24，噴射角度θ=150°[8]。

(2)120°噴頭參數(shù)確定

保護(hù)球罐120°噴頭總數(shù)：516個(gè)。

球罐供水強(qiáng)度：9 L/min·m2。

120°噴頭保護(hù)球罐面積：S=4πr2-54.88=1017.88 m2-54.88=962.48 m2。

單個(gè)120°噴頭噴水量：9×(962.48)÷516=16.8 L/min。

選用水霧噴頭規(guī)格參數(shù)：流量18 L/min，工作壓力0.35 MPa，流量系數(shù)K=9.54，噴射角度θ=120°[8]。

固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)水霧噴頭規(guī)格參數(shù)選用結(jié)果詳見表2。

表2 固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)水霧噴頭規(guī)格參數(shù)

1.5 環(huán)管管徑計(jì)算

各環(huán)管噴頭數(shù)量及規(guī)格參數(shù)確定后，根據(jù)噴頭噴水量，計(jì)算各消防冷卻水噴霧環(huán)管管徑結(jié)果如表3所示。

表3 固定式消防冷卻水噴霧裝置各環(huán)管管徑

1.6 消防水用量

(1)罐壁消防用水流量

保護(hù)球罐罐壁120°噴頭總數(shù)：516個(gè)，150°噴頭總數(shù)：16個(gè)。

單個(gè)球罐的消防冷卻水設(shè)計(jì)用量：(516×18+36×16)÷60=164.4 L/s。

(2)罐頂平臺、閥門等附件消防用水流量

保護(hù)罐頂平臺、閥門等附件120°噴頭總數(shù)：12個(gè)。

保護(hù)罐頂平臺、閥門等附件消防冷卻水設(shè)計(jì)用量：18×12÷60=3.6 L/s。

(3)固定式消防冷卻水總量

消防冷卻水總流量：164.4+3.6=168 L/s。

理論計(jì)算水量：4×3.14×R2×9=4×3.14×92×9÷60=152.60 L/s。

152.60 L/s<168 L/s<183.12 L/s(1.2倍理論計(jì)算流量)，滿足要求。

單罐固定式消防冷卻水總用水量：168×3.6×6=3629 m3。

2 球罐消防常見問題

2.1 赤道處是否布置環(huán)管

(1)赤道處設(shè)置環(huán)管

由于赤道處設(shè)置環(huán)管，噴頭覆蓋面積大，對整個(gè)球罐而言，可使整套固定式消防冷卻水噴霧裝置環(huán)管數(shù)目最少。在噴頭距罐壁特定距離的情況下，赤道處設(shè)置噴淋環(huán)管，經(jīng)合理布置可實(shí)現(xiàn)環(huán)管數(shù)量減少1圈，節(jié)省固定式消防冷卻水噴霧裝置投資。

(2)赤道處不設(shè)置環(huán)管

對于某個(gè)廠區(qū)或庫區(qū)而言，球罐區(qū)消防冷卻水量往往是控制點(diǎn)，其決定了整個(gè)項(xiàng)目的消防加壓泵站規(guī)模及消防冷卻水儲備量。赤道處不設(shè)置環(huán)管有利于減少上半球消防用水量，當(dāng)某一球罐著火時(shí)，著火罐與鄰近罐整體消防用水量減少更多，進(jìn)而可使整個(gè)項(xiàng)目的消防冷卻水泵規(guī)格、消防冷卻水管網(wǎng)管徑及消防冷卻水儲備量均有一定程度的減少，實(shí)現(xiàn)滿足規(guī)范的前提下，減少項(xiàng)目整體投資。

2.2 球罐罐壁頂部冷卻保護(hù)

