大型浮顶储罐密封火灾泡沫灭火系统研究

大型浮顶储罐密封火灾泡沫灭火系统研究

由于原油损失少、环保、安全性能好、节约土地，大型浮顶储水池已成为世界各国的主要储水设施。进入21世纪后,我国大型浮顶储罐的发展非常迅速,目前我国最大的浮顶储罐已达15×104m3,已建成的不低于10×104m3的大型浮顶储罐多达几百座。浮顶储罐的大型化已成为国内外浮顶储罐今后发展的主要方向。原油是易燃易爆危险品,浮顶储罐的大型化必然成为大型浮顶储罐安全生产的巨大挑战。SPFireTechnology曾对20世纪50年代到21世纪初之间世界范围内发生的480余起储罐火灾事故进行了统计。其中,20世纪90年代共发生161起,21世纪初(截至到2003年)共发生62起,从该统计数据看,在世界范围内储罐火灾事故每年至少15～20起。近几年,我国南方地区的某些油库和输油站也连续发生了多起大型浮顶储罐密封圈着火事故。可见,确保大型浮顶储罐的安全生产是各国共同面临的课题。API对1951-1995年之间发生的81起直径超过30m的大型浮顶储罐火灾事故进行了统计,其中密封圈火灾占统计事故的72.8%;其他研究组织也曾对世界范围内大型浮顶储罐火灾事故进行了统计,其统计结果也表明密封圈火灾是大型浮顶储罐最主要的火灾形式。因此,有效控制和成功扑救大型浮顶储罐密封圈火灾是研究重点。为了有效扑救大型浮顶储罐的密封圈火灾,国内外绝大多数大型浮顶储罐依据NFPA、API、BS等国际标准(规范)配置了固定式或移动式灭火系统。其中,固定式低倍数泡沫系统是最常用的灭火系统。近年来,随着科技进步和对密封圈火灾认识的逐步深入,国外针对大型浮顶储罐密封圈火灾的特点还开发了多种新型灭火系统,大大提高了大型浮顶储罐的安全水平。鉴于此,笔者基于浮顶储罐密封圈火灾特点,分别对国内外典型的浮顶储罐灭火系统进行分析,并提出我国大型浮顶储罐灭火系统的建议。1圈封建物的形成原因及设置从大型浮顶储罐罐顶的结构看,浮顶与罐壁之间存在间隔约250mm的环形敞开空间,为保证储罐的严密性和浮顶的灵活性,该空间内设置了浮顶密封装置(即浮顶密封圈)。现场油气浓度检测表明浮顶密封圈内存在一定浓度的油气,该油气主要源于一次密封装置下部暴露的油面和一、二次密封装置之间罐壁上黏附的油膜,密封圈内的部分油气还可能处于爆炸极限的范围内,密封圈内的空间属于爆炸危险区域的0区范围(即连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境)。因此,密封圈是浮顶油气挥发的主要通道,也是浮顶最容易发生火灾的位置。从国内外多起大型浮顶储罐密封圈火灾事故看,密封圈火灾主要有以下特点:(1)雷击是造成大型浮顶储罐密封圈火灾的主要原因,发生密封圈火灾时常伴随有大风和大雨等恶劣天气。(2)密封圈内处于爆炸极限范围内的可燃气被点燃后,密封圈往往先发生闪爆,若密封圈内可燃气体充足,则密封圈可发生持续燃烧。(3)密封圈存在多处燃爆点。密封圈往往多处同时发生着火,燃烧点不连续,每处着火点的密封圈长度短则几米,长则十多米,若扑救不及时,可能导致整个密封圈完全着火。(4)火势相对较小。由于密封圈内暴露的油面仅限于浮盘与罐壁之间约250mm的环形空间,燃烧面积非常有限,燃烧时油气挥发量较小,因此,密封圈燃烧时火势相对较小。2浮顶储罐保护国内外石化公司多数采用固定式低倍数泡沫灭火系统对大型浮顶储罐进行保护,系统按设置型式可分为罐壁式泡沫灭火系统和浮盘边缘式泡沫灭火系统。2.1罐顶流至浮盘式泡沫充压压罐壁式泡沫灭火系统的主要特征是泡沫管线固定在罐壁外侧,泡沫发生器安装在罐壁顶部,泡沫喷射口在罐顶圆周上等角均布,喷射口朝向罐内,泡沫喷射口一般设置在罐壁顶部的梯形护板上,喷射口处还设有泡沫导流板。