液化烴球罐水噴霧冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

　　摘要：介紹了液化烴的性質(zhì)及發(fā)生火災(zāi)的特點(diǎn)，對(duì)液化烴儲(chǔ)罐火災(zāi)的危險(xiǎn)性及水噴霧冷卻、滅火機(jī)理進(jìn)行了，列舉了液化烴球罐水噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，提出了設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的。 

　　關(guān)鍵詞：液化烴 球罐 火災(zāi) 水噴霧滅火系統(tǒng) 報(bào)警 消防冷卻 

　　1、概述

　　液化輕烴的主要成分是：乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烴類組成，在氣態(tài)時(shí)比重比空氣重，（是空氣的1.5~2.0倍）。液化烴儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)的根源是液化烴泄漏。液化烴一旦泄漏，迅速汽化且難以控制。汽化時(shí)，從周圍環(huán)境吸收大量的熱量，使空氣中的水份冷卻成為細(xì)小霧滴，形成液化烴的蒸氣云。液化烴的蒸氣云從泄漏點(diǎn)沿地面向下風(fēng)向或低洼處漂移、積聚。液化輕烴爆炸極限低（2%~10%體積比），如大量泄漏遇明火可造成大面積的火災(zāi)或可燃蒸氣云爆炸事故。液化輕烴的燃燒熱值高，爆炸迅速、威力大，破壞性強(qiáng)，其火焰溫度達(dá)200℃以上，極易引起鄰罐的爆炸。

液化輕烴的體積膨脹系數(shù)比水大，過量超裝十分危險(xiǎn)。液化輕烴生產(chǎn)出來，為了便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，通常進(jìn)行加壓和冷卻使其汽化，儲(chǔ)存在密閉的壓力儲(chǔ)罐內(nèi)，由于球罐耐壓大且受力均勻，儲(chǔ)存量大，因而石化普遍采用球罐和臥式罐做為儲(chǔ)存液化氣的壓力容器。液化輕烴球罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若球罐內(nèi)尚有剩余可燃?xì)怏w時(shí)就將火撲滅，剩余的可燃?xì)怏w泄漏出來與空氣混合到一定的濃度，遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸，產(chǎn)生更大的危害。因此，控制液化氣球罐火災(zāi)的根本措施是切斷氣源和緊急排空。在完成放空之前應(yīng)維持其穩(wěn)定燃燒，同時(shí)對(duì)著火罐及相鄰罐進(jìn)行噴水冷卻保護(hù)，使球罐不會(huì)因受熱發(fā)生破壞。因?yàn)橐夯療N會(huì)吸收熱量而大量蒸發(fā)，導(dǎo)致罐內(nèi)溫度、壓力升高。罐壁的熱量不能及時(shí)的傳出，溫度迅速升高，強(qiáng)度急劇下降。如果不及時(shí)供給冷卻水，一般在火災(zāi)持續(xù)10min左右將出現(xiàn)熱塑裂口，儲(chǔ)罐破裂。因此對(duì)儲(chǔ)罐壁進(jìn)行及時(shí)有效的冷卻，是防止球罐發(fā)生破裂而引起災(zāi)難性火災(zāi)事故的重要措施。

    筆者在春曉氣田群建設(shè)開發(fā)項(xiàng)目陸上終端的輕烴球罐區(qū)采用水噴霧冷卻系統(tǒng)，對(duì)液化烴球罐實(shí)施了固定式消防冷卻水系統(tǒng)。

2、水噴霧冷卻系統(tǒng)

2.1、水噴霧的冷卻降溫作用

    水噴霧系統(tǒng)是利用水霧噴頭在一定的水壓下將水流分解成細(xì)小水霧滴進(jìn)行滅火或防護(hù)冷卻的一種固定式滅火系統(tǒng)。從水霧噴頭噴出的霧狀水滴，粒徑細(xì)小，表面積很大，遇火后迅速汽化，帶走大量的熱量，使燃燒表面迅速降溫，燃燒體達(dá)到冷卻的目的。水霧還會(huì)在罐壁表面形成一層水膜，使罐壁溫度不再升高，避免了罐壁發(fā)生熱塑裂口，從而保護(hù)了儲(chǔ)罐。

2.2、對(duì)碳沉積的沖刷作用

    分子量較高的液化烴燃燒后，會(huì)在罐壁外表面產(chǎn)生碳的沉積，因碳沉積的抗?jié)裥?，水流難以在罐壁上形成水膜，導(dǎo)致水對(duì)罐壁的冷卻效果降低或不起作用。水噴霧系統(tǒng)高速噴出的水霧滴有一定的沖擊作用，能將沉積碳沖掉，并在罐壁外表面形成一層水膜。因此對(duì)液化烴儲(chǔ)罐，水噴霧系統(tǒng)比水噴淋系統(tǒng)具有較好的消防冷卻效果。

