低溫液氨儲罐固定冷卻水系統(tǒng)設計探討

徐秉坤

（上海科元燃化工程設計有限公司 上海 200235）

低溫液氨儲罐固定冷卻水系統(tǒng)設計探討

徐秉坤

（上海科元燃化工程設計有限公司 上海 200235）

本文依據(jù)實際設計項目介紹了低溫液氨儲罐的固定冷卻水系統(tǒng)設計，并討論了相關設計規(guī)范中關于固定冷卻水系統(tǒng)的設計參數(shù)不一致時如何選用的問題，希望有關部門給出權(quán)威解釋或統(tǒng)一設計參數(shù)。關于系統(tǒng)布置，主要描述了諸如噴頭布置等設計細節(jié)。

液氨消防水噴霧；噴頭布置

引言

液氨作為一種重要的化工原料，隨著國內(nèi)化工行業(yè)蓬勃發(fā)展，液氨儲罐的規(guī)模也越來越大，此外，由于低溫液氨在儲存、運輸成本上有較大優(yōu)勢，低溫液氨儲罐應用也較多。

從火災危險性來看，根據(jù)GB50160-2008《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》（以下簡稱石化規(guī)）3.0.1與3.0.2條的規(guī)定，液氨屬于乙A類可燃液體。另外，根據(jù)GB18218-2009《重大危險源辨識標準》相關規(guī)定，液氨儲罐屬于重大危險源。因此，目前無論企業(yè)還是消防主管部門，對液氨儲罐的消防設計、工藝設計、安全操作、運行管理，都非常關注。

本文從實際設計項目出發(fā)，以2015年前后陸續(xù)更新的相關消防規(guī)范為依據(jù)，探討大型液氨儲罐的相關消防設計問題。

1　項目概況

1.1液氨儲罐概況

本項目有液氨儲罐2座，屬于鋼制全冷凍式雙防罐，為立式平底圓筒型全容罐，儲存介質(zhì)為低溫液氨，內(nèi)外罐直徑分別為25m及27m。外罐高度18m，有效容積8100m3。操作工況為內(nèi)罐常壓，外罐7kPa，操作溫度內(nèi)罐-33.3℃，外罐常溫。內(nèi)罐采用吊頂結(jié)構(gòu)，內(nèi)外罐支架填充隔熱層，對內(nèi)罐能起到有效的保冷作用。

另外，工藝設計上采用的冰機保冷、泄壓、氮封等安全措施，不在本文討論范圍內(nèi)，故不贅述。

1.2消防采用規(guī)范討論

根據(jù)新消防給水規(guī)范《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱消水規(guī)，GB50974-2014）第3.4.7條，全冷凍式液氨儲罐應按全冷凍式液化烴儲罐外壁為鋼制單防罐設計。按目前廣泛采用的水噴霧系統(tǒng)作為固定冷卻水系統(tǒng)時，噴水強度應采用罐壁2.5L/min·m2和罐頂4.0L/min·m2設計，供水持續(xù)6h。

消規(guī)在規(guī)定了噴水強度的同時，要求當采用水噴霧系統(tǒng)時，系統(tǒng)設置應符合《水噴霧滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50219）的要求。如何理解“系統(tǒng)設置”是否包含噴水強度，顯然會給設計人員帶來一定難度。因為，2015年8月即將實施的《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱新水霧規(guī)，GB50219-2014）第3.1.2條明確規(guī)定，液氨儲罐噴水強度按6.0L/min·m2設計，不區(qū)分罐壁和罐頂，與消規(guī)矛盾。如果按照現(xiàn)行水霧規(guī)，則供給時間上按儲罐直徑大小，分別定為4.0h和6.0h，也與石化規(guī)和消水規(guī)都為6.0h相矛盾，相關規(guī)范關于噴霧強度及持續(xù)供給時間的比較見表1。

所以，在針對液氨儲罐的消防設計上，相關規(guī)范設計參數(shù)亟待統(tǒng)一。

表1　設計噴霧強度及持續(xù)時間比較

2　項目設計

2.1設計參數(shù)

根據(jù)消規(guī)及石化規(guī)，罐壁和罐頂噴水強度分別取為2.5和4.0L/min·m2，水霧噴頭采用全覆蓋布置，持續(xù)供給時間從嚴設計，按6.0h考慮。

2.2系統(tǒng)設計

本項目設液氨儲罐2座，直徑相同，距離在1.5倍儲罐直徑之內(nèi)，根據(jù)石化規(guī)第8.10.6條，相鄰罐需計算冷卻水系統(tǒng)，但冷卻面積只考慮罐壁，不需考慮罐頂。故每只罐壁設2套獨立的噴淋環(huán)管，2只雨淋閥，但罐頂可以用一只雨淋閥控制。考慮到本項目罐頂面積較大，冷卻水系統(tǒng)流量較大，從系統(tǒng)安全考慮，罐頂仍由2只雨淋閥分別控制一半作用面積，所以本項目每只儲罐設4套獨立冷卻水管路，4只雨淋閥，相關布置見圖1。

圖1　系統(tǒng)布置簡圖

在火災狀態(tài)下，雨淋報警閥根據(jù)火災探測自動啟動，開啟著火罐4只雨淋閥，相鄰罐1只雨淋閥。根據(jù)規(guī)范，系統(tǒng)具備自動啟動、遠程手動和現(xiàn)場手動啟動功能。控制邏輯關系見表2。

