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石化装置内管廊下热油泵的水喷雾灭火体系构建

时间:2015-10-29 来源:学术堂 所属分类: 建筑工程论文

  1 概述

  热油泵也称热油循环泵,是一种常见的用来输送热介质的载热体输送泵,因泵内可燃液体温度常常高于自燃点,一旦泄露极易引起火灾事故。

  管廊是石化装置的重要组成部分,上部集中密集布置着各种管线,下部布置着泵及其他设备,热油泵经常布置在管廊一侧,常规情况下,多采用在附近道路一侧布置消火栓的方式对其进行保护,但近年来,随着装置用地日益紧张,装置内设备和管线布置的空间被大大缩小,管道和设备之间互相遮挡严重,无法达到有效保护目的,而且,由于发现时火灾已经蔓延,难以控制,这时,寻找一种安全有效的手段来预防控制火灾,保护热油泵,显得尤为重要。

  水喷雾灭火系统可用于扑救固体火灾、闪点高于 60℃的液体火灾和电器火灾。并可用于可燃气体和甲、乙、丙类液体的生产、储存装置或装卸设施的防护冷却。某些危险固体如火药和烟花爆竹引起的火灾。它是利用水雾喷头在一定水压下将水流分解成细小的水雾滴进行灭火或防护冷却的一种固定式灭火系统。其特点是水的利用率极大提高,细小的水雾滴几乎可完全汽化,冷却效果好,产生膨胀约 1680 倍的水蒸汽可形成窒息的环境条件。其灭火机理主要是表面冷却、蒸汽窒息、乳化和稀释作用等。

  文章就某石化装置内管廊下热油泵的水喷雾灭火系统设计过程进行简述,为此类设备的消防保护提供参考和借鉴。

  2 工程介绍

  某装置内有 2 组 4 台热油泵温度均大于 300℃,根据工艺要求这两组泵就近布置,共用一台雨淋阀,因装置空间紧张,管道管架布置较密,无法选用固定水炮进行保护,根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008 中 8.6.3 条规定,工艺装置内固定水炮不能有效保护的特殊危险设备及场所宜设水喷淋或水喷雾系统。本设计采用水喷雾灭火系统。

  水喷雾灭火系统是一种局部灭火系统,一般由火灾探测系统、水雾喷头、雨淋阀、过滤器、减压阀和管道等组成。水喷雾工艺流程如图 1 所示。

  3 设计要求

  3.1 相关规范要求

  《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008 中规定,水喷雾灭火系统的设计应符合下列要求:(1)系统供水的持续时间、响应时间及控制方式等应根据被保护对象的性质、操作需要确定;(2)系统的控制阀可露天设置,距被保护对象不宜小于 15m;(3)系统的报警信号及工作状态应在控制室控制盘上显示;(4)本规范未作规定者,应按现行国家标准《水喷雾灭火系统设计规范》(GB50219)的有关规定执行。

  《石油化工工艺装置布置设计规范》SH3011-2011 中 5.9.7 条规定“,液化烃泵、操作温度等于或高于自燃点的可燃液体泵不宜布置在管廊或可燃液体设备的下方,否则应设置水喷雾(水喷淋)系统或用消防水炮保护。”

  3.2 流量及强度要求
  
  根据《雾规》(GB50219-1995)3.1.5.1 条,“当保护对象外形不规则时,其保护面积应按包容保护对象的最小规则形体的外表面面积确定”.

  根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008 中 8.6.6 条规定,“液化烃泵、操作温度等于或高于自燃点的可燃液体泵,当布置在管廊、可燃液体设备、空冷器等下方时,应设置水喷雾(水喷淋)系统或用消防水炮保护泵,喷淋强度不低于 9L/m2·min”.根据表 1,持续时间选择 0.5h.

