浅析大型储罐固定式消防系统新技术进展

刘钇池，贝雅梅，刘江波，张福强，马伟平

(1. 河北华北石油港华勘察规划设计有限公司，河北 任丘 062552；2. 渤海钻探第四钻井工程分公司，河北 任丘 062552；3. 中国石油工程建设公司，北京 100120；4. 中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000；5. 中国石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)



浅析大型储罐固定式消防系统新技术进展

刘钇池1，贝雅梅2，刘江波3，张福强4，马伟平5

(1. 河北华北石油港华勘察规划设计有限公司，河北 任丘 062552；2. 渤海钻探第四钻井工程分公司，河北 任丘 062552；3. 中国石油工程建设公司，北京 100120；4. 中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000；5. 中国石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

介绍了国外新型储罐泡沫灭火技术现状和适用范围，包括液下喷射泡沫灭火系统、移动式消防设施以及CFITM，TANK GUARD和SEF泡沫灭火系统。提出了提高储罐固定式消防系统可靠性和应急保障能力的建议，包括推广应用浮盘边缘式泡沫灭火系统，储罐固定式消防系统泡沫混合液供给强度应不小于4 L/(min·m2)，冷却水供给时间不少于15 h以及配备柴油储备量能满足消防泵运转不低于6 h的柴油机泵等。

储罐固定式消防系统设计标准泡沫灭火系统

鉴于国内原油战略储备库需求和储罐大型化发展趋势，最大浮顶储罐容积已达 1.5×105m3，储罐运行管理难度和安全风险增大。另一方面，国内储罐建设规模和标准规范不断提高，国内部分已建油库消防系统不满足规范要求，例如消防水池容量、泡沫罐容量达不到最低容量要求；冷却水、泡沫供给系统不合理，消防泵房内无备用消防泵，未采用双电源或者柴油消防泵；消防给水系统不独立，与生活给水系统公用等[1]。此外储罐消防系统维护、检测和演练有待改进，不能完全掌握泡沫灭火系统实际灭火能力，存在消防设备陈旧、技术人员检修不及时的问题，消防系统长期处于丧失工作能力状态。

储罐固定式消防系统按照设置型式可分为罐壁式泡沫灭火系统和浮盘边缘式泡沫灭火系统。借鉴国内外管道行业先进经验和推荐做法，提高储罐消防系统的可靠性和应急保障能力具有重要意义。

1　储罐固定式消防系统存在的问题

1.1难以应对储罐全面积火灾

储罐火灾事故统计结果表明： 密封圈雷击着火是浮顶罐最常见的火灾类型[2]；其次是浮顶和中央排水管故障、罐底和罐壁腐蚀以及阀门损坏、管线断裂引起的火灾事故。API 对1951—1995 年发生的81 起直径超过30 m的大型浮顶储罐火灾事故进行统计，密封圈火灾占统计事故的72.8%。2007年5月24日和6月24日镇海国家储备库47号外浮顶罐连续两次遭雷击，储罐边缘密封圈处着火[3]。国外有浮顶下沉伴随火灾发生，最终形成储罐全面积敞口火灾的案例，例如1981年美国Amoco石油公司某炼油厂一个1×105m3原油浮顶罐发生了浮顶沉没，导致火灾失控。

国内应对大型储罐全面积火灾的首选方式是固定式消防系统，但固定式消防系统设计基础是扑救密封圈火灾。根据大量火灾事故案例，储罐泡沫灭火系统在扑救油罐高液位密封圈火灾时效果显著，储罐低液位时，上部喷射的泡沫下降过程中易被火焰吹开而很难落入密封圈或液面上，储罐液上喷射泡沫灭火设施不能有效扑救在浮顶下降、倾斜及全面池火时浮顶油罐火灾[2]。

此外，GB 50151—2010《泡沫灭火系统设计规范》规定固定式泡沫灭火系统应满足在泡沫泵或泡沫混合液泵启动后，将泡沫混合液或泡沫输送到保护对象的时间不超过5min[4]。对于大型储罐、低液位和储罐全面积火灾情形下，泡沫供给强度可能不满足文献[4]的要求，存在安全隐患[5]。

