淺析大型儲罐固定式消防系統新技術進展

劉釔池，貝雅梅，劉江波，張福強，馬偉平

(1. 河北華北石油港華勘察規劃設計有限公司，河北 任丘 062552；2. 渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北 任丘 062552；3. 中國石油工程建設公司，北京 100120；4. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000；5. 中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

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淺析大型儲罐固定式消防系統新技術進展

劉釔池1，貝雅梅2，劉江波3，張福強4，馬偉平5

(1. 河北華北石油港華勘察規劃設計有限公司，河北 任丘 062552；2. 渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北 任丘 062552；3. 中國石油工程建設公司，北京 100120；4. 中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北 廊坊 065000；5. 中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

介紹了國外新型儲罐泡沫滅火技術現狀和適用范圍，包括液下噴射泡沫滅火系統、移動式消防設施以及CFITM，TANK GUARD和SEF泡沫滅火系統。提出了提高儲罐固定式消防系統可靠性和應急保障能力的建議，包括推廣應用浮盤邊緣式泡沫滅火系統，儲罐固定式消防系統泡沫混合液供給強度應不小于4 L/(min·m2)，冷卻水供給時間不少于15 h以及配備柴油儲備量能滿足消防泵運轉不低于6 h的柴油機泵等。

儲罐固定式消防系統設計標準泡沫滅火系統

鑒于國內原油戰略儲備庫需求和儲罐大型化發展趨勢，最大浮頂儲罐容積已達 1.5×105m3，儲罐運行管理難度和安全風險增大。另一方面，國內儲罐建設規模和標準規范不斷提高，國內部分已建油庫消防系統不滿足規范要求，例如消防水池容量、泡沫罐容量達不到最低容量要求；冷卻水、泡沫供給系統不合理，消防泵房內無備用消防泵，未采用雙電源或者柴油消防泵；消防給水系統不獨立，與生活給水系統公用等[1]。此外儲罐消防系統維護、檢測和演練有待改進，不能完全掌握泡沫滅火系統實際滅火能力，存在消防設備陳舊、技術人員檢修不及時的問題，消防系統長期處于喪失工作能力狀態。

儲罐固定式消防系統按照設置型式可分為罐壁式泡沫滅火系統和浮盤邊緣式泡沫滅火系統。借鑒國內外管道行業先進經驗和推薦做法，提高儲罐消防系統的可靠性和應急保障能力具有重要意義。

1　儲罐固定式消防系統存在的問題

1.1難以應對儲罐全面積火災

儲罐火災事故統計結果表明： 密封圈雷擊著火是浮頂罐最常見的火災類型[2]；其次是浮頂和中央排水管故障、罐底和罐壁腐蝕以及閥門損壞、管線斷裂引起的火災事故。API 對1951—1995 年發生的81 起直徑超過30 m的大型浮頂儲罐火災事故進行統計，密封圈火災占統計事故的72.8%。2007年5月24日和6月24日鎮海國家儲備庫47號外浮頂罐連續兩次遭雷擊，儲罐邊緣密封圈處著火[3]。國外有浮頂下沉伴隨火災發生，最終形成儲罐全面積敞口火災的案例，例如1981年美國Amoco石油公司某煉油廠一個1×105m3原油浮頂罐發生了浮頂沉沒，導致火災失控。

國內應對大型儲罐全面積火災的首選方式是固定式消防系統，但固定式消防系統設計基礎是撲救密封圈火災。根據大量火災事故案例，儲罐泡沫滅火系統在撲救油罐高液位密封圈火災時效果顯著，儲罐低液位時，上部噴射的泡沫下降過程中易被火焰吹開而很難落入密封圈或液面上，儲罐液上噴射泡沫滅火設施不能有效撲救在浮頂下降、傾斜及全面池火時浮頂油罐火災[2]。

此外，GB 50151—2010《泡沫滅火系統設計規范》規定固定式泡沫滅火系統應滿足在泡沫泵或泡沫混合液泵啟動后，將泡沫混合液或泡沫輸送到保護對象的時間不超過5min[4]。對于大型儲罐、低液位和儲罐全面積火災情形下，泡沫供給強度可能不滿足文獻[4]的要求，存在安全隱患[5]。

