消防炮在石油化工企业中的使用

谷晨，桑锦柱(中蓝连海设计研究院有限公司，江苏 连云港 222003)

1 石油化工企业消防炮概述

由于所生产或使用材料的火灾危险性、特殊生产工艺、结构和构筑物的特点等原因，石化行业的火灾具有拥有属性多样、爆炸危险性大、火灾损失和影响大、灭火难度大、消防力量消耗大等特点。在石油化工工业的生产过程中，生产中使用的大部分原料、中间产品和最终产品都是易燃易爆的，造成材料着火会引起爆炸性火灾。生产中使用的设备多为压力容器，大部分为密封或相对密封。如果在设备运行过程中发生超温、超压或异常反应，会导致设备爆炸，释放大量的内容物，增加燃烧强度，使火势更加蔓延。并且石油作为液体燃料，当它从设备中释放出来时，就会流动起来。特别是该设备容量大，当损坏严重时，其内部流体会被冲出，造成大面积的流动火灾情况。大面积流动火灾容易发生在油品储存区或油桶储存区。在生产设备区域也有大量易燃液体被处理的火灾案例。流动火灾蔓延迅速，如果不能及时控制，容易造成大面积燃烧和燃烧设备爆炸事故。除此之外，石油化工企业的火灾还具有爆发性强的特点。。

2 石油化工企业的消防炮设备消防需求分析

随着我国经济的持续快速发展和对原油需求的不断增加，由于国际原油市场的动荡，近年来我国原油的战略储备显著增加。大型浮顶油罐是我国目前储存原油的主要类型油罐。我国单罐最大容量达到15×104m3和10×104m3容量的浮顶罐是储存原油的主要类型。一个大型油库的总容量超过几百万立方米。大型原油库具有较高的爆炸危险性，原油易燃易爆，火灾事故是造成大型原油库高风险的主要原因之一。国内石油化工行业罐区火灾事故统计数据表明，原油罐区火灾事故占40%。在1951～1995年收集的81起大型浮顶油罐火灾事故中，发生了22起全地面火灾，占总事故数的27% ，而收集的油罐直径在30.5～100 m 之间，因此，大型浮顶油罐发生全地面火灾的风险不容忽视，研究如何处理大型浮顶油罐的全地面火灾是大型原油库消防研究部门的重要工作。

3 石油化工企业消防炮的建设措施探究

3.1 研究现状

虽然大型浮顶油罐全地面火灾的性质和发展规律还有待进一步研究，但目前仍存在以下问题：

(1)由于原油具有低闪点、高挥发性和高流动性，火焰在油面上传播很快，热空气流在火焰中是湍流的。

(2)火焰具有温度高、热辐射强、烟层厚等特点。而且，火焰中心的温度达到了1 050～1 400 ℃。

(3)油面易再燃。

(4)油层传热速度快，油罐长时间燃烧可能导致溢油和翻船。

与固定式喷嘴开口枪头相比，自适应枪头的开口可通过自适应机构调整，以匹配射流系统的压力、流量等参数。因此，具有自适应枪头的消防炮具有射程宽、射程远、稳定性高的优点，可以满足更多的火力需求。此外，火灾预警探测和火灾视频图像探测也被用来减少人身伤害和财产损失[1]。消防炮自适应炮头喷射系统的工作介质一般是含有一定量空气的水，即气液混合液。消防泵是喷射系统的动力源，在其启动、停止和正常工作条件下都可能发生流量和压力脉动。因此，混入流体中的空气不可避免地会溶解或释放，导致流体的压缩性和等效刚度不断变化，从而影响射流系统的模态特性，最终影响射流系统的稳态和动态性能。同样，当消防监视器在户外工作时，可能会有随机激励，如风，这使得喷气系统的动力学行为更加复杂。由于流体压缩性和压力脉动对流体状态参数有周期性或随机性的影响，自适应射流系统是一个非自治系统。

消防泵的压力脉动成分有三种: 随机脉动、叶片通过频繁脉动和旋转频繁脉动。消防泵的压力脉动与泵的叶轮和导叶的相对运动密切相关，并受泵内二次流和汽蚀的影响。压力脉动可用于测定最佳效率点，监测出口压力，以及故障诊断和预防。此外，还有学者对水动力元件的压力脉动机理进行了研究。利用剪切应力传输(SST)湍流模型计算了混流泵的非定常流动和压力脉动特性。

在动态分析中，系统的设计和状态参数对系统的动态特性有不可忽视的影响。在动力学参数分析和优化设计方面，学者们取得了许多研究成果。敏感度分析、数值模拟、回授线性化等方法已被学者应用于研究动态系统参数的影响分析。在参数优化方面，多因素设计优化已成为主要的研究方向。

总之，消防炮自适应炮头喷射系统在运行过程中不可避免地会出现压力脉动，使系统具有明显的非线性特性，影响喷射性能。目前，关于消防炮自适应炮头射流系统的动力学研究文献很少，对射流系统的非线性动力学特性的研究也很少。为此，基于多尺度方法，对消防炮自适应炮头喷射系统进行了非线性动力学分析，将已知的射流系统参数代入导出的参数振动方程，采用 Runge-Kutta 方法进行了数值模拟，揭示了流体脉动频率、进气量、流体压力等设计参数对射流系统主共振和联合共振响应幅值的影响规律，为消防炮自适应炮头喷射系统的优化设计提供了参考。

