蒸汽幕的实例应用探讨

李 威

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

蒸汽幕的实例应用探讨

李 威

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

蒸汽幕对隔离危险化学气体扩散具有良好的效果。对蒸汽幕进行了分析，对蒸汽幕设置的注意事项进行了探讨，并结合工程实际进行了计算和论证，结果证明蒸汽幕为工程带来的效果较为可观，值得在项目中推广。

蒸汽幕；蒸汽灭火； 筛孔

蒸汽用于消防灭火已有许多案例，通过设置专门设计的蒸汽管道即可达到灭火的目的，该系统既简单又经济，被广泛应用于蒸汽充足的场合。随着化工行业的技术进步，蒸汽除了应用于灭火外，还衍生出用于危险气体环境紧急安全隔离的蒸汽幕。在明火设备周边设置蒸汽幕，以使得当主装置有大量可燃易爆的危险气体泄露时起到一定的隔离作用，在一定程度上防范火灾事故的发生。蒸汽幕的灭火、隔离、稀释等功能逐渐被人们用于不同的场合，在化工工业上的应用也逐步扩大。

1 蒸汽幕简述

1.1 蒸汽幕的功能

蒸汽幕是一种特殊的灭火措施，能稀释泄漏的可燃气体浓度， 也可以一定程度稀释空气中氧气的浓度以达到灭火的目的。在特殊的场合可设置蒸汽幕进行迅速的灭火响应，达到快速、大范围的灭火目的。蒸汽幕也是阻止可燃气体扩散的一种措施，在工业上可用于防止突发性大量易燃易爆气体迅速泄漏到明火区。在化工装置上也可用消防蒸汽幕阻断易燃易爆气体向安全区扩散。蒸汽幕的隔离功能可在一定程度上减少事故时的影响面，也可给消防人员争取到更充足的时间来扑灭火灾。

1.2 蒸汽幕配置

蒸汽幕的配置较简单，一般由蒸汽总管，蒸汽开关阀，蒸汽喷射管组成。附属还可能配置压力表、旁路、放净、手动阀等设施。由于蒸汽幕属于消防防护设施，因此开关阀的选用，需要选用安全可靠的阀门，在长时间不开启的情况下能顺利开启，有条件的场合可设置阀位报警，提醒相关人员进行人工干预。用于控制蒸汽幕的开关阀一般距离潜在的着火点距离15 m，防止火灾发生时开关阀处在火灾区失效。

蒸汽幕筛孔的开孔方式可以通过蒸汽的能量平衡方程进行确定[1]，一般而言，蒸汽筛孔越大，所需蒸汽量越大，喷射的蒸汽幕浓度较高。通常采用的开孔方式是均布开孔，并在底部设置泪孔，用于排放蒸汽凝液。

1.3 蒸汽幕设置的注意事项

蒸汽幕属于非常规的装置，是对特定场合进行保护，因此蒸汽幕的安全性和可靠性必须得到保证。一般可以通过以下几方面来加强蒸汽幕的安全性和可靠性[2]。

（1）蒸汽幕的蒸汽来源必须保证。如条件允许，从专用蒸汽管道上引出蒸汽，既要避免蒸汽幕开启时对装置蒸汽平衡的影响，又要保证蒸汽开启时有足够的蒸汽量。

（2）由于蒸汽管道温度较高，因此蒸汽管道均需保温设计（除喷射段外）。保温厚度需根据蒸汽的压力等级或者蒸汽温度确定。

（3）蒸汽管道在正常时均为关闭，因此阀前应设置匹配的疏水设施，如泪孔或疏水阀。

（4）蒸汽幕阀门组应远离危险源至少15 m，保证当危险源着火或发生意外时，阀组不受到影响，能顺利开启蒸汽幕。

（5）为了缩短阀组开启到蒸汽喷射出来的时间差，阀组后蒸汽管道的长度建议不大于60 m。喷射段的长度较长时，应考虑从两端进气。当从喷射段中间进汽时，应从喷管段的中心进汽，保证喷射段两端喷射的蒸汽量均匀。