2.3、水噴霧滅火系統(tǒng)的組成及操作與控制

    水噴霧系統(tǒng)的組成主要由水源、供水設(shè)備、供水管道、雨淋閥組、過濾器、減壓孔板和水霧噴頭等組成。水噴霧滅火系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和應(yīng)急操作三種控制方式。水噴霧滅火系統(tǒng)的控制設(shè)備應(yīng)具有選擇控制方式的功能；并且具有重復(fù)顯示保護(hù)對(duì)象狀態(tài)；控制消防水泵啟動(dòng)狀態(tài)；監(jiān)控雨淋閥啟、閉狀態(tài)，監(jiān)控主、備電源自動(dòng)切換功能；除應(yīng)能啟動(dòng)著火罐的雨林閥，尚應(yīng)能啟動(dòng)距著火罐1.5倍罐直徑范圍內(nèi)鄰近罐的雨林閥。水噴霧滅火系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間不大于60S。

3、液化烴球罐水霧噴淋冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1、供水管道設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)的原則是壓力平衡即同一環(huán)管上各噴頭工作壓力的平衡，各環(huán)管間壓力的平衡。只有壓力平衡，供水量才能平衡，布水才均勻。為此在管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取以下措施：
　　1）上、下半罐體上的供水環(huán)管應(yīng)盡量對(duì)稱布置。
　　2）環(huán)管應(yīng)由兩條對(duì)稱布置的立管供水，以確保同一環(huán)管上噴頭的實(shí)際工作壓力基本相同。特別是對(duì)于容積為2000m³的儲(chǔ)罐，環(huán)管較長，阻力較大。由兩條對(duì)稱布置的的立管供水，可降低環(huán)管阻力。
　　3）在環(huán)管的第3圈以下，環(huán)管與供水立管連接處設(shè)減壓孔板，調(diào)節(jié)各環(huán)路水壓，使各環(huán)路水壓基本一致，從而使各環(huán)上噴頭的工作壓力基本相同，并不小于0.35MPa。
　　4）對(duì)于容積大于1000m³的儲(chǔ)罐，罐體直徑較大，頂環(huán)與底環(huán)之間的高差達(dá)十多米，垂直壓差較大。為平衡水壓，上、下半罐體應(yīng)分別由兩條對(duì)稱布置的立管供水，上、下半罐體的供水管各自獨(dú)立控制。這一措施還滿足了夏季防曬噴淋只做上半罐體噴淋的要求。
　　水霧噴頭內(nèi)徑只有幾毫米，容易堵塞，在球罐底部的供水管上設(shè)Y型過濾器，該過濾器不僅起到過濾、防堵的作用，在系統(tǒng)噴水完畢后，可以將過濾器的后蓋打開，將系統(tǒng)泄空，防止系統(tǒng)管道因積水結(jié)冰而造成管道的損傷。為防止控制閥后管道內(nèi)壁生銹，銹渣堵塞水霧噴頭，控制閥后的管道采用熱鍍鋅無縫鋼管，球罐環(huán)管采用無縫鋼管，整體熱鍍鋅處理，絲扣連接。
3.2、系統(tǒng)控制
　　采用可燃?xì)怏w報(bào)警和火焰探測的自動(dòng)控制方式，不需要濕式傳動(dòng)管路，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性好。當(dāng)罐區(qū)有氣體泄漏時(shí)，可燃?xì)怏w報(bào)警器將泄漏信號(hào)傳送到火氣系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，值班人員可現(xiàn)場檢查，及時(shí)處理。罐區(qū)設(shè)火災(zāi)探測器，將罐區(qū)發(fā)生的火災(zāi)信號(hào)傳送到中心控制室的火災(zāi)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并啟動(dòng)消防系統(tǒng)。
　　根據(jù)液化烴儲(chǔ)罐的火災(zāi)特點(diǎn)，水噴霧冷卻系統(tǒng)可以采用現(xiàn)場手動(dòng)控制。
　　因?yàn)閮?chǔ)罐區(qū)無人值守，采用了氣動(dòng)控制閥。氣動(dòng)閥開啟迅速，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短。

3.3、水霧噴頭的布置：

    水霧噴頭的布置方式可為矩形或菱形，當(dāng)按矩形布置時(shí)，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；當(dāng)菱形布置時(shí)，水霧噴頭之間的距離不應(yīng)大于1.7倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑。當(dāng)保護(hù)對(duì)象為球罐時(shí)，水霧噴頭的噴口應(yīng)面向球心；水霧錐沿緯線方向相交，沿經(jīng)線方向相接；水霧噴頭與儲(chǔ)罐外壁之間的距離不大于0.70m。無防護(hù)層的球罐鋼支柱和罐體液位計(jì)、閥門等處應(yīng)設(shè)水霧噴頭保護(hù)。

3.3.1、水霧錐底圓半徑（m） R=B.tgθ/2    B—水霧噴頭的噴口與罐壁之間的距離，選0.65m 

              θ—水霧噴頭的霧化角（°）

              R = 0.65 x tg120 / 2 = 0.7 x 1.732 = 1.125(m)