3.2 消防系统设计计算

目前大型浮顶油罐采用的是固定泡沫灭火系统，其基本原理是扑灭边缘封闭火。以10×104m3浮顶油罐为例，全地面火燃烧面积为边缘密封火最大燃烧面积的75倍。油库现有的消防系统显然不能完全满足全面灭火的需要。目前世界上成功扑灭大型浮顶储罐全地面火灾的案例很少，而且大型储罐全地面火灾的试验研究受到试验成本高、试验结果重复性差等因素的严重制约。这种消防系统的设计缺乏足够的事故信息和实验数据，现在能做的就是根据中小型平底锅的全面火灾事故和几个浮顶罐灭火实验进行设计。以10×104m3大型浮顶油罐全地面火灾扑救为例，详细介绍了大型原油库消防系统设计的探索[2]。

大型浮顶油罐全地面火灾燃面较大，火焰中心至周边距离达数十米。但泡沫在油面上的最大扩散距离不超过30 m，大多数泡沫仅为24～26 m。泡沫从罐壳顶部的泡沫喷嘴流下罐壳，难以到达火焰中心，导致泡沫层无法覆盖整个燃烧表面，此外，火焰周围复杂的湍流气流可能大大影响泡沫流在火焰中的运动轨迹，导致一些泡沫逃逸到燃烧罐外部。由于火焰温度较高，大量的泡沫在到达燃油表面之前就已经蒸发掉，导致泡沫的大量流失。在日本进行的大型储罐灭火实验表明，到达燃油表面的泡沫量仅占总泡沫量的30%，消失泡沫量为61%，蒸发泡沫量为9%。需要指出的是，火焰表面的温度高于1 000 ℃，燃烧的油表面温度约为350 ℃，因此泡沫在到达燃烧的油表面之前由于蒸发而迅速分解成液滴。只有当油面温度低于147 ℃ 时，泡沫层才能在油面上不断扩散。

浮顶油罐全面火灾的完全防护区是油罐的横截面。根据《低倍数泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—92)，固定泡沫灭火系统的最小泡沫施加量为5.0 L/min，最小排放时间为45 min。80 m 直径10×104m3浮顶油罐的截面为5 024 m2，因此其泡沫-水溶液消耗量为:根据《低倍数泡沫灭火系统设计规范》(GB 50151—92)要求的固定泡沫灭火系统，泡沫水溶液的最低使用量为240 L/min，最低排放时间为30 min，需要增设三根泡沫软管手柄，即三根辅助泡沫软管手柄的泡沫水溶液是3×240×30=21.6 m3。

实际上，泡沫软管由于受到罐体火焰强烈的热辐射而不能应用于满面火灾。因此，该罐的泡沫水溶液总量为：

大型浮顶油罐全地面火灾的主要灭火设施是流量大于 40 000 L/min 的泡沫监测器。2004年和2005年在日本进行了几次大型浮顶油罐全地面火灾试验，为设计全地面火灾消防系统积累资料。规定泡沫应有效地应用于燃油表面，直径大于30 m 的储罐应配备流量不低于10 000 L/min、最小连续排放时间大于2 h的大流量泡沫监测器。假设灭火时间为4 h，10×104m3储罐的泡沫溶液消耗量为45 216 L/min×240 min= 10 852 m3。

TFEX 工程有限公司采用环形连续直线喷嘴灭火，并绘制了泡沫施加速度与燃烧油面之间的关系。实验结果表明，仅通过增加泡沫出口或泡沫监测器的数量来增加泡沫量是无法扑灭直径大于80 m 的储罐上的大型火灾的，泡沫层在油面上的铺展距离、油性、风速、火焰的破坏和热上升气流等因素影响着灭火的成功[3]。

目前，在现有消防设备的基础上，油库主管道的最大消防水流量为26 400 L/min。油库的消防水贮存量一般限制在5 000 m3左右，消防水通常储存在多个水箱或水槽中。因此，除非油库现有消防系统的容量至少提高6～10倍，否则现有的消防系统不能满足全面灭火的需要，因为油库的消防蓄水量和用水量都远远低于最低要求。为了满足上述需要，现有的消防系统应进行如下改造[4]。

(1)一次灭火时，消防水库应满足最小灭火能力，消防水可储存在大型储罐中。(2)增加消防泵，以满足消防主管道的流量要求。根据《石油化工企业设计防火规范》(GB 50160—2008)，消防给水管道的最大流速不大于3.5 m/s，主消防给水管道直径至少为1 000 mm，满足160 339 L/min。

(3)每个大型原油库应配备最少3台大流量泡沫监测仪，能力不低于40 000 L/min，另外，泡沫精料储存量应达到150 %。

4 结语

大型浮顶油罐的全面火灾虽然具有较高的风险性和较低的概率，但一旦发生，将给国民财产造成巨大损失，对环境造成不利影响。随着大型浮顶油罐的增加，我国油库全面灭火的灭火能力应尽快提高。对于油库，应充分认识大型油罐全面火灾的危险性，改善消防基础设施和设备，加强大型火灾的应对能力。对消防研究部门而言，对大型浮顶油罐全地面火灾的研究还需进一步深入，需要进行全面的消防实验，以优化消防系统设备，进一步研究消防策略，发展高效的消防设备，提高大型油库的消防能力。