液化烃储罐的消防设计计算

液化烃储罐的消防设计计算摘要介绍了液化烃的性质及发生火灾的特点，对液化烃储罐火灾的危险性及消防冷却水的冷却作用进行了分析，列举了液化烃球罐水喷雾系统设计的计算实例，提出了设计中应注意的问题。关键词液化烃储罐消防冷却水水喷雾冷却系统随着石油化工产业的不断发展，在辽宁沿海地区利用自然条件兴建了一些石油化工企业，同时也兴建了一批液化烃大型储罐区。针对某工程实例，就液化烃储罐区的消防系统设计介绍如下。1.液化烃储罐火灾的危险性液化烃在常温常压下呈气态，在气态下密度比空气大2倍左右，容易在地面及低洼处积存。液化烃的饱和蒸汽压随温度升高而急剧增加，其膨胀系数也较大，汽化后体积膨胀250~300倍数。爆炸浓度范围比较宽。由于液化烃的闪点及沸点低，都在0℃一下，爆炸浓度范围一般在1.5%~2.0%（体积百分比），因此液化烃是易燃、易爆物质，其防火、防爆问题须在设计、运行中给于重视。2.液化烃储罐消防冷却水的冷却作用由于液化烃的饱和蒸汽压随温度升高急剧增加，体积增大很快，一旦液化烃罐发生火灾，首要灭火措施是切断气源，并对着着火罐和邻近罐进行消防水喷淋冷却，使其稳定燃烧，确保着火罐和邻近罐罐壁温度不致过高，罐壁强度不降低（实践证明地上钢罐火灾，5min内可以使罐壁稳定达到500℃，强度降低一半，8~10min内钢板将失去支持能力），罐内压力不过高，能使事故不再扩大。3.液化烃球罐水雾喷淋冷却系统的设计液化烃罐区水消防冷却设计的关键有三点：一是供水管道设计；二是确定消防水量；三是水雾喷头的布置。3.1供水管道设计系统管道设计的原则是压力平衡，即同一环管上各喷头工作压力的平衡、各环管间压力的平衡。只有压力平衡，供水量才能平衡，喷头配水才均匀。为此在管道设计时，应采取以下措施：1）上、下半罐体上的供水环管应尽量对称布置。2）环管应由两条对称布置的立管供水，以确保同一环管上喷头的实际工作压力基本相同。特别是对于容积为2000m3的储罐，环管较长，阻力较大。由两条对称布置的的立管供水，可降低环管阻力。3）在环管的第3圈以下，环管与供水立管连接处设减压孔板，调节各环路水压，使各环路水压基本一致，从而使各环上喷头的工作压力基本相同，并不小于0.35MPa。4）对于容积大于1000m3的储罐，罐体直径较大，顶环管与底环管之间的高差达十多米，垂直压差较大。为平衡水压，上、下半罐体应分别由两条对称布置的立管供水，上、下半罐体的供水管各自独立控制。这一措施还满足了夏季防晒喷淋只做上半罐体喷淋的要求。5）水雾喷头内径只有几毫米，容易堵塞，在球罐底部的供水管上设Y型过滤器，该过滤器不仅起到过滤、防堵的作用，在系统喷水完毕后，可以将过滤器的后盖打开，将系统泄空，防止系统管道因积水结冰而造成管道的损伤。为防止控制阀后管道内壁生锈，锈渣堵塞水雾喷头，控制阀后的管道采用无缝钢管，整体镀锌处理，法兰连接。3.2消防水量的确定《石油化工企业设计防火规范》GB504160-2008中只规定了消防冷却水的强度及所需喷淋冷却保护的面积，根据强度和面积计算出的水量是布置喷头的初始依据，喷头的布置同时需满足《水喷雾灭火系统设计规范》相关规定，即沿纬度方向相交、沿经线方向相切的原则，满足这个原则布置出的喷头数只能大于根据“计算水量”算出的喷头数，再加上布置在用于保护球罐支腿与阀门的喷头，因而实际消防水量会远大于计算水量。3.3水雾喷头的布置水雾喷头的布置方式可为矩形或菱形，当按矩形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.4倍水雾喷头的水雾锥底圆半径；当菱形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.7倍水雾喷头的水雾锥底圆半径。当保护对象为球罐时，水雾喷头的喷口应面向球心；水雾锥沿纬线方向相交，沿经线方向相接；水雾喷头与储罐外壁之间的距离不大于0.70m。无防护层的球罐钢支柱和罐体液位计、阀门等处应设水雾喷头保护。现以2000m3的液化烃球罐（直径为15.8m）作为液化烃球罐的水喷雾系统设计的计算实例。圆球的表面积224Srd，圆球的体积334136Vrd。3.3.1水雾锥底圆半径（m）R=B·tgθ/2B—水雾喷头的喷口与罐壁之间的距离，选0.65m；θ—水雾喷头的雾化角（°）；R=0.65xtg120/2=0.7x1.732=1.125(m)。3.3.2喷头的布置1）经线方向喷头布置：（水雾锥宜相接）假设设置10圈水平环管，喷头与罐外壁间距为0.65m，喷头的雾化角β的计算如下：每圈环管上均匀分布的喷头均指向球心，则冷却保护的罐壁为对应球心角为α的环状罐壁。