由于球罐頂部設(shè)有罐頂平臺，平臺距離罐頂一般小于250 mm，在平臺下設(shè)置環(huán)管時(shí)，勢必造成環(huán)管與罐壁距離減少，噴頭覆蓋面積縮小。環(huán)管越靠近球罐頂部布置，環(huán)管距離罐壁越近，噴頭覆蓋面積越小，造成球罐頂部總有一部分表面無法被水霧全覆蓋，違背設(shè)計(jì)規(guī)范。

部分設(shè)計(jì)院或廠家在解決此問題時(shí)，有如下兩個(gè)方案：

(1)在罐頂平臺上部設(shè)置噴頭

平臺上部設(shè)置噴頭能夠滿足球罐全部表面積被水霧覆蓋。但不能同時(shí)滿足水霧噴頭噴口對準(zhǔn)球心且噴頭距罐壁不大于0.7 m的規(guī)范要求。

(2)第一圈噴淋環(huán)管噴頭略作傾斜

通過第一圈環(huán)管噴頭向球頂方向略作傾斜，來實(shí)現(xiàn)水霧覆蓋球罐頂部外壁，從而做到球罐表面積全覆蓋。但此做法違背了規(guī)范要求水霧噴頭噴口對準(zhǔn)球心的規(guī)定。

2.3 球罐區(qū)消防管道布置

球罐區(qū)消防冷卻水管道布置形式主要有兩種。

(1)消防冷卻水管道集中布置

此做法消防冷卻水管道一般考慮與儲運(yùn)工藝管道共同布置在同一管架上。球罐區(qū)消防冷卻水管道集中布置后，雨淋閥組一般亦集中布置，整個(gè)球罐區(qū)管道布置規(guī)整，雨淋閥組集中布置，有利于檢修及日常維護(hù)。但消防冷卻水管道與儲運(yùn)工藝管道布置在同一管架上，在極端情況下，如工藝管道發(fā)生爆炸，消防冷卻水管道會有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)消防冷卻水管道分散布置

消防冷卻水管道分散布置一般會導(dǎo)致雨淋閥組亦分散布置。本布置形式消防冷卻水管道與儲運(yùn)工藝管道分開，更為安全，可避免消防冷卻水管道在極端情況下被儲運(yùn)工藝管道爆炸損壞，但各雨淋閥組布置分散，管理維護(hù)不方便。

3 結(jié) 論

通過上述對3000 m3壓力式球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置計(jì)算及設(shè)計(jì)中常見問題探討，形成結(jié)論如下：

(1)球罐固定式消防冷卻水噴霧裝置在工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議赤道處不布置環(huán)管。赤道處設(shè)置環(huán)管只對噴頭距罐壁特定的距離情況下，經(jīng)合理布置可減少一圈，并不是任何情況下均減少一圈。如上述3000 m3球罐噴頭距離罐壁0.6 m的情況下，赤道處布置一圈環(huán)管，經(jīng)詳細(xì)布置，整個(gè)水噴霧系統(tǒng)環(huán)管仍為14圈，并未減少。赤道處不布置環(huán)管，能夠保證既滿足規(guī)范要求又節(jié)省項(xiàng)目整體投資，上下半球供水更為均等，建議采用。

(2)本文第一圈噴頭未采用常規(guī)120°噴頭設(shè)計(jì)，而采用150°噴頭，在罐頂平臺下布置一圈環(huán)管即可保證球罐罐頂部全覆蓋要求。隨著國家對噴頭CCCF認(rèn)證由強(qiáng)制性認(rèn)證改為自愿性認(rèn)證，建議第一圈環(huán)管噴頭采用150°水霧噴頭，甚至考慮整套消防冷卻水噴霧裝置均采用150°噴頭，減少環(huán)管數(shù)量，節(jié)省投資。

(3)球罐區(qū)消防冷卻水管道兩種布置形式均滿足規(guī)范要求。建議寒冷地區(qū)集中布置，雨淋閥組布置于雨淋閥室內(nèi)，冬季溫暖地區(qū)可集中布置可分散布置，優(yōu)先采取分散布置方式，保證消防供水安全。