張建清,楊 志,宋端啟

(南京睿實消防安全設備有限公司，江蘇南京 211100)

我國的儲油設施多以地上儲罐為主，且以金屬結構居多，按用途可分為生產(chǎn)油罐、存儲油罐等；按形式可分為立式儲罐、臥式儲罐等；按結構分類，可分為固定頂儲罐、浮頂儲罐及球形儲罐等；按體積分類，100 m3以上為大型儲罐，多為立式儲罐，100 m3以下的為小型儲罐，多為臥式儲罐。

石油是易燃易爆液體，具有燃燒速度快、火勢兇猛、輻射熱強、沸騰噴濺、擴散蔓延快等特點[1，2]，火災危險性極大，易造成撲救困難、人身傷亡及財產(chǎn)的重大損失。為保證大型油罐及罐群的安全，將火災撲滅在初期階段，必須提高油庫的消防報警系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)[3]。我國現(xiàn)有的《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》及《石油庫設計規(guī)范》沒有針對火災自動報警系統(tǒng)的選型提出明確要求，石油儲罐區(qū)采用傳統(tǒng)的消防設施存在著很多安全問題。因此，本文以國家設計規(guī)范要求為基礎，結合近年來的消防新技術，引入分布式光纖測溫、圖像火災探測、高壓細水霧、固定消防炮等先進產(chǎn)品，提出了一整套適用于石油化工儲罐區(qū)的消防技術解決方案[4]。

1 儲罐區(qū)內(nèi)消防現(xiàn)狀及存在問題

1.1 儲罐區(qū)內(nèi)消防現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)很多儲罐區(qū)的消防設施按照相關規(guī)范的設計要求，主要設置有火災探測、冷卻及消防滅火系統(tǒng)：①溫度探測：采用常規(guī)的感溫電纜對罐體進行溫度探測；②火災探測：采用常規(guī)的火焰探測器對罐體進行火災探測；③報警系統(tǒng)；采用常規(guī)的火災報警按鈕，經(jīng)人工確認觸發(fā)報警；④冷卻系統(tǒng)：在罐壁周圍設置水噴淋或水噴霧進行消防冷卻；⑤滅火系統(tǒng)：采用平衡壓力比例混合泡沫滅火系統(tǒng)，實施液上噴射泡沫的滅火方式[5]。

1.2 儲罐區(qū)內(nèi)消防存在問題

a)早期的感溫電纜火災探測報警系統(tǒng)(其原理為利用熱敏電阻達到設定溫度后，熔接產(chǎn)生電纜短路進行報警)具有2個缺點：①由于其選擇線性感溫電纜等電信號傳感器，引入電對于儲油罐是引入了一定的安全隱患；②由于大型浮頂罐的環(huán)境條件和感溫電纜自身的局限性，感溫電纜只能進行定溫報警而無法實現(xiàn)定位報警，而且誤報率很高。

b)傳統(tǒng)的火焰探測器采用傳感器進行探測報警，當采集的現(xiàn)場火焰光譜達到閥值后，給出報警信息。此種探測器存在探測距離短、誤報率高等缺點。

c)報警系統(tǒng)同探測、滅火系統(tǒng)相對獨立，缺乏系統(tǒng)性火災管理平臺[6]。

d)采用噴淋或水噴霧系統(tǒng)進行消防冷卻，因水滴霧化效果差，壓力低，冷卻效果較差[7]。

e)消防滅火系統(tǒng)手段比較落后，基本全部采用手動操作，且需控制的設備、閥門數(shù)量較多，流程復雜，操作時間較長，極易發(fā)生誤操作，油罐區(qū)的安全難以保證[8，9]。

2 石油化工儲罐區(qū)火災探測系統(tǒng)設計

根據(jù)石化儲罐區(qū)的區(qū)域特點及火災危險性，火災探測需要對溫度、可燃氣體濃度、火焰等進行監(jiān)測。本文主要介紹先進的分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)及圖像型火災探測報警系統(tǒng)。

2.1 分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)

