有机过氧化物冷库消防系统设计探讨

2020-11-16赵洪涛

工业用水与废水 2020年5期

赵洪涛

（上海利柏特工程技术有限公司，上海 201100）

绝大多数的有机过氧化物为无色到淡黄色的液体，或者为白色粉末状态到结晶状态的固体，多数不溶于水，易溶于邻苯二甲酸和二甲酯等有机溶剂［1］，在化学工业中主要用作引发剂、交联剂、氧化剂、杀菌剂、漂白剂等，是当今工业和生活中一种重要的助剂，具有无可替代的作用。有机过氧化物本身为易燃物质，对碰撞、摩擦等敏感，且具有强氧化性、自加速分解性、接触某些物质（如铁锈、浓酸、碱、还原剂等）的分解性，极其不稳定，在比较低的温度下也可能分解。其分解的过程中会放出大量的热，使温度升高，加速其分解，直至发生剧烈反应而爆炸。近年来，由有机过氧化物引起的生产、储存的重大事故时有发生，因此正确设计其消防系统是保障扑灭有机过氧化物初期火灾，及抑制过氧化物发生剧烈反应而发生爆炸事故的重要举措。本文从工程实例出发，结合国内外的相关规范及文献，对有机过氧化物冷库消防系统的选择、设计参数的选取及消防系统的控制加以探讨。

1 工程概况

本项目位于天津市，厂区新设计的过氧化物冷库用于储存本项目生产的过氧化物成品，如过氧化二碳酸酯类、过氧化脂类、过氧化碳酸酯类、过氧化缩酮类、过氧化甲乙酮类、过氧化乙酰丙酮、过氧化环己酮等。该冷库设计为单层，耐火等级为一级，长20.4 m，宽17.0 m，建筑高度9.5 m（其内冷库部分顶板高度为8.2 m），建筑面积为357 m2，等分为3 个防火分区，火灾危险性为甲类，冷库设计温度为-10 ℃；每个防火分区内设置两排货架，货架高度约为6.0 m，分成4 层，过氧化物采用5 ～30 L 不等的塑料包装桶存储。冷库的建筑剖面图如图1 所示。

图1 有机过氧化物冷库剖面图Fig.1 Section of organic peroxides cold storage

本项目有机过氧化物冷库的消防用水由厂区消防泵房供给，厂区设置有一套完善的稳高压消防给水系统，最大消防供水流量为210 L／s，供水压力为0.8 MPa，消防储水量为1 300 m3。厂区内设置有DN 300 mm 的环状消防供水管道，能够满足本项目消防用水量及水压的要求。此外，本项目还在厂区最高的建筑上设置了一座高位消防水箱，有效容积为18 m3。高位水箱通过一根DN 100 mm 的出水管连接至室外消防环网，供厂区（包括本项目有机过氧化物冷库）初期消防用水。

2 消防系统设计

根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范（2018 年版）》、 GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》、 GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》及GB 50140—2005《建筑灭火器配置设计规范》，本项目中的过氧化物冷库设置有室外消火栓系统、室内消火栓系统、雨淋系统、灭火器系统及消防废水系统。

2.1 室外消火栓系统

本项目有机过氧化物冷库为单层甲类仓库，建筑体积约为3 311 m3，根据GB 50974—2014，其室外消防用水量为25 L／s，火灾延续时间为3 h，室外消防一次灭火用水量为270 m3。

本项目厂区设置有环状消防地下管网，管道直径为DN 300 mm。消防环网上设置有减压稳压型室外消火栓，规格为SS100／65－1.6，每个室外消火栓均配套设置1 个室外消火栓箱，内设1 条长25 m DN 65 mm 内衬里水带， φ 19 mm 直流－水雾两用枪1 支，室外消火栓扳手1 支。消防环状管网使用区域切断阀门，将其分为若干独立的管道分段，每段包含有不超过5 个室外消火栓，室外消火栓间距不大于60 m。本冷库周围共有3 个室外消火栓可用于保护本区域，能够满足消防设计要求。

2.2 室内消火栓系统

本项目有机过氧化物冷库为建筑高度小于24 m 的甲类仓库，根据GB 50974—2014，其室内消火栓用水量为10 L／s，火灾延续时间为3 h，室内消火栓一次灭火用水量为108 m3。

本项目冷库设计温度为－10 ℃，室内消火栓设置在冷库的室外门口处，并保证有2 支水枪的充实水柱同时到达室内任何部位。室内消火栓选用减压稳压型单栓消火栓SNW65－Ⅲ，消火栓放置在消火栓箱内，每个消火栓箱应包括1 个SNW65－Ⅲ的消火栓、 1 条长25 m DN 65 mm 内衬里消防水带和1支φ 19 mm 直流－水雾两用枪。室外冰冻线以上的消火栓管道采用管道保温及电伴热，以防严寒季节消防管道结冰。

