超大型原油库消防系统配置研究

超大型原油库消防系统配置研究

0浮顶储罐单罐火灾原油储存事故发生后，大型浮顶储液罐的总面积火灾是最严重的事故之一。从国内统计看,原油储罐火灾事故在所有储罐事故中占40%,美国石油协会(API)统计的1951—1995年间发生的81起大型浮顶储罐(直径30.5~100m)单罐火灾中浮顶储罐全表面积火灾有22起,占浮顶储罐单罐火灾的27%。研究扑救大型浮顶储罐全表面积火灾是超大型原油库消防研究工作中的重要部分。本文从扑救大型浮顶储罐全面积火灾消防系统配置方面进行论述,针对超大型原油库建立可应对大型浮顶储罐全面积火灾的油库消防系统。1中小型储罐全面积火灾消防系统研究当前大型浮顶储罐固定式泡沫灭火系统的设计基础是扑救密封圈火灾,远远不能满足扑救全面积火灾的要求。由于目前扑救大型储罐全面积火灾成功的案例很少,而针对大型储罐全面积火灾的实体试验因费用高昂、试验结果重复性差等原因,开展此类试验研究工作较少,仅LASTFIRE项目组对此研究相对深入。因此,建立扑救大型储罐全面积火灾的消防系统缺少足够的事故数据和试验数据,该消防系统的设计只能基于中小尺度储罐全面积火灾事故信息和少量的大尺度储罐试验数据。下面以扑救原油库单个10×104m3浮顶储罐全面积火灾为例进行超大型原油库消防系统的设计探讨。1.1泡沫液的蒸发浮顶储罐全面积火灾着火面积大,火焰中心距离火焰外围达数十米,而泡沫液在着火油面的最大流动距离仅30m,通过设置在罐壁的泡沫喷射口沿罐壁向着火油面施加的泡沫难以流至火焰中心;另外,火焰周围气流复杂、剧烈,大大影响了泡沫液的运动轨迹,导致部分泡沫液漂散至罐外,而且由于受到火焰的高温作用,大量泡沫液在到达着火油面之前就已汽化蒸发,造成了泡沫液的损失。从日本大型油罐灭火试验看,到达油面的泡沫仅占30%,而损耗的泡沫液(未到达油面的)占61%,蒸发的泡沫液量占9%。值得指出的是,火焰表面温度往往高达上千度,着火油面层温度约350℃,泡沫液进入着火油面后,泡沫蒸发破灭迅速,当油面温度降到147℃以下后,泡沫层才能在油面推进。因此,扑救全面积火灾需要更高的泡沫供给强度,以增加泡沫液射流的动能,延长泡沫在着火油面的滞留时间,增大流动距离。1.1.1浮顶储罐泡沫混和液、泡沫枪的用量浮顶储罐全面积火灾的保护面积是整个油罐的横截面积,按《低倍数泡沫灭火系统设计规范》(2000年版)的计算要求,固定式泡沫灭火系统的供给强度是5.0L/(min·m2),连续供给时间是45min。10×104m3浮顶储罐的直径为80m,储罐横截面积为5024m2,因此,10×104m3浮顶储罐的泡沫混和液用量是5.0×45×5024=1130.4m3,泡沫混和液供给流量是5.0×5024=25120L/min。除了固定式泡沫灭火系统外,《低倍数泡沫灭火系统设计规范》(2000年版)还要求配置3只泡沫枪,每只泡沫枪的泡沫混和液流量不小于240L/min,连续供给时间是30min,则泡沫枪的泡沫供给量是3×240×30=21.6m3。移动式与固定式泡沫混和液的总供给流量是25120L/min+240L/min×3=25840L/min。因此,向储罐内喷射的泡沫混和液量为21.6+1130.4=1152m3。1.1.2储罐尺寸对泡沫内泡沫性的影响国外应对大型储罐全面积火灾主要消防设施是大流量泡沫炮,一般大流量泡沫炮流量在40000L/min以上。日本分别于2004年和2005年进行了多次大型储罐泡沫喷射试验(储罐直径分别为82m和83.3m),为制定大型储罐全面积火灾的应对措施积累了数据。日本要求对油罐的着火油面能够有效喷射泡沫,直径超过34m的储罐必须配置大功率泡沫炮,单台泡沫炮的喷射能力不低于10000L/min,持续喷射时间不低于2h,对于10×104m3浮顶储罐,假设一次灭火时间为4h,则泡沫混和液的消耗量是45216L/min×240min=10852m3。针对大型储罐全面积火灾,API提出了大型储罐直径与泡沫液供给强度的对应关系,以直径为80m的储罐为例,若泡沫供给强度取11.7L/(min·m2),则泡沫炮的泡沫混和液供给流量为63700L/min;美国威廉姆斯消防公司在2001年成功扑灭的82.4m油罐火灾的泡沫供给速率为54600L/min,其泡沫供给强度为9.8L/(min·m2),可见,该供给速率与实际灭火的供给速率持平,这也证明API提供的数据对大功率泡沫炮灭火具有指导意义。