液化烃球罐水喷雾冷却系统的设计与计算

　　摘要：介绍了液化烃的性质及发生火灾的特点，对液化烃储罐火灾的危险性及水喷雾冷却、灭火机理进行了，列举了液化烃球罐水喷雾系统的设计实例，提出了设计中应注意的。 

　　关键词：液化烃 球罐 火灾 水喷雾灭火系统 报警 消防冷却 

　　1、概述

　　液化轻烃的主要成分是：乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烃类组成，在气态时比重比空气重，（是空气的1.5~2.0倍）。液化烃储罐发生火灾的根源是液化烃泄漏。液化烃一旦泄漏，迅速汽化且难以控制。汽化时，从周围环境吸收大量的热量，使空气中的水份冷却成为细小雾滴，形成液化烃的蒸气云。液化烃的蒸气云从泄漏点沿地面向下风向或低洼处漂移、积聚。液化轻烃爆炸极限低（2%~10%体积比），如大量泄漏遇明火可造成大面积的火灾或可燃蒸气云爆炸事故。液化轻烃的燃烧热值高，爆炸迅速、威力大，破坏性强，其火焰温度达200℃以上，极易引起邻罐的爆炸。

液化轻烃的体积膨胀系数比水大，过量超装十分危险。液化轻烃生产出来，为了便于储存和运输，通常进行加压和冷却使其汽化，储存在密闭的压力储罐内，由于球罐耐压大且受力均匀，储存量大，因而石化普遍采用球罐和卧式罐做为储存液化气的压力容器。液化轻烃球罐发生火灾时，若球罐内尚有剩余可燃气体时就将火扑灭，剩余的可燃气体泄漏出来与空气混合到一定的浓度，遇明火就会发生爆炸，产生更大的危害。因此，控制液化气球罐火灾的根本措施是切断气源和紧急排空。在完成放空之前应维持其稳定燃烧，同时对着火罐及相邻罐进行喷水冷却保护，使球罐不会因受热发生破坏。因为液化烃会吸收热量而大量蒸发，导致罐内温度、压力升高。罐壁的热量不能及时的传出，温度迅速升高，强度急剧下降。如果不及时供给冷却水，一般在火灾持续10min左右将出现热塑裂口，储罐破裂。因此对储罐壁进行及时有效的冷却，是防止球罐发生破裂而引起灾难性火灾事故的重要措施。

    笔者在春晓气田群建设开发项目陆上终端的轻烃球罐区采用水喷雾冷却系统，对液化烃球罐实施了固定式消防冷却水系统。

2、水喷雾冷却系统

2.1、水喷雾的冷却降温作用

    水喷雾系统是利用水雾喷头在一定的水压下将水流分解成细小水雾滴进行灭火或防护冷却的一种固定式灭火系统。从水雾喷头喷出的雾状水滴，粒径细小，表面积很大，遇火后迅速汽化，带走大量的热量，使燃烧表面迅速降温，燃烧体达到冷却的目的。水雾还会在罐壁表面形成一层水膜，使罐壁温度不再升高，避免了罐壁发生热塑裂口，从而保护了储罐。

2.2、对碳沉积的冲刷作用

    分子量较高的液化烃燃烧后，会在罐壁外表面产生碳的沉积，因碳沉积的抗湿性，水流难以在罐壁上形成水膜，导致水对罐壁的冷却效果降低或不起作用。水喷雾系统高速喷出的水雾滴有一定的冲击作用，能将沉积碳冲掉，并在罐壁外表面形成一层水膜。因此对液化烃储罐，水喷雾系统比水喷淋系统具有较好的消防冷却效果。

2.3、水喷雾灭火系统的组成及操作与控制

    水喷雾系统的组成主要由水源、供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器、减压孔板和水雾喷头等组成。水喷雾灭火系统应设有自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式。水喷雾灭火系统的控制设备应具有选择控制方式的功能；并且具有重复显示保护对象状态；控制消防水泵启动状态；监控雨淋阀启、闭状态，监控主、备电源自动切换功能；除应能启动着火罐的雨林阀，尚应能启动距着火罐1.5倍罐直径范围内邻近罐的雨林阀。水喷雾灭火系统的响应时间不大于60S。

3、液化烃球罐水雾喷淋冷却系统的设计

3.1、供水管道设计
　　系统管道设计的原则是压力平衡即同一环管上各喷头工作压力的平衡，各环管间压力的平衡。只有压力平衡，供水量才能平衡，布水才均匀。为此在管道设计时，应采取以下措施：
　　1）上、下半罐体上的供水环管应尽量对称布置。
　　2）环管应由两条对称布置的立管供水，以确保同一环管上喷头的实际工作压力基本相同。特别是对于容积为2000m³的储罐，环管较长，阻力较大。由两条对称布置的的立管供水，可降低环管阻力。
　　3）在环管的第3圈以下，环管与供水立管连接处设减压孔板，调节各环路水压，使各环路水压基本一致，从而使各环上喷头的工作压力基本相同，并不小于0.35MPa。
　　4）对于容积大于1000m³的储罐，罐体直径较大，顶环与底环之间的高差达十多米，垂直压差较大。为平衡水压，上、下半罐体应分别由两条对称布置的立管供水，上、下半罐体的供水管各自独立控制。这一措施还满足了夏季防晒喷淋只做上半罐体喷淋的要求。
　　水雾喷头内径只有几毫米，容易堵塞，在球罐底部的供水管上设Y型过滤器，该过滤器不仅起到过滤、防堵的作用，在系统喷水完毕后，可以将过滤器的后盖打开，将系统泄空，防止系统管道因积水结冰而造成管道的损伤。为防止控制阀后管道内壁生锈，锈渣堵塞水雾喷头，控制阀后的管道采用热镀锌无缝钢管，球罐环管采用无缝钢管，整体热镀锌处理，丝扣连接。
3.2、系统控制
　　采用可燃气体报警和火焰探测的自动控制方式，不需要湿式传动管路，对环境的适应性强，可靠性好。当罐区有气体泄漏时，可燃气体报警器将泄漏信号传送到火气系统进行报警，值班人员可现场检查，及时处理。罐区设火灾探测器，将罐区发生的火灾信号传送到中心控制室的火灾系统进行报警，并启动消防系统。
　　根据液化烃储罐的火灾特点，水喷雾冷却系统可以采用现场手动控制。
　　因为储罐区无人值守，采用了气动控制阀。气动阀开启迅速，系统响应时间短。

