加氫站及加氫合建站消防系統設計探索

孟進朝

（河北海川能源科技股份有限公司，河北 石家莊 050000）

氫氣作為最清潔的能源，被認為是未來替代傳統化石能源最理想的新型能源，在國家“3060 碳達峰碳中和”能源發展背景下，加氫站在近幾年得到蓬勃發展。作為新興能源供應模式，現行國家規范均指出加氫站建設過程中應設置消防水系統。

1 消防設計要求

現行國家規范《加氫站技術規范》和《汽車加油加氣站建設標準》作為加氫站建設的主要參考規范標準，均對加氫站建設的消防系統建設提出明確要求，指出加氫站建設過程中必須設置消防水系統[1]。《加氫站技術規范》要求加氫站內消防水系統應依據《消防給水及消火栓系統技術規范》對可燃氣體罐區的室外消火栓設計流量和火災延續時間≥3h。

可燃氣體儲罐區室外消火栓的設計流量可燃氣體儲罐或儲罐區（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

《汽車加油加氣加氫站建設標準》中，對室外消火栓的設計流量規定≥15 L/s，并對消火栓的供水壓力應滿足移動式水槍出口處水壓不小于0.2 MPa[2]。該標準中特別指出加氫站中可設置≥30 m3的可循環使用的消防水系統。

2 循環消防水系統設計舉例與計算

加氫站、加氫合建站依據《消防給水及消火栓系統技術規范》采用非循環式消防系統時，消防水池容積應按以下方式進行計算[3]：

首先應確定加氫站或加氫合建站氫氣儲存總容積。加氫站內固定和非固定儲氫設施的總容積為單個儲氫設施幾何容積（m3）和設計工作壓力（絕對壓力，105Pa）的乘積計算后相加之和。

目前高壓儲氫加氫站內氫氣儲存設施有兩種，分別是固定儲氫瓶組（罐）和氫氣拖車，固定儲氫瓶組（罐）壓力一般為45 MPa 或87.5 MPa，氫氣拖車壓力一般為20 MPa，幾何容積一般為24 m3。

式中:VH-站內氫氣儲存總容積；V固1、V固2-站內固定儲氫瓶組（罐）幾何容積；V車-氫氣拖車幾何容積。例如，某項目設45 MPa 固定儲氫瓶組9 m3，設氫氣拖車2 輛，那么站內儲氫總容積結合式（1）計算后為13 650 m3。其次，根據站內儲氫總容積，確定合理的消火栓設計流量和消防水池有效容積。根據《加氫站技術規范》和《汽車加油加氣站建設標準》對加氫站及加氫合建站要求，站內最高氫氣儲量不允許超過8 000 kg。

結合氣體狀態方程

站內儲氫總容積（標準狀況下）、總質量與消火栓設計流量、消防水池有效容積之間的對應關系見表1。

表1 加氫站氫氣儲量和消防設水設計對照表

3 循環消防水系統設計舉例與論證

某設計項目設20 MPa 氫氣拖車2 輛，9 m3的45 MPa 固定儲氫瓶組3 組，1 m3的87.5 MPa 固定儲氫瓶組2 組，設4 座30 m3埋地油罐（2 汽2 柴），該項目為二級加油與高壓儲氫加氫合建站。該項目氫氣總儲量為23 500 m3，采用常規消防水設計形式時，消火栓設計流量應為20 L/s，該項目消防水池的有效容積不應小于216 m3，消防水池建設容積約為250 m3。該項目符合《汽車加油加氣站建設標準》設置不≥30 m3的循環使用消防水池的設計要求。設計方案如下：站內進出口設排水溝，排水溝一端連接分水井，分水井設過濾網，過濾掉粒徑較大的雜質，分水井兩側分別連接閥門井和消防檢查井。閥門井內閥門處于常閉狀態。消防檢查井頂端連接分水井，底部利用管道與消防水池連通，保證消防水在使用時能夠有效返回消防水池。消防水池內設隔墻，延長消防水從地面至消防泵入口的時間，在隔墻與消防水池池壁之間設擋泥臺，防止消防水池內的沉積物進入消防水泵，保護消防水泵。