启动灭火系统后,泡沫混合液通过罐壁外侧的消防立管输送到罐顶的泡沫发生器,泡沫经泡沫喷射口喷出后,在导流板的作用下沿罐壁从罐顶流至浮盘的泡沫堰板与罐壁之间的环形空间内,流下的泡沫沿环形空间向两侧自然流动,由多个泡沫喷射口喷出的泡沫在该环形空间内相互汇合,并逐渐在环形空间内形成完整的具有一定厚度的泡沫带,待泡沫带完全淹没密封圈后,泡沫即从密封圈顶部的裂口溢流进入密封圈内部实施灭火。我国绝大多数大型浮顶储罐采用罐壁式泡沫灭火系统,但该灭火系统存在明显的缺点:(1)由于泡沫喷射口设置在罐顶,当外界风力较大时,喷出的泡沫容易被风吹散,泡沫被稀释,造成泡沫的大量损失。(2)当密封圈的着火点不在罐顶泡沫喷射口正下方时,从罐顶流下的泡沫不能直接流进密封圈内,只能等泡沫完全淹没密封圈后才能进入密封圈内部灭火。对于体积在10×104m3以上的大型浮顶储罐,泡沫在环形空间的汇集至少需要9min,因此,在泡沫喷出9min后才开始灭火,可能错过最佳的灭火时间。(3)由雷击引发的密封圈火灾往往伴随着大雨,喷射的泡沫会被雨水稀释,同时,雨水还会夹带着大量的泡沫穿过堰板底部的排水口流失到浮盘上,这会在一定程度上影响到灭火效果。2.2圈内泡沫喷射口设置的必要性浮盘边缘式泡沫灭火系统的主要特点是泡沫混合液通过设置在浮盘中央的泡沫液分配器和浮盘上的泡沫管线输送到均布于浮盘边缘的泡沫发生器,泡沫喷射口可设置在泡沫堰板与二次密封装置支撑板(或挡雨板)之间的开放空间,也可直接伸入密封圈内部。若泡沫喷射口设在密封圈外部,则泡沫直接喷入堰板与罐壁之间的环形空间,待泡沫层完全淹没密封圈后,泡沫即从密封圈顶部被炸开的裂口处溢流进入密封圈内部实施灭火;若泡沫喷射口伸入密封圈内部,则喷出的泡沫直接覆盖在油面上实施灭火。从笔者的调研情况看,我国仅少数浮顶储罐采用了浮盘边缘式泡沫灭火系统,其泡沫喷射口一般设置在泡沫堰板与二次密封装置支撑板之间的开放空间。在这种情况下,喷射的泡沫可避免外界风力、热气流等对泡沫的破坏,泡沫能准确有效地喷射至泡沫堰板与罐壁之间的环形空间,也避免了因浮盘与泡沫喷射口的高度差而造成的泡沫损失,但是采用这种设置形式的泡沫灭火系统依然不能解决泡沫只有完全淹没金属支撑板后才能进入密封圈内部灭火的问题。相比而言,泡沫喷射口设置在密封圈内部的泡沫系统在密封圈火灾扑救方面有突出优点,即:(1)喷出的泡沫可直接覆盖在油面上实施灭火,泡沫分布速度快且分布均匀;另外,由于泡沫直接喷入密封圈内部,泡沫液可避免雨水的稀释和冲刷。(2)由于泡沫喷射口与密封圈之间的距离始终保持不变,从而避免了外界风力、火焰热气流、浮盘与泡沫喷射口的高度差等因素的影响。(3)泡沫覆盖空间大大减小,以10×104m3浮顶储罐为例,储罐直径80m,浮盘与罐壁的间距约为250mm,而堰板与罐壁的间距一般为1200mm,因此,这种型式泡沫灭火系统的泡沫覆盖面积仅为罐壁式泡沫灭火系统泡沫覆盖面积的21.1%。(4)在密封圈内喷射泡沫覆盖未着火油面,可避免密封圈的着火点向两侧蔓延,可有效阻止密封圈火灾的扩大。从调研情况看,泡沫喷射口若设置在密封圈内部,不便于工作人员日常维护和检修;另外,二次密封金属支撑板的管线穿越处需要有效密封,否则容易导致密封圈内的油气从穿越处泄漏。尽管浮盘边缘式泡沫系统的灭火效率明显高于国内现在普遍采用的罐壁式泡沫灭火系统,但浮盘边缘式泡沫系统尚未在我国普遍应用,主要原因是罐内泡沫管线的密闭性难以保证,存在泄漏、位移或脱落等现象,在不清罐的情况下无法对损坏的罐内泡沫管线进行维修。而当前大型储罐周转频繁,生产载荷大,检修周期长,业主不可能仅因为罐内泡沫管线的损坏而实施清罐,而且大型储罐的清罐费用高昂,耗时长,这是阻碍浮盘边缘式泡沫灭火系统在国内广泛应用的主要原因。另外,罐内泡沫管线对耐腐蚀、耐高温、耐高压等性能的要求较高,且多为进口产品,成本较高;浮盘中央排水系统的罐内管线漏水现象较普遍,这个问题一直困扰着企业。