（6）由于蒸汽高速喷射时，容易产生静电，因此在喷射管段上应有静电接地[3]。

（7）当蒸汽管道积液时，突然通入中压蒸汽，容易产生水锤，对管道产生不利影响，甚至引起管道变形，因此阀组后的蒸汽管道应配置成步步低，防止蒸汽管道积液或设置输水设施。

（8）阀组后的蒸汽管道在蒸汽幕不开启时为常温，当蒸汽幕开启时温度骤然由常温变为蒸汽的温度，因此需要合理的设计以消除蒸汽管道的热应力。

（9）蒸汽幕喷射段的开孔方向需要根据实际情况确定，如使用的泵房，对泵泄露保护的蒸汽幕应水平开孔，为防止重组份将可燃气体外溢的蒸汽幕喷射方向设置为正上方。并在正下方每隔一段距离开泪孔，放净喷射时的冷凝水。开孔的方式采用均匀的方式，如当蒸汽幕喷射段管道阻力降较大时，可采用非均匀的开孔方式[4]。

2 应用实例

以某个技术改造项目蒸汽幕应用为例，描述蒸汽幕在应用背景、理论计算和设计方面的具体步骤和注意事项。

2.1 背景介绍

实例：本文根据某技改项目场地不足的现状，虽然现场的布置符合标准规范要求，但从本质安全的角度分析，还需借助其它手段提高装置的安全性。

本项目中涉及到的危险物有醋酸，醋酸为甲B类可燃液体，对装置的布置满足GB—50160《石油化工企业设计防火规范》要求。由于工厂用地紧张，拟在醋酸储罐的围堰外新建一丙类装置，见图1。由于罐区有防火堤，防火堤围堰内只有少量重组份时可燃气体停留在堤内，当浓度很高时重组份往高处弥漫，逸出防火堤，向火源靠近。

本改造项目中，在老装置的厂区内拟新建一套环保装置用于处理工艺生产装置的废水。新建装置的生产类别为丙类，因场地的限制，只能布置在老装置罐区围堰外的空地上。根据GB—50058《爆炸和火灾危险环境电力装置》的规定，罐区的围堰内划分成防爆2区，围堰外划为非防爆区。即使布置在非防爆区，一旦罐区有大量的可燃液体泄露，可燃液体的气相容易越过罐区围堰而弥散到新的设备周边，造成潜在的危险。

图1 丙类装置布置示意Fig.1 The layout of the project

其储存的介质危险性如下：

罐区有三个约500 m3的内浮顶式储罐，介质有醋酸和对二甲苯，其物性分别如下。

醋酸：比重大于空气，分子量为60，闪点39 ℃，爆炸下限（V / V）为4 %。

对二甲苯：比重大于空气，分子量为106，闪点24 ℃，爆炸下限（V / V）为1.08 %。

醋酸和对二甲苯均容易形成可燃气体爆炸环境，并且对二甲苯的闪点和爆炸下限均较低，介质属于危险性较强的介质。

罐区的储存物料量大，而且介质均为易挥发的可燃介质，液态可燃介质泄露往往没有任何征兆，一旦泄露将大大的超出介质的爆炸下限。

可燃的液态易挥发性液体一旦泄露，由于其挥发性，泄露的液体蒸发成可燃气体，可燃气体在敞开的空间沿着地面迅速扩散，随风漂移，在很短的时间内能形成半径很大的爆炸性区域。

加上可燃介质均比空气重，容易停留在地面而不易被风吹散，一旦发生意外爆炸，容易形成闪爆，产生巨大的能量并引起周围可燃液体和物体再次燃烧。

因新装置距离围堰较近，而且为了节约占地面积按丙类设计，新装置内的电气和仪表等设施容易成为点燃可燃气体的明火，对安全不利。

2.2 蒸汽幕隔离的效果分析

为了削弱风险，在新建装置和已有装置之间的围堰上布置蒸汽幕，蒸汽幕的蒸汽入口管道采用开关阀控制。在防火堤内较低的标高上，设置可燃气体报警仪，并采用三取二的方式进行检测，一旦泄露醋酸或对二甲苯，通过自动控制开启蒸汽幕。蒸汽幕设计成固定式筛孔蒸汽幕，各筛孔喷出的羽状蒸汽，形成连续的以一定速度上升的蒸汽幕。蒸汽幕喷射时能溶解部分醋酸蒸汽，使得空气中醋酸的浓度下降。同时蒸汽幕也能形成一道蒸汽隔离幕，用于阻挡可燃气体的扩散。蒸汽幕气体喷出后，与可燃气体混合，降低可燃气体在空气中的浓度，使其爆炸极限变窄，降低爆炸的风险。通过仪表自动控制发出报警，通知操作人员对罐区的泄露做出紧急响应。

