基于FSA的相鄰罐消防冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

張祎達(dá) 孫龍珠 連廣宇

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司

油田站場(chǎng)罐區(qū)具有物料存量大、火災(zāi)危險(xiǎn)性較高等特點(diǎn)，因此罐區(qū)消防冷卻系統(tǒng)是油田站場(chǎng)消防設(shè)計(jì)重點(diǎn)，著火罐常為固定式/半固定式冷卻噴淋系統(tǒng)[1-3]。對(duì)于相鄰罐如何確定固定式冷卻噴淋系統(tǒng)、冷卻噴淋強(qiáng)度及面積，國(guó)內(nèi)外做法有明顯區(qū)別，本文重點(diǎn)圍繞上述問題，通過總結(jié)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的不同及國(guó)際慣例做法，借助火災(zāi)安全分析（FAS）結(jié)論，按不同火災(zāi)工況下相鄰罐壁接收的熱輻射強(qiáng)度對(duì)相鄰罐消防冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核，以判定消防冷卻方案的完整性。

1 相鄰罐消防冷卻保護(hù)確定

罐區(qū)消防冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)首要任務(wù)是確定儲(chǔ)罐消防冷卻水形式選擇。相鄰罐采用固定式消防冷卻系統(tǒng)的確定，通常為衡量罐壁之間間距是否大于N倍罐直徑，如法國(guó)道達(dá)爾石油標(biāo)準(zhǔn)按1.25倍，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)按1.5 倍，科威特石油標(biāo)準(zhǔn)按3 倍。對(duì)于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，在相鄰罐采用固定式消防冷卻系統(tǒng)冷卻噴淋強(qiáng)度及面積對(duì)比[4-6]如表1所示。

在某些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，更多借助火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)分析確定消防冷卻水系統(tǒng)方案，通過罐表面受到熱輻射強(qiáng)度來確定相鄰罐的冷卻范圍，比如荷蘭殼牌石油標(biāo)準(zhǔn)要求熱輻射強(qiáng)度超過8 kW/m2則需消防冷卻，但可采用移動(dòng)式消防冷卻水系統(tǒng)，超過32 kW/m2則需固定式消防冷卻系統(tǒng)；科威特石油標(biāo)準(zhǔn)要求超過12.5 kW/m2則需固定式消防冷卻系統(tǒng)。對(duì)于著火罐而言，罐體表面熱輻射強(qiáng)度必然超過標(biāo)準(zhǔn)的限值，需采用固定式消防冷卻水系統(tǒng)降溫是可以理解的，而對(duì)于相鄰罐消防冷卻水系統(tǒng)如何選擇，更適用于熱輻射強(qiáng)度來評(píng)判。

在美國(guó)石油協(xié)會(huì)API 521—2014 標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)熱輻射造成人體和設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響如表2 所示，其中熱輻射的影響已包含太陽輻射熱。

表2 熱輻射的影響結(jié)果Tab.2 Effects of thermal radiation

一般情況下，鋼制設(shè)備暴露在熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2及以下時(shí)，不需額外防火保護(hù)設(shè)計(jì)，在此熱通量水平下，金屬表面溫度約至300 ℃左右，不會(huì)危及其性能完整性；熱輻射強(qiáng)度在12.5 kW/m2至37.5 kW/m2之間，則需要采取一定防火保護(hù)設(shè)計(jì)（如消防冷卻、擴(kuò)大設(shè)備間距、增加防火涂料等），否則可能火勢(shì)擴(kuò)大；熱輻射強(qiáng)度在37.5 kW/m2以上，鋼制設(shè)備將很快超過臨界金屬溫度400 ℃，從而導(dǎo)致設(shè)備性能快速降低，火災(zāi)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大和升級(jí)。綜上，國(guó)際項(xiàng)目通常按熱輻射強(qiáng)度8～12.5 kW/m2設(shè)置移動(dòng)式消防冷卻系統(tǒng)，超過12.5 kW/m2設(shè)固定式消防冷卻系統(tǒng)保護(hù)。

2 火災(zāi)安全分析應(yīng)用

某海外油田項(xiàng)目，罐區(qū)儲(chǔ)罐直徑46 m，高度20 m，罐間距設(shè)計(jì)大于著火罐1.5倍直徑范圍，1座儲(chǔ)罐固定式冷卻噴淋水量為600 m3/h，1 個(gè)消火栓輔助消防冷卻設(shè)計(jì)流量考慮55 m3/h，1 個(gè)消防炮輔助消防冷卻設(shè)計(jì)流量考慮110 m3/h。設(shè)計(jì)方案中罐區(qū)消防冷卻水最大用量考慮1 座著火罐固定式冷卻噴淋水量+輔助消防冷卻量（4個(gè)消火栓用量）[7-10]，不考慮相鄰罐冷卻噴淋，共820 m3/h。

結(jié)合以上案例，借助火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法，利用DNV PHAST 軟件對(duì)罐區(qū)設(shè)施建模，計(jì)算熱輻射影響范圍，校核設(shè)備安全間距、消防冷卻方案和相鄰罐冷卻設(shè)計(jì)等。首先，根據(jù)罐區(qū)物料特性及工藝流程，對(duì)罐區(qū)開展事故樹分析（圖1），確定有兩種火災(zāi)工況會(huì)發(fā)生，即工況1 儲(chǔ)罐泄漏產(chǎn)生液池火；工況2 罐區(qū)管廊泄漏產(chǎn)生噴射火。分別對(duì)這兩種工況在主風(fēng)向和任意風(fēng)向進(jìn)行模擬計(jì)算，按國(guó)際上認(rèn)可的熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2作為影響范圍參考值，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖1 罐區(qū)儲(chǔ)罐泄漏事故樹分析Fig.1 Fault tree analysis of tank leakage in tank farm