因此,企业在一定程度上也有意避免采用罐内泡沫管线的形式,这也是阻碍浮盘边缘式泡沫灭火系统推广的原因之一。可见,尽快提高罐内泡沫管线的可靠性,推进国内高性能罐内泡沫管线的研发是国内推广浮盘边缘式泡沫灭火系统的基础。3新型灭火系统近年来,针对大型浮顶储罐的密封圈火灾扑救,国外出现了多种集火灾探测和灭火于一体的新型灭火系统,其突出特点是灭火系统启动迅速、灭火速度快、效率高、灭火剂消耗量小、环保,易于管理维护,更适用于扑救密封圈初期火灾。3.1地面火炬系统荷兰SAVAL公司开发的CFITM气体灭火系统是一个独立的灭火单元,该单元主要包括气体灭火剂储存罐、感温探头(易熔塞)、灭火剂喷头、钢管及相关附件等(系统组成如图1所示)。灭火剂喷头与感温探头一起敷设,探头的间距约2m,每个单元最长可覆盖40m的周长,安装单元的数量取决于浮顶储罐的大小。当发生密封圈火灾时,火焰热量将使一个或多个的探测/灭火装置启动,气体灭火剂通过喷头直接喷射到火焰上,可在几秒内扑灭火焰。灭火剂储存罐设有液位和压力开关,灭火时可将报警信号传输到控制盘。该系统维护方便,可远距离监控,可靠性高,灭火速度快,不需另外的动力,完全自动的检测和灭火,火焰熄灭后不会复燃,不需作业者手动操作,灭火对设备无损害,不需水源。该灭火系统尤其适合于水源缺乏的罐区,目前在沙特、伊朗等地区应用较多。3.2圈内泡沫成网迪拜环球技术公司开发的TANKGUARD泡沫灭火系统也是一个独立的灭火单元,该单元主要由泡沫液储罐、线性感温报警系统及附件组成,系统组成如图2所示。线性感温报警系统设在密封圈内,泡沫喷头穿过金属支撑板进入密封圈内部,当密封圈内出现火焰时,泡沫将直接喷射至油面灭火。每个泡沫液储罐是250L,储存200L泡沫预混液,液体上方充装高压气体。泡沫喷头的间距约2m,泡沫喷头每个泡沫灭火单元可保护40m周长的密封圈。泡沫喷射管线和泡沫喷头平均布置在密封圈周围。该泡沫液储罐还可充装气体灭火剂。TANKGUARD泡沫灭火系统目前在西亚、中东地区应用较多。3.3喷嘴旋转轴配置在SEF灭火系统中,压缩泡沫储存在压力储罐内,泡沫储罐与所保护的储罐通过管线相连,压缩泡沫在罐内压力的推动下快速输出到着火罐罐顶,灭火系统的组成如图3所示。该灭火系统的突出特点是:泡沫喷嘴是沿罐壁顶端设置的环管,环管上设有线性开口,压缩泡沫从线性开口喷出后自动膨胀为泡沫,泡沫沿罐壁呈瀑布状快速流下,在油面上从罐周围向中心汇集,形成一定厚度的泡沫毯。连续性线形管口提供了完美的泡沫覆盖面形式,泡沫层可大大降低罐壁受热面的温度。该系统的泡沫供给强度很大,可产生20～40L/min/m2的喷射强度。试验测定:泡沫层覆盖2000m2的着火油面最多需要2min,覆盖超过2000m2的油面需要3min,覆盖厚度至少超过20cm。值得指出的是,通过进一步提高该系统的泡沫供给强度,该泡沫灭火系统可用于扑救大型浮顶储罐的全表面积火灾。4浮盘边缘式泡沫灭火系统的应用前景鉴于密封圈火灾是大型浮顶储罐的主要火灾类型,国内外大型浮顶储罐灭火系统的设计基础大多基于扑救密封圈火灾。随着浮顶储罐的大型化,储罐的安全防护能力需要进一步加强,以往的浮顶储罐火灾事故案例也已暴露出当前普遍采用的罐壁式泡沫灭火系统的诸多不足之处。从灭火效果看,浮盘边缘式泡沫灭火系统泡沫喷射准确率高、灭火迅速、泡沫损耗量少,较罐壁式泡沫灭火系统更适合于扑救大型浮顶储罐的密封圈火灾;而新型的灭火系统启动快、灭火效率高,非常适合于扑灭密封圈的初期火灾,但启动灭火系统后,灭火剂将一次性喷出,故其缺乏应对油面复燃的能力,因此,新型的灭火系统只能作为扑救密封圈火灾的辅助设备。综上所述,笔者建议尽快推进国内浮盘边缘式泡沫灭火系统关键构件的研制,提高该灭火系统的稳定性和可靠性,同时,选择适当的