可燃液体立式储罐罐区消防系统设计

时晓宁，王全贵

（中国中轻国际工程有限公司，北京，100026）

可燃液体立式储罐罐区消防系统设计

时晓宁，王全贵

（中国中轻国际工程有限公司，北京，100026）

介绍了甲、乙、丙类可燃液体立式储罐罐区消防冷却水系统和泡沫灭火系统的分类和组成，并结合某项目罐区工程设计实例阐述了固定式消防冷却水系统计算过程、设备选型以及固定式泡沫灭火系统计算过程和设备选型。

立式储罐罐区；固定式消防冷却；泡沫灭火

1 概述

精细化工是国民经济的重要领域之一，是新材料的重要组成部分。它已经成为石油化工、煤化工、天然气化工等化学工业发展的总趋势。由于它在国民经济中的特殊地位，它和能源、信息、生物化工以及材料学科之间有着紧密的联系，它在我国现代化建设中的作用将愈来愈重要，而成为不可替代、不可或缺的关键一环。精细化工是石油和化学工业的深加工产业，可燃、易燃类液体储罐也是精细化工项目不可或缺的一部分，如烷基苯、脂肪醇、环氧乙烷等介质在化工行业的工程设计中多为常见。甲、乙、丙类液体储罐火灾危险性较大，火灾的火焰高、辐射热大，还可能出现油品流散。为防止油罐发生火灾，油罐变形、破裂或者发生突沸，需要采用大量的水对甲、乙、丙类液体储罐进行冷却，并及时实施扑救工作。为了减少或避免火灾事故的发生，贯彻以“预防为主，防消结合”的消防方针。设计中必须严格依照相关规范进行，从预防火灾，防止火灾蔓延及消防三方面采取措施，以确保建设项目的生产安全。

2 规范条文及系统分析

2.1 罐区消防设计依据

甲、乙、丙类液体储罐罐区消防系统设计通常主要执行以下规范：

a.《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)

b.《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-2008)

c.《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB50974-2014)

d.《建筑灭火器配置设计规范》(GB50140- 2005)

e.《泡沫灭火系统设计规范》(GB50151-2010)

f.《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084-2001)

2.2 相关规范条文分析对比

《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)，8.1.4条规定：甲、乙、丙类液体储罐（区）的储罐应设置移动水枪或固定水枪冷却设施。高度大于15m或单罐容积大于2000m3的甲、乙、丙类液体地上储罐，宜采用固定水冷却设施。8.3.10条规定，单罐容积大于1000m3的固定顶罐应设置固定式泡沫灭火系统，且均为强制性条文。

《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008）8.4.5条规定，罐壁高于17m储罐、容积等于或大于2000m3低压储罐应设置固定式消防冷却水系统。8.7.2条关于固定式泡沫灭火系统的规定：单罐容积等于或大于10000m3的非水溶性可燃液体储罐；单罐容积等于或大于500m3的水溶性可燃液体储罐；甲、乙类和闪点等于小于90℃的丙类可燃液体的浮顶罐及浮盘为非易熔材料的内浮顶罐单罐容积等于或大于500m3的非水溶性可燃液体储罐。此条规定为强制性条款，必须严格执行。

经对比分析，《建筑设计防火规范》的要求比相应的《石油化工企业设计防火规范》更具有针对性更加严格；因为《建筑设计防火规范》是行业消防规范的母本，故在设计要从严执行。设计中是否设置固定式消防冷却系统以及固定式泡沫灭火系统应主要执行《建筑设计防火规范》的相关条文。执行中如遇不同规范规定不一致时，应根据实际情况分析，以保证消防安全为前提进行选择执行的条款。

