低倍数泡沫灭火系统^[1,2]和水喷雾灭火系统^[3,4,5]广泛应用于保护油田地面设施、石油化工厂和油库等场所的石油储罐区。本项目主要采用低倍数泡沫灭火系统、消火栓系统和水喷雾灭火系统对石油储罐进行保护, 并严格按照美标NFPA和API的相关消防设计规范进行消防给水系统设计。本项目属于扩建项目, 消防用水来自老厂区已有消防环网, 项目石油罐区主要包括2个原油沉降罐、1个原油缓冲罐和1个产出水缓冲罐。储罐均为固定顶罐, 尺寸如表1所示。

　　 根据NFPA 11要求, 需要对该项目沉降罐采用固定式低倍数泡沫灭火系统 (见图1) , 并在防火堤周围布置辅助泡沫枪以防止流体火灾的蔓延, 并采用泡沫炮保护原油缓冲罐^[6]。NFPA 11规定储存原油固定顶罐的泡沫喷射强度q₁=4.1L/ (min·m²) , 灭火时间t₁=55min, 保护区域为储罐横截面积S₁=π/4×30²=707 (m²) , 喷射流量Q₁=q₁S₁=2 898.7L/min。直径30m储罐需配备2个辅助泡沫枪, 泡沫枪流量Q₂=189L/min, 喷射时间t₂=30min。原油缓冲罐采用1个泡沫炮进行保护, 喷射流量Q₃=2 000L/min, 喷射时间t₃=30min。所以, 理论有效泡沫混合液最大流量Q_混合液=Q₁+2Q₂+Q₂=2 898.7+189×2+2 000=5 277 (L/min) , 理论有效泡沫混合液最大用量为V_混合液=Q₁t₁+2Q₂t₂+Q₃t₃= (2 898.7×55+189×2×30+2 000×30) ÷1 000=230.8 (m³) 。本项目泡沫混合液采用3%水成膜泡沫灭火剂 (AFFF) , 理论泡沫原液总量V原液=3%V混合液=7.0m³。NFPA 11规定直径30m的固定顶罐需配备至少2个泡沫产生器, 且必须对称布置。本项目配置4个泡沫产生器, 每个泡沫产生器的流量为Q₁/4÷60=12L/s。辅助泡沫枪均匀布置在防火堤外的泡沫环管上, 泡沫枪的设置间隔不得超过60 m。低倍数泡沫灭火系统总用水流量Q水=97%Q混合液=5 118.7L/min, 系统总用水量V水=97%V混合液=223.9m³。

　　 根据理论计算, 泡沫原液总量为7 m³, 并考虑充满管网的泡沫混合液用量和余量, 本项目采用10m³泡沫原液储罐, 并配备压力式比例混合器。泡沫原液储罐设计压力1.6 MPa, 压力水来自厂区内常高压消防给水管网。泡沫产生器额定流量12L/s, 额定压力0.5 MPa, 采用液上喷射。项目业主要求泡沫产生器必须符合美国UL/FM认证。根据NFPA 11要求, 本项目所用泡沫混合液均采用镀锌钢管。本系统管径>2in (1in≈2.54cm) 的消防镀锌钢管采用法兰连接, ≤2in采用螺纹连接, 法兰连接的管配件均在工厂整体预制热镀锌处理。NF-PA 11明确规定泡沫原液不得采用镀锌钢管, 本项目采用不锈钢管。