当n=10时，α=18°，球罐半径r=15.8/2=7.9m，则喷头的雾化角β应为：sin(α/2)=R/r；R=r·sin(α/2)=7.9x0.156=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=58.88β=117.77°；因此选取雾化角为120°的喷头，设置10圈水平环管，可以满足要求。2）纬线方向喷头布置：（水雾锥应相交）纬向水雾喷头按矩形布置，喷头之间的间距按1.4倍的水雾锥底圆半径，即水雾喷头之间的距离（近似弧长）D=1.4·R=1.4x1.125=1.575(m)。其计算结果及喷头安装数量见表1。表1：计算结果及喷头安装数量纬线环圈数纬线环圈半径(m)纬线环圈弧长(m)纬线环圈上设计安装喷头数量(只)安装距离/设计保护弧长(m/只)安装距离/设计保护弧长(m/只)1r1=1.3375L1=8.4061.40单罐需要水量:Q=123(L/S)喷头水量：30(L/min)喷头水雾锥底圆半径:R=1.125(m)喷头间距(近似弧长):D=1.4·R=1.4x1.125=1.575(m)实际保护弧长:L=2.64(m)2r2=3.8816L2=24.38171.4343r3=6.0457L3=37.97271.4064r4=7.6181L4=47.84341.4075r5=9.4447L5=53.03381.3955上下以赤道线对称，单罐水喷雾喷头数量总计为：244个。单罐水喷雾供给冷却水量为：Q=1.05xS(球表面积)x9(L/min*m2)=123(L/S)3.4设计冷却水喷雾强度核算水喷雾冷却系统的设计流量按下式计算：着火罐冷却水供给强度，不应小于9L／(min·m2)。Qs＝kQjQj—系统的计算流量，L／min；Qs—系统的设计流量，L／min；k—安全系数，取值范围1.05－1.10。j10QKPP—水雾喷头的工作压力，MPa；K—水雾喷头的流量系数，由生产厂提供。下面分别以喷头菱形布置和喷头矩形布置的球罐为例，核算单位表面积的设计水喷雾强度是否达到规范规定的要求。3.4.1喷头菱形布置每个喷头的有效保护面积S，为外接圆半径等于水雾锥底圆半径R的正六边形的面积，即图1中阴影部分的面积。2223333222SRBtg菱保护对象的设计水喷雾强度：22103322jskQQkKPWSSBtg菱菱式中：W—系统的设计水喷雾强度，L／(min·m2)。按最不利情况，B＝0.65m，θ＝120°，k＝1.05，P＝0.35MPa代人，得：221.053.50.596631203(0.65)22KWKtg因为W=0.5966K应大于9L/min﹒m2所以K≥9/0.5966=15.08可见.只要选用K≥15.08的水雾喷头，即可满足规范要求。3.4.2喷头矩形布置每个喷头的有效保护面积S，为外接圆半径等于水雾锥底圆半径R的正四边形的面积，即图2中阴影部分的面积。222222SRBtg矩保护对象的设计水喷雾强度：221022jskQQkKPWSSBtg矩矩式中：W—系统的设计水喷雾强度，L／(min·m2)。按最不利情况，B＝0.65m，θ＝120°，k＝1.05，p＝0.35MPa代人，得：221.053.50.77491202(0.65)2KWKtg因为W=0.7749K应大于9L/min﹒m2。所以K≥9/0.7749=11.61。可见.只要选用K≥11.61的水雾喷头，即可满足规范要求。设计选用ZSTWA-30-120型水雾喷头，流量为30L/min，雾化角为120°，流量特性系数K=16。4.结语针对液化烃储罐火灾特点，水喷雾系统可有效地控制液化烃储罐初期火灾，避免恶性爆炸事故发生。在进行水喷雾冷却系统工程设计计算时，将罐上喷头的工作压力设为一定值，水量及管径的计算和管道布置均按这一设定运作，这样简化了设计计算。因固定式消防用水量为着火罐和邻近罐用水量之和，邻近罐的用水量是着火罐的1/2，在配管时应考虑如何才能实现这种水量的关系，本设计将每座球罐的环状管网分为互不连通的4段，每段环管单独一个立管引出防火堤外，在距被保护罐15m以外设有雨淋阀组间，控制喷淋系统。着火时可以控制邻近罐的喷淋水量，保证了消防用水量，这样也满足了夏季防晒喷淋降温的要求。5.参考文献[1]《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008[2]《工业金属管道设计规范》GB50316-2000（2008年版）[3]《低倍数泡沫灭火系统设计规范》GB50151-92（2000年版）[4]《水喷雾灭火系统设计规范》GB50219-95[5]《给排水设计手册》第二册