低倍数泡沫灭火系统供水稳定性改造工程分析

孙莹莹，付 钰

(1.葫芦岛市消防支队； 2.中国石油天然气股份有限公司 锦西石化分公司，辽宁 葫芦岛 125000)

虽然新型能源正在被不断加速研究、开发、推广，但传统常规能源的使用占比仍旧具有不可撼动的地位。常规能源中使用最广泛的石油更是在动力提供和原料提供上举足轻重、不可取代。石油的中间产品和终端产品的无限多样化给石油冶炼加工的工艺设施提出了更高更新的技术要求，工艺创新设备改造势必同时给消防安全提出新的要求。20世纪水灭火系统在消防设施中占主导地位，如今泡沫灭火系统占比越来越大，其工作状态的稳定性、可靠性逐渐彰显。因此近年来，各炼油储存和化工生产企业对泡沫灭火系统的稳定性、可靠性的调试检测越来越下真功夫、出大力气。

一、某企业泡沫灭火系统简介

某炼油石化企业有70余年历史，于1939年日伪时期初建，在20世纪50年代我国炼油工业催化裂化工艺全面发展时期恢复生产，以加工省内油田原油为主，近年也加工进口原油和海洋原油。厂区现有生产装置14套，年加工能力700万吨，厂区占地面积100万平方米，生产装置有蒸馏、催化裂化、重整、加氢、焦化、聚丙烯、尿素脱蜡、苯乙烯、煅烧焦、二甲酯等。全厂油品储罐最大容积为3座5万立方米的外浮顶原油储罐，分两处设置，分别设有两套泡沫灭火系统。厂内调和油装置区设有一套泡沫灭火系统。

厂区原设有的泡沫灭火系统为压力式泡沫灭火系统，其特点是泡沫比例混合器为压力式泡沫比例混合器，这种混合器核心工作原理是利用文丘里原理，压力水通过比例混合器时，在其内部与泡沫液贮罐之间产生负压力差，使贮罐内泡沫液通过与比例混合器连接的泡沫液管进入比例混合器,在连接管内有控制泡沫液流量的孔板，就形成稳定混合比例的泡沫与水的混合液。泡沫混合装置的供水由厂区的临时高压消防供水系统供给。2013年，该厂对三套泡沫灭火系统进行了技术改造，更换为以平衡式泡沫比例混合装置为核心组件的平衡式泡沫灭火系统，平衡式泡沫比例混合装置中泡沫混合液的混合过程是由泡沫液泵把泡沫液加压后进入平衡阀，通过平衡阀调节后注入比例混合器。当主管道的水由于压力和流量的变化出现不同的工况时，能够保证装置在运行过程中，连续不断地配置出较为精确混合比的泡沫混合液，供给泡沫产生设备喷射合格的泡沫进行有效的灭火作业。泡沫混合装置的供水继续由厂区的临时高压消防供水系统供给，直到2015年，厂区对消防供水系统进行了技术改造，实现了全厂生产储存区域内的稳高压消防供水，泡沫灭火系统也改为由改造完成的稳高压消防供水系统供水。平衡式泡沫比例混合装置相对压力式泡沫比例混合装置的优势在于经过混合器混合后的泡沫混合液的混合比更精确，发泡后的灭火效果更可靠。

改造后的平衡式泡沫比例混合装置是现阶段行业内比较通行的系统组成，每套混合装置由泡沫供水系统(1台电动机泡沫给水泵、1台柴油机泡沫给水泵)、平衡式泡沫系统橇块1台(包括2台泡沫泵，其中1台由电动机驱动，1台由水轮机驱动)、2台比例平衡阀、1个泡沫罐、若干安全阀、若干电动调节阀及阀门组件构成。

二、系统存在问题及原因分析

经改造完成的平衡式泡沫灭火系统在后续几年的运行中，每次调试检测均会频繁出现几个很严重的问题：(1)启动失败；(2)启动设备设置延迟启动时间后泡沫系统实现正常启动，但泡沫喷出时间出现延迟；(3)火灾时其他消防用水与泡沫橇块用水出现争水现象，造成泡沫橇块运行中断；(4)运行中不能保障泡沫橇块的混合比。这些运行问题已经严重威胁了整个泡沫灭火系统的建设意义。无独有偶，同是中石油系统下辖的云南石化炼油厂和兰州石化在技改前也出现过类似的问题。

