浅析液化烃球罐固定式消防冷却水系统的设计与计算

王丙贤

(中国石化石油工程设计有限公司，山东东营 257000)

浅析液化烃球罐固定式消防冷却水系统的设计与计算

王丙贤

(中国石化石油工程设计有限公司，山东东营257000)

通过介绍液化烃的性质及液化烃火灾的特点，对液化烃储罐发生火灾危险性及水喷雾冷却灭火的机理进行分析，列举了液化烃球罐水喷雾系统的设计计算实例，提出了设计中应注意的问题。

液化烃球罐 固定式消防冷却水系统 水喷雾灭火系统

1 概述

液化烃的主要成分是：乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烃类组成，在气态时比空气重(是空气的1.5～2.0倍)。液化烃一旦泄漏，迅速气化且难以控制。气化时，从周围环境吸收大量的热量，使空气中的水分冷却成为细小雾滴，形成液化烃的蒸气云。液化烃的蒸气云从泄漏点沿地面向下风向或低洼处漂移、积聚。液化轻烃爆炸极限低(2%～10%)，如果液化烃大量泄漏遇明火可造成大面积的火灾或可燃蒸气云爆炸事故。液化烃的燃烧热值高，爆炸迅速、威力大，破坏性强，其火焰温度达200 ℃以上，极易引起邻罐的爆炸。

液化烃的体积膨胀系数比水大，过量超装十分危险。为了便于储存和运输液化烃，通常进行加压和冷却使其液化，储存在密闭的压力储罐内，由于球罐耐压大且受力均匀，储存量大，因而石化企业普遍采用球罐作为储存液化气的压力容器。

液化烃球罐发生火灾时，若球罐内尚有剩余可燃气体时就将火扑灭，剩余的可燃气体泄漏出来与空气混合到一定的浓度，遇明火就会发生爆炸，产生更大的危害。因此，控制液化烃球罐火灾的根本措施是切断气源和紧急排空。在完成放空之前应维持其稳定燃烧，同时对着火罐及相邻罐进行喷水冷却保护，使球罐不会因受热发生破坏。

在GB50183-2004《石油天然气设计防火规范》的8.5项以及API-2030标准的第7.3.5项和NFPA15标准的第7.4.2项中都有关于液化烃球罐的防火要求，对于容积较大的储罐应设置固定式水喷雾或者水喷淋系统。

本文以加纳某液化石油天然气工程项目2 000 m3液化烃球罐为例，为其设计固定式水喷雾灭火系统。

2 液化烃球罐固定式水喷雾冷却系统的设计

2.1 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，布水才均匀。为此在管道设计时，采取以下措施。

a)上、下半罐体上的供水环管对称布置。

b)环管应由2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。对于容积为2 000 m3的储罐，环管较长，阻力较大。由2条对称布置的立管供水，可降低环管阻力。

c)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0.35 MPa。

d)对于容积为2 000 m3的储罐，罐体直径较大，顶环与底环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2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。

e)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热镀锌无缝钢管，球罐环管采用无缝钢管，焊接清理外表面后进行整体热浸镀锌处理。

2.2 球罐水喷雾冷却系统的计算

2.2.1球罐固定冷却水喷雾系统的用水量Q设计

Q设计=4R2q=D2q

式中：Q设计——球罐固定冷却水喷雾系统的设计水量，L/min；

D——球罐的直径，m；

R——球罐的半径，m；

q——消防冷却水供给强度，L/(min·m2)。

根据GB50183-2004 8.5项要求，球罐消防喷淋设计强度为0.15 L/(s·m2)(考虑相邻储罐冷却)。

根据API-2030标准中第7.3.5项和NFPA15标准中第7.4.2项的要求，球罐消防喷淋设计强度为10.2 L/(min·m2)(考虑相邻储罐冷却)。

2.2.2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；当按菱形布置时，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。

本工程实例中保护对象为球罐，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0.70 m。

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。

2.2.3水雾锥底圆半径R1

R1=B·tg(θ/2)

式中：B——水雾喷头的喷口与罐壁之间的距离，m；

θ——水雾喷头的雾化角，°。

根据API-2030标准中第7.3.5项和NFPA 15标准中第7.4.2项的要求，水雾喷头与储罐外壁之间的距离不应大于0.7 m，在实际工程中一般取值0.6～0.7 m。罐容积越大，B值越大，本工程选用0.65 m。

喷头雾化角示意如图1所示。

本工程实例中选用雾化角为120°的雾化喷头。

计算得出：R1=0.65×tg(120/2)=0.65×1.732=1.126(m)

