低温液氨储罐固定冷却水系统设计探讨

2015-10-31徐秉坤

建材与装饰 2015年18期

关键词：罐顶雨淋罐壁

徐秉坤

（上海科元燃化工程设计有限公司上海 200235）

低温液氨储罐固定冷却水系统设计探讨

徐秉坤

（上海科元燃化工程设计有限公司上海 200235）

本文依据实际设计项目介绍了低温液氨储罐的固定冷却水系统设计，并讨论了相关设计规范中关于固定冷却水系统的设计参数不一致时如何选用的问题，希望有关部门给出权威解释或统一设计参数。关于系统布置，主要描述了诸如喷头布置等设计细节。

液氨消防水喷雾；喷头布置

引言

液氨作为一种重要的化工原料，随着国内化工行业蓬勃发展，液氨储罐的规模也越来越大，此外，由于低温液氨在储存、运输成本上有较大优势，低温液氨储罐应用也较多。

从火灾危险性来看，根据GB50160-2008《石油化工企业设计防火规范》（以下简称石化规）3.0.1与3.0.2条的规定，液氨属于乙A类可燃液体。另外，根据GB18218-2009《重大危险源辨识标准》相关规定，液氨储罐属于重大危险源。因此，目前无论企业还是消防主管部门，对液氨储罐的消防设计、工艺设计、安全操作、运行管理，都非常关注。

本文从实际设计项目出发，以2015年前后陆续更新的相关消防规范为依据，探讨大型液氨储罐的相关消防设计问题。

1　项目概况

1.1液氨储罐概况

本项目有液氨储罐2座，属于钢制全冷冻式双防罐，为立式平底圆筒型全容罐，储存介质为低温液氨，内外罐直径分别为25m及27m。外罐高度18m，有效容积8100m3。操作工况为内罐常压，外罐7kPa，操作温度内罐-33.3℃，外罐常温。内罐采用吊顶结构，内外罐支架填充隔热层，对内罐能起到有效的保冷作用。

另外，工艺设计上采用的冰机保冷、泄压、氮封等安全措施，不在本文讨论范围内，故不赘述。

1.2消防采用规范讨论

根据新消防给水规范《消防给水及消火栓系统技术规范》（以下简称消水规，GB50974-2014）第3.4.7条，全冷冻式液氨储罐应按全冷冻式液化烃储罐外壁为钢制单防罐设计。按目前广泛采用的水喷雾系统作为固定冷却水系统时，喷水强度应采用罐壁2.5L/min·m2和罐顶4.0L/min·m2设计，供水持续6h。

消规在规定了喷水强度的同时，要求当采用水喷雾系统时，系统设置应符合《水喷雾灭火系统设计规范》（GB50219）的要求。如何理解“系统设置”是否包含喷水强度，显然会给设计人员带来一定难度。因为，2015年8月即将实施的《水喷雾灭火系统技术规程》（以下简称新水雾规，GB50219-2014）第3.1.2条明确规定，液氨储罐喷水强度按6.0L/min·m2设计，不区分罐壁和罐顶，与消规矛盾。如果按照现行水雾规，则供给时间上按储罐直径大小，分别定为4.0h和6.0h，也与石化规和消水规都为6.0h相矛盾，相关规范关于喷雾强度及持续供给时间的比较见表1。

所以，在针对液氨储罐的消防设计上，相关规范设计参数亟待统一。

表1　设计喷雾强度及持续时间比较

2　项目设计

2.1设计参数

根据消规及石化规，罐壁和罐顶喷水强度分别取为2.5和4.0L/min·m2，水雾喷头采用全覆盖布置，持续供给时间从严设计，按6.0h考虑。

2.2系统设计

本项目设液氨储罐2座，直径相同，距离在1.5倍储罐直径之内，根据石化规第8.10.6条，相邻罐需计算冷却水系统，但冷却面积只考虑罐壁，不需考虑罐顶。故每只罐壁设2套独立的喷淋环管，2只雨淋阀，但罐顶可以用一只雨淋阀控制。考虑到本项目罐顶面积较大，冷却水系统流量较大，从系统安全考虑，罐顶仍由2只雨淋阀分别控制一半作用面积，所以本项目每只储罐设4套独立冷却水管路，4只雨淋阀，相关布置见图1。