3.3、水雾喷头的布置：

    水雾喷头的布置方式可为矩形或菱形，当按矩形布置时，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；当菱形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.7倍水雾喷头的水雾锥底圆半径。当保护对象为球罐时，水雾喷头的喷口应面向球心；水雾锥沿纬线方向相交，沿经线方向相接；水雾喷头与储罐外壁之间的距离不大于0.70m。无防护层的球罐钢支柱和罐体液位计、阀门等处应设水雾喷头保护。

3.3.1、水雾锥底圆半径（m） R=B.tgθ/2    B—水雾喷头的喷口与罐壁之间的距离，选0.65m 

              θ—水雾喷头的雾化角（°）

              R = 0.65 x tg120 / 2 = 0.7 x 1.732 = 1.125(m)

3.3.2、喷头的布置（2000m³球罐）

1）经线方向喷头布置：（水雾锥宜相接）

    假设设置10圈水平环管，喷头与罐外壁间距为0.65m，喷头的雾化角β的计算如下：

   每圈环管上均匀分布的喷头均指向球心，则冷却保护的罐壁为对应球心角为α的环状罐壁。

当n=10时，α=18°，球罐半径r =15.8/2=7.9m，则喷头的雾化角β应为：

 sin(α/2)=R/r

R = 0.156 x 7.9 = 1.234m 

tg(β/2) = R / {0.65 + [r – r . cos(α/2)]}=1.234÷[0.65+（7.9–7.9x0.988）]=1.6588

β/2 = 58.88      β= 117.77°

因此选取雾化角为120°的喷头，设置10圈水平环管，可以满足要求。

见图所示

2）纬线方向喷头布置：（水雾锥应相交）

纬向水雾喷头按矩形布置，喷头之间的间距按1.4倍的水雾锥底圆半径，即水雾喷头之间的距离（近似弧长）D=1.125x1.4=1.575(m)。

其计算结果及喷头安装数量见表1

.4、设计冷却水喷雾强度核算
　　水喷雾冷却系统的设计流量按下式：
　　　　　　Qs＝kQj
　　式中：Qj——系统的计算流量，L／min；

Qs——系统的设计流量，L／min；
　　　　　k——安全系数，取值范围1.05－1.10。

    K-水雾喷头的流量系数，由生产厂提供。

                P-水雾喷头的工作压力，MPa。
　　着火罐冷却水供给强度，不应小于9L／（min·m²）。下面以喷头菱形布置的球罐为例，核算单位表面积的设计水喷雾强度是否达到规范规定的要求。

1）喷头菱形布置时，每个喷头的有效保护面积S为外接圆半径等于水雾锥底圆半径R的正六边形的面积，即图1中阴影部分的面积。

　　保护对象的设计水喷雾强度：

式中：W——系统的设计水喷雾强度，L／（min·m²）。
　　按最不利情况，B＝0.65m， θ＝120°，k＝1.05，P＝0.35 MPa代人，得：

因为W=0.5966K 应大于9L/min﹒m²    所以K≥9/0.5966=15.08

　　可见.只要选用K≥15.08的水雾喷头，即可满足规范要求。

2）喷头矩形布置时，每个喷头的有效保护面积S为外接圆半径等于水雾锥底圆半径R的正四边形的面积，即图2中阴影部分的面积。

　　保护对象的设计水喷雾强度：

　　按最不利情况，B＝0.65m， θ＝120°，k＝1.05，p＝0.35 MPa代人，得：

因为W=0.7749K 应大于9L/min﹒m²    所以K≥9/0.7749=11.61

可见.只要选用K≥=11.61的水雾喷头，即可满足规范要求。

设计选用ZSTWA-30-120型水雾喷头，流量为30L/min，雾化角为120°，流量特性系数K=16。

4、 结束语

    针对液化烃储罐火灾特点，水喷雾系统可有效地控制液化烃储罐初期火灾，避免恶性爆炸事故发生。在进行水喷雾冷却系统工程设计计算时，将罐上喷头的工作压力设为一定值，水量及管径的计算和管道布置均按这一设定运作，这样简化了设计计算。因固定式消防用水量为着火罐和邻近罐用水量之和，邻近罐的用水量是着火罐的1/2，在配管时应考虑如何才能实现这种水量的关系，本设计将每座球罐的环状管网分为互不连通的4段，每段环管单独一个立管引出防火堤外，在距被保护罐15m以外设有雨淋阀组间，控制喷淋系统。着火时可以控制邻近罐的喷淋水量，保证了消防用水量，这样也满足了夏季防晒喷淋降温的要求。