加氢站及加氢合建站消防系统设计探索

孟进朝

（河北海川能源科技股份有限公司，河北 石家庄 050000）

氢气作为最清洁的能源，被认为是未来替代传统化石能源最理想的新型能源，在国家“3060 碳达峰碳中和”能源发展背景下，加氢站在近几年得到蓬勃发展。作为新兴能源供应模式，现行国家规范均指出加氢站建设过程中应设置消防水系统。

1 消防设计要求

现行国家规范《加氢站技术规范》和《汽车加油加气站建设标准》作为加氢站建设的主要参考规范标准，均对加氢站建设的消防系统建设提出明确要求，指出加氢站建设过程中必须设置消防水系统[1]。《加氢站技术规范》要求加氢站内消防水系统应依据《消防给水及消火栓系统技术规范》对可燃气体罐区的室外消火栓设计流量和火灾延续时间≥3h。

可燃气体储罐区室外消火栓的设计流量可燃气体储罐或储罐区（m³）500＜V≤10 000 15 L/s 10 000＜V≤50 000 20 50 000＜V≤100 000 25 100 000＜V≤200 000 30 V＞200 000 35

《汽车加油加气加氢站建设标准》中，对室外消火栓的设计流量规定≥15 L/s，并对消火栓的供水压力应满足移动式水枪出口处水压不小于0.2 MPa[2]。该标准中特别指出加氢站中可设置≥30 m3的可循环使用的消防水系统。

2 循环消防水系统设计举例与计算

加氢站、加氢合建站依据《消防给水及消火栓系统技术规范》采用非循环式消防系统时，消防水池容积应按以下方式进行计算[3]：

首先应确定加氢站或加氢合建站氢气储存总容积。加氢站内固定和非固定储氢设施的总容积为单个储氢设施几何容积（m3）和设计工作压力（绝对压力，105Pa）的乘积计算后相加之和。

目前高压储氢加氢站内氢气储存设施有两种，分别是固定储氢瓶组（罐）和氢气拖车，固定储氢瓶组（罐）压力一般为45 MPa 或87.5 MPa，氢气拖车压力一般为20 MPa，几何容积一般为24 m3。

式中:VH-站内氢气储存总容积；V固1、V固2-站内固定储氢瓶组（罐）几何容积；V车-氢气拖车几何容积。例如，某项目设45 MPa 固定储氢瓶组9 m3，设氢气拖车2 辆，那么站内储氢总容积结合式（1）计算后为13 650 m3。其次，根据站内储氢总容积，确定合理的消火栓设计流量和消防水池有效容积。根据《加氢站技术规范》和《汽车加油加气站建设标准》对加氢站及加氢合建站要求，站内最高氢气储量不允许超过8 000 kg。

结合气体状态方程

站内储氢总容积（标准状况下）、总质量与消火栓设计流量、消防水池有效容积之间的对应关系见表1。

表1 加氢站氢气储量和消防设水设计对照表

3 循环消防水系统设计举例与论证

某设计项目设20 MPa 氢气拖车2 辆，9 m3的45 MPa 固定储氢瓶组3 组，1 m3的87.5 MPa 固定储氢瓶组2 组，设4 座30 m3埋地油罐（2 汽2 柴），该项目为二级加油与高压储氢加氢合建站。该项目氢气总储量为23 500 m3，采用常规消防水设计形式时，消火栓设计流量应为20 L/s，该项目消防水池的有效容积不应小于216 m3，消防水池建设容积约为250 m3。该项目符合《汽车加油加气站建设标准》设置不≥30 m3的循环使用消防水池的设计要求。设计方案如下：站内进出口设排水沟，排水沟一端连接分水井，分水井设过滤网，过滤掉粒径较大的杂质，分水井两侧分别连接阀门井和消防检查井。阀门井内阀门处于常闭状态。消防检查井顶端连接分水井，底部利用管道与消防水池连通，保证消防水在使用时能够有效返回消防水池。消防水池内设隔墙，延长消防水从地面至消防泵入口的时间，在隔墙与消防水池池壁之间设挡泥台，防止消防水池内的沉积物进入消防水泵，保护消防水泵。

