大型油罐区消防及自动控制设计探讨

提要 分析论述了大型油罐区消防系统中存在的具体问题,说明了大型油罐区消防系统改造及设置消防自动控制系统的必要性。同时提出合理可靠的设计方案,较详细地介绍了设计过程及应注意的问题。
关键词 油罐区 消防 自动控制 安全

        随着我国石油工业的发展,原油、成品油储量的增加,国内大型油库、油罐区越来越多。这样的罐区多数是改扩建而成,消防手段依然停留在原始的手动操作上。由于油罐数量较多,需控制的设备、阀门数量较多,操作时间长,且流程复杂,极易发生误操作,油罐区的安全难以保证。
1 工程概况

        我国某处油罐区,始建于70 年代,分三期扩建成现有规模。目前罐区内共有5 座2 万m3 钢制浮顶罐,4 座5 万m3 钢制浮顶罐,计30 万m3 的库容,库区占地面积14.8 万m2。原有消防系统为固定式冷却水及固定式泡沫灭火系统,包括一座消防泵房,两座1 000 m3 消防水池和罐区消防管网、罐上消防系统等。消防泵房内设3 台消防泵,1 台14sh - 6型泵为泡沫混合液泵,1 台12sh - 6 型泵为冷却水泵,另有1 台14sh - 6B 型泵为公共备用泵。以上几台泵所配电机均为6 000 V 高压电机。泵房内所有设备、阀门及罐区分区阀、上罐控制阀均为手动控制,现有罐区及泵房布置见图1 。

2 原有操作方式及存在的问题

        原有消防系统操作方式:当罐区发生火灾时,消防值班人员接到火警后,立即电话通知变电所值班人员合闸供电(规定高电压设备不能常合) ;变电所值班人员合闸后再电话通知消防值班人员;消防值班人员进行试跳、盘车,一切准备就绪后,再用电话通知变电所;由变电所值班人员监护,逐台启泵、开出口阀,整个过程需5 min。在以上操作的同时必须有一个对消防流程特别熟悉的消防值班人员(以保证不误操作) 迅速跑到罐区,根据着火罐的不同关闭相应的泡沫混合液、冷却水分区截断阀,然后打开泡沫上罐控制阀和冷却水上罐控制阀。距消防泵房最远的9# 罐为消防最不利点,经实测以上操作过程需12 min。再加上泡沫、冷却水上罐时间1 min 左右,共需要13 min 才能使泡沫混合液、冷却水上罐,对油罐进行灭火、冷却。存在如下问题:
(1) 罐区太大,由人工定点巡检不能及时发现火情。
(2) 不能保证在发现火情后立即启动灭火系统,贻误灭火战机。消防灭火贵在神速,而建于建站初期的消防系统不适合越来越大的罐区消防要求。据资料介绍,油罐一旦发生火灾,罐壁温度迅速升高,油罐钢板强度迅速下降。若罐壁温度升至700 ℃,油罐钢板的强度降低90 %以上,此时油罐将发生变形和破裂。一旦高温原油溢出,后果不堪设想。火灾在初期容易扑灭,时间越长火势越不容易控制。
(3) 发生火灾时,需要多人参加操作。消防泵房内每班值班人员至少要有两个值班,才能保证在发生火灾时紧急处理,而平时他们又没什么事情可做,这在管理上是非常矛盾的问题。
(4) 如果一个油罐发生火灾没能及时控制住火情,进而影响到其他油罐,发生类似黄岛油库的火灾事件,损失是相当巨大的,不能不引起重视。

