石化罐区消防安全系统设计浅析

张建清,杨 志,宋端启

(南京睿实消防安全设备有限公司，江苏南京 211100)

我国的储油设施多以地上储罐为主，且以金属结构居多，按用途可分为生产油罐、存储油罐等；按形式可分为立式储罐、卧式储罐等；按结构分类，可分为固定顶储罐、浮顶储罐及球形储罐等；按体积分类，100 m3以上为大型储罐，多为立式储罐，100 m3以下的为小型储罐，多为卧式储罐。

石油是易燃易爆液体，具有燃烧速度快、火势凶猛、辐射热强、沸腾喷溅、扩散蔓延快等特点[1，2]，火灾危险性极大，易造成扑救困难、人身伤亡及财产的重大损失。为保证大型油罐及罐群的安全，将火灾扑灭在初期阶段，必须提高油库的消防报警系统及灭火系统[3]。我国现有的《石油化工企业设计防火规范》及《石油库设计规范》没有针对火灾自动报警系统的选型提出明确要求，石油储罐区采用传统的消防设施存在着很多安全问题。因此，本文以国家设计规范要求为基础，结合近年来的消防新技术，引入分布式光纤测温、图像火灾探测、高压细水雾、固定消防炮等先进产品，提出了一整套适用于石油化工储罐区的消防技术解决方案[4]。

1 储罐区内消防现状及存在问题

1.1 储罐区内消防现状

目前，国内很多储罐区的消防设施按照相关规范的设计要求，主要设置有火灾探测、冷却及消防灭火系统：①温度探测：采用常规的感温电缆对罐体进行温度探测；②火灾探测：采用常规的火焰探测器对罐体进行火灾探测；③报警系统；采用常规的火灾报警按钮，经人工确认触发报警；④冷却系统：在罐壁周围设置水喷淋或水喷雾进行消防冷却；⑤灭火系统：采用平衡压力比例混合泡沫灭火系统，实施液上喷射泡沫的灭火方式[5]。

1.2 储罐区内消防存在问题

a)早期的感温电缆火灾探测报警系统(其原理为利用热敏电阻达到设定温度后，熔接产生电缆短路进行报警)具有2个缺点：①由于其选择线性感温电缆等电信号传感器，引入电对于储油罐是引入了一定的安全隐患；②由于大型浮顶罐的环境条件和感温电缆自身的局限性，感温电缆只能进行定温报警而无法实现定位报警，而且误报率很高。

b)传统的火焰探测器采用传感器进行探测报警，当采集的现场火焰光谱达到阀值后，给出报警信息。此种探测器存在探测距离短、误报率高等缺点。

c)报警系统同探测、灭火系统相对独立，缺乏系统性火灾管理平台[6]。

d)采用喷淋或水喷雾系统进行消防冷却，因水滴雾化效果差，压力低，冷却效果较差[7]。

e)消防灭火系统手段比较落后，基本全部采用手动操作，且需控制的设备、阀门数量较多，流程复杂，操作时间较长，极易发生误操作，油罐区的安全难以保证[8，9]。

2 石油化工储罐区火灾探测系统设计

根据石化储罐区的区域特点及火灾危险性，火灾探测需要对温度、可燃气体浓度、火焰等进行监测。本文主要介绍先进的分布式光纤感温火灾探测系统及图像型火灾探测报警系统。

2.1 分布式光纤感温火灾探测系统

当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。分布式光纤感温火灾探测系统(DTS)利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光强度的比值变化实现对外部温度的监测，如图1所示。在时域中，利用OTDR技术(光学时域反射技术)，根据光在纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散之间时差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

分布式光纤感温火灾探测系统应用于石化行业，主要体现出以下几点优势：①安全性好，在罐区无电检测，可适用于对安全等级要求较高的场所；②温度可以显示，报警温度可以根据现场需要进行设置或变更；③可靠性高，不受电磁、雷击干扰，性能十分稳定，寿命长，长期可靠性好，适合长期安全监测；④可不动火不用电，带油安装，不影响正常生产；⑤尺寸小，质量轻，有利于微型化；⑥同冷却系统可以实现自动联动，当检测罐壁温度达到设定的温度值时，可自动联动高压细水雾对罐体进行降温，或联动固定式消防炮系统，对罐体进行自摆式喷水降温。