1.2罐壁式泡沫滅火系統缺陷

國內大部分浮頂儲罐采用罐壁式泡沫滅火系統，該系統存在以下缺陷：

1) 泡沫噴射口設置在罐頂沿罐周等角均布，如外界風力較大，雖泡沫噴射口設有泡沫導流板，泡沫仍易被風吹散，造成大量泡沫損失。

2) 啟動滅火系統后，泡沫沿罐壁流至浮盤泡沫堰板與罐壁之間的環形空間，形成一定厚度泡沫帶淹沒密封圈后，泡沫從密封圈頂部裂口溢流進入密封圈內部實施滅火。研究表明： 對于1.5×105m3大型浮頂儲罐，泡沫在環形空間匯集至少需要9min，特別是密封圈著火點不正對泡沫噴射口正下方時，很可能錯過最佳的滅火時機[5]。

3) 雷電引起的密封圈火災可能伴隨大雨，噴射泡沫會被雨水稀釋，影響滅火效果。

1.3浮盤邊緣式泡沫滅火系統

國內僅少數浮頂儲罐采用浮盤邊緣式泡沫滅火系統。泡沫噴射口設置在泡沫堰板與二次密封支撐板之間的開放空間，噴出泡沫直接覆蓋在油面實施滅火，避免外界風力和雨水對泡沫的影響，但仍不能完全解決泡沫只有完全淹沒金屬支撐板后才能進入密封圈內部滅火的問題。泡沫管線穿越二次密封金屬支撐板處需有效密封，否則導致密封圈內油氣從穿越處泄漏。此外，只有在儲罐檢修期間才能對泡沫管線進行維修，泡沫管線耐腐蝕、耐高溫、耐高壓等性能要求高，造價高，從而限制了應用范圍。

1.4泡沫供給強度

儲罐固定式消防系統主要是泡沫滅火系統和水噴淋系統，針對泡沫液供給強度、供給時間和鄰近儲罐冷卻等問題，GB 50074—2014《石油庫設計規范》[6]規定如下：

1) 著火的固定頂儲罐以及距離該儲罐罐壁不大于1.5D(D為著火儲罐直徑)范圍內的相鄰儲罐，均應冷卻。

2) 著火的外浮頂、內浮頂儲罐應冷卻，相鄰儲罐可不冷卻。

3) 著火的固定頂儲罐和內/外浮頂罐的固定式冷卻水供給強度分別為不小于2.0L/(min·m2)和2.5L/(min·m2)，相鄰儲罐冷卻水供給強度為不小于2.0L/(min·m2)。

4) 直徑大于20m固定頂儲罐和內浮頂罐的消防冷卻水最小供給時間不小于9h，其他儲罐不少于6h。

以“大連7.16油庫火災事故”為例[7]，在對著火儲罐進行滅火同時對鄰近受到威脅的6座儲罐及輸油管道進行冷卻，滅火用時15h，使用泡沫1300t、用水約6×104t，計算泡沫混合液供給強度為4.3L/(min·m2)。該事故中泡沫液供給強度和供給時間均高于文獻[6]的規定，著火浮頂罐可不冷卻的規定也與實際消防要求有差距。此外儲罐滅火后還應向著火儲罐補充噴射泡沫，避免油氣揮發，冷卻罐壁降至室溫。建議在條件允許的情況下，消防水池和泡沫罐的容積應適當增加，以增加泡沫液供給強度和供給時間。

1.5消防泵

針對消防冷卻水泵和泡沫消防水泵的設置，文獻[6]規定一級油庫應各設1臺備用泵，二、三級油庫可共用1臺備用泵，四、五級油庫可不設備用泵，備用泵量程不小于最大主泵的工作能力。消防水泵應為正壓啟動或自吸啟動，采用自吸啟動時，自吸時間不宜大于45s。一、二、三級油庫的消防水泵有2個獨立電源供電時，主泵應為電動泵，備用泵可為電動泵或柴油機泵；只有1個電源供電時，消防水泵應采用下列方式之一： 主泵和備用泵均為柴油機泵；電動機泵和柴油機泵互為主泵和備用泵。

油庫消防系統采用雙電源或雙回路供電方式，應對配電設施進行改造，或者設計較大容量的變配電措施。消防泵偶爾使用，采用雙電源或雙回路供電方式不經濟。此外，很多火災事故初期火勢并不大，但由于電纜損壞，消防系統無備用動力源，造成火災擴大[7]，提高消防系統供電可靠性具有重要意義。實踐證明柴油機泵操作維護簡便，作為消防水泵具有明顯優勢。俄羅斯應用柴油燃料的發電機快速啟動消防泵的技術成熟，柴油儲備量能滿足消防泵運轉不低于6h，確保發生火災和電力中斷情況下驅動消防泵，建議國內標準針對柴油機消防泵的油料儲備量應適當增加。