  3.3 雨淋系统

  雨淋系统是指由火灾自动报警系统或传动管控制,由自动开启雨淋报警阀和启动供水泵后,向开式洒水喷头供水的开式自动喷水灭火系统,亦称开式系统。本系统的雨淋阀组设在管桥下热油泵附近柱子内侧,进水管与地下消防水主管道连接,出水管向上横跨过管廊后向下连接喷淋主管。在热油泵处设火焰探测器,并与雨淋阀进行联锁,火灾发生时,火焰探测器报警信号通过联动装置开启雨淋阀的泄压电磁阀排水,使雨淋阀自动开启。热油泵的绝缘防护等级均按 IP55 选用,可防止喷淋时发生电气事故。

  3.4 管道及喷头布置

  水喷雾灭火系统主管从全厂稳高压消防系统主管接出,围绕泵体分上下两层布置,具体如图 2 所示,因为用地紧张,热油泵距管桥斜撑较近,这给水喷雾管道的布置与消防喷头的设置造成很大的阻碍。因此,必须根据被保护对象的特点选择重点保护部位,在地面相应管道需支位置做埋件以便于支架的焊接,并使固定后管道上的水雾喷头能够完全覆盖重点保护部位,如介质出入口法兰连接处等易漏油部位增加喷头保护,同时还必须考虑热油泵内部流体漏出后的流动造成火势的蔓延,故在热油泵底盘周围宜考虑设置水雾喷头,以阻止火势的扩大。在其他部位设置较小流量个数较少喷头以达到整体降温目的。在现场施工中出现一个棘手问题就是在斜撑阻挡部位的喷头与被保护热油泵的表面距离不能满足要求,后来根据具体情况采取管道绕过斜撑并从两侧加设喷头并使被保护位置为两喷头喷射夹角最强重合点以达到完全覆盖的目的。

  3.5 喷头布置特点

  水雾喷头是水喷雾灭火系统的终端元件,是一种开式喷头。水雾喷头在一定压力作用下,利用离心或撞击原理将水流分解为直径1mm 以下的水滴形成水雾,并按设计的洒水形状喷出,直接覆盖于设定得保护物体外表面,促使蒸汽稀释和散发,起到灭火、控火、封堵隔断、冷却、暴露防护及预防火灾的作用。在本设计中,由于保护对象是可燃液体,主要以灭火、控火为主,要求完全覆盖保护对象,喷头在喷射时在保护对象表面形成连续完整的水膜,矩形布置,采用高速水雾喷头,喷头之间的距离不大于 1.4 倍的水雾喷头的水雾锥底圆半径,距泵体外壁的距离不大于 0.7m.由于喷头流量较大,选用水雾喷头雾化角采用 120°较合适,为了达到较好的防护效果,喷雾保护范围要有 15%-20%的保护半径搭接,具体如图 3 所示。

  4 系统计算

  (1)确定保护面积。按完全覆盖对象布置,分别计算上、下及侧表面面积。重点保护部位为泵体及泵进出口管道上的易泄漏部位,如法兰连接处。喷淋强度不低于 9L/m2·min.

  (2)计算设计流量。根据水喷雾灭火设计规范第 3.1.2 条对喷雾强度及持续喷雾时间的要求,确定对泵的设计喷雾强度为 20L/(min·m2),最小持续喷雾时间为 0.5h.本项目拟采用 ZSTWC 型高速水雾喷头,其流量系数 K=43,喷头工作压力 P 取 0.35MPa,故本项目中喷头的设计流量为:水雾喷头流量计算:q=K 10P√ =43(10×0.35)1/2=80.45L/min式中:q-水雾喷头的流量 (L/min);P-水雾喷头的工作压力(MPa);K-水雾喷头的流量系数,取值由生产厂家提供。

  (3)确定喷头个数。喷头的个数按下式计算:N=S·W/q式中:N-保护对象的水雾喷头的计算数量;S-保护对象的保护面积(m2);W-保护对象的设计喷雾强度(L/min·m2)。

  (4)水喷雾系统的计算流量按下式计算:Qj=1/60ni = 1Σqi
  
  (5)水喷雾系统的设计流量按下式计算:Qs=k·Qj
  
  (6)减压阀水力计算由于水喷雾系统通过雨淋阀由全厂稳高压消防系统接出,为满足喷头水压要求,必须通过对最不利点喷头水压水量的计算,求出所有支管及主管水压水量,并根据管网压力情况设置减压阀。

  根据水喷雾灭火设计规范 4.0.6,管道采用内外镀锌无缝钢管。

  自动喷水灭火系统管网内的水流速度宜采用经济流速,根据工程算例分析和有关手册及文献介绍,配水干管和配水支管设计流速采用一般不宜超过 3m/s,常用 1.3~2.5m/s.