图1 分布式光纤感温火灾探测原理

分布式光纤感温火灾探测系统在浮顶储罐中的应用，如图2所示。分布式光纤感温火灾探测系统的布设方式如下：感温光纤应螺旋设置在储罐的侧壁上，或设置在储罐顶部的侧壁上，螺旋设置时感温光纤之间的距离应小于3 m，见表1。

图2 分布式光纤感温火灾探测系统在浮顶储罐中的应用

储罐类型光纤光栅传感器敷设内、外浮顶罐安装在浮盘周围、挡雨板的内侧或二次密封装置的螺栓上拱顶罐安装在罐顶护拦的下方,罐顶与罐壁的交界处附近球罐沿喷淋水管或相应的位置布设罐顶、罐中、罐底3圈

2.2 图像型火灾探测报警系统

在选用分布式光纤感温火灾探测系统的基础上，选择图像型火灾探测器对罐区内的图像、火焰进行复合探测。图像型火灾探测器在工作时可不断采集现场视频，与感温探测系统复合报警后，可极大地降低整个探测系统的误报、漏报现象。图像型火灾探测器的应用如图3所示。

图3 图像型火灾探测器在石化储辐区的应用

图像型火灾探测报警系统应用于石化行业，主要体现出以下几个特点：①火焰检测：可以任意设定防护区域和防护灵敏度，当防护区域内出现火焰时迅速进行报警，并将火焰区域在监控画面中标识出来；②安全监控：能够实时提供火灾现场的视频，以便能够快速采取适当的措施；③设备管理：系统支持对设备进行搜索、设置、添加和删除；④联动报警灭火功能：提供联动报警功能包括：声音、开关量输出(驱动警灯警铃等)、通过无极性总线实现和火灾报警控制的联动；⑤电子地图：将摄像机和实际监控平面图结合，以电子地图的形式显示在监控屏幕上，直观显示报警区域；⑥历史记录存储及查询功能：各种报警及操作信息均有详细的记录，可存储任意数量历史数据，并提供完备的数据查询功能；⑦应用范围广：能够对危险场所、爆炸性场所、有毒场所进行探测；⑧探测距离远：特别适用于室外、车场、隧道及室内超大空间；⑨环境适应性强：智能探测算法有效避免了环境光照变化和探测器振动的影响，灵活的分区和灵敏度设置功能使得系统可以适应不同的应用场所。

3 石油石化储罐区灭火系统设计

石化储罐区发生火灾后，储罐爆炸主要原因有两点：①储罐内部的压力升高；②储罐壁温增加引起储罐材料强度下降[10]。因此，在扑救石油石化罐区火灾时，宜同时考虑冷却系统及灭火系统[11]，采用高压细水雾作为冷却系统、泡沫灭火系统作为灭火系统。

3.1 高压细水雾冷却系统

高压细水雾技术是一种冷却灭火效率高，又对环境无污染的冷却灭火技术。主要采用表面冷却、窒息、冲击乳化和稀释等机理进行冷却及灭火。采用高压细水雾系统作为固定式消防冷却水系统，主要是在夏季气温较高时，罐体外壁没有采用保温的状况下，为防止日晒引起罐内液体温度升高，罐内压力上升，对罐壁进行冷却。或在储罐发生火灾时用来冷却罐壁，同时也可以达到灭火效果。

如图4所示，油罐区高压细水雾冷却系统的供水采用环形管布置，细水雾喷头均匀分布在各圈环形管上，喷头安装角度均为垂直指向油罐中心。为平衡各喷头的工作压力，均衡油罐表面的冷却水量，采用2根供水干管对称布置。每根供水干管设高压电动球阀，阀前设高精过滤器以过滤水中的杂质。

设计要求：①对于甲、乙、丙类液体的生产、储存、装卸设施，其设计喷雾强度为6 L/(min·m2)，持续喷雾时间为4 h;②对于甲、乙、丙类液体储罐，直径20 m以下，设计喷雾强度为6 L/(min·m2)，持续喷雾时间为4 h；直径20 m及以上，设计喷雾强度为6 L/(min·m2)，持续喷雾时间为6 h;③对于可燃气体生产、输送、装卸、储存设施、罐瓶间及瓶库，设计为9 L/(min·m2)，持续喷雾时间为6 h。