2.3 雨淋系统

根据GB 50160—2014（2018 年版）第3.3.1 条、3.3.2 条及3.3.3 条，本项目中有机过氧化物属于甲类3、 4 项，每座仓库的最大允许占地面积为180 m2，且每个防火分区的最大允许建筑面积为60 m2，而本项目有机过氧化物冷库的占地面积及每个防火分区的面积均超过此条文规定，因此本过氧化物冷库需要设置自动灭火系统。

本项目自动喷水灭火系统的型式采用雨淋系统，选择雨淋系统是基于以下原因考虑： ①根据NFPA13—2013 第22.37.1.3.3 条，储存Ⅰ类有机过氧化物的独立仓库，当储存的有机过氧化物超过907 kg 时，自动喷水灭火系统应当为开式喷头的雨淋系统［2］，本项目冷库的有机过氧化物最大储量约为1 100 kg，储存物料中包含Ⅰ类有机过氧化物；②根据NFPA432—2002 第4.8.2.1 条，采用湿式自动喷水灭火系统时，应按照作用面积为280 m2、所需喷水强度下的要求设计，或采用干式自动喷水灭火系统时，按作用面积为360 m2、所需喷水强度下的要求设计；若建筑面积小于280 m2，作用面积按建筑面积计算［3］； ③由于有机过氧化物冷库类的消防措施在国标规范中没有相关规定，因此在确定消防系统方案时，同当地的消防局进行了沟通，消防局根据提供的有机过氧化物物料特性，推荐本项目冷库采用雨淋系统。综合以上因素，本项目采用雨淋系统。

自动喷水灭火系统的喷水强度对灭火的成功与否至关重要，但目前的国家相关规范中对有机过氧化物冷库中采用自动喷水灭火系统的喷水强度没有相关规定，本项目在设计时主要参考了国外的相关规范及出版物，如NFPA13—2013、 PGS8（2011 年版）［4］等，这些文献根据有机过氧化物的相关参数将有机过氧化物主要分成Ⅰ类～Ⅳ类，对不同类别的有机过氧化物设定了不同的喷水强度： Ⅰ类20.4 L／（min·m2）； Ⅱ类16.3 L／（min·m2）； Ⅲ类12.2 L／（min·m2）； Ⅳ类10.2 L／（min·m2）。

本项目过氧化物冷库中包含Ⅰ类有机过氧化物，考虑到最不利的情况，因此设计中采用的喷淋强度为20.4 L／（min·m2）。

对于自动喷水灭火系统的作用时间，国标中的规定是除规范另有规定外，自动喷水灭火系统的持续喷水时间按火灾延续时间不小于1 h 确定［5］；NFPA13 中规定，有机过氧化物类火灾的自动喷水灭火系统的设计喷水时间至少为1.5 h；本项目在设计中选择雨淋系统的持续喷水时间为1.5 h。

因此，消防设计要针对保护对象的特点，合理地设置消防设施，保护人身和财产安全，同时做到消防设施的安全可靠、技术先进和经济合理［6］。

雨淋系统是本项目有机过氧化物冷库最重要的消防设施，是火灾能够扑灭与否的重要保障。本项目在冷库内设置气动传动管启动的雨淋系统，在冷库顶板下设置雨淋系统，同时在货架内设置货架内置喷头。每个防火分区设1 套雨淋阀组保护，共3套，成套雨淋阀组设备设置在室外的雨淋阀室内，阀组室内温度保证冬季大于5 ℃。过氧化物冷库内雨淋系统设计喷水强度为20.4 L／（min·m2），持续喷水时间为1.5 h，作用面积为119 m2。雨淋系统采用K 值为115 的开式喷头，雨淋系统剖面图见图2。

图2 雨淋系统剖面图Fig.2 Section of deluge sprinkler system

气动传动管系统采用动作温度为68 ℃、 K 值为80 的快速反应闭式直立喷头，气动传动管系统剖面图见图3。同时，在每排货架内3.0 m 高处设置一层货架内置喷头，采用K 值为115 的开式喷头。气动传动管系统的压缩空气由厂区压缩空气主管（0.80 MPa， DN 100 mm）提供，引入管径为DN 15 mm，压缩空气经雨淋阀组的气压维护装置减压后，维持传动管道内的压力。

图3 气动传动管系统剖面图Fig.3 Section of pneumatic drive tube system

根据GB 50974—2014 第8.2.8 条，本项目雨淋系统管道和气动传动管道均采用内外壁热镀锌无缝钢管，管道外壁刷一层环氧酚醛底漆、一层环氧酚醛面漆，工厂对涂漆层定期维护。根据管道布置，货架上塑料包装桶内物料与镀锌钢管内碳钢材质几乎没有直接接触机会，不影响安全储存的要求。