  每米管道沿程水头损失按下式计算:i=0.0000107v2/Dj1.3式中:i-管道沿程水头损失,MPa/m;v-管道内水的流速,m/s;Dj-管道的计算内径,m.

  对于 DN200(219.1×6)管段:I1 =0.0000107 ×1.542/0.20711.3 =1.966 ×10-4对于 DN100(114.3×3.5)
  
  管段:I2 =0.0000107 ×1.162/0.10731.3 =2.621 ×10-4I3 =0.0000107 ×1.042/0.10731.3 =2.107 ×10-4W
  
  沿程=1.966×10-4×12+2.621×10-4×10+2.107×10-4×13=0.0077MPa
  
  管道的局部水头损失按沿程的 30%计算。

  W 局部=0.3×0.0077=0.0023MPa雨淋阀、过滤器及阀门的水头损失单独计算。

  减压阀前压头损失:0.015+0.00125=0.01625MPa减压阀后压头损失:0.0077+0.0023 +0.05×2+0.00375=0.11375MPa《喷雾规范》第 3.1.3 条规定“当用于灭火时水雾喷头的工作压力不应小于 0.35MPa”,故最不利喷头的起始压力应按 0.35MPa 计,计算公式为 q=√BH.因为喷头最小压力要求为 0.35MPa,要求减压阀后最小压力为 P=0.11375+0.35=0.42375MPa,即为减压阀后压力,加上其他喷淋损失,取 0.5MPa,因消防水管网压力范围为 0.8~1.2MPa,故减压阀阀前压力取 0.8~1.2MPa(阀前压力损失忽略不计),阀前后压力为 1.2/0.5,启闭压差正常值为 0.8-0.5=0.3MPa,启闭压差最大值为 1.2-0.5=0.7MPa.由于水喷雾系统采用开式喷头,应根据特性系统法计算系统的实际流量、水头损失等,若用估算法则偏差较大,可能会导致喷出的不是水雾。

  计算中应随时校核喷头的设计值是否在其正常值范围内,ZSTG10/114 型高速喷射器的正常工作压力为 0.28-0.5MPa,对应的正常流量为 1.22 范围内。计算完毕还应校核每个管段流速(见表1)。各管段流速 V<5m/s,符合《喷雾规范》的规定。

  5 结束语

  管廊区在石油化工生产过程中担负主要生产物料的输送作用,作用至关重要,同时也存在较大的火灾危险性和危害性,采用水喷雾灭火系统,可以较好地解决局部地区消防系统无法覆盖而造成的火灾隐患,由火灾探测系统监视到火灾后将信号传至控制室,进而开通雨淋阀,喷头打开对关键部位进行防护,起到及时扑灭火灾并防止火灾蔓延的作用,为装置的安全运行提供了一种有效的消防保护方法。

  参考文献
  
  [1]GB50219-95.水喷雾灭火系统设计规范[S].北京:中国计划出版社,1995.
  [2]GB50160-2008.石油化工企业防火规范[S].北京:中国计划出版社,2008.
  [3]SH3011-2011.石油化工工艺装置布置设计规范[S].北京:中国石化出版社,2011.
  [4]GB50084-2001.自动喷水灭火系统设计规范[S].北京:中国石化出版社,2005.
  [5]徐文。大型化工装置水喷雾灭火系统设计[A].2001 年全国工业用水与废水处理技术交流会论文汇编[C].

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