提要 分析論述了大型油罐區消防系統中存在的具體問題,說明了大型油罐區消防系統改造及設置消防自動控制系統的必要性。同時提出合理可靠的設計方案,較詳細地介紹了設計過程及應注意的問題。
關鍵詞 油罐區 消防 自動控制 安全

        隨著我國石油工業的發展,原油、成品油儲量的增加,國內大型油庫、油罐區越來越多。這樣的罐區多數是改擴建而成,消防手段依然停留在原始的手動操作上。由于油罐數量較多,需控制的設備、閥門數量較多,操作時間長,且流程復雜,極易發生誤操作,油罐區的安全難以保證。
1 工程概況

        我國某處油罐區,始建于70 年代,分三期擴建成現有規模。目前罐區內共有5 座2 萬m3 鋼制浮頂罐,4 座5 萬m3 鋼制浮頂罐,計30 萬m3 的庫容,庫區占地面積14.8 萬m2。原有消防系統為固定式冷卻水及固定式泡沫滅火系統,包括一座消防泵房,兩座1 000 m3 消防水池和罐區消防管網、罐上消防系統等。消防泵房內設3 臺消防泵,1 臺14sh - 6型泵為泡沫混合液泵,1 臺12sh - 6 型泵為冷卻水泵,另有1 臺14sh - 6B 型泵為公共備用泵。以上幾臺泵所配電機均為6 000 V 高壓電機。泵房內所有設備、閥門及罐區分區閥、上罐控制閥均為手動控制,現有罐區及泵房布置見圖1 。

2 原有操作方式及存在的問題

        原有消防系統操作方式:當罐區發生火災時,消防值班人員接到火警后,立即電話通知變電所值班人員合閘供電(規定高電壓設備不能常合) ;變電所值班人員合閘后再電話通知消防值班人員;消防值班人員進行試跳、盤車,一切準備就緒后,再用電話通知變電所;由變電所值班人員監護,逐臺啟泵、開出口閥,整個過程需5 min。在以上操作的同時必須有一個對消防流程特別熟悉的消防值班人員(以保證不誤操作) 迅速跑到罐區,根據著火罐的不同關閉相應的泡沫混合液、冷卻水分區截斷閥,然后打開泡沫上罐控制閥和冷卻水上罐控制閥。距消防泵房最遠的9# 罐為消防最不利點,經實測以上操作過程需12 min。再加上泡沫、冷卻水上罐時間1 min 左右,共需要13 min 才能使泡沫混合液、冷卻水上罐,對油罐進行滅火、冷卻。存在如下問題:
(1) 罐區太大,由人工定點巡檢不能及時發現火情。
(2) 不能保證在發現火情后立即啟動滅火系統,貽誤滅火戰機。消防滅火貴在神速,而建于建站初期的消防系統不適合越來越大的罐區消防要求。據資料介紹,油罐一旦發生火災,罐壁溫度迅速升高,油罐鋼板強度迅速下降。若罐壁溫度升至700 ℃,油罐鋼板的強度降低90 %以上,此時油罐將發生變形和破裂。一旦高溫原油溢出,后果不堪設想。火災在初期容易撲滅,時間越長火勢越不容易控制。
(3) 發生火災時,需要多人參加操作。消防泵房內每班值班人員至少要有兩個值班,才能保證在發生火災時緊急處理,而平時他們又沒什么事情可做,這在管理上是非常矛盾的問題。
(4) 如果一個油罐發生火災沒能及時控制住火情,進而影響到其他油罐,發生類似黃島油庫的火災事件,損失是相當巨大的,不能不引起重視。