當光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時，會產(chǎn)生多種類型的輻射散射。分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)(DTS)利用同一根光纖作為溫度信息的傳感和傳導介質(zhì)，通過測量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光與Stokes光強度的比值變化實現(xiàn)對外部溫度的監(jiān)測，如圖1所示。在時域中，利用OTDR技術(光學時域反射技術)，根據(jù)光在纖中的傳輸速率和入射光與后向拉曼散之間時差，可以對不同的溫度點進行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。

分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)應用于石化行業(yè)，主要體現(xiàn)出以下幾點優(yōu)勢：①安全性好，在罐區(qū)無電檢測，可適用于對安全等級要求較高的場所；②溫度可以顯示，報警溫度可以根據(jù)現(xiàn)場需要進行設置或變更；③可靠性高，不受電磁、雷擊干擾，性能十分穩(wěn)定，壽命長，長期可靠性好，適合長期安全監(jiān)測；④可不動火不用電，帶油安裝，不影響正常生產(chǎn)；⑤尺寸小，質(zhì)量輕，有利于微型化；⑥同冷卻系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動聯(lián)動，當檢測罐壁溫度達到設定的溫度值時，可自動聯(lián)動高壓細水霧對罐體進行降溫，或聯(lián)動固定式消防炮系統(tǒng)，對罐體進行自擺式噴水降溫。

圖1 分布式光纖感溫火災探測原理

分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)在浮頂儲罐中的應用，如圖2所示。分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)的布設方式如下：感溫光纖應螺旋設置在儲罐的側壁上，或設置在儲罐頂部的側壁上，螺旋設置時感溫光纖之間的距離應小于3 m，見表1。

圖2 分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)在浮頂儲罐中的應用

儲罐類型光纖光柵傳感器敷設內(nèi)、外浮頂罐安裝在浮盤周圍、擋雨板的內(nèi)側或二次密封裝置的螺栓上拱頂罐安裝在罐頂護攔的下方,罐頂與罐壁的交界處附近球罐沿噴淋水管或相應的位置布設罐頂、罐中、罐底3圈

2.2 圖像型火災探測報警系統(tǒng)

在選用分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)的基礎上，選擇圖像型火災探測器對罐區(qū)內(nèi)的圖像、火焰進行復合探測。圖像型火災探測器在工作時可不斷采集現(xiàn)場視頻，與感溫探測系統(tǒng)復合報警后，可極大地降低整個探測系統(tǒng)的誤報、漏報現(xiàn)象。圖像型火災探測器的應用如圖3所示。

圖3 圖像型火災探測器在石化儲輻區(qū)的應用

圖像型火災探測報警系統(tǒng)應用于石化行業(yè)，主要體現(xiàn)出以下幾個特點：①火焰檢測：可以任意設定防護區(qū)域和防護靈敏度，當防護區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)火焰時迅速進行報警，并將火焰區(qū)域在監(jiān)控畫面中標識出來；②安全監(jiān)控：能夠實時提供火災現(xiàn)場的視頻，以便能夠快速采取適當?shù)拇胧虎墼O備管理：系統(tǒng)支持對設備進行搜索、設置、添加和刪除；④聯(lián)動報警滅火功能：提供聯(lián)動報警功能包括：聲音、開關量輸出(驅動警燈警鈴等)、通過無極性總線實現(xiàn)和火災報警控制的聯(lián)動；⑤電子地圖：將攝像機和實際監(jiān)控平面圖結合，以電子地圖的形式顯示在監(jiān)控屏幕上，直觀顯示報警區(qū)域；⑥歷史記錄存儲及查詢功能：各種報警及操作信息均有詳細的記錄，可存儲任意數(shù)量歷史數(shù)據(jù)，并提供完備的數(shù)據(jù)查詢功能；⑦應用范圍廣：能夠對危險場所、爆炸性場所、有毒場所進行探測；⑧探測距離遠：特別適用于室外、車場、隧道及室內(nèi)超大空間；⑨環(huán)境適應性強：智能探測算法有效避免了環(huán)境光照變化和探測器振動的影響，靈活的分區(qū)和靈敏度設置功能使得系統(tǒng)可以適應不同的應用場所。

