液化烃球罐消防设计及常见问题探讨

李树金，许小艳

(1 中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071； 2 上海同大规划建筑设计有限公司青岛分公司，山东 青岛 266034)

液化烃是指在15 ℃时，饱和蒸气压大于0.1 MPa的烃类液体及其它类似液体，其主要成分为C2～C5碳氢化合物及微量硫化物，属多组分混合物[1-2]。液化烃火灾危险性为甲A类且爆炸极范围较宽(1.5%～12%)，一旦发生泄漏，在通风不良处积聚，遇明火可造成大面积的火灾或爆炸事故[3-6]。为避免泄漏及火灾或爆炸事故发生，液化烃球罐消防设计就显得格外重要。

本文根据最新的《石油化工企业设计防火标准》(GB 50160-2008)(2018年版)及《水喷雾灭火系统技术规范》(GB 50219-2014)，以石化企业内3000 m3压力式液化烃球罐为例，对其固定式消防冷却水喷雾装置进行设计，并对设计中存在的问题进行详细探讨。

1 球罐固定水喷雾系统设计

1.1 基本参数

3000 m3压力式液化烃球罐固定式消防冷却水喷雾系统设计基本参数选用如下：

(1)球罐直径：Ø=18 m；

(2)供水强度：9 L/min·m2；

(3)冷却面积：着火罐全表面积，距着火罐1.5D内邻近罐半表面积；

(4)消防时间：6 h；

(5)喷头工作压力：0.35 MPa；

(6)喷头喷射角度：120°、150°；

(7)喷头距罐壁距离：0.6 m(120°喷头)、0.33 m(150°喷头)；

(8)环管距罐壁距离：0.75 m；

(9)消防竖管设置：上下半球各2根。

1.2 环管圈数计算

固定式消防冷却水喷雾装置喷头水雾锥底圆半径：

R1=B·tan(θ/2)=0.6×tan 60=1.04 m；

R2=B·tan(θ/2)=0.33×tan 75=1.23 m。

环管布置层数：N=9×π/2R2=13.59。

考虑到喷头水雾锥沿纬线方向应相交、沿经线方向应相接，管道支架垫板避让球罐本体焊缝、柱腿、球罐附件及第一圈环管避让罐顶平台等因素。经实际布置，确定3000 m3球罐固定式消防冷却水喷雾装置共设置14圈环管，各层环管位置详见图1。

图1 3000 m3球罐固定式消防冷却水喷雾装置环管位置示意图

1.3 喷头数量计算

根据《水喷雾灭火系统技术规范》(GB 50219-2014)要求，水雾喷头可矩形或菱形布置。本工程采用矩形布置，水雾喷头之间的距离不应大于1.4倍水雾喷头的水雾锥底圆半径[7]。