　　 根据NFPA 15和API 2030相关规范要求, 需要对本项目原油沉降罐进行水喷雾灭火系统设计 (见图2) ^[7,8]。原油缓冲罐主要由室外消火栓系统提供冷却保护。NFPA 15和API 2030规定用于原油储罐冷却用的水喷雾强度为q₄=4.1L/ (min·m²) , 对原油储罐外表面上半部分提供冷却保护, 冷却面积S₄=π×30×18÷2=850 (m²) , 理论设计流量Q₄=q₄S₄=4.1×850=3 485 (L/min) 。考虑到喷雾冷却水受热辐射蒸发影响, 规范规定水喷雾环管之间的竖向距离不得超过3.7 m。综合上述因素, 在沉降罐设置2套水喷雾环管, 每套环管对称分成两部分。根据喷头距离罐壁0.7 m, 喷头喷射方向与管壁呈60°向上进行喷射, 水雾锥沿纬线方向相交的原则, 每个环管布置50个喷头, 共50×2=100个喷头。每个喷头的理论流量为34.85L/min。规范要求喷头的额定工作压力为0.21 MPa, 故选用K31并带有UL/FM认证的美标式喷头。着火罐水喷雾灭火系统总流量为, 邻近罐系统总流量4 492.3÷2=2 246.2 (L/min) , 系统总流量Q水喷雾=4 492.3+2 246.2=6 738.5 (L/min) 。冷却时间4h, 系统总用水量V水喷雾=Q水喷雾t水喷雾=6 738.5×4×60÷1 000=1 617.2 (m³) 。

　　 压力水来自厂区内常高压消防给水环网。本项目所用地上水喷雾灭火系统管为镀锌钢管。喷头以及水喷雾灭火系统环管由厂家整体预制, 然后运至现场进行安装。

　　 消火栓沿厂区消防道路两边布置, 消火栓间隔不超过60m, 消火栓额定流量1 000L/min。沿罐区周围对称布置2个消防水炮, 消防水炮额定流量2 000L/min。消防主环网采用12in钢丝网骨架塑料复合管, 电熔连接, 地下1.5m埋深铺设。消防主环网通过2路进水与原厂区消防主环网连接成环。最不利着火情况下, 开启1个室外消火栓, 1个消防炮, 再加上低倍数泡沫灭火系统和水喷雾灭火系统, 消防给水系统总用水流量Q总= (5 118.7+6 738.5+2 000+1 000) ÷1 000×60=891.4 (m³/h) , 总用水量V总=223.9+1 617.2+ (2 000+1 000) ×4×60÷1 000=2 561 (m³) , 核对消防水力计算, 已有消防水池和消防泵可以满足新扩建厂区的消防用水要求。

　　 基于本项目, 石油罐区消防给水系统相关规范国标与美标的差异如下:

　　 (1) 固定式泡沫灭火系统喷射强度与时间:采用水成膜泡沫液对于储存原油的固定顶罐国标GB50151规定喷射强度6.5L/ (min·m²) , 喷射时间60min^[9];相同情况下美标NFPA 11规定喷射强度4.1L/ (min·m²) , 喷射时间55min^[7], 均低于国标的相关规定。

　　 (2) 泡沫产生器设置数量:GB 50151规定直径30m储存原油的固定顶罐需要设置3个泡沫产生器^[10];相同情况下NFPA 11规定需至少设置2个泡沫产生器^[6]。

　　 (3) 泡沫枪设置数量和喷射时间、泡沫枪流量:GB 50151和NFPA 11均规定直径30m储存原油的固定顶罐需要设置2支辅助泡沫枪, 连续供给时间为30min^[6,9];GB 50151规定每支辅助泡沫枪的泡沫混合液流量不应小于240L/min^[9], NFPA 11均规定为189L/min^[6]。

　　 (4) 水喷雾强度与时间:GB 50219规定直径30m储存原油的固定顶罐喷射强度为2.5L/ (min·m²) , 喷射时间6h^[10];API 2030和NFPA 15规定相同条件下喷射强度为4.1L/ (min·m²) , 喷射时间4h^[7,8]。

　　 (5) 水喷雾灭火系统保护区域:GB 50219并没有喷射环管间距的规定, 而API 2030和NFPA 15规定保护区域为半个罐壁外表面积, 且考虑到水喷雾冷却水受热辐射蒸发影响, 水喷雾环之间的竖向距离不得超过3.7m^[7,8]。

　　 根据上述比较, 在消防系统设计的喷射时间、强度和消防器材设置数量方面, 国标要严于美标。但是美标对消防设备的要求更严格, 对具体的消防设置方式更细致。在进行国外石化项目消防设计时, 要特别注意业主的特殊要求, 很多消防设备都需要有美国工厂互保研究中心 (Factory Mutual) 或者美国保险商实验室 (Underwrites Laboratories Inc.) 的认证。