2.4 灭火器系统

有机过氧化物冷库的火灾危险等级为严重危险级， A 类、 B 类火灾。配置MF／ABC5 手提式磷酸铵盐干粉灭火器，用以扑救初期火灾；由于该过氧化物冷库为危险的重要场所，故每个防火分区增设一套MFT／ABC20 推车式干粉灭火器。

2.5 消防控制系统

本项目有机过氧化物冷库中的雨淋系统采用气动传动管启动、消防控制中心远程手动启动及雨淋阀组处现场手动应急启动3 种控制方式。本项目室内消火栓箱内设置的报警按钮不直接启动消防水泵，仅发出报警信号。

（1）气动传动管启动。雨淋报警阀的自动控制方式主要有电动、液（水）动和气动［5］。基于本项目有机过氧化物冷库的设计温度为－10 ℃以及电动系统存在误报的可能性较大考虑，本项目选择气动传动管启动的雨淋系统，且系统使用的压缩空气为露点－40 ℃的干燥空气，防止空气中的水蒸气在较冷温度下凝结而结冻，保证系统自动控制方式的正常运行。

本项目的气动传动管启动装置包括K 值为80快速反应喷头、 DN 15 mm 镀锌钢管气动管路以及气压维护装置等组成，闭式喷头从气动管路上接出，气动管路与雨淋阀的控制腔相连。火灾时，闭式喷头开启，压力空气排出，气动管网压力迅速下降，雨淋阀组开启。平时气动管网的气压由厂区的仪表空气经气压维护装置维持。

（2）消防控制中心远程手动启动。消防控制中心的火灾控制盘上设置有手动控制装置，可远距离开启雨淋阀组上的电磁阀，启动雨淋系统。

（3）现场手动应急启动。现场手动应急启动装置为一手动开启阀门，当阀门开启时，雨淋阀控制腔内的压力突降，阀瓣开启。火灾时，当自动启动方式失灵或在自动启动装置动作之前有人发现了火灾，可手动开启此阀门，使雨淋阀组打开。

除了雨淋系统的3 种控制方式，本项目的消防控制系统还需要与消防泵组直接连锁。

（1）雨淋阀组上的压力开关需要选用双触点的压力开关，一路能够发送报警信号至消防控制中心，另一路需硬线接至消防泵控制柜，在压力开关动作时，能够直接启动消防水泵。

（2）高位消防水箱出口的流量开关需选用双触点设备，流量开关动作后，一路信号发到消防控制中心，另一路需硬线接至消防泵控制柜，能够直接启动消防水泵。流量开关有以下要求：流量开关动作后延迟30 s 再启动消防水泵；出流量不超过系统设计补水量时，不应动作。当前，尚无流量开关产品的相关国家标准、行业标准，本项目流量开关的动作设计值采用1.0 L／s。

此外，本项目有机过氧化物冷库内还设置了火焰探测器、手动报警按钮等，但仅做火灾报警用，不与雨淋阀以及消防泵连锁。

2.6 消防废水系统

根据GB 50974—2014 第9.2.1 条，仓库应采取消防排水措施。考虑到本项目有机过氧化物能够散发比空气重的可燃气体、可燃蒸汽，如过氧化甲乙酮、呋喃等，不能在冷库内设置地沟来收集消防事故废水。因此，本项目考虑在有机过氧化物冷库各个门口外设置宽500 mm 带格栅盖板的排水沟，用以收集消防事故时室内产生的消防废水。冷库的门采用气动控制模式（控制器＋气动执行机构＋液位计），一旦液位计探测到冷库内积水达到100 mm以上，气动装置启动，打开库门排水。排水沟收集的消防事故废水经不锈钢304L 无缝钢管，排入到冷库附近设置的有效容积为1 360 m3的消防废水池，能够满足本项目的要求。同时，消防废水池内设置有3 个直径为3.0 m 搅拌器，以防消防废水中有机过氧化物局部浓度偏大，热量集聚，进一步发生自分解，产生可燃气体等。

根据GB／T 50934—2013《石油化工工程防渗技术规范》第5.5.1 条第1 款的规定，埋地的消防排水管道宜采用钢制管道［7］。本项目消防废水无腐蚀性，但考虑到项目场地为回填场地，地质很差，沉降量大，塑料管道强度差还需要做高密度聚乙烯膜防渗层的处理，且当地环保部门不推荐采用塑料管道，而铁又能够促进有机过氧化物的分解，综合考虑以上因素，本项目的消防排水管道材质采用不锈钢304L，管道外壁做加强级聚乙烯防腐层。