1.2罐壁式泡沫灭火系统缺陷

国内大部分浮顶储罐采用罐壁式泡沫灭火系统，该系统存在以下缺陷：

1) 泡沫喷射口设置在罐顶沿罐周等角均布，如外界风力较大，虽泡沫喷射口设有泡沫导流板，泡沫仍易被风吹散，造成大量泡沫损失。

2) 启动灭火系统后，泡沫沿罐壁流至浮盘泡沫堰板与罐壁之间的环形空间，形成一定厚度泡沫带淹没密封圈后，泡沫从密封圈顶部裂口溢流进入密封圈内部实施灭火。研究表明： 对于1.5×105m3大型浮顶储罐，泡沫在环形空间汇集至少需要9min，特别是密封圈着火点不正对泡沫喷射口正下方时，很可能错过最佳的灭火时机[5]。

3) 雷电引起的密封圈火灾可能伴随大雨，喷射泡沫会被雨水稀释，影响灭火效果。

1.3浮盘边缘式泡沫灭火系统

国内仅少数浮顶储罐采用浮盘边缘式泡沫灭火系统。泡沫喷射口设置在泡沫堰板与二次密封支撑板之间的开放空间，喷出泡沫直接覆盖在油面实施灭火，避免外界风力和雨水对泡沫的影响，但仍不能完全解决泡沫只有完全淹没金属支撑板后才能进入密封圈内部灭火的问题。泡沫管线穿越二次密封金属支撑板处需有效密封，否则导致密封圈内油气从穿越处泄漏。此外，只有在储罐检修期间才能对泡沫管线进行维修，泡沫管线耐腐蚀、耐高温、耐高压等性能要求高，造价高，从而限制了应用范围。

1.4泡沫供给强度

储罐固定式消防系统主要是泡沫灭火系统和水喷淋系统，针对泡沫液供给强度、供给时间和邻近储罐冷却等问题，GB 50074—2014《石油库设计规范》[6]规定如下：

1) 着火的固定顶储罐以及距离该储罐罐壁不大于1.5D(D为着火储罐直径)范围内的相邻储罐，均应冷却。

2) 着火的外浮顶、内浮顶储罐应冷却，相邻储罐可不冷却。

3) 着火的固定顶储罐和内/外浮顶罐的固定式冷却水供给强度分别为不小于2.0L/(min·m2)和2.5L/(min·m2)，相邻储罐冷却水供给强度为不小于2.0L/(min·m2)。

4) 直径大于20m固定顶储罐和内浮顶罐的消防冷却水最小供给时间不小于9h，其他储罐不少于6h。

以“大连7.16油库火灾事故”为例[7]，在对着火储罐进行灭火同时对邻近受到威胁的6座储罐及输油管道进行冷却，灭火用时15h，使用泡沫1300t、用水约6×104t，计算泡沫混合液供给强度为4.3L/(min·m2)。该事故中泡沫液供给强度和供给时间均高于文献[6]的规定，着火浮顶罐可不冷却的规定也与实际消防要求有差距。此外储罐灭火后还应向着火储罐补充喷射泡沫，避免油气挥发，冷却罐壁降至室温。建议在条件允许的情况下，消防水池和泡沫罐的容积应适当增加，以增加泡沫液供给强度和供给时间。

1.5消防泵

针对消防冷却水泵和泡沫消防水泵的设置，文献[6]规定一级油库应各设1台备用泵，二、三级油库可共用1台备用泵，四、五级油库可不设备用泵，备用泵量程不小于最大主泵的工作能力。消防水泵应为正压启动或自吸启动，采用自吸启动时，自吸时间不宜大于45s。一、二、三级油库的消防水泵有2个独立电源供电时，主泵应为电动泵，备用泵可为电动泵或柴油机泵；只有1个电源供电时，消防水泵应采用下列方式之一： 主泵和备用泵均为柴油机泵；电动机泵和柴油机泵互为主泵和备用泵。

油库消防系统采用双电源或双回路供电方式，应对配电设施进行改造，或者设计较大容量的变配电措施。消防泵偶尔使用，采用双电源或双回路供电方式不经济。此外，很多火灾事故初期火势并不大，但由于电缆损坏，消防系统无备用动力源，造成火灾扩大[7]，提高消防系统供电可靠性具有重要意义。实践证明柴油机泵操作维护简便，作为消防水泵具有明显优势。俄罗斯应用柴油燃料的发电机快速启动消防泵的技术成熟，柴油储备量能满足消防泵运转不低于6h，确保发生火灾和电力中断情况下驱动消防泵，建议国内标准针对柴油机消防泵的油料储备量应适当增加。