2.3 消防冷却水系统可以分为两种方式：固定式消防冷却水系统、移动式消防冷却水系统

固定式消防冷却水系统，由固定消防水池（罐）、消防水泵、消防给水管网及储罐上设置的固定冷却水喷淋装置组成。

移动式消防冷却水系统：宜为室外消火栓或消防炮。

依据《消防给水及消火栓系统技术规范》要求，地上立式储罐冷却水系统的保护范围和喷水强度不应小于表1的规定。本文未涉及到内浮顶罐，故表格中未列出内浮顶罐的数值。

表1　地上立式储罐冷却水系统的保护范围和喷水强度

2.4 泡沫灭火系统可以分为三种方式：固定式泡沫灭火系统、半固定式泡沫灭火系统和移动式泡沫灭火系统

固定式泡沫灭火系统：由固定的泡沫消防水泵或泡沫混合液泵、泡沫比例混合器（装置）、泡沫产生器（或喷头）和管道等组成的灭火系统。

半固定式泡沫灭火系统：由固定的泡沫产生器与部分连接管道，泡沫消防车或机动消防泵，用水带连接组成的灭火系统。

移动式泡沫灭火系统：由消防车、机动消防泵或有压水源，泡沫比例混合器，泡沫枪、泡沫炮或移动产生器，用水带连接组成的灭火系统。

依据《泡沫灭火系统设计规范》要求，非水溶性液体储罐液上喷射系统 泡沫混合液供给强度和连续供给时间不应小于表2的规定。

3 根据某工程可燃液体立式储罐区的灭火及冷却用水系统的设计进行实例分析

3.1 罐区概况

罐区内共有7台立式储罐双排布置，如图1、如图2所示。图1、图2分别为分2段、4段布置固定冷却系统管。通过对比两种不同的布管方式的实际用水量及控制方式，从而选择4段布置固定冷却系统管作为优化设计方案。

储罐储存介质均为可燃液体，其中2台500m3的罐相对于其他罐体积很小，且着火罐周围已有4个较大容量的邻近罐，故可以不考虑。给容积大于2000m3的5个立式罐编号，分别为1#、2#、3#、4#、5#，经计算比对，1#罐为着火罐计算水量最大，故以1#为着火罐计算，具体参数如表3所示。

3.2 冷却水系统理论计算：

依据《石化规》8.4.5条，罐区内大于2000m3的储罐设置固定式消防冷却水系统。固定式消防冷却水水量计算分为理论消防冷却水量与实际消防冷却水量。

图1　两段环路配管

图2　四段环路配管

表2　非水溶性液体储罐液上喷射系统泡沫混合液供给强度和连续供给时间

3.2.1 理论消防冷却水量计算

理论消防冷却水量计算公式：

Q1=A q=π D H q

A——罐壁表面积，m2；

q——供水强度，L/min·m2；

D——罐直径，m；

H——罐壁高度，m；

着火罐冷却水量：Q1= A q

邻近罐冷却水量：Q1= 1/2 A q=1/2 π D H q

3.2.2 实际消防冷却水量计算

3.2.2.1 实际冷却水量与罐壁配管段数有关

故讨论配置2段环路（如图1所示）及4段环路管道（如图2所示）两种情况讨论。阴影部分为需要冷却水保护的罐壁周面积。

1) 罐壁配2段环管（图1）

与着火罐正对需要冷却的一侧喷头开启，故实际计算水量Q2=Q1#+1/2* Q2#+ Q3#+ Q4#

2) 罐壁配4段环管（图2）

与着火罐正对需要冷却的一侧喷头开启，实际计算水量Q2=Q1#+1/2*Q2#+ 3/4*Q3#+ 1/2*Q4#

以上两种情况分析可知，罐壁保护采用2段环管的情况下，如果邻近着火罐最近的一侧需要保护，则需要开启两根立管的阀门才可实现，这样看邻近罐也需要全周面积冷却，而不是冷却一半的周面积；而4段环路设置配管比2段环路设置配管控制水量更灵活，邻近罐3#罐与4#罐可以只开启与着火罐最接近的一侧，故4段环路配管比2段环路冷却水量可以节省。

3.2.2.2 实际冷却水量与罐壁是否设置加固作用的加强筋也有关

1#~ 5#每个罐壁上设置有两条加肋筋。在消防冷却喷淋过程中，加肋筋下侧出现无法覆盖的空白区域，影响冷却效果，故需在加肋筋下方加设一圈喷头，保证消防冷却无死角。加肋筋下方的喷头负责冷却的区域为罐顶与加强筋之间、两加肋筋之间或加强筋与罐底之间的罐壁面积。实际冷却水量即为罐壁上所有喷头喷水量之和。