高压细水雾系统应用于石化行业，主要体现出以下几点优势：①安全无污染：以水为冷却剂，对人员安全，对环境无损害和污染；②降烟易疏散：可对烟气、毒气进行洗涤与冲刷，提高火场的能见度，便于人员疏散和消防人员的灭火救援；③冷却效率高：可将极小水滴比表面积增大，可迅速吸收热量转换成水蒸气，兼具气体和传统喷淋两种灭火系统的抑制效果，它能够像气体灭火系统一样去除氧气，同时还能像水喷淋系统一样冷却火焰，其冷却浸湿作用更是降低了火灾复燃的风险，灭火效率是传统喷淋系统的200～300倍；④绝缘性能好：高压细水雾灭火时用水量极小，大部分水雾遇火后蒸发，水渍非常小，对用电设备几乎没有影响，可以扑灭遮挡火、电气火；⑤阻隔热辐射：细水雾系统动作后，蒸发形成的蒸汽可迅速将罐体、火焰和烟羽笼罩，对火焰的辐射热具有极佳的阻隔能力，同时还能预湿临近的燃烧物，达到阻止火灾蔓延的效果；⑥用水量极小：高压细水雾用水量是传统喷淋系统的1%，且细小的雾滴对保护对象的冲击力小，极大降低了扑救损失，减少因微火和水渍损失造成的故障修复时间；⑦易安装维护：用水量少，无需庞大的储水、供水设备，且细水雾管道管径小，材料为耐腐蚀的不锈钢，所以整个系统安装、维护方便。

图4 高压细水雾系统

3.2 泡沫灭火系统

3.2.1泡沫灭火系统概述

泡沫灭火系统是经多年实践证明的石化行业有效灭火方式，与消防炮结合，可实现石化储罐区灭火的有效性、机动性，其系统灭火示意如图5所示。

图5 泡沫灭火系统工作原理

泡沫灭火系统主要由消防水泵、消防水源、泡沫灭火剂储存装置、泡沫比例混合装置、泡沫产生装置及管道等组成。通过泡沫比例混合器将泡沫灭火剂与水按比例混合成泡沫混合液，再经泡沫产生装置形成空气泡沫后施放到着火对象上实施灭火。泡沫灭火系统按泡沫产生倍数的不同，可分为高、中、低倍数3种[12，13]。

3.2.2泡沫消防炮系统在罐区内应用

泡沫消防炮灭火系统在规范中作为泡沫灭火系统的辅助系统，但随着近年的技术发展，泡沫消防炮在罐区内的应用出现以下新的趋势。

a)大流量、长射程的消防炮技术在油罐区内的灭火作战中发挥出越来越重大的作用。目前先进的消防炮结合大功率的高压泵组射程可达上百米，可对大容量的油罐进行有效覆盖、保护。

b)远程控制、智能控制、视频监控等技术与消防炮技术结合产生了远程遥控消防炮视频监控系统。在油罐区内使用远程遥控消防炮，不需安防人员对消防炮进行近距离手动操作，在消防炮控制室可根据远程视频画面进行远程控制，可大大提高消防炮的响应速度，同时加强了安防人员的个人安全。

c)预置位自摆式控制功能，当现场出现火情时，按照预设程序可实现一键启动消防炮、消防泵等消防设施，消防炮在预制位自动自摆喷射泡沫进行灭火。

d)联动控制冷却功能，罐区内固定式消防炮不但可以喷射泡沫进行灭火，也可喷射水对罐体进行冷却。当分布式光纤感温探测系统或红外热成像测温系统检测到罐壁温度达到预警值时，可自动联动启动消防炮系统，消防炮系统可根据预设程序对泡沫罐进行自摆式均匀洒水降温。

3.2.3泡沫混合液供给强度

石化储罐区泡沫灭火系统混合液供给强度设计，见表2和表3所列。

表2 固定顶油罐泡沫灭火系统混合液供给强度

表3 浮顶油罐泡沫灭火系统混合液供给强度

4 结论

随着经济社会的快速发展，10万吨级罐区、万吨级装卸油码头等设施越来越多。储罐区存在较大的火灾危险性和危害性，建立一整套高效的储罐区火灾安全系统十分必要。本文为石油化工储罐区提供了一套整体消防安全系统解决方案，采用分布式光纤感温火灾探测系统和图像型火灾探测报警系统进行火灾监控，采用高压细水雾和泡沫灭火系统进行冷却及灭火，将火灾监控和消防灭火进行有机结合，是预防和扑救石油化工储罐区火灾的一种有效解决方案。