图1 水雾喷头的雾化角示意

2.2.4喷头的布置

a)经线方向喷头布置(水雾锥宜相接)：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，如图2所示。

β=1800-θ/2-α/2

图2 球心角α示意

计算得出：α=19.40°。

根据喷嘴喷出的水雾锥覆盖罐体表面弧长所对应的角α得出纬线方向喷淋环管数M=180°/α=9.3≈10。

纬线方向喷淋环管布置如图3。

图3 纬线方向喷淋环管示意

当设置10条纬向喷淋环管时，α实际=18°，球罐半径R=15.7/2=7.85 m，则喷头的雾化角θ为：

sin(α实际/2)=R1/R

R1=sin(α/2)×7.85=1.228 m

tg(θ/2)=R1/{B+[R-R·cos(α/2)]}=1.65

θ/2=58.8°

θ=117.6°

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。

b)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=1.126×1.4=1.576 m。

2.2.5确定每根喷淋环管的直径，计算喷头个数

每根喷淋环管计算结果及喷头安装数量见表1。上下以赤道线对称，单罐水雾喷头总计236个。

2.2.6冷却水喷雾设计水量校核

Q设计=131.58 L/s

水雾喷头型号为：ZSTWA-30-120，流量为30 L/min，雾化角为120°。

Q实际=Nq=236×30 L/min=7 080 L/min=118 L/s

2.2.7喷淋环管喷头个数校核调整

确定是否增加喷头对储罐的阀门、液位计、安全阀等设施进行保护，并且重新核算冷却水量，调整喷头数量见表1。上下以赤道线对称，单罐水雾喷头的总计为280个。

表1 调整前、后喷淋环管计算结果及喷头个数

调整以后的Q实际=Nq=280×30 L/min=8 400 L/min=140 L/s>Q设计=131.58 L/s，满足要求。

2.2.8冷却水喷雾系统设计强度核算

单个喷头的流量q=Q/N

冷却水喷雾系统的设计流量按下式计算：

QS=kNQj

式中：Qj——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；

N——喷头安装个数。

式中：K——水雾喷头的流量系数，由生产厂提供；

P——水雾喷头的工作压力，MPa。

着火罐冷却水供给强度，不应小于10.2 L/(min·m2)。

保护对象的设计水喷雾强度：

式中：W——系统设计水喷雾强度，L/(min·m2)；

R——球罐半径，m。

按最不利情况，B=0.65 m，k=1.05，P=0.35 MPa，N=280个，得W=0.710 6K，应大于10.2 L/(min·m2)或者0.15 L/(s·m2)，所以K≥10.2/0.7106=14.35，可见，只要选用K≥14.35的水雾喷头，即可满足要求。

本例中，采用矩形布置，设计选用ZSTWA-30-120型水雾喷头，流量为30 L/min，雾化角为120°，流量特性系数K=16，完全满足设计要求。

2.3 计算各环管的管径，确定供水竖管管径

喷头工作压力不小于0.35 MPa，供水流速不大于3 m/s，通过查询水利计算表得出相应的管径。

2.4 管道水力计算

进行管道水力计算时，先确定各个喷淋环管的计算压力是否满足喷头的设计压力要求，如果压力不足，放大管径减小水力损失重新核算压力或者选用低压喷头；如果压力过大则需要设计减压孔板等减压设施或者选用高压喷头。

3 应注意的问题

a)球罐喷淋冷却的实际设计流量一般大于规范规定的设计流量，应根据实际选择的喷头型号、数量、喷头的布置进行校核，应选择喷头流量总和与规范规定的设计流量接近的喷头，不可随意选用。

b)球罐喷头的布置与喷头的雾化角、有效射程有关，设计时应注意选择合适的雾化角和有效射程，以保证喷头的喷射水雾锥能覆盖整个球体。

c)喷头的流量与系统的压力有关，不同的系统压力，喷头的流量不同，选择喷头时应注意系统的压力范围。

d)因为固定式消防冷却水系统的用水量为着火罐和相邻罐的用水量之和，相邻罐的用水量是着火罐的1/2，在配管时应考虑如何才能满足要求，本例中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，在距离被保护罐15 m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，保证消防用水量，这样也可以满足夏季防晒喷淋降温的要求。

[1] API-2030 Application of Fixed Water Spray Systems for Fire Protection in the Petroleum and Petrochemical Industries [S].

[2] NFPA 15 Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection[S].

[3] GB50219-2014水喷雾灭火系统技术规范[S].

[4] SY/T6557-2003 石油工业防火用水喷淋系统应用指南[S].

AnalysisofEngineeringDesigningandCalculationonFixedExtinguishingCoolingWaterSpraySystemofLiquefiedHydrocarbonSphericalTanks

Wang Bingxian

(SINOPEC Petroleum Engineering Corporation，Shandong, Dongying, 257000)

Through the introduction of the properties of liquefied hydrocarbon and the characteristics of liquefied hydrocarbon fire danger, liquefied hydrocarbon storage tank fire and water spray fire extinguishing mechanism are analyzed, the liquefied hydrocarbon spherical tank of water spray system design and calculation examples are enumerates; and the problems should be paid attention to in the design are put forward in this paper.

liquefied hydrocarbon spherical tanks；fiexd extinguishing cooling water system；water spray system

2016-01-10

王丙贤，工程师，2010年毕业于山东电子大学给水排水工程专业，现主要从事石油化工消防给排水设计、油田采出水处理设计工作。