天津辰力工程设计有限公司
摘要：阐述了液化烃球罐固定式水喷雾冷却系统的设计理念；针对固定式水喷雾冷却系统的相关计算、布置等作了简单的分析和探讨。
关键词：固定式 水喷雾冷却系统 雨淋报警阀 液化烃球罐 水雾喷头
1、概述
水喷雾灭火系统是在自动喷水灭火系统的基础上发展起来的，主要用于火灾蔓延快且适合用水但自动喷水灭火系统又难以保护的场所。该系统是利用水雾喷头在一定水压下将水流分解成细小水雾滴进行灭火或防护冷却的一种固定式灭火系统。水雾灭火系统不仅可扑救固体、液体和电气火灾，还可为液化烃储罐等火灾危险性大、扑救难度大的设施或设备提供防护冷却。其广泛用于石油化工、电力、冶金等行业
2、固定式水喷雾冷却系统设计
2.1 工程概况
江苏某化工厂罐区内，设有4座4000m3的液化丁二烯球罐，属于液化烃球罐，直径为19.7m。根据《石油化工企业设计防火标准》GB 50160-2008（2018年版）中8.10.2条规定，当单罐容积等于或大于1000m3时，应采用固定式水喷雾（水喷淋）系统及移动消防冷却水系统。
2.2 系统简介
球罐固定式水喷雾冷却系统由雨淋报警阀组控制，所有储罐的雨淋报警阀组集中放置于雨淋阀室，距离球罐罐壁＞15米，保证响应时间＜120s。
根据《石油化工企业设计防火标准》GB 50160-2008（2018年版）中8.10.10条 规定，储罐容积大于400m³时，供水竖管应采用两条，并对称布置。采用固定水喷雾系统时，罐体管道设置宜分为上半球和下半球两个独立供水系统。8.10.4条规定，距着火罐罐壁1.5倍着火罐直径范围内的邻近罐需要冷却，邻近储罐超过3个时，冷却水量可按3个罐的用水量计算。着火罐冷却面积应按其罐体表面积计算；邻近罐冷却面积应按其半个罐体表面积计算。
故每个球罐设置两个雨淋阀组分别控制球罐上、下半球。系统具有自动控制、远程手动控制和现场手动操作三种控制方式。
自动控制：球罐上做感温光纤，当达到探测温度后联锁打开着火球罐的上、下半球雨淋阀组及邻近球罐上半球的雨淋阀组。
远程手动控制：当遇到火灾不能自动启动系统时，控制室的操作人员也可在火灾报警盘上远程手动开启相应雨淋阀组上的电磁阀，便可远程打开雨淋阀，水喷雾系统开启。
现场手动操作：紧急手动阀门由雨淋阀成套供货，设在雨淋阀组旁，并要求有明显标志，用于紧急情况下现场开启雨淋阀。
固定式水喷雾冷却系统包括蝶阀、过滤器、雨淋报警阀组、水雾喷头、金属软管及管道等组成。
2.3 系统计算
（1）根据《石油化工企业设计防火标准》GB 50160-2008（2018年版）中8.10.4条规定，着火球罐及邻近球罐冷却水供给强度不应小于9L/min·m²。球罐直径为19.7m，球体表面积为1219 m²。一个球罐计算水量不应小于182.85L/s。
（2）根据《水喷雾灭火系统技术规范》GB 50219-2014第3.1.3条规定，水雾喷头的工作压力，当用于防护冷却时不应小于0.2MPa。
（3）根据《水喷雾灭火系统技术规范》GB 50219 -2014第7.1.1条规定，水雾喷头的流量应按下式计算：
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式中：q一水雾喷头的流量（L/min）
P一水雾喷头的工作压力（MPa）
K一水雾喷头的流量系数，取值由喷头制造商提供。
（4）球罐喷头布置
根据《水喷雾灭火系统技术规范》GB 50219 -2014第3.2.7条规定，当保护对象为球罐时，水雾喷头的布置尚应符合下列规定：
1.水雾喷头的喷口应朝向球心；
2.水雾锥沿纬线方向应相交，沿经线方向应相接；
第3.2.6条规定，当保护对象为甲、乙、丙类液体和可燃气体储罐时，水雾喷头与保护储罐外壁之间的距离不应大于 0.7m
本项目4000m3球罐的配管为上、下半球对称布置，上、半球各6根环管，每根环管的供水竖管采用两条且对称布置。