圖2 罐區(qū)儲(chǔ)罐泄漏產(chǎn)生液池火熱輻射影響范圍計(jì)算Fig.2 Calculation of the thermal radiation influence range of liquid pool fire caused by tank leakage in the tank farm

圖3 罐區(qū)管廊泄漏產(chǎn)生噴射火熱輻射影響范圍計(jì)算Fig.3 Calculation of the thermal radiation influence range of jet fire caused by pipeline gallery leakage in the tank farm

工況1根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）在主風(fēng)向下，熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2影響范圍覆蓋部分靠近圍堰的道路，此區(qū)域布置的雨淋閥、手/電動(dòng)閥、消防栓/炮等需考慮重新布置位置，若位置不便于調(diào)整，則需考慮增加防火保護(hù)措施如防護(hù)墻、防火涂料等；在非主風(fēng)向下，熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2影響范圍覆蓋部分廠區(qū)道路及罐區(qū)管廊帶，此時(shí)需考慮事故發(fā)生頻率的高低，若在業(yè)主可接受風(fēng)險(xiǎn)水平下，則可不考慮該區(qū)域防火保護(hù)措施，但最終確定是由業(yè)主來決定。

（2）在任意風(fēng)向下，相鄰罐組均在熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2影響范圍之外，從熱輻射影響角度校核罐安全間距滿足要求，相鄰罐無需冷卻噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（3）工況1 的罐區(qū)消防冷卻水最大用量考慮1 座著火罐固定式冷卻噴淋水量+輔助消防冷卻量（4 個(gè)消火栓用量），不考慮相鄰罐冷卻噴淋，最終為820 m3/h。

工況2根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）在主風(fēng)向下，熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2影響范圍集中在儲(chǔ)罐圍堰內(nèi)，未覆蓋到路側(cè)消防栓/炮，則路側(cè)消防栓/炮不需考慮防火保護(hù)措施；在非主風(fēng)向下，熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2影響范圍覆蓋部分廠區(qū)道路及罐區(qū)管廊帶，此時(shí)需考慮事故發(fā)生頻率的高低，若在業(yè)主可接受風(fēng)險(xiǎn)水平下，則可不考慮該區(qū)域防火保護(hù)措施，但最終確定是由業(yè)主來決定。

（2）在任意風(fēng)向下，熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2影響范圍最多同時(shí)覆蓋1 座相鄰罐表面，考慮噴射火的方向性，按1座儲(chǔ)罐1/2表面冷卻噴淋。

（3）由于工況2 為噴射火工況，這樣具有高輻射強(qiáng)度的撞擊火焰對(duì)相鄰罐的熱沖擊非常大，罐表面冷卻噴淋水會(huì)被干擾和衰減，此時(shí)需采用消防炮提高受火部位的噴淋強(qiáng)度，因此，輔助消防冷卻設(shè)計(jì)流量應(yīng)額外考慮2 個(gè)消防炮對(duì)罐表面的保護(hù)，工況2的罐區(qū)消防冷卻水最大用量考慮1座儲(chǔ)罐1/2表面固定式冷卻噴淋水量+輔助消防冷卻量（4 個(gè)消火栓+2個(gè)消防炮用量），最終為740 m3/h。

通過以上兩個(gè)工況對(duì)比，工況1 為罐區(qū)消防冷卻水最大用量，原設(shè)計(jì)方案無需調(diào)整。

3 結(jié)束語

（1）對(duì)于相鄰罐固定式消防冷卻系統(tǒng)界定，國(guó)內(nèi)外均有采用罐壁之間間距是否大于1.25～3倍罐直徑來確定，國(guó)際上也有通過熱輻射強(qiáng)度超過12.5 kW/m2為設(shè)計(jì)固定式消防冷卻系統(tǒng)，火災(zāi)安全分析通過熱輻射強(qiáng)度來量化消防冷卻水形式選擇，國(guó)際上以熱輻射強(qiáng)度8～12.5 kW/m2設(shè)置移動(dòng)式消防冷卻系統(tǒng)，超過12.5 kW/m2為設(shè)計(jì)固定式消防冷卻系統(tǒng)，對(duì)于相鄰罐消防冷卻水系統(tǒng)選擇，更適用于熱輻射強(qiáng)度來評(píng)判。

（2）對(duì)于相鄰罐消防冷卻保護(hù)，總體趨勢(shì)為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)冷卻噴淋強(qiáng)度低，罐壁冷卻面積大；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)冷卻噴淋強(qiáng)度高，罐壁冷卻面積小，考慮罐壁上半部分氣相空間冷卻，針對(duì)固定頂油罐，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還包括罐頂面積冷卻。

海外油田結(jié)合項(xiàng)目合同要求特點(diǎn)，通常優(yōu)先執(zhí)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于其要求不清晰之處，可采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有效補(bǔ)充，同時(shí)開展火災(zāi)安全分析復(fù)核消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過以上對(duì)消防冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析，可為其他海外項(xiàng)目消防設(shè)計(jì)提供參考。