图1 加油加氢合建站消防总平面布置图

采用地下覆土消防水池，池顶结合当地冻土深度要求进行覆土[5]。在消防检查井、分水井井口配置符合要求的保温井盖，防止在过冬期间消防水因温度过低而结冰，影响站内消防使用，保证站内消防安全。该形式简称为覆土式循环消防水系统。覆土式循环消防水系统剖面图见图2。

图2 覆土式循环消防水系统剖面图

消防有效容积(Va）计算公式如下

式中：Va1-消防水池有效容积；Va2-埋地回水管道总容积；Va3-消防检查井与消防水池同高差下的有效容积。

消防水池消减容积（Vb）计算公式如下：

式中：Vb1-分水井井底与消防检查井进口高差形成的容积；n-消防检查井数量；S-项目消防水区域面积（m2）；η-地坪高低不平形成的积水和地坪渗水率。

消防水池无效容积:

式中：Vc-消防水池无效容积；S-消防水池的投影面积（m2）；△h-消防水池与消防泵入口之间的高差。

因此，消防水池总建设容积（V总）计算公式如下

消防水可使用容积为

消防水可使用容积（V可）不应小于30m3。

覆土式循环消防水系统设计验算：结合该项目消防总平面布置图，消防设计验算需要的数据统计见表2。

将表2 的数据代入式（5），消防水池无效容积（Vc）为9.60 m3；将表2 的数据代入式（4），消防水池消减容积(Vb）为12.57 m3；将表2的数据代入式（5），消防水池无效容积（Vc）为9.60 m3。

表2 覆土式消防水系统设计各项数据统计表

消防水的可使用容积为

将以上数据代入式（7），消防水池可使用容积（V可）为30.35 m3，满足《汽车加油加气站建设标准》设置≥30 m3的循环使用消防水池的设计要求。将以上数据代入式（6），消防水池总建设容积（V总） 为54.95 m3。

4 分析与对比

地上消防水罐、地下消防水池、地上室内消防水箱、覆土式循环消防水池建设费用和用地情况对比见表3。

表3 不同形式消防水池建设费用对比

北方地区冬季气温较低，消防水罐需配套安装加热系统和保温材料，运行和维护成本较高。地下消防水池设计深度较深，建设成本相对较高，消防泵房属于地下空间，不符合加油与加氢合建站中与加油站建设的规范要求。地上室内消防水箱在北方严寒地区有一定应用，建设和运行成本不具有经济优势。覆土式循环消防水系统结合了消防系统的特点，具有经济性、实用性、安全性，在加氢合建站中具有较高的应用优势。

5 加氢站消防系统建设过程的建议

单独建设的加氢站规划建设过程中增设加油或加气功能，降低消防系统建设成本，提高占内盈利能力；当项目用地面积受限，消防水池建设面积较小时，加大消防循环回收管管径，提高消防循环回水管内的储水容积以满足消防用水的建设需求；采用覆土式循环消防水池应加强站内环境卫生管理，及时清理站内垃圾、杂草、树叶等，提高消防水水质；消防循环回水管道敷设与站内消防环管同沟敷设，降低施工成本，可结合场地设计可采用PPR 管、PE 管代替。

6 结论

覆土式循环消防水池具有建设和使用成本低，无需做单独的防冻设备和设计，运行稳定性高，使用安全，站区景观协调性高的优点，不存在垃圾清运费，开挖的土石方覆于消防水池顶部，降低了垃圾清运费。

随着国内土地的拍卖价格越来越高，为了达到土地效益的最大化利用，建设项目的附属设施设计将会更加向集约化、小型化发展[4]。随着建设项目不断向土地的纵深发展开拓，减少地面建设用地是一个需要不断探索的课题。覆土式循环消防水池用地面积小，提升了地面的利用空间，水池的覆土部分可以用于绿地，土地的综合使用率大大提高。