3 石油石化儲罐區(qū)滅火系統(tǒng)設計

石化儲罐區(qū)發(fā)生火災后，儲罐爆炸主要原因有兩點：①儲罐內(nèi)部的壓力升高；②儲罐壁溫增加引起儲罐材料強度下降[10]。因此，在撲救石油石化罐區(qū)火災時，宜同時考慮冷卻系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)[11]，采用高壓細水霧作為冷卻系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)作為滅火系統(tǒng)。

3.1 高壓細水霧冷卻系統(tǒng)

高壓細水霧技術是一種冷卻滅火效率高，又對環(huán)境無污染的冷卻滅火技術。主要采用表面冷卻、窒息、沖擊乳化和稀釋等機理進行冷卻及滅火。采用高壓細水霧系統(tǒng)作為固定式消防冷卻水系統(tǒng)，主要是在夏季氣溫較高時，罐體外壁沒有采用保溫的狀況下，為防止日曬引起罐內(nèi)液體溫度升高，罐內(nèi)壓力上升，對罐壁進行冷卻?；蛟趦薨l(fā)生火災時用來冷卻罐壁，同時也可以達到滅火效果。

如圖4所示，油罐區(qū)高壓細水霧冷卻系統(tǒng)的供水采用環(huán)形管布置，細水霧噴頭均勻分布在各圈環(huán)形管上，噴頭安裝角度均為垂直指向油罐中心。為平衡各噴頭的工作壓力，均衡油罐表面的冷卻水量，采用2根供水干管對稱布置。每根供水干管設高壓電動球閥，閥前設高精過濾器以過濾水中的雜質(zhì)。

設計要求：①對于甲、乙、丙類液體的生產(chǎn)、儲存、裝卸設施，其設計噴霧強度為6 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時間為4 h;②對于甲、乙、丙類液體儲罐，直徑20 m以下，設計噴霧強度為6 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時間為4 h；直徑20 m及以上，設計噴霧強度為6 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時間為6 h;③對于可燃氣體生產(chǎn)、輸送、裝卸、儲存設施、罐瓶間及瓶庫，設計為9 L/(min·m2)，持續(xù)噴霧時間為6 h。

高壓細水霧系統(tǒng)應用于石化行業(yè)，主要體現(xiàn)出以下幾點優(yōu)勢：①安全無污染：以水為冷卻劑，對人員安全，對環(huán)境無損害和污染；②降煙易疏散：可對煙氣、毒氣進行洗滌與沖刷，提高火場的能見度，便于人員疏散和消防人員的滅火救援；③冷卻效率高：可將極小水滴比表面積增大，可迅速吸收熱量轉換成水蒸氣，兼具氣體和傳統(tǒng)噴淋兩種滅火系統(tǒng)的抑制效果，它能夠像氣體滅火系統(tǒng)一樣去除氧氣，同時還能像水噴淋系統(tǒng)一樣冷卻火焰，其冷卻浸濕作用更是降低了火災復燃的風險，滅火效率是傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)的200～300倍；④絕緣性能好：高壓細水霧滅火時用水量極小，大部分水霧遇火后蒸發(fā)，水漬非常小，對用電設備幾乎沒有影響，可以撲滅遮擋火、電氣火；⑤阻隔熱輻射：細水霧系統(tǒng)動作后，蒸發(fā)形成的蒸汽可迅速將罐體、火焰和煙羽籠罩，對火焰的輻射熱具有極佳的阻隔能力，同時還能預濕臨近的燃燒物，達到阻止火災蔓延的效果；⑥用水量極?。焊邏杭毸F用水量是傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)的1%，且細小的霧滴對保護對象的沖擊力小，極大降低了撲救損失，減少因微火和水漬損失造成的故障修復時間；⑦易安裝維護：用水量少，無需龐大的儲水、供水設備，且細水霧管道管徑小，材料為耐腐蝕的不銹鋼，所以整個系統(tǒng)安裝、維護方便。