根据罐壁保护面积大小不同，喷头流量系数以及喷水量也不同。选用水幕喷头类型分别为：ZSTMB/13，k=13；ZSTMB/28，k=25。下圈加肋筋与罐底间需保护面积较大，选用流量系数大的ZSTMB/28，k=25喷头。加强肋角钢下部沿罐周每隔1.5~2m均布喷头，最不利点喷头出口压力为0.1MPa，ZSTMB/13喷头流量0.22L/S，喷头平均压力0.3MPa，喷头平均流量0.375L/ S；ZSTMB/28喷头流量0.42L/S，喷头平均压力0.3MPa，喷头平均流量0.72L/S；故单罐环管实际流量为喷头个数*喷头流量。喷头的工作压力由防火堤前的减压阀组进行调节，每层环管的压力由减压孔板进行调节。

3.2.2.3 实际冷却水量计算结果

实际冷却水量与计算结果如表4。

表3　储罐区储罐概况表

通过分析两种情况并对计算结果进行对比可以看出：配2段环管所需的冷却水量为173.46L/S，配4段环管所需的冷却水量为138.18L/S，虽然配4段环管冷却水立管数量与2段环管相比多了两根，管道耗材上略有增加，但是消防冷却水量却减少了25L/S，而且预计冷却效果四段优于二段，故选择4段布管方式。

储罐壁消防立管及喷头布置

储罐平面喷头布置

喷头安装大样图

表4　实际冷却水量与计算结果

《石化规》规定本罐区消防时间为4小时（着火罐为固定顶罐），储罐采用固定式消防冷却水系统时，室外消火栓水量不应小于15L/S。因此，罐区的消防冷却水应为：138.18+15=153.18L/S，考虑10%安全系数，消防总水量应取168.5L/S。

3.3 泡沫灭火系统计算：

根据《建筑设计防火规范》、《泡沫灭火设计规范》规定，本罐区采用固定式低倍数的液上喷射泡沫灭火系统。

3.3.1 泡沫混合液用量计算

储罐区泡沫灭火系统扑救一次火灾的泡沫混合液的设计用量，按罐内用量、该罐辅助泡沫枪用量、管道剩余量三者之和确定。计算公式见下式：

M1＝A1R1T1＋nQft＋V

式中M1——扑救一次火灾的泡沫混合液的设计用量，（L）；

A1——单个储罐的保护面积，m2；

R1——泡沫混合液供给强度，L/（min · m2）；

T1——泡沫混合液连续供给的时间，min；

n ——计算储罐的辅助泡沫枪数量，支；

Qf——每支辅助泡沫枪的泡沫混合液流量，L/min；

t ——泡沫枪的混合液连续供给的时间，min；

V ——系统管道内泡沫混合液剩余量，m3。

本罐区内可燃液体为非水溶性乙类液体，选用水成膜泡沫液。水成膜泡沫混合液供给强度R1为5L/ min·m2，连续供给时间T1为45min，罐区最大罐为2#罐A1=Πd2/4=307.76m2，最大罐所需要的泡沫混合液流量为26L/S，选用2支PC16型号泡沫产生器，实际2支PC16泡沫产生器的泡沫混合液流量为2×16=32L/S，泡沫混合液量为86.4 m3。

据GB50151-2010表4.1.4规定辅助泡沫枪罐区设1支泡沫枪，每支辅助泡沫枪的泡沫液流量Qf取240L/min，连续供给时间t为20min，泡沫枪需泡沫混合液量nQft =4.8 m3。

泡沫管网取DN150，总长约为450m，管道剩余量V约为7.95m3。

M1=86.4+4.8+7.95=99.15m3

混合泡沫液浓度为6%，故本罐区需泡沫量约为6m3，配制泡沫液所需水量为94m3。

3.3.2 泡沫比例混合装置

本工程采用立式泡沫比例混合装置。立式泡沫比例混合装置由立式泡沫罐、胶囊、比例混合器、进水系、出水系、安全阀、压力表、控制阀门及一些辅助零部件等组成。当消防水流过该泡沫比例混合装置的比例混合器时，比例混合器将其按比例分流，其中一部分水进入带胶囊的泡沫比例混合装置夹层，挤压胶囊，置换装置内储存的泡沫灭火剂，使水与泡沫灭火剂按 6%比例进行自动混合，输出的泡沫混合液由6%的泡沫与94%的水组成。泡沫混合液供喷射设备（泡沫消火栓、空气泡沫产生器、泡沫喷头）使用。其中空气泡沫产生器将6%的泡沫混合液与94%的空气混合形成空气泡沫，空气泡沫喷入罐体内可对可燃液体覆盖从而与空气阻隔进行灭火。