2　国内外储罐泡沫消防系统新技术

2.1液下喷射泡沫灭火系统

液下喷射泡沫灭火系统是在可燃液体下部注入泡沫，泡沫受浮力作用上升到液体表面并扩散，形成泡沫层的灭火系统，液下灭火设施宜应用于扑救拱顶油罐火灾。伊朗国家石油规范规定原油固定顶储罐应设置由泡沫消防水泵、 泡沫比例混合装置、 高背压泡沫产生器等组成的液下喷射泡沫灭火系统[8]。该灭火方式具有以下优点：

1) 泡沫管线和泡沫喷射口在储罐底部，储罐火灾状态下不易损坏。

2) 泡沫受高温和辐射热破坏影响小，灭火效率高。

该灭火方式需解决的主要问题是防止泡沫夹带过多油品成为可燃泡沫而失去灭火能力，只能选择同时具有疏水性和疏油性的氟蛋白泡沫，泡沫发泡倍数控制在3倍较为适宜。此外，泡沫喷射口的止回阀容易密封不严，可能导致罐内油品渗漏问题。伊朗某油田储罐在止回阀后设置超压爆破片，可有效防止油品泄漏[9]。

2.2移动式消防设施

外浮顶罐发生全面积敞口火灾难于扑救，特别是原油罐长时间大火会发生沸溢。国外已有应用移动式大流量泡沫炮成功扑救大型储罐全面积火灾的事故案例。例如： 美国曾成功扑救过直径60.96m的油罐火灾，使用了巨型泡沫炮，射程152m，流量在250 L/s以上。沙特阿莫科公司推荐扑救直径60～100m浮顶罐火灾，可使用流量260～930L/s消防炮。移动式消防设备泡沫供给强度明显高于固定式消防系统，例如美国消防协会标准NFPA 11—2016StandardforLow-，Medium，andHigh-ExpansionFoam[10]规定: 针对原油储罐全面积火灾，采用固定式泡沫灭火系统，泡沫混合液的供给强度为4L/(min·m2)，持续供给时间为55min。采用泡沫炮灭火，泡沫混合液供给强度为6.5L/(min·m2)，持续供给时间为65min。为弥补泡沫液损失量，泡沫炮实际泡沫供给强度通常需提高至 10 L/(min·m2)以上[11]。

2.3CFITM气体灭火系统

荷兰SAVAL 公司开发的CFITM气体灭火系统包括气体灭火剂储存罐、感温探头、灭火剂喷头、管线等，结构如图1所示。

图1　CFITM气体灭火系统示意

灭火剂喷头与感温探头一起敷设，探头间距约2 m，单个系统可覆盖40m罐周，安装系统数量取决于储罐大小。发生密封圈火灾时，火焰热量使一个或多个探头/装置启动，气体灭火剂通过喷头直接喷射到火焰上，灭火剂储存罐设有液位和压力开关进行远程控制。该系统维护方便，可远程监控，可靠性高，灭火速度快，不需额外动力，自动检测灭火，不需水源，适合水源缺乏地区，在沙特和伊朗应用较多。

2.4TANK GUARD泡沫灭火系统

环球技术公司开发的TANK GUARD泡沫灭火系统包括泡沫液储罐、线性感温报警系统等，结构如图2所示。

图2　TANK GUARD泡沫灭火系统示意

线性感温报警系统在密封圈内，泡沫喷头穿过金属支撑板进入密封圈内部，密封圈内出现火焰时泡沫直接喷射至油面灭火。泡沫液储罐容量250L，储存200L泡沫混和液，液体上方充装高压气体，探头间距约2 m，单个系统可覆盖40m罐周，TANK GUARD泡沫灭火系统在西亚应用较多。