以上半球布置喷头为例，从上至下环管编号分别为1~6号。本项目选用喷射角度为120°的中速水雾喷头。1号环管布置24个水雾喷头，2号环管布置30个水雾喷头，3号环管布置36个水雾喷头，4号环管布置40个水雾喷头，5号环管布置45个水雾喷头，6号环管布置45个水雾喷头。以上喷头布置可保证水雾锥沿纬线方向相交，沿经线方向应相接。故一个球罐需要布置440个水雾喷头，详见图1。
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图1
（5）球罐水量计算
根据公式
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，此公式为一个喷头计算水量。
为选取合适K系数的水雾喷头，故水雾喷头的工件压力取0.25MPa。
一个球罐总计440个水雾喷头，一个球罐计算水量不应小于182.85L/s（10971L/min）。
从以上数据反推一个喷头的K，计算如下：
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，N为水雾喷头总个数。
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。计算K为15.77。
经查询选取K=16，喷射角度为120°的中速水雾喷头可满足要求。
当K=16时，一个球罐计算水量约为185.52L/s。
本项目有4个球罐，当发生火灾时，需打开着火球罐的上、下半球雨淋阀组及邻近3个球罐上半球的雨淋阀组。故固定式水喷雾冷却系统总水量约为185.52+185.52*（0.5+0.5+0.5）=463.8L/s。
根据《石油化工企业设计防火标准》GB 50160-2008（2018年版）中8.10.5条规定，移动消防冷却用水量应按罐组内最大一个储罐用水量确定，储罐容积小于400m³时，不应小于30L/s，大于或等于400m³小于1000m³时，不应小于45L/s；大于或等于1000m³时，不应小于80L/s。故本罐区移动消防冷却水量为80L/s。
根据《石油化工企业设计防火标准》GB 50160-2008（2018年版）中8.10.3条规定，液化烃罐区的消防冷却总用水量应按储罐固定式消防冷却用水量与移动消防冷却用水量之和计算。
故本罐区最大消防流量为：463.8L/s+80L/s=543.8L/s。
根据《石油化工企业设计防火标准》GB 50160-2008（2018年版）中8.10.7 条规定液化烃罐区的消防用水延续时间按6h计算。
本罐区最大消防用水量为11746.08 m³。
2.4 系统管道布置
（1）雨淋阀室布置：
雨淋阀室为长方形布置，中间为操作通道，两侧布置主管道及雨淋阀。见图2
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图2
（2）球罐管道布置：
从雨淋阀室到球罐之间的管道采用管廊敷设，到罐区内采用地上敷设，根据《石油化工企业设计防火标准》GB 50160-2008（2018年版）中8.10.10条规定，储罐容积大于400m³时，供水竖管应采用两条，并对称布置。故上、下半球各为两根管道。详见图3。
球罐上管道布置详见图1。
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图3
2.5注意事项
1．液化烃储罐上环管支架之间的距离宜为 3m~3.5m；
2．立管与储罐的水平管道之间的连接应能消除储罐沉降引起的应力，故与储罐连接处增加金属软管；
3．立管下端应设置锈渣清扫口，锈渣清扫口距罐基础顶面应大于300mm，且集锈渣的管段长度不宜小于300mm；
4.水喷雾管道应有4‰的放空坡度。
3、结论：
以上是笔者对液化烃球罐固定式水喷雾冷却系统设计的初步认识和体会，希望能对大家以后的设计有所帮助，文中不当之处，敬请大家指正、补充。
参考文献：
1《石油化工企业设计防火标准》（2018年版）（GB50160-2008），中国计划出版社，2018
2《水喷雾灭火系统技术规范》（GB 50219-2014），中国计划出版社，2014