3.4 消防总水量及配套消防设施

3.4.1 消防总水量

消防水量为消防冷却水量与泡沫消防用水量之和，火灾延续时间为4小时，总水量计算如下：168.5× 4×3.6+94=2520.4m3, 消防水池有效容积为2600 m3，设置两座独立的消防水池，有效容积分别为1300 m3。

3.4.2 消防水泵

全厂消防系统形式为稳高压系统。罐区的消防水量最大，按照罐区的消防水量选消防泵， Q=170L/S，H=1.0MPa。消防水泵用电负荷为一级负荷，配置电力消防泵一台，柴油机消防泵一台，并配置两台稳压泵。

3.5 消防管道及阀门控制

(1) 消防水管道管径为DN300，沿罐区外呈环状布置，罐区外室外消火栓间距60m布置一个。

(2) 泡沫管道管径为DN150，沿罐区外呈环状布置，罐区外泡沫消火栓间距60m布置一个；并配置泡沫枪。

(3) 消防冷却水进水管以及泡沫混合液进水管的控制阀门采用电动控制阀，控制阀设在防火堤外；液化烃储罐区的控制阀要求距被保护罐壁15m以外。控制阀前设置带旁通阀的过滤器，控制阀后及储罐上设置的管道采用镀锌管。

(4) 泡沫混合液主管上留出泡沫混合液流量监测仪器的安装位置，在泡沫混合液管道上应设置试验检测口，在防火堤外侧最不利和最有利水力条件处的管道上，宜设置供检测泡沫产生器工作压力的压力表接口。

(5) 防火堤内泡沫混合液管道敷设在管架和管墩上，与罐壁上的泡沫混合液立管之间宜用金属软管连接，泡沫混合液和泡沫管道有3‰的坡度放空管道。

(6) 每个泡沫产生器应用独立的混合液管道引之防火堤外。

(7) 为防止储罐发生火灾时，泡沫发生器受到影响或破坏，除立管外，其他泡沫混合液管道不得设置在罐壁上。

4 灭火器

本罐区采用碳酸氢钠干粉灭火器，以每300m2设 1具，共设20具6kg灭火器。

5 结语

1. 甲、乙、丙类可燃液体立式储罐罐区消防系统设计首先要明确介质性质与储罐容积，然后根据对应的规范，确定消防的形式。

2. 固定消防冷却设计参考《石油化工企业防火规范》中的液化烃罐区灭火，以及《石油库设计规范》《自动喷水灭火系统设计规范》设计；固定消防冷却消防水量要按照规范的数据计算实际喷头个数，然后用实际喷头个数计算总水量。

3. 泡沫灭火系统计算实际泡沫混合用量时，按照表面积计算的数值去选泡沫发生器，然后根据泡沫发生器的数量在计算实际的泡沫混合液量。

4. 罐区消防水量的计算及校核是罐区消防计算的重要步骤，故一定要了解全面的罐区资料，严格按照规范设计并留有余量。

[1]GB50974-2014.消防给水及消火栓系统技术规范[S].

[2]GB50140-2005)建筑灭火器配置设计规范[S].

[3]GB50160-2008.石油化工企业设计防火规范[S].

[4]GB50151-2010.泡沫灭火系统设计规范[S].

[5]GB50016-2014.建筑设计防火规范[S].

[6]GB50084-2001.自动喷水灭火系统设计规范[S].

Fire Control System Design of Flammable Liquid Vertical Storage Tank Farm

Shi Xiaoning, Wang Quangui
(China Light Industry International Engineering Co.,Ltd., Beijing 100026)

The paper introduces classification and structure of the fire-control cooling water system and foam fire-fighting system about the flammable liquid vertical storage tank farm, and combines some tank farm project engineering design example to expound the calculation process and the equipment selection of the fixed fire-control cooling water system as well as the calculation process and equipment selection of fixed foam fire-fighting system.

vertical storage tank farm；fixed fire-control cooling；foam fire-fighting

TQ423

B

1672-2701（2016）11-50-07