圖4 高壓細水霧系統(tǒng)

3.2 泡沫滅火系統(tǒng)

3.2.1泡沫滅火系統(tǒng)概述

泡沫滅火系統(tǒng)是經(jīng)多年實踐證明的石化行業(yè)有效滅火方式，與消防炮結合，可實現(xiàn)石化儲罐區(qū)滅火的有效性、機動性，其系統(tǒng)滅火示意如圖5所示。

圖5 泡沫滅火系統(tǒng)工作原理

泡沫滅火系統(tǒng)主要由消防水泵、消防水源、泡沫滅火劑儲存裝置、泡沫比例混合裝置、泡沫產(chǎn)生裝置及管道等組成。通過泡沫比例混合器將泡沫滅火劑與水按比例混合成泡沫混合液，再經(jīng)泡沫產(chǎn)生裝置形成空氣泡沫后施放到著火對象上實施滅火。泡沫滅火系統(tǒng)按泡沫產(chǎn)生倍數(shù)的不同，可分為高、中、低倍數(shù)3種[12，13]。

3.2.2泡沫消防炮系統(tǒng)在罐區(qū)內(nèi)應用

泡沫消防炮滅火系統(tǒng)在規(guī)范中作為泡沫滅火系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，但隨著近年的技術發(fā)展，泡沫消防炮在罐區(qū)內(nèi)的應用出現(xiàn)以下新的趨勢。

a)大流量、長射程的消防炮技術在油罐區(qū)內(nèi)的滅火作戰(zhàn)中發(fā)揮出越來越重大的作用。目前先進的消防炮結合大功率的高壓泵組射程可達上百米，可對大容量的油罐進行有效覆蓋、保護。

b)遠程控制、智能控制、視頻監(jiān)控等技術與消防炮技術結合產(chǎn)生了遠程遙控消防炮視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在油罐區(qū)內(nèi)使用遠程遙控消防炮，不需安防人員對消防炮進行近距離手動操作，在消防炮控制室可根據(jù)遠程視頻畫面進行遠程控制，可大大提高消防炮的響應速度，同時加強了安防人員的個人安全。

c)預置位自擺式控制功能，當現(xiàn)場出現(xiàn)火情時，按照預設程序可實現(xiàn)一鍵啟動消防炮、消防泵等消防設施，消防炮在預制位自動自擺噴射泡沫進行滅火。

d)聯(lián)動控制冷卻功能，罐區(qū)內(nèi)固定式消防炮不但可以噴射泡沫進行滅火，也可噴射水對罐體進行冷卻。當分布式光纖感溫探測系統(tǒng)或紅外熱成像測溫系統(tǒng)檢測到罐壁溫度達到預警值時，可自動聯(lián)動啟動消防炮系統(tǒng)，消防炮系統(tǒng)可根據(jù)預設程序對泡沫罐進行自擺式均勻灑水降溫。

3.2.3泡沫混合液供給強度

石化儲罐區(qū)泡沫滅火系統(tǒng)混合液供給強度設計，見表2和表3所列。

表2 固定頂油罐泡沫滅火系統(tǒng)混合液供給強度

表3 浮頂油罐泡沫滅火系統(tǒng)混合液供給強度

4 結論

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，10萬噸級罐區(qū)、萬噸級裝卸油碼頭等設施越來越多。儲罐區(qū)存在較大的火災危險性和危害性，建立一整套高效的儲罐區(qū)火災安全系統(tǒng)十分必要。本文為石油化工儲罐區(qū)提供了一套整體消防安全系統(tǒng)解決方案，采用分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)和圖像型火災探測報警系統(tǒng)進行火災監(jiān)控，采用高壓細水霧和泡沫滅火系統(tǒng)進行冷卻及滅火，將火災監(jiān)控和消防滅火進行有機結合，是預防和撲救石油化工儲罐區(qū)火災的一種有效解決方案。