最小喷头间距计算：

D1=1.4R=1.4×1.04=1.46 m；

D2=1.4R=1.4×1.23=1.72 m。

考虑喷头水雾锥沿纬线方向应相交、沿经线方向应相接，并根据各环管位置，确定各环选用喷头角度及喷头数量详见表1。

表1 固定式消防冷却水喷雾装置各环水雾喷头选用角度及数量

1.4 喷头参数计算

根据上述确定的各环管位置及喷头数量，计算各喷头参数。

(1)150°喷头参数确定

150°喷头保护球冠表面积：S=2πRH=54.88 m2。

150°喷头总数：16个。

球罐供水强度：9 L/min·m2。

单个150°喷头喷水量：9×754.88/16=30.87 L/min。

选用水雾喷头规格参数：流量36 L/min，工作压力0.35 MPa，流量系数K=19.24，喷射角度θ=150°[8]。

(2)120°喷头参数确定

保护球罐120°喷头总数：516个。

球罐供水强度：9 L/min·m2。

120°喷头保护球罐面积：S=4πr2-54.88=1017.88 m2-54.88=962.48 m2。

单个120°喷头喷水量：9×(962.48)÷516=16.8 L/min。

选用水雾喷头规格参数：流量18 L/min，工作压力0.35 MPa，流量系数K=9.54，喷射角度θ=120°[8]。

固定式消防冷却水喷雾装置各环水雾喷头规格参数选用结果详见表2。

表2 固定式消防冷却水喷雾装置各环水雾喷头规格参数

1.5 环管管径计算

各环管喷头数量及规格参数确定后，根据喷头喷水量，计算各消防冷却水喷雾环管管径结果如表3所示。

表3 固定式消防冷却水喷雾装置各环管管径

1.6 消防水用量

(1)罐壁消防用水流量

保护球罐罐壁120°喷头总数：516个，150°喷头总数：16个。

单个球罐的消防冷却水设计用量：(516×18+36×16)÷60=164.4 L/s。

(2)罐顶平台、阀门等附件消防用水流量

保护罐顶平台、阀门等附件120°喷头总数：12个。

保护罐顶平台、阀门等附件消防冷却水设计用量：18×12÷60=3.6 L/s。

(3)固定式消防冷却水总量

消防冷却水总流量：164.4+3.6=168 L/s。

理论计算水量：4×3.14×R2×9=4×3.14×92×9÷60=152.60 L/s。

152.60 L/s<168 L/s<183.12 L/s(1.2倍理论计算流量)，满足要求。

单罐固定式消防冷却水总用水量：168×3.6×6=3629 m3。

2 球罐消防常见问题

2.1 赤道处是否布置环管

(1)赤道处设置环管

由于赤道处设置环管，喷头覆盖面积大，对整个球罐而言，可使整套固定式消防冷却水喷雾装置环管数目最少。在喷头距罐壁特定距离的情况下，赤道处设置喷淋环管，经合理布置可实现环管数量减少1圈，节省固定式消防冷却水喷雾装置投资。

(2)赤道处不设置环管

对于某个厂区或库区而言，球罐区消防冷却水量往往是控制点，其决定了整个项目的消防加压泵站规模及消防冷却水储备量。赤道处不设置环管有利于减少上半球消防用水量，当某一球罐着火时，着火罐与邻近罐整体消防用水量减少更多，进而可使整个项目的消防冷却水泵规格、消防冷却水管网管径及消防冷却水储备量均有一定程度的减少，实现满足规范的前提下，减少项目整体投资。

2.2 球罐罐壁顶部冷却保护

由于球罐顶部设有罐顶平台，平台距离罐顶一般小于250 mm，在平台下设置环管时，势必造成环管与罐壁距离减少，喷头覆盖面积缩小。环管越靠近球罐顶部布置，环管距离罐壁越近，喷头覆盖面积越小，造成球罐顶部总有一部分表面无法被水雾全覆盖，违背设计规范。

部分设计院或厂家在解决此问题时，有如下两个方案：

(1)在罐顶平台上部设置喷头

平台上部设置喷头能够满足球罐全部表面积被水雾覆盖。但不能同时满足水雾喷头喷口对准球心且喷头距罐壁不大于0.7 m的规范要求。

(2)第一圈喷淋环管喷头略作倾斜

通过第一圈环管喷头向球顶方向略作倾斜，来实现水雾覆盖球罐顶部外壁，从而做到球罐表面积全覆盖。但此做法违背了规范要求水雾喷头喷口对准球心的规定。

2.3 球罐区消防管道布置

球罐区消防冷却水管道布置形式主要有两种。

(1)消防冷却水管道集中布置

此做法消防冷却水管道一般考虑与储运工艺管道共同布置在同一管架上。球罐区消防冷却水管道集中布置后，雨淋阀组一般亦集中布置，整个球罐区管道布置规整，雨淋阀组集中布置，有利于检修及日常维护。但消防冷却水管道与储运工艺管道布置在同一管架上，在极端情况下，如工艺管道发生爆炸，消防冷却水管道会有损坏的风险。

(2)消防冷却水管道分散布置

消防冷却水管道分散布置一般会导致雨淋阀组亦分散布置。本布置形式消防冷却水管道与储运工艺管道分开，更为安全，可避免消防冷却水管道在极端情况下被储运工艺管道爆炸损坏，但各雨淋阀组布置分散，管理维护不方便。

3 结 论

通过上述对3000 m3压力式球罐固定式消防冷却水喷雾装置计算及设计中常见问题探讨，形成结论如下：

(1)球罐固定式消防冷却水喷雾装置在工程设计时，建议赤道处不布置环管。赤道处设置环管只对喷头距罐壁特定的距离情况下，经合理布置可减少一圈，并不是任何情况下均减少一圈。如上述3000 m3球罐喷头距离罐壁0.6 m的情况下，赤道处布置一圈环管，经详细布置，整个水喷雾系统环管仍为14圈，并未减少。赤道处不布置环管，能够保证既满足规范要求又节省项目整体投资，上下半球供水更为均等，建议采用。

(2)本文第一圈喷头未采用常规120°喷头设计，而采用150°喷头，在罐顶平台下布置一圈环管即可保证球罐罐顶部全覆盖要求。随着国家对喷头CCCF认证由强制性认证改为自愿性认证，建议第一圈环管喷头采用150°水雾喷头，甚至考虑整套消防冷却水喷雾装置均采用150°喷头，减少环管数量，节省投资。

(3)球罐区消防冷却水管道两种布置形式均满足规范要求。建议寒冷地区集中布置，雨淋阀组布置于雨淋阀室内，冬季温暖地区可集中布置可分散布置，优先采取分散布置方式，保证消防供水安全。