3 改造设计
鉴于以上原因,为保证安全生产,对该罐区进行了消防系统改造设计。
       《原油和天然气工程设计防火规范》和《石油库设计规范》中对于单罐容量小于10 万m3 ,但油罐数量较多、总库容较大的油罐区消防控制方式没有明确规定。针对该库区库容大,油罐数量多的实际情况,在同甲方沟通后设计中增加了消防自动控制系统。
该消防系统设计要点:
(1) 消防泵房位置的选择:根据油罐区油罐布置现状,考虑消防管道的布置、油罐的消防分区、总图布置等因素综合确定消防泵房位置。
(2) 根据最大的储罐计算储罐一次火灾所需的泡沫混合液设计用量、冷却水用量,并按满足最不利点消防灭火泡沫混合液和冷却水5 min 上罐综合考虑选取设备。
(3) 根据最大罐实际设计冷却水喷淋量复核消防水池容量。
(4) 泵出口阀及泡沫混合液和冷却水上罐控制阀、主要分区控制阀选用可远控的电动阀,在消防控制室内实现集中控制。
(5) 在罐区安装可燃气体报警器,在每个油罐上设感温电缆。当温度达到报警设定值时,报警信号通过电缆传送到消防控制室。当消防控制室的操作人员接到报警信号时,利用电视监视系统进行火灾人工确认,便于及时灭火。
(6) 消防控制室内设置消防自动控制系统,实现火灾操作规程自动检测、自动控制功能。
(7) 罐区设置工业电视监视系统,罐区设置摄像头,消防值班室内设监视器,由值班人员全天候监视罐区,以便及时发现火灾,及时报警。
下面就以上各条重点详细说明。
3.1 新建消防泵房位置确定
从图1 中我们可以看到,原有消防泵房位置不合适。根据罐区布置及总图布置情况,确定在2# 罐和6 # 罐东北角处建一新消防泵房及消防水池。
3.2 消防分区
结合罐区布置现状及新建消防泵房位置,在尽量缩短管道充满长度的前提下,将罐区内油罐分为两个独立的消防分区,1 #～5# 罐(2 万m3 罐区) 为一个分区; 6# ～9# 罐(5 万m3 罐区) 为一个分区。具体分区方法见图1 。这样,在5 万m3 罐区起火时只对第一分区充满即可,在2 万m3 罐起火时只对第二分区充满即可,两个分区互不影响。减少了充满量,有利于选泵。
3.3 罐区消防管网管径确定
根据各分区内最大容积罐消防需要的冷却水量及泡沫混合液量及在一条管道损坏时,另一条管道可通过全部消防水量的要求确定各分区管网管径。
因是独立的两个分区,第一分区按5 万m3 罐消防需要的冷却水量及泡沫混合液量确定管网管径。第二分区按2 万m3 罐消防需要的冷却水量及泡沫混合液量确定管网管径。
3.4 选泵
罐区内最大容积罐5 万m3 罐泡沫混合液需要量320m3/ h ,冷却水需要量490m3/ h 。按《原油和天然气工程设计防火规范》第7.4.6 条规定,要求消防泵出口双管与环网连接,以保证在一条管道损坏时,另一条管道可通过全部消防水量。经计算第一区泡沫混合液充满量为90 m3 ,即在启泵后的前5min 内,泡沫混合液泵流量应达到1 080 m3/ h 才能满足要求。通过分析这些数据,可选择300S90 型( Q = 790 m3/ h , H = 90 m , P = 320 kW) 泵和DK400- 11 型( Q = 368 m3/ h , H = 103 m , P = 190 kW) 泵各1 台作泡沫混合液泵。这样在任一油罐起火时,同时启动两台泵进行充满, 5 min 后停掉300S90泵,运行DK400 - 11 即可满足灭火要求。
5 万m3 罐消防时冷却水需求量为490 m3/ h ,第一分区冷却水充满量为130 m3 ,即在启泵后的前5min ,冷却水泵流量应达到1 560 m3/ h ,选择300S90型( Q = 790 m3/ h , H = 90 m , P = 320 kW) 泵300S90B 型泵( Q = 720 m3/ h , H = 67 m , P =220 kW) 各1 台,这样在任一油罐起火时,同时启动2 台泵对冷却水管网进行充满, 5 min 后停掉300S90 泵,运行300S90B 型泵即可满足冷却要求。再选择1 台300S90 泵作公共备用泵。以上泵均配380 V 低压电机,便于操作和管理。
3.5 泡沫比例混合装置选择
因管道充满量和正常消防流量之间范围较大,所选择的比例混合器流量可调范围要能适合这种变化,同时要选择适合自动控制的设备,实际设计中选用了2 台10 t 贮罐压力式比例混合装置,单台比例混合器的流量为20～160 L/ s。
3.6 阀门选择
泵出口阀、干管控制阀、分区控制阀、上罐控制阀等主要控制阀均为电动蝶阀,均可在消防值班室内远控。
3.7 消防水池容积确定
油罐冷却水方式为固定式水幕喷头冷却系统,5万m3 罐消防时冷却水需求量为136 L/ s ,4 h 冷却水量为1 960 m3 。5 万m3 罐消防灭火时配制泡沫混合液需水量200 m3 ,管网中充水容积为220 m3 ,因此,一次消防需要最小水量为2 340 m3,需要新建1000 m3和2 000 m3消防水池各1 座。
3.8 新消防系统的主要流程(见图2)

新消防系统流程说明: ①泵1 、泵2 为泡沫混合液泵,泵4 、泵5 为冷却水泵,泵3 为公用备用泵。②泵入口阀为常开阀。③泵出口阀、干管控制阀、罐区分区阀、上罐控制阀均为常关阀。④当第一分区(5 万m3罐区) 内油罐着火时,分别启动冷却水泵和泡沫混合液泵,打开相应泵出口阀和第一分区的分区阀,再打开着火罐上相应泡沫混合液、冷却水上罐控制阀即开始对油罐灭火、冷却。⑤当第二分区(2万m3 罐区) 内油罐着火时,分别启动冷却水泵和泡沫混合液泵,打开相应泵出口阀和第二分区的分区阀,再打开着火罐上相应泡沫混合液、冷却水上罐控制阀即开始对油罐灭火、冷却。
3.9 监视系统
在罐区设三组摄像头,控制室设监视屏幕。值班人员在值班室内可控制摄像头360°旋转及对目标拉近监视。这样在监视屏幕上,整个罐区的情况一目了然。
3.10 火灾自动检测系统
在每一座罐的浮盘上沿罐壁设一圈感温电缆,发生火灾时由于温度升高,起火点处的感温电缆电阻变小,并迅速发出火警信号传至值班室; 在罐区设可燃气体报警器,值班人员通过监视系统确认火灾后,即启动消防系统进行灭火。
3.11 消防自动控制程序
采用PLC 把所有的可燃气体信号、感温信号、消防泵及电动阀门信号收集并编入程序,由人机接口( HMI) 与之相联。该PLC软件功能强、速度快,适应消防控制逻辑的需要。人机接口具有可靠、灵活等特点,它用于显示消防工艺流程、设备状态、各种参数,当现场出现报警时,在屏幕上相应点闪烁,并且伴有声音,操作人员通过此设备可以下