2.5FoamFatale(SEF)泡沫灭火系统

SEF灭火系统中，压缩泡沫储存在压力储罐内，与储罐通过管线相连，压缩泡沫在罐内压力下快速到达罐顶，结构如图3所示。沿罐壁顶部设置环管，压缩泡沫从环管线性开口自动膨胀为泡沫，沿罐壁呈瀑布状快速流下，向罐中心汇集形成泡沫带。该系统泡沫供给强度可达20～40 L/(min·m2)，覆盖2000m2着火油面形成20cm的泡沫层仅需2min，该系统可用于扑救大型浮顶储罐的全表面积火灾。

图3　FoamFatale(SEF)泡沫灭火系统示意

3　结论和建议

1) 大型储罐灭火系统基于扑救密封圈火灾，随着储罐大型化发展趋势，储罐消防系统应提高设计等级。

2) 浮盘边缘式泡沫灭火系统相对于罐壁式泡沫灭火系统更适用于扑救大型储罐的密封圈火灾，但应致力于提高该灭火系统设施的可靠性和稳定性。

3) 借鉴“大连7.16事故”经验，储罐固定式消防系统泡沫混合液供给强度不应小于4L/(min·m2)，冷却水供给时间不少于15h，大型浮顶罐着火情况下应对邻近储罐进行冷却。

4) 不具备双回路供电方式的油库消防泵优先采用柴油机泵，柴油储备量能满足消防泵运转不少于6h。

5) 固定顶储罐选择液下喷射泡沫灭火系统应考虑泡沫液类型、泡沫发泡倍数、泡沫管线防渗漏措施等。

6) 借鉴美国标准NFPA 11—2016，大型储罐应配备移动式消防设备，泡沫混合液供给强度是6.5L/(min·m2)，持续供给时间是65min，用以扑救储罐全面积火灾。

7) 国外新型灭火系统启动快、灭火效率高，适用于扑救浮顶罐密封圈初期火灾。

[1]董林林.大型油库消防系统设计[J].油气储运，2011，30(11)： 864-866.

[2]郎需庆，张卫华，牟善军.固定式消防系统应对大型原油储罐全面积火灾的探讨[J].工业安全与环保，2013，39(03)： 22-24.

[3]张保坡.浮顶储油罐灭火问题分析及改进措施[J].油气储运，2009，28(03)： 56-58.

[4]张清林，秘义行，胡晨，等.GB 50151—2010泡沫灭火系统设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2010.

[5]郎需庆，刘全桢，宫宏.大型浮顶储罐灭火系统的研究[J].消防科学与技术，2009，28(05)： 342-345.

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[10]NFPA. NFPA 11—2016 Standard for Low-， Medium， and High-Expansion Foam [S].Quincy： National Fire Protection Association，2016.

[11]付石，谢海林.油库自动化系统应用现状[J].油气储运，2013，32(03)： 252-256.

Review on New Technology of Fixed Fire-Fighting System for Large Scale Tanks

Liu Yichi1， Bei Yamei2， Liu Jiangbo3， Zhang Fuqiang4， Ma Weiping5

(1. Hebei Huabei Petroleum Ganghua Survey Planning & Design Co. Ltd.，Renqiu， 062552， China；2. No.4 Drilling Engineering Company， BHDC， Renqiu， 062552, China；3. China Petroleum Engineering & Construction Corp.， Beijing， 100120, China；4. China PetroleumPipeline No.4 Construction Company， Langfang， 065000, China；5. PetroChina Pipeline R&D Center， Langfang， 065000, China)

Abstracts： The current status and application scope of foreign new foam fire extinguishing technology are introduced including base injection foam extinguishing system， movable fire-fighting facilities， CFITM， TANK GUARD and SEF foam extinguishing system. Suggestions to improve reliability and emergency support capacity of tank fixed fire-fighting system are proposed including application of floating edge foam fire-fighting system. Foam supply strength is no less than 4L/(min·m2). Cooling water supply time is no less than 15 h and equipment of diesel fire pump with diesel storage capacity is no less than 6 h.

tank；fixed fire-fighting system；design；standard；foam extinguishing system

刘钇池(1987—)，女，河北沧州人，2010年毕业于重庆科技学院油气储运工程专业，现就职于河北华北石油港华勘察规划设计有限公司，主要从事油田地面工程设计工作，任工程师。

发展与评述

TU998.1

B

1007-7324(2016)04-0001-04

稿件收到日期： 2016-04-12。