在危险介质容易泄露的地方安装可燃气体在线监测仪器，并与开关阀进行联锁。一旦可燃气体达到可燃气体爆炸下限的10 %时报警并开启联锁（GB—50058中规定易燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10 %时，可认为非爆炸危险区域）。可燃气体采用三取一的安全等级设置，同时也设置切断新增加的废水处理装置的总电源的联锁。

通过以上的措施，增加蒸汽幕的阻隔措施，当物料意外泄露时，阻隔可燃介质蒸汽进入新装置，争取宝贵的处理紧急情况的时间，较少或者阻断可燃气体接触点火源，一定程度上可以防止事故扩大，降低了因罐区可燃介质泄露而产生的潜在爆炸危险，蒸汽幕的运用效果可接受。

2.3 蒸汽幕的计算和设计

蒸汽幕的计算是依据流体流动的能量守恒原理，即Bernoulli方程进行的[5]。入口蒸汽的总能量等于排出蒸汽的总能量。蒸汽的总能量为静压头和动压头之和，静压头和动压头互相转换，而出口蒸汽的静压头为大气压，可选为计算的基准面[6]。

蒸汽幕的喷射高度主要是由蒸汽压力，开孔总面积，蒸汽用量等因素决定的。用于隔离的蒸汽幕开孔朝上，可根据计算确定蒸汽幕的孔距和高度。筛孔的大小直接决定蒸汽的用量和蒸汽幕的高度。在实例应用中蒸汽供应充足，可选择筛孔大小来满足蒸汽幕的高度要求。蒸汽幕在本项目情况下的应用基本能解决项目中的突出问题。

假设：

M ——蒸汽总消耗， kg / h；

P ——蒸汽压力，MPa；

T —— 蒸汽温度， ℃ ；

ρ ——蒸汽密度，kg / m3；

μ ——蒸汽动力黏度，kg·S / m2；

Di——蒸汽幕管子内径， m；

N —— 管段数据， 段 ；

S ——筛孔间距， m；

ε ——管子粗糙度， m；

C0——筛孔系数，取0.6；

CΔP——压降系数，取0.357；

u ——蒸汽幕上升速度， m / s；

ρα——空气密度， kg / m3；

g ——重力加速度， m / s2；

V1——每段蒸汽流速，m / s；

mm——管入口蒸汽质量流通量，kg / （s·m2）；

Pvin——管道入口的蒸汽速度头，N / m2；

n ——单段管子筛孔数；

Re ——流体雷诺数；

f ——流体管道内摩擦系数；

LN——蒸汽幕单段长度；

MT——单段蒸汽流率。

则：

每段的蒸汽流速， m / s

管入口蒸汽质量通量， kg / ( s·m2)