2　國內外儲罐泡沫消防系統新技術

2.1液下噴射泡沫滅火系統

液下噴射泡沫滅火系統是在可燃液體下部注入泡沫，泡沫受浮力作用上升到液體表面并擴散，形成泡沫層的滅火系統，液下滅火設施宜應用于撲救拱頂油罐火災。伊朗國家石油規范規定原油固定頂儲罐應設置由泡沫消防水泵、 泡沫比例混合裝置、 高背壓泡沫產生器等組成的液下噴射泡沫滅火系統[8]。該滅火方式具有以下優點：

1) 泡沫管線和泡沫噴射口在儲罐底部，儲罐火災狀態下不易損壞。

2) 泡沫受高溫和輻射熱破壞影響小，滅火效率高。

該滅火方式需解決的主要問題是防止泡沫夾帶過多油品成為可燃泡沫而失去滅火能力，只能選擇同時具有疏水性和疏油性的氟蛋白泡沫，泡沫發泡倍數控制在3倍較為適宜。此外，泡沫噴射口的止回閥容易密封不嚴，可能導致罐內油品滲漏問題。伊朗某油田儲罐在止回閥后設置超壓爆破片，可有效防止油品泄漏[9]。

2.2移動式消防設施

外浮頂罐發生全面積敞口火災難于撲救，特別是原油罐長時間大火會發生沸溢。國外已有應用移動式大流量泡沫炮成功撲救大型儲罐全面積火災的事故案例。例如： 美國曾成功撲救過直徑60.96m的油罐火災，使用了巨型泡沫炮，射程152m，流量在250 L/s以上。沙特阿莫科公司推薦撲救直徑60～100m浮頂罐火災，可使用流量260～930L/s消防炮。移動式消防設備泡沫供給強度明顯高于固定式消防系統，例如美國消防協會標準NFPA 11—2016StandardforLow-，Medium，andHigh-ExpansionFoam[10]規定: 針對原油儲罐全面積火災，采用固定式泡沫滅火系統，泡沫混合液的供給強度為4L/(min·m2)，持續供給時間為55min。采用泡沫炮滅火，泡沫混合液供給強度為6.5L/(min·m2)，持續供給時間為65min。為彌補泡沫液損失量，泡沫炮實際泡沫供給強度通常需提高至 10 L/(min·m2)以上[11]。

2.3CFITM氣體滅火系統

荷蘭SAVAL 公司開發的CFITM氣體滅火系統包括氣體滅火劑儲存罐、感溫探頭、滅火劑噴頭、管線等，結構如圖1所示。

圖1　CFITM氣體滅火系統示意

滅火劑噴頭與感溫探頭一起敷設，探頭間距約2 m，單個系統可覆蓋40m罐周，安裝系統數量取決于儲罐大小。發生密封圈火災時，火焰熱量使一個或多個探頭/裝置啟動，氣體滅火劑通過噴頭直接噴射到火焰上，滅火劑儲存罐設有液位和壓力開關進行遠程控制。該系統維護方便，可遠程監控，可靠性高，滅火速度快，不需額外動力，自動檢測滅火，不需水源，適合水源缺乏地區，在沙特和伊朗應用較多。

2.4TANK GUARD泡沫滅火系統

環球技術公司開發的TANK GUARD泡沫滅火系統包括泡沫液儲罐、線性感溫報警系統等，結構如圖2所示。

圖2　TANK GUARD泡沫滅火系統示意

線性感溫報警系統在密封圈內，泡沫噴頭穿過金屬支撐板進入密封圈內部，密封圈內出現火焰時泡沫直接噴射至油面滅火。泡沫液儲罐容量250L，儲存200L泡沫混和液，液體上方充裝高壓氣體，探頭間距約2 m，單個系統可覆蓋40m罐周，TANK GUARD泡沫滅火系統在西亞應用較多。