图1　系统布置简图

在火灾状态下，雨淋报警阀根据火灾探测自动启动，开启着火罐4只雨淋阀，相邻罐1只雨淋阀。根据规范，系统具备自动启动、远程手动和现场手动启动功能。控制逻辑关系见表2。

表2　雨淋阀控制逻辑

值得一提的是，现行水雾规要求雨淋阀组应放置于室内，而新水雾规则改为“宜”置于室内，但需距离保护对象至少15m。本项目就是因为没有条件置于室内故而将雨淋阀组放在罐区周边，但设计了防雨措施。

2.3消防用水量

经计算，储罐消防用水量见表3。

表3　设计消防用水量

2.4罐壁喷头布置

为保证防护冷却效果，现行水雾规要求按设计喷雾强度向保护对象直接喷雾，使水雾覆盖包围保护对象，而对于储罐这类外表为圆形的保护对象，如何保证全覆盖是一个容易忽略的问题。一般常规做法是根据喷头的喷射角度、离罐壁距离将环管上喷头在水平方向上交叉覆盖罐壁表面，但是，确定垂直方向上每层环管之间的距离时容易出错，因为每个喷头喷向罐壁表面的覆盖面积，实际上并不是圆形，而是一个椭圆形，如图2所示。

图2　喷头覆盖面积示意图

由图2可知，喷射角度一定时，储罐直径越小（即外壁弧度越大）时，椭圆越扁平。要使喷头准确覆盖罐壁表面，必须将罐壁展开为矩形后，用实际椭圆面积去布置喷头使上下层环管之间无喷雾盲点，见图3。

图3　喷头布置示意图

按以上原则，本项目罐壁喷头选择K=16，工作压力P=0.2MPa的中速水雾喷头，单个喷头流量q=K×（10P）1/2=22.62L/min，距罐壁0.45m，喷射角度150°，实际布置数量为32个/圈×6圈=192个喷头，设计流量为22.62×192=4343L/min，喷水强度4343÷1526= 2.85>2.5L/min·m2，满足要求。

2.5罐顶喷头布置

本项目罐顶喷头选择K=80，工作压力P=0.2MPa的中速水雾喷头，单个喷头流量q=K×（10P）1/2=113.12L/min，距罐壁0.60m，喷射角度120°，实际布置数量为30个，设计流量为113.12×30=3394L/min，喷水强度为3394÷745=4.56>4.0L/min·m2，满足要求。

罐顶是球体的一部分，按相贯线原理，由于水雾喷头垂直于表面指向球心，故实际覆盖面积仍然是圆形，只要满足投影面积相交即可保证全覆盖。由于罐顶喷水强度为4.0较罐壁增大很多，需要选择K系数较大来满足喷水强度。

2.6配水管路减压

由于喷头工作压力为最不利点压力，对于每根配水支管来说，虽然离干管由远及近的喷头流量会越来越大，但要使系统实际喷水量最小，每根支管始端的所需压力P是一定的（P为满足最不利点为0.2MPa时的支管始端压力）。由于每层环管逐渐升高，对于每根支管所需要的减压量都不一样，如果使用减压阀，长期空管状态下较易损坏，本项目通过精确计算，针对每个支管所需减压量分别设计了减压孔板，使用效果良好。

2.7设计小结

本项目根据以上方法，首先选择喷射角度布置喷头满足全覆盖保护对象，再根据喷头数量和设计用水量选择喷头K系数，不至于使实际喷水强度超出规范很多，实现了设计目的同时节省投资。

3　设计探讨

设计过程发现，即使全罐平均喷雾强度满足要求，单个喷头内的喷雾强度也有可能不满足规范。因为相邻喷头覆盖面积重叠部分的强度实际上超过了设计强度（如图3中阴影部分实际上达到了2倍单个喷头的喷水强度），而单个喷头内未与周边喷头重叠的部分则达不到设计强度。以本项目为例，罐壁单个喷头实际服务面积达到了14.12m2，而设计喷水流量为22.62L/min，强度为1.60L/min·m2，显然不满足规范，但正是因为喷头之间的交叉使得满足全覆盖保护的同时又使全罐总的平均喷雾强度达到了要求。

故规范所规定的喷水设计强度只能理解为平均喷雾强度，考虑到系统启动后从上至下的淋水冷却也有较好的冷却作用。