管道入口的蒸汽速度头， N / m2

雷诺数

摩擦系数

管子压力损失率

管子压力损失， N / m2

管子压力损失头， m

筛孔排气速度， m / s

筛孔直径， m

羽状蒸汽幕高， m

代入数据可得：

蒸汽幕管内蒸汽质量流率 M 4 000 kg / h

蒸汽压力 P 0.68 MPa

蒸汽温度 T 170 ℃

蒸汽密度 ρ 4.16 kg / m3

蒸汽动力黏度 η 1.40E-05 kg·s / m2

蒸汽幕管子内径 Di0.1 m

蒸汽幕总管内径 D 0.10 m

管段目数 N 2

筛孔间距 S 0.13 m

管子粗糙度 ε 3.00E-04 m

筛孔系数 C。0.6

蒸汽幕上升速度 u 1 m / s

空气密度 ρα1.225 kg / m3

重力加速度 g 9.8 m / s2

管子压降系数 CΔP0.357

蒸汽幕总管长 L 44 m

蒸汽幕单段管长 LN22 m

单段管子筛孔数 n 169.2

单段蒸汽流率 MT0.56 kg / s

总管蒸汽流速 V 34.01

单段蒸汽流速 V117.00 m / s

管入口蒸汽质量通量mm70.74 kg （/ s·m2）

管入口蒸汽速度头 Pvin601.38 N / m2

雷诺数 Re 505 253.79

摩擦系数 f 6.61E-03

管子压力损失率 Ksp5.82

管子压力损失 ΔPf11 249.32 N / m2

管子压力损失头 ΔPf230.64 m

管子入口总压力损失头 h116 694.50 m

筛孔蒸汽排出速度 V243.93 m / s

计算孔径 d。0.006 2 m

圆整后孔径 0.006 m

羽状蒸汽幕高度 H 1.52 m

汽管截面积 S178.54 cm2

排汽孔截面积 S247.849 cm2

为了实现远程控制和联锁的要求，蒸汽幕的配置工艺流程图详见图2。根据计算要求的蒸汽量，主管的管径采用4"，主管设置一道自动开关阀用于联锁和远程控制，采用4"的旁路阀用于紧急人工开启。蒸汽幕管道开孔区对称布置，保证喷射蒸汽气量均衡。

通过上述计算，蒸汽的开孔尺寸和细节详见图3。

如前文所述，在现有条件下，计算得到的蒸汽幕开孔孔径为6 mm，孔距为130 mm，蒸汽幕的喷射高度约1.52 m。蒸汽幕实施后新建装置的安全性得到了很大的提高，对电器和仪表选型可按照非防爆区域界定，节约大量的建设成本。

图2 蒸汽幕的工艺配置Fig.2 The process fl ow diagram of the steam curtain

图3 蒸汽幕开孔细节Fig.3 The hole layout of the steam curtain

3 结论

利用蒸汽幕本身的特性，根据实际需要，将蒸汽幕应用到特定的场合，且能得到预期效果。本文结合项目的条件和需要，通过研究蒸汽幕的功能和安装要求，决定采用蒸汽幕隔离危险源。通过合理的设计，能快速响应且阻止可燃气体泄露时可燃气体无组织弥散到新建装置中。

蒸汽幕的应用可根据实际条件进行设定和计算，可应用于很多场合的灭火、隔离、稀释等需求。甚至在蒸汽幕上可以加上消防水旁路，当被隔离的装置起火时，切换成消防水，蒸汽幕变成水幕。在工业应用上具有灵活、方便、有效的优点，可作为一道加强的安全措施。

在应用蒸汽幕时，需要根据现场条件进行量身定做，并且需要保证可靠的蒸汽来源。另外也需要确保蒸汽与介质接触的安全性、安装空间的限制、自动控制系统的依托等多方面现场情况。

[1]J.P.Lopez， J.Badin， J.Lieto and R.Grollier-Baron. Water spray and steam curtain design： a common research programme. J.Loss Prev.Process Ind.， 1990， 3（4）：207-211.

[2]张俊卿. 燃油锅炉二次燃烧的预防和蒸汽灭火[J].华东电力，1994（5）：40-41.

[3]王玉香， 胡晨. 乙烯装置裂解炉区消防设计[J].石油化工安全技术， 2004，20（4）：50-51.

[4]施忠华. 蒸汽灭火系统在石油化工消防上的应用[J].石油化工安全技术， 1996，12（1）：26-29.

[5]郑艳琼， 丁文波， 郭增辉.蒸汽灭火系统应用设计[J].中国西部科技， 2006（23）：41-43.

[6]王金富.蒸汽幕的设计与计算[J].炼油技术与工程， 2004，34（1）：29-30.

Discussion of Practical Application of Steam Curtain

Li Wei

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

Stream curtain has excellent effect in separation and protection of hazard gas pervasion. In this article, analysis for steam curtain was carried out. The notes in building steam curtain were discussed. And combined with engineering practice, the calculation and validation were performed. It was proved from the results that the effects of steam curtain to engineering is great, thus it is worthwhile for extension.

steam curtain; extinguishing using steam; sieve pit

TQ 086.1 文献标识码：A 文章编号：2095-817X（2017）05-0006-006

2017-05-22

李威（1985—），男，工程师，主要从事化工工艺研究。