匈牙利的TEFX公司采用连续性喷嘴泡沫喷射方式进行了储罐全面积火灾的灭火测试,试验测得泡沫供给强度与着火面积的关系,研究结果指出,对于直径在80m以上的大型储罐火灾仅仅通过增加泡沫发生器或泡沫炮数量以增加泡沫混合液的供给数量不足以成功灭火,还要考虑到泡沫在油面运行的距离、油料特性、外界风力、热气流和受火焰的破坏作用等因素的影响。依据API提供的设计数据,对于10×104m3浮顶储罐,取泡沫混和液供给流量63700L/min,泡沫混和液的消耗量是63700L/min×240min=15288m3,设泡沫液的混和比例为3%,则泡沫原液的消耗量是458.6m3。从以上计算结果看,依据API提供的数据得出的泡沫系统计算结果更具有实际参考意义。而依据《低倍数泡沫灭火系统设计规范》(2000年版)提供的设计数据偏小,主要原因是该规范提出的泡沫供给强度的基础是中小型储罐的火灾事故和灭火试验数据,储罐着火面积的显著增大使得火焰对泡沫流的损耗也将大大增加。由于扑救大型浮顶储罐全面积火灾短则数小时,长则达几天时间,油面以上的罐壁将长时间处于火焰的包围之中,罐壁顶部的泡沫管线往往会因高温作用而变形、破裂,因此,固定式泡沫灭火系统往往难以发挥作用,大功率泡沫炮是扑救全面积火灾的主要灭火设备。1.2浮顶储罐液压系统概述按照《石油化工企业设计防火规范》(GB50160—2008)的规定,发生储罐全面积火灾时,与着火储罐距离不超过1.5D的储罐均应进行罐壁冷却(D为着火储罐的直径)。目前,新建10×104m3储罐的罐间距为0.4D(即32m),每个罐组一般设置4个储罐。着火罐周围相邻的最多有8个储罐需要罐壁冷却,如图1所示。10×104m3浮顶储罐的直径为80m,罐壁高度约为21.8m,单罐罐壁表面积:πDh=3.14×80×21.8=5476.2m2。喷淋冷却供水流量:2.0L(min·m2)×5476.2m2=182.5L/s。着火储罐和8个邻近储罐的喷淋水总供水流量:182.5L/s×9=1642.5L/s。一次灭火(灭火时间设为4h)所需总冷却水量:182.5L/s×4h×9=23652m3。扑救10×104m3浮顶储罐,按照API提供的数据,取泡沫混和液的总供给速率63700L/min,泡沫液的混和比例为3%,则用于混和泡沫的消防水供给强度为61789L/min,扑救单罐火灾所需消防水的总供给流量是1642.5L/s+61789L/min=160339L/min。假如连续灭火时间设为4h,则一次灭火总消耗水量是160339L/min×240min=38481.36m3。2加大消防系统能力针对单个10×104m3浮顶储罐全面积火灾,提出超大型原油库消防系统的基本设计参数如表1所示。从超大型原油库消防系统目前的配置情况看,我国原油库最大供水流量一般为26400L/min,当前油库的消防水储存量限于5000m3左右,一般储存于多个消防水罐或消防水池。因此,无论消防水储存量还是消防水供水流量,当前油库的消防系统都无法满足该要求,只有把目前油库的消防能力提高6~10倍甚至更高后才有可能满足扑救单个大型储罐全面积火灾的要求。为满足上述要求,应对现有的消防系统进行改造,改造内容如下:(1)消防水储存量应满足可扑灭一次火灾的要求,可采用大型拱顶罐储存消防水;(2)增加消防泵的数量,满足消防水主管的供给流量。《石油化工企业设计防火规范》(GB50160—2008)规定消防给水管道的流速不宜大于3.5m/s,因此,提供160339L/min的消防水需要设置一根内径至少为1000mm的消防水主管;(3)各个原油库应配置不少于3台大功率泡沫炮,泡沫炮流量不低于40000L/min,同时储备150%的泡沫原液;(4)为满足高供水量的要求,油库需要配置。3原油库消防能力提升尽管大型浮顶储罐全面积火灾事故属于高风险、低概率事件,但是一旦发生,势必给国家财产带来严重损失,也可能给自然环境造成不可逆转的破坏。随着大型浮顶储罐数量的增加,我国应逐步形成扑灭大型储