经过对多次在不同试验启动和试验运行条件下系统的启动运行数据进行比对计算和模拟，对问题的成因做以下解析：(1)启动失败的原因。泡沫橇块正常运行压力在0.6～1.2 MPa[1]，平时稳高压消防水压力靠稳压泵稳在0.7 MPa，因泡沫橇块供水量大，3%泡沫原液与97%的水进行混合，288 L·s-1的泡沫混合液相当于229 L·s-1的水突然泄至泡沫管网内，此时稳高压水线内水量瞬时大量进入泡沫供水管线，稳高压供水管线内基本被抽空，稳高压水线上的压力表显示为零，泡沫橇块进水管处压力表显示压力也为零。当泡沫橇块上的泡沫电动泵启动后，30 s内橇块会自动检测管网压力是否到达0.6～1.2 MPa，而此时橇块进水管处压力表显示读数为零，橇块会在30 s后停止泡沫电动泵，同时切换启动备用水轮机泵，水轮机泵同样运行30 s并检测管路供水压力，此时压力仍然达不到上述规定压力范围，橇块停止水轮机泵的运行，至此，泡沫系统的启动彻底失败。(2)启动设备设置延迟启动时间后泡沫系统能正常启动，但泡沫喷出时间延迟的原因。如果此时稳高压消防水泵房因系统失压导致稳压泵停止运行，消防供水主泵自动启动，而消防供水主泵泵房距离泡沫橇块较远(最远一套设备距离水泵房超过1.5 km)，时间测试需要经过110 s左右才能进入泡沫橇块前端供水管线，经过多次测试，泡沫喷射时间都延迟2 min以上，而这2 min正是扑灭初起火灾的最有效灭火时间。(3)火灾时其他消防用水与泡沫橇块用水争水，造成泡沫橇块运行中断的原因。当火灾发生时，灭火力量到达现场后，第一时间是利用稳高压消防供水系统设置的消火栓及消防水炮对着火装置和相邻装置进行灭火和冷却，还有一些装置和储罐设置的喷淋冷却设备的供水也来自于稳高压消防供水系统，多种设备同时启动供水量叠加后，造成消防水用量瞬时过大或者取水不均，供水管网内压力发生剧烈波动，这时，泡沫橇块压力监测设施就检测到了不适合泡沫比例混合器工作的压力，最终会发生运行的泡沫橇块自动中止混合器运行的极端情况。(4)不能保障泡沫橇块的混合比的原因。泡沫橇块上的电动泵启动压力为0.6～1.2 MPa，前端供水压力在这一范围内，可由泡沫橇块上的平衡阀自动调节，保证混合器正常的混合比。如与稳高压供水系统共用，系统运行中橇块前端的供水压力频繁波动，超出橇块可调节的范围，不能保证橇块的正常运行，泡沫比例混合器混合后泡沫混合液的混合比受到严重影响，进而影响灭火效果。

三、技术改造措施

以上问题从设备更新伊始的调试检测就被发现，但无论是对供水泵的功率进行调整，对泡沫橇块内监测设备接收和比对阈值数据进行调整，还是对其他同在稳高压供水管线上取水的消防设备动作时间进行调整，泡沫灭火系统在之后每年的检测调试中都仍然不同程度地持续出现上述问题。该单位技术工程师也针对这些问题请教了相关专家并对其他同类工厂类似装置的泡沫灭火系统设备运行情况进行实地考察。经过比对考察结果，发现以上几种情况在改造系统中是比较有代表性的常见问题，但新建的几个千万吨级炼油厂的相关泡沫灭火设备就没有上述问题，两系统唯一不同之处就是泡沫灭火系统的供水系统取水方式。如果泡沫灭火系统的供水系统不从厂区稳高压供水系统取水，而是设置一个独立储水水罐，也就是水来自水罐由水泵供给，泡沫原液来自泡沫罐由泡沫泵供给，进入混合器的水和泡沫都有稳定的供给压力，这种情况下混合器配置出的泡沫混合液混合比准确、流量稳定。

《石油储备库设计规范》(GB 50737—2011)[2]第8.3.10.1条规定，泡沫消防供水泵应单独设置，不应与消防冷却水泵共用。其条文解释为，用于油罐喷淋的消防水管道在火灾时经常由于消防炮和消火栓的用水压力不稳定，为了保证泡沫系统的有效使用，规定用于配置泡沫混合液的消防水单独设置系统，即泵和管道单独设置。《石油储备库设计规范》中的规定主要针对其库区单罐体量大、泡沫用水量及泡沫用量多的情况，此情况下不采用单独的泡沫供水系统会造成系统不稳定而影响灭火，其主要是针对内外浮顶罐的密封圈着火而规定。在大连石化国储库着火后，辽宁省公安消防总队下发了相应文件，要求内外浮顶罐的泡沫系统要按照全液面进行设计灭火，而该企业的泡沫比例混合装置正是按全液面进行的设计，东油品区的泡沫混合液量可达288 L·s-1，其泡沫用水量已远远超过《石油储备库设计规范》中规定的10万立方米外浮顶原油罐的泡沫用水量(约100 L·s-1)。

对大连石化和云南石化的泡沫供水系统及泡沫稳压系统进行调研，这两个系统建成以来，经过多次启动试验和运行测试，泡沫橇块开启迅速，系统反应灵敏，泡沫供给连续、稳定、有效，系统没有延时，不存在耽误有效灭火时间的状况，运行完全达到预期设计目的。

可见，设置独立泡沫供水罐及泡沫供水专线、设置泡沫供水稳压泵是必要的。如果不设置泡沫专用供水泵及供水线，着火情况下，消火栓、消防炮等在稳高压管线上取水的用水设施频繁启动并连续使用，这种用水情况所造成的泡沫比例混合装置与消火栓给水系统争水，影响的不仅仅是灭火时间，更为严重的是平衡式泡沫比例混合装置的开启是否成功和运行是否连续，最终影响灭火战斗的成败。设置泡沫供水稳压泵，其一是保证泡沫供水线到平衡式泡沫比例混合装置一段始终充满水，避免因空管线注水过程而延长泡沫比例混合装置的启动时间；其二，由于突然启动大功率泵的水头压力很大，往往超出电动控制阀扭矩的要求，造成电动控制阀开启不动或开启不完全、不迅速，延误灭火时间；再者，如设置减压孔板也可以起到减压作用，但由于前端压力不确定而导致水流通过减压孔板后压力也不确定，不能保证泡沫比例混合装置开启及运行成功。

综上情况分析和实地考察比对，为从源头解决问题，该企业拟进行以下技术改造：(1)建立消防泡沫供水罐。由于该企业泡沫橇块距消防水池较远，适宜建设专门的消防供水罐，从供水源头上解决灭火时与消火栓、喷淋系统争水的问题。(2)建立专门的泡沫供水稳压泵、消防供水泵及泵房。泡沫供水稳压泵的作用是一旦着火，泡沫供水管网存在压力水，泡沫橇块可立即启动，可有效解决泡沫橇块延时的问题。同时，选择专门的泡沫供水泵，供水压力稳定，可避免因水头压力过大而使电动阀门不开启的状况发生。