圖1 加油加氫合建站消防總平面布置圖

采用地下覆土消防水池，池頂結合當地凍土深度要求進行覆土[5]。在消防檢查井、分水井井口配置符合要求的保溫井蓋，防止在過冬期間消防水因溫度過低而結冰，影響站內消防使用，保證站內消防安全。該形式簡稱為覆土式循環消防水系統。覆土式循環消防水系統剖面圖見圖2。

圖2 覆土式循環消防水系統剖面圖

消防有效容積(Va）計算公式如下

式中：Va1-消防水池有效容積；Va2-埋地回水管道總容積；Va3-消防檢查井與消防水池同高差下的有效容積。

消防水池消減容積（Vb）計算公式如下：

式中：Vb1-分水井井底與消防檢查井進口高差形成的容積；n-消防檢查井數量；S-項目消防水區域面積（m2）；η-地坪高低不平形成的積水和地坪滲水率。

消防水池無效容積:

式中：Vc-消防水池無效容積；S-消防水池的投影面積（m2）；△h-消防水池與消防泵入口之間的高差。

因此，消防水池總建設容積（V總）計算公式如下

消防水可使用容積為

消防水可使用容積（V可）不應小于30m3。

覆土式循環消防水系統設計驗算：結合該項目消防總平面布置圖，消防設計驗算需要的數據統計見表2。

將表2 的數據代入式（5），消防水池無效容積（Vc）為9.60 m3；將表2 的數據代入式（4），消防水池消減容積(Vb）為12.57 m3；將表2的數據代入式（5），消防水池無效容積（Vc）為9.60 m3。

表2 覆土式消防水系統設計各項數據統計表

消防水的可使用容積為

將以上數據代入式（7），消防水池可使用容積（V可）為30.35 m3，滿足《汽車加油加氣站建設標準》設置≥30 m3的循環使用消防水池的設計要求。將以上數據代入式（6），消防水池總建設容積（V總） 為54.95 m3。

4 分析與對比

地上消防水罐、地下消防水池、地上室內消防水箱、覆土式循環消防水池建設費用和用地情況對比見表3。

表3 不同形式消防水池建設費用對比

北方地區冬季氣溫較低，消防水罐需配套安裝加熱系統和保溫材料，運行和維護成本較高。地下消防水池設計深度較深，建設成本相對較高，消防泵房屬于地下空間，不符合加油與加氫合建站中與加油站建設的規范要求。地上室內消防水箱在北方嚴寒地區有一定應用，建設和運行成本不具有經濟優勢。覆土式循環消防水系統結合了消防系統的特點，具有經濟性、實用性、安全性，在加氫合建站中具有較高的應用優勢。

5 加氫站消防系統建設過程的建議

單獨建設的加氫站規劃建設過程中增設加油或加氣功能，降低消防系統建設成本，提高占內盈利能力；當項目用地面積受限，消防水池建設面積較小時，加大消防循環回收管管徑，提高消防循環回水管內的儲水容積以滿足消防用水的建設需求；采用覆土式循環消防水池應加強站內環境衛生管理，及時清理站內垃圾、雜草、樹葉等，提高消防水水質；消防循環回水管道敷設與站內消防環管同溝敷設，降低施工成本，可結合場地設計可采用PPR 管、PE 管代替。

6 結論

覆土式循環消防水池具有建設和使用成本低，無需做單獨的防凍設備和設計，運行穩定性高，使用安全，站區景觀協調性高的優點，不存在垃圾清運費，開挖的土石方覆于消防水池頂部，降低了垃圾清運費。

隨著國內土地的拍賣價格越來越高，為了達到土地效益的最大化利用，建設項目的附屬設施設計將會更加向集約化、小型化發展[4]。隨著建設項目不斷向土地的縱深發展開拓，減少地面建設用地是一個需要不斷探索的課題。覆土式循環消防水池用地面積小，提升了地面的利用空間，水池的覆土部分可以用于綠地，土地的綜合使用率大大提高。