表2　雨淋閥控制邏輯

值得一提的是，現(xiàn)行水霧規(guī)要求雨淋閥組應放置于室內(nèi)，而新水霧規(guī)則改為“宜”置于室內(nèi)，但需距離保護對象至少15m。本項目就是因為沒有條件置于室內(nèi)故而將雨淋閥組放在罐區(qū)周邊，但設計了防雨措施。

2.3消防用水量

經(jīng)計算，儲罐消防用水量見表3。

表3　設計消防用水量

2.4罐壁噴頭布置

為保證防護冷卻效果，現(xiàn)行水霧規(guī)要求按設計噴霧強度向保護對象直接噴霧，使水霧覆蓋包圍保護對象，而對于儲罐這類外表為圓形的保護對象，如何保證全覆蓋是一個容易忽略的問題。一般常規(guī)做法是根據(jù)噴頭的噴射角度、離罐壁距離將環(huán)管上噴頭在水平方向上交叉覆蓋罐壁表面，但是，確定垂直方向上每層環(huán)管之間的距離時容易出錯，因為每個噴頭噴向罐壁表面的覆蓋面積，實際上并不是圓形，而是一個橢圓形，如圖2所示。

圖2　噴頭覆蓋面積示意圖

由圖2可知，噴射角度一定時，儲罐直徑越小（即外壁弧度越大）時，橢圓越扁平。要使噴頭準確覆蓋罐壁表面，必須將罐壁展開為矩形后，用實際橢圓面積去布置噴頭使上下層環(huán)管之間無噴霧盲點，見圖3。

圖3　噴頭布置示意圖

按以上原則，本項目罐壁噴頭選擇K=16，工作壓力P=0.2MPa的中速水霧噴頭，單個噴頭流量q=K×（10P）1/2=22.62L/min，距罐壁0.45m，噴射角度150°，實際布置數(shù)量為32個/圈×6圈=192個噴頭，設計流量為22.62×192=4343L/min，噴水強度4343÷1526= 2.85>2.5L/min·m2，滿足要求。

2.5罐頂噴頭布置

本項目罐頂噴頭選擇K=80，工作壓力P=0.2MPa的中速水霧噴頭，單個噴頭流量q=K×（10P）1/2=113.12L/min，距罐壁0.60m，噴射角度120°，實際布置數(shù)量為30個，設計流量為113.12×30=3394L/min，噴水強度為3394÷745=4.56>4.0L/min·m2，滿足要求。

罐頂是球體的一部分，按相貫線原理，由于水霧噴頭垂直于表面指向球心，故實際覆蓋面積仍然是圓形，只要滿足投影面積相交即可保證全覆蓋。由于罐頂噴水強度為4.0較罐壁增大很多，需要選擇K系數(shù)較大來滿足噴水強度。

2.6配水管路減壓

由于噴頭工作壓力為最不利點壓力，對于每根配水支管來說，雖然離干管由遠及近的噴頭流量會越來越大，但要使系統(tǒng)實際噴水量最小，每根支管始端的所需壓力P是一定的（P為滿足最不利點為0.2MPa時的支管始端壓力）。由于每層環(huán)管逐漸升高，對于每根支管所需要的減壓量都不一樣，如果使用減壓閥，長期空管狀態(tài)下較易損壞，本項目通過精確計算，針對每個支管所需減壓量分別設計了減壓孔板，使用效果良好。

2.7設計小結(jié)

本項目根據(jù)以上方法，首先選擇噴射角度布置噴頭滿足全覆蓋保護對象，再根據(jù)噴頭數(shù)量和設計用水量選擇噴頭K系數(shù)，不至于使實際噴水強度超出規(guī)范很多，實現(xiàn)了設計目的同時節(jié)省投資。

3　設計探討

設計過程發(fā)現(xiàn)，即使全罐平均噴霧強度滿足要求，單個噴頭內(nèi)的噴霧強度也有可能不滿足規(guī)范。因為相鄰噴頭覆蓋面積重疊部分的強度實際上超過了設計強度（如圖3中陰影部分實際上達到了2倍單個噴頭的噴水強度），而單個噴頭內(nèi)未與周邊噴頭重疊的部分則達不到設計強度。以本項目為例，罐壁單個噴頭實際服務面積達到了14.12m2，而設計噴水流量為22.62L/min，強度為1.60L/min·m2，顯然不滿足規(guī)范，但正是因為噴頭之間的交叉使得滿足全覆蓋保護的同時又使全罐總的平均噴霧強度達到了要求。

故規(guī)范所規(guī)定的噴水設計強度只能理解為平均噴霧強度，考慮到系統(tǒng)啟動后從上至下的淋水冷卻也有較好的冷卻作用。

4　結(jié)論及建議

（1）通過水霧噴頭的合理選擇、布置以及管路減壓措施，可以使大型液氨儲罐的固定冷卻水系統(tǒng)達到設計強度的同時，同時最大程度節(jié)省投資。

（2）相關規(guī)范對液氨儲罐的冷卻水噴水強度要求不一致，給選擇設計參數(shù)帶來困難，特別是噴水強度對于項目的消防投資，尤其是因為其直接影響消防用水量而對消防廢水收集池（系統(tǒng)）的投資影響巨大。建議相關主管部門能統(tǒng)一設計參數(shù)或給出權(quán)威解釋。

（3）根據(jù)經(jīng)驗，當雨淋閥組置于室外時，從系統(tǒng)安全考慮，無論是否處于防爆區(qū)，建議相關儀表要選擇防爆型。

TQ440.5

A

1673-0038（2015）18-0079-02

2015-4-12

徐秉坤（1983-），男，給排水工程師，主要從事化工行業(yè)給排水、消防設計工作。