液化烃储罐的消防设计计算

液化烃储罐的消防设计计算
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消防冷却水的
冷却作用进行了分析，列举了液化烃球罐水喷雾系统设计的计算实例，提出了设计中应注意的
问题。

关键词液化烃储罐消防冷却水水喷雾冷却系统
随着石油化工产业的不断发展，在辽宁沿海地区利用自然条件兴建了一些石油化工企业，同时也兴建了一批液化烃大型储罐区。

针对某工程实例，就液化烃储罐区的消防系统设计介绍如下。

1 .液化烃储罐火灾的危险性
液化烃在常温常压下呈气态，在气态下密度比空气大2倍左右，容易在地面及低洼处积存。

液化烃的饱和蒸汽压随温度升高而急剧增加，其膨胀系数也较大，汽化后体积膨胀250~300倍数。

爆炸浓度范围比较宽。

由于液化烃的闪点及沸点低，都在0℃一下，爆炸浓度范围一般在1.5%~2.0%（体积百分比），因此液化烃是易燃、易爆物质，其防火、防爆问题须在设计、运行中给于重视。

2 .液化烃储罐消防冷却水的冷却作用
由于液化烃的饱和蒸汽压随温度升高急剧增加，体积增大很快，一旦液化烃罐发生火灾，首要灭火措施是切断气源，并对着着火罐和邻近罐进行消防水喷淋冷却，使其稳定燃烧，确保着火罐和邻近罐罐壁温度不致过高，罐壁强度不降低（实践证明地上钢罐火灾，5min 内可以使罐壁稳定达到500℃，强度降低一半，8~10min内钢板将失去支持能力），罐内压力不过高，能使事故不再扩大。

3 .液化烃球罐水雾喷淋冷却系统的设计
液化烃罐区水消防冷却设计的关键有三点：一是供水管道设计；二是确定消防水量；三是水雾喷头的布置。

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，喷头配水才均匀。

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1000m 3的储罐，罐体直径较大，顶环管与底环管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。

5）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无缝钢管，整体镀锌处理，法兰连接。

3.2消防水量的确定
《石油化工企业设计防火规范》GB504160-2008中只规定了消防冷却水的强度及所需喷淋冷却保护的面积，根据强度和面积计算出的水量是布置喷头的初始依据，喷头的布置同时需满足《水喷雾灭火系统设计规范》相关规定，即沿纬度方向相交、沿经线方向相切的原则，满足这个原则布置出的喷头数只能大于根据“计算水量”算出的喷头数，再加上布置在用于保护球罐支腿与阀门的喷头，因而实际消防水量会远大于计算水量。

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。

现以2000m 3的液化烃球罐（直径为15.8m ）作为液化烃球罐的水喷雾系统设计的计算实例。

圆球的表面积2
2
4S r d ππ==，圆球的体积33
4136
V r d ππ==。

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
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 = r ·sin(α/2) = 7.9 x 0.156 = 1.234 m；
tg(β/2) = R / {0.65 + [r –r . cos(α/2)]}=1.234 / [0.65 +（7.9 – 7.9 x 0.988）] = 1.6588；
β/2 = 58.88β= 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。

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=1.4·R = 1.4 x 1.125 = 1.575 (m)。

其计算结果及喷头安装数量见表1。

表1：计算结果及喷头安装数量
3.4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计算： 着火罐冷却水供给强度，不应小于9L ／(min·m 2)。

Q s ＝k Q j
Q j — 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。

j Q P —水雾喷头的工作压力，MPa ；
K —水雾喷头的流量系数，由生产厂提供。

下面分别以喷头菱形布置和喷头矩形布置的球罐为例，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。

3.4.1喷头菱形布置
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。

2222S
tg θ
==菱
保护对象的设计水喷雾强度：
2232j s kQ Q W S S tg θ===
菱菱
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：
220.59662
W K tg =
=
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。

3.4.2喷头矩形布置
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。

222
222
S
R B tg
θ
==矩
保护对象的设计水喷雾强度：
2222
j s kQ Q W S S B tg θ
===矩矩
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
：
220.77492(0.65)2
W K tg
=
=
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。

5.参考文献
[1]《石油化工企业设计防火规范》GB 50160-2008
[2]《工业金属管道设计规范》GB 50316-2000（2008年版）
[3]《低倍数泡沫灭火系统设计规范》GB 50151-92（2000年版）
[4]《水喷雾灭火系统设计规范》GB 50219-95
[5]《给排水设计手册》第二册。