3.3.2、噴頭的布置（2000m³球罐）

1）經(jīng)線方向噴頭布置：（水霧錐宜相接）

    假設(shè)設(shè)置10圈水平環(huán)管，噴頭與罐外壁間距為0.65m，噴頭的霧化角β的計(jì)算如下：

   每圈環(huán)管上均勻分布的噴頭均指向球心，則冷卻保護(hù)的罐壁為對(duì)應(yīng)球心角為α的環(huán)狀罐壁。

當(dāng)n=10時(shí)，α=18°，球罐半徑r =15.8/2=7.9m，則噴頭的霧化角β應(yīng)為：

 sin(α/2)=R/r

R = 0.156 x 7.9 = 1.234m 

tg(β/2) = R / {0.65 + [r – r . cos(α/2)]}=1.234÷[0.65+（7.9–7.9x0.988）]=1.6588

β/2 = 58.88      β= 117.77°

因此選取霧化角為120°的噴頭，設(shè)置10圈水平環(huán)管，可以滿足要求。

見圖所示

2）緯線方向噴頭布置：（水霧錐應(yīng)相交）

緯向水霧噴頭按矩形布置，噴頭之間的間距按1.4倍的水霧錐底圓半徑，即水霧噴頭之間的距離（近似弧長）D=1.125x1.4=1.575(m)。

其計(jì)算結(jié)果及噴頭安裝數(shù)量見表1

.4、設(shè)計(jì)冷卻水噴霧強(qiáng)度核算
　　水噴霧冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量按下式：
　　　　　　Qs＝kQj
　　式中：Qj——系統(tǒng)的計(jì)算流量，L／min；

Qs——系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量，L／min；
　　　　　k——安全系數(shù)，取值范圍1.05－1.10。

    K-水霧噴頭的流量系數(shù)，由生產(chǎn)廠提供。

                P-水霧噴頭的工作壓力，MPa。
　　著火罐冷卻水供給強(qiáng)度，不應(yīng)小于9L／（min·m²）。下面以噴頭菱形布置的球罐為例，核算單位表面積的設(shè)計(jì)水噴霧強(qiáng)度是否達(dá)到規(guī)范規(guī)定的要求。

1）噴頭菱形布置時(shí)，每個(gè)噴頭的有效保護(hù)面積S為外接圓半徑等于水霧錐底圓半徑R的正六邊形的面積，即圖1中陰影部分的面積。

　　保護(hù)對(duì)象的設(shè)計(jì)水噴霧強(qiáng)度：

式中：W——系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水噴霧強(qiáng)度，L／（min·m²）。
　　按最不利情況，B＝0.65m， θ＝120°，k＝1.05，P＝0.35 MPa代人，得：

因?yàn)閃=0.5966K 應(yīng)大于9L/min﹒m²    所以K≥9/0.5966=15.08

　　可見.只要選用K≥15.08的水霧噴頭，即可滿足規(guī)范要求。

2）噴頭矩形布置時(shí)，每個(gè)噴頭的有效保護(hù)面積S為外接圓半徑等于水霧錐底圓半徑R的正四邊形的面積，即圖2中陰影部分的面積。

　　保護(hù)對(duì)象的設(shè)計(jì)水噴霧強(qiáng)度：

　　按最不利情況，B＝0.65m， θ＝120°，k＝1.05，p＝0.35 MPa代人，得：

因?yàn)閃=0.7749K 應(yīng)大于9L/min﹒m²    所以K≥9/0.7749=11.61

可見.只要選用K≥=11.61的水霧噴頭，即可滿足規(guī)范要求。

設(shè)計(jì)選用ZSTWA-30-120型水霧噴頭，流量為30L/min，霧化角為120°，流量特性系數(shù)K=16。

4、 結(jié)束語

    針對(duì)液化烴儲(chǔ)罐火災(zāi)特點(diǎn)，水噴霧系統(tǒng)可有效地控制液化烴儲(chǔ)罐初期火災(zāi)，避免惡性爆炸事故發(fā)生。在進(jìn)行水噴霧冷卻系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，將罐上噴頭的工作壓力設(shè)為一定值，水量及管徑的計(jì)算和管道布置均按這一設(shè)定運(yùn)作，這樣簡化了設(shè)計(jì)計(jì)算。因固定式消防用水量為著火罐和鄰近罐用水量之和，鄰近罐的用水量是著火罐的1/2，在配管時(shí)應(yīng)考慮如何才能實(shí)現(xiàn)這種水量的關(guān)系，本設(shè)計(jì)將每座球罐的環(huán)狀管網(wǎng)分為互不連通的4段，每段環(huán)管單獨(dú)一個(gè)立管引出防火堤外，在距被保護(hù)罐15m以外設(shè)有雨淋閥組間，控制噴淋系統(tǒng)。著火時(shí)可以控制鄰近罐的噴淋水量，保證了消防用水量，這樣也滿足了夏季防曬噴淋降溫的要求。