液化烴球罐水噴霧冷卻系統(tǒng)的設計與計算

　　摘要：介紹了液化烴的性質(zhì)及發(fā)生火災的特點，對液化烴儲罐火災的危險性及水噴霧冷卻、滅火機理進行了，列舉了液化烴球罐水噴霧系統(tǒng)的設計實例，提出了設計中應注意的。 

　　關(guān)鍵詞：液化烴 球罐 火災 水噴霧滅火系統(tǒng) 報警 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)時比重比空氣重，（是空氣的1.5~2.0倍）。液化烴儲罐發(fā)生火災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，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小霧滴，形成液化烴的蒸氣云。液化烴的蒸氣云從泄漏點沿地面向下風向或低洼處漂移、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，其火焰溫度達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。液化輕烴生產(chǎn)出來，為了便于儲存和運輸，通常進行加壓和冷卻使其汽化，儲存在密閉的壓力儲罐內(nèi)，由于球罐耐壓大且受力均勻，儲存量大，因而石化普遍采用球罐和臥式罐做為儲存液化氣的壓力容器。液化輕烴球罐發(fā)生火災時，若球罐內(nèi)尚有剩余可燃氣體時就將火撲滅，剩余的可燃氣體泄漏出來與空氣混合到一定的濃度，遇明火就會發(fā)生爆炸，產(chǎn)生更大的危害。因此，控制液化氣球罐火災的根本措施是切斷氣源和緊急排空。在完成放空之前應維持其穩(wěn)定燃燒，同時對著火罐及相鄰罐進行噴水冷卻保護，使球罐不會因受熱發(fā)生破壞。因為液化烴會吸收熱量而大量蒸發(fā)，導致罐內(nèi)溫度、壓力升高。罐壁的熱量不能及時的傳出，溫度迅速升高，強度急劇下降。如果不及時供給冷卻水，一般在火災持續(xù)10min左右將出現(xiàn)熱塑裂口，儲罐破裂。因此對儲罐壁進行及時有效的冷卻，是防止球罐發(fā)生破裂而引起災難性火災事故的重要措施。

    筆者在春曉氣田群建設開發(fā)項目陸上終端的輕烴球罐區(qū)采用水噴霧冷卻系統(tǒng)，對液化烴球罐實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小水霧滴進行滅火或防護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，燃燒體達到冷卻的目的。水霧還會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，從而保護了儲罐。

2.2、對碳沉積的沖刷作用

    分子量較高的液化烴燃燒后，會在罐壁外表面產(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，導致水對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。因此對液化烴儲罐，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)應設有自動控制、手動控制和應急操作三種控制方式。水噴霧滅火系統(tǒng)的控制設備應具有選擇控制方式的功能；并且具有重復顯示保護對象狀態(tài)；控制消防水泵啟動狀態(tài)；監(jiān)控雨淋閥啟、閉狀態(tài)，監(jiān)控主、備電源自動切換功能；除應能啟動著火罐的雨林閥，尚應能啟動距著火罐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)的響應時間不大于60S。

3、液化烴球罐水霧噴淋冷卻系統(tǒng)的設計

3.1、供水管道設計
　　系統(tǒng)管道設計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。為此在管道設計時，應采取以下措施：
　　1）上、下半罐體上的供水環(huán)管應盡量對稱布置。
　　2）環(huán)管應由兩條對稱布置的立管供水，以確保同一環(huán)管上噴頭的實際工作壓力基本相同。特別是對于容積為2000m³的儲罐，環(huán)管較長，阻力較大。由兩條對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）對于容積大于1000m³的儲罐，罐體直徑較大，頂環(huán)與底環(huán)之間的高差達十多米，垂直壓差較大。為平衡水壓，上、下半罐體應分別由兩條對稱布置的立管供水，上、下半罐體的供水管各自獨立控制。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
　　采用可燃氣體報警和火焰探測的自動控制方式，不需要濕式傳動管路，對環(huán)境的適應性強，可靠性好。當罐區(qū)有氣體泄漏時，可燃氣體報警器將泄漏信號傳送到火氣系統(tǒng)進行報警，值班人員可現(xiàn)場檢查，及時處理。罐區(qū)設火災探測器，將罐區(qū)發(fā)生的火災信號傳送到中心控制室的火災系統(tǒng)進行報警，并啟動消防系統(tǒng)。
　　根據(jù)液化烴儲罐的火災特點，水噴霧冷卻系統(tǒng)可以采用現(xiàn)場手動控制。
　　因為儲罐區(qū)無人值守，采用了氣動控制閥。氣動閥開啟迅速，系統(tǒng)響應時間短。

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，當按矩形布置時，水霧噴頭之間的距離不應大于1.4倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑；當菱形布置時，水霧噴頭之間的距離不應大于1.7倍水霧噴頭的水霧錐底圓半徑。當保護對象為球罐時，水霧噴頭的噴口應面向球心；水霧錐沿緯線方向相交，沿經(jīng)線方向相接；水霧噴頭與儲罐外壁之間的距離不大于0.70m。無防護層的球罐鋼支柱和罐體液位計、閥門等處應設水霧噴頭保護。

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）

    假設設置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，則冷卻保護的罐壁為對應球心角為α的環(huán)狀罐壁。

當n=10時，α=18°，球罐半徑r =15.8/2=7.9m，則噴頭的霧化角β應為：

 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)。

其計算結(jié)果及噴頭安裝數(shù)量見表1

.4、設計冷卻水噴霧強度核算
　　水噴霧冷卻系統(tǒng)的設計流量按下式：
　　　　　　Qs＝kQj
　　式中：Qj——系統(tǒng)的計算流量，L／min；

Qs——系統(tǒng)的設計流量，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度，不應小于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計水噴霧強度是否達到規(guī)范規(guī)定的要求。

1）噴頭菱形布置時，每個噴頭的有效保護面積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。

　　保護對象的設計水噴霧強度：

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

因為W=0.5966K 應大于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，每個噴頭的有效保護面積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。

　　保護對象的設計水噴霧強度：

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

因為W=0.7749K 應大于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。

設計選用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

    針對液化烴儲罐火災特點，水噴霧系統(tǒng)可有效地控制液化烴儲罐初期火災，避免惡性爆炸事故發(fā)生。在進行水噴霧冷卻系統(tǒng)工程設計計算時，將罐上噴頭的工作壓力設為一定值，水量及管徑的計算和管道布置均按這一設定運作，這樣簡化了設計計算。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，在配管時應考慮如何才能實現(xiàn)這種水量的關(guān)系，本設計將每座球罐的環(huán)狀管網(wǎng)分為互不連通的4段，每段環(huán)管單獨一個立管引出防火堤外，在距被保護罐15m以外設有雨淋閥組間，控制噴淋系統(tǒng)。著火時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。