3 改造設計
鑒于以上原因,為保證安全生產,對該罐區進行了消防系統改造設計。
       《原油和天然氣工程設計防火規范》和《石油庫設計規范》中對于單罐容量小于10 萬m3 ,但油罐數量較多、總庫容較大的油罐區消防控制方式沒有明確規定。針對該庫區庫容大,油罐數量多的實際情況,在同甲方溝通后設計中增加了消防自動控制系統。
該消防系統設計要點:
(1) 消防泵房位置的選擇:根據油罐區油罐布置現狀,考慮消防管道的布置、油罐的消防分區、總圖布置等因素綜合確定消防泵房位置。
(2) 根據最大的儲罐計算儲罐一次火災所需的泡沫混合液設計用量、冷卻水用量,并按滿足最不利點消防滅火泡沫混合液和冷卻水5 min 上罐綜合考慮選取設備。
(3) 根據最大罐實際設計冷卻水噴淋量復核消防水池容量。
(4) 泵出口閥及泡沫混合液和冷卻水上罐控制閥、主要分區控制閥選用可遠控的電動閥,在消防控制室內實現集中控制。
(5) 在罐區安裝可燃氣體報警器,在每個油罐上設感溫電纜。當溫度達到報警設定值時,報警信號通過電纜傳送到消防控制室。當消防控制室的操作人員接到報警信號時,利用電視監視系統進行火災人工確認,便于及時滅火。
(6) 消防控制室內設置消防自動控制系統,實現火災操作規程自動檢測、自動控制功能。
(7) 罐區設置工業電視監視系統,罐區設置攝像頭,消防值班室內設監視器,由值班人員全天候監視罐區,以便及時發現火災,及時報警。
下面就以上各條重點詳細說明。
3.1 新建消防泵房位置確定
從圖1 中我們可以看到,原有消防泵房位置不合適。根據罐區布置及總圖布置情況,確定在2# 罐和6 # 罐東北角處建一新消防泵房及消防水池。
3.2 消防分區
結合罐區布置現狀及新建消防泵房位置,在盡量縮短管道充滿長度的前提下,將罐區內油罐分為兩個獨立的消防分區,1 #～5# 罐(2 萬m3 罐區) 為一個分區; 6# ～9# 罐(5 萬m3 罐區) 為一個分區。具體分區方法見圖1 。這樣,在5 萬m3 罐區起火時只對第一分區充滿即可,在2 萬m3 罐起火時只對第二分區充滿即可,兩個分區互不影響。減少了充滿量,有利于選泵。
3.3 罐區消防管網管徑確定
根據各分區內最大容積罐消防需要的冷卻水量及泡沫混合液量及在一條管道損壞時,另一條管道可通過全部消防水量的要求確定各分區管網管徑。
因是獨立的兩個分區,第一分區按5 萬m3 罐消防需要的冷卻水量及泡沫混合液量確定管網管徑。第二分區按2 萬m3 罐消防需要的冷卻水量及泡沫混合液量確定管網管徑。
3.4 選泵
罐區內最大容積罐5 萬m3 罐泡沫混合液需要量320m3/ h ,冷卻水需要量490m3/ h 。按《原油和天然氣工程設計防火規范》第7.4.6 條規定,要求消防泵出口雙管與環網連接,以保證在一條管道損壞時,另一條管道可通過全部消防水量。經計算第一區泡沫混合液充滿量為90 m3 ,即在啟泵后的前5min 內,泡沫混合液泵流量應達到1 080 m3/ h 才能滿足要求。通過分析這些數據,可選擇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 臺作泡沫混合液泵。這樣在任一油罐起火時,同時啟動兩臺泵進行充滿, 5 min 后停掉300S90泵,運行DK400 - 11 即可滿足滅火要求。
5 萬m3 罐消防時冷卻水需求量為490 m3/ h ,第一分區冷卻水充滿量為130 m3 ,即在啟泵后的前5min ,冷卻水泵流量應達到1 560 m3/ h ,選擇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 臺,這樣在任一油罐起火時,同時啟動2 臺泵對冷卻水管網進行充滿, 5 min 后停掉300S90 泵,運行300S90B 型泵即可滿足冷卻要求。再選擇1 臺300S90 泵作公共備用泵。以上泵均配380 V 低壓電機,便于操作和管理。
3.5 泡沫比例混合裝置選擇
因管道充滿量和正常消防流量之間范圍較大,所選擇的比例混合器流量可調范圍要能適合這種變化,同時要選擇適合自動控制的設備,實際設計中選用了2 臺10 t 貯罐壓力式比例混合裝置,單臺比例混合器的流量為20～160 L/ s。
3.6 閥門選擇
泵出口閥、干管控制閥、分區控制閥、上罐控制閥等主要控制閥均為電動蝶閥,均可在消防值班室內遠控。
3.7 消防水池容積確定
油罐冷卻水方式為固定式水幕噴頭冷卻系統,5萬m3 罐消防時冷卻水需求量為136 L/ s ,4 h 冷卻水量為1 960 m3 。5 萬m3 罐消防滅火時配制泡沫混合液需水量200 m3 ,管網中充水容積為220 m3 ,因此,一次消防需要最小水量為2 340 m3,需要新建1000 m3和2 000 m3消防水池各1 座。
3.8 新消防系統的主要流程(見圖2)

新消防系統流程說明: ①泵1 、泵2 為泡沫混合液泵,泵4 、泵5 為冷卻水泵,泵3 為公用備用泵。②泵入口閥為常開閥。③泵出口閥、干管控制閥、罐區分區閥、上罐控制閥均為常關閥。④當第一分區(5 萬m3罐區) 內油罐著火時,分別啟動冷卻水泵和泡沫混合液泵,打開相應泵出口閥和第一分區的分區閥,再打開著火罐上相應泡沫混合液、冷卻水上罐控制閥即開始對油罐滅火、冷卻。⑤當第二分區(2萬m3 罐區) 內油罐著火時,分別啟動冷卻水泵和泡沫混合液泵,打開相應泵出口閥和第二分區的分區閥,再打開著火罐上相應泡沫混合液、冷卻水上罐控制閥即開始對油罐滅火、冷卻。
3.9 監視系統
在罐區設三組攝像頭,控制室設監視屏幕。值班人員在值班室內可控制攝像頭360°旋轉及對目標拉近監視。這樣在監視屏幕上,整個罐區的情況一目了然。
3.10 火災自動檢測系統
在每一座罐的浮盤上沿罐壁設一圈感溫電纜,發生火災時由于溫度升高,起火點處的感溫電纜電阻變小,并迅速發出火警信號傳至值班室; 在罐區設可燃氣體報警器,值班人員通過監視系統確認火災后,即啟動消防系統進行滅火。
3.11 消防自動控制程序
采用PLC 把所有的可燃氣體信號、感溫信號、消防泵及電動閥門信號收集并編入程序,由人機接口( HMI) 與之相聯。該PLC軟件功能強、速度快,適應消防控制邏輯的需要。人機接口具有可靠、靈活等特點,它用于顯示消防工藝流程、設備狀態、各種參數,當現場出現報警時,在屏幕上相應點閃爍,并且伴有聲音,操作人員通過此設備可以下