2.5FoamFatale(SEF)泡沫滅火系統

SEF滅火系統中，壓縮泡沫儲存在壓力儲罐內，與儲罐通過管線相連，壓縮泡沫在罐內壓力下快速到達罐頂，結構如圖3所示。沿罐壁頂部設置環管，壓縮泡沫從環管線性開口自動膨脹為泡沫，沿罐壁呈瀑布狀快速流下，向罐中心匯集形成泡沫帶。該系統泡沫供給強度可達20～40 L/(min·m2)，覆蓋2000m2著火油面形成20cm的泡沫層僅需2min，該系統可用于撲救大型浮頂儲罐的全表面積火災。

圖3　FoamFatale(SEF)泡沫滅火系統示意

3　結論和建議

1) 大型儲罐滅火系統基于撲救密封圈火災，隨著儲罐大型化發展趨勢，儲罐消防系統應提高設計等級。

2) 浮盤邊緣式泡沫滅火系統相對于罐壁式泡沫滅火系統更適用于撲救大型儲罐的密封圈火災，但應致力于提高該滅火系統設施的可靠性和穩定性。

3) 借鑒“大連7.16事故”經驗，儲罐固定式消防系統泡沫混合液供給強度不應小于4L/(min·m2)，冷卻水供給時間不少于15h，大型浮頂罐著火情況下應對鄰近儲罐進行冷卻。

4) 不具備雙回路供電方式的油庫消防泵優先采用柴油機泵，柴油儲備量能滿足消防泵運轉不少于6h。

5) 固定頂儲罐選擇液下噴射泡沫滅火系統應考慮泡沫液類型、泡沫發泡倍數、泡沫管線防滲漏措施等。

6) 借鑒美國標準NFPA 11—2016，大型儲罐應配備移動式消防設備，泡沫混合液供給強度是6.5L/(min·m2)，持續供給時間是65min，用以撲救儲罐全面積火災。

7) 國外新型滅火系統啟動快、滅火效率高，適用于撲救浮頂罐密封圈初期火災。

[1]董林林.大型油庫消防系統設計[J].油氣儲運，2011，30(11)： 864-866.

[2]郎需慶，張衛華，牟善軍.固定式消防系統應對大型原油儲罐全面積火災的探討[J].工業安全與環保，2013，39(03)： 22-24.

[3]張保坡.浮頂儲油罐滅火問題分析及改進措施[J].油氣儲運，2009，28(03)： 56-58.

[4]張清林，秘義行，胡晨，等.GB 50151—2010泡沫滅火系統設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，2010.

[5]郎需慶，劉全楨，宮宏.大型浮頂儲罐滅火系統的研究[J].消防科學與技術，2009，28(05)： 342-345.

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[10]NFPA. NFPA 11—2016 Standard for Low-， Medium， and High-Expansion Foam [S].Quincy： National Fire Protection Association，2016.

[11]付石，謝海林.油庫自動化系統應用現狀[J].油氣儲運，2013，32(03)： 252-256.

Review on New Technology of Fixed Fire-Fighting System for Large Scale Tanks

Liu Yichi1， Bei Yamei2， Liu Jiangbo3， Zhang Fuqiang4， Ma Weiping5

(1. Hebei Huabei Petroleum Ganghua Survey Planning & Design Co. Ltd.，Renqiu， 062552， China；2. No.4 Drilling Engineering Company， BHDC， Renqiu， 062552, China；3. China Petroleum Engineering & Construction Corp.， Beijing， 100120, China；4. China PetroleumPipeline No.4 Construction Company， Langfang， 065000, China；5. PetroChina Pipeline R&D Center， Langfang， 065000, China)

Abstracts： The current status and application scope of foreign new foam fire extinguishing technology are introduced including base injection foam extinguishing system， movable fire-fighting facilities， CFITM， TANK GUARD and SEF foam extinguishing system. Suggestions to improve reliability and emergency support capacity of tank fixed fire-fighting system are proposed including application of floating edge foam fire-fighting system. Foam supply strength is no less than 4L/(min·m2). Cooling water supply time is no less than 15 h and equipment of diesel fire pump with diesel storage capacity is no less than 6 h.

tank；fixed fire-fighting system；design；standard；foam extinguishing system

劉釔池(1987—)，女，河北滄州人，2010年畢業于重慶科技學院油氣儲運工程專業，現就職于河北華北石油港華勘察規劃設計有限公司，主要從事油田地面工程設計工作，任工程師。

發展與評述

TU998.1

B

1007-7324(2016)04-0001-04

稿件收到日期： 2016-04-12。