立式地面油罐区消防给水和泡沫灭火系统的设计[摘要]油罐储油是当前应用最普遍的一种储油方式，本文主要介绍了油罐区火灾危险性及火灾原因，油罐区消防工程的容和现存问题，并根据实例，探讨了油罐区消防给水和低倍数泡沫灭火系统的设计容和步骤。
[关键词] 立式地面油罐消防给水和低倍数泡沫灭火系统设计
一、油罐区的火灾危险和设置消防工程的意义
（一）油罐区的火灾危险性及火灾主要原因
1.火灾危险性
1.1罐中油品主要是由碳氢化合物组成，受热、遇火以及与氧化剂接触都有发生燃烧的危险。油品的闪点和自燃点越低发生燃烧的危险越大。石油产品的蒸汽与空气的混合比例达到爆炸下限浓度时，遇火花即能爆炸。
1.2石油产品的电阻率在1012Ω·CM 左右，最易在装卸、罐装、泵送等作业过程中慢慢积聚产生静电荷导致油罐燃烧爆炸。
1.3粘度低的油品流动扩散性强，如有渗漏会很快向四周流散，油品的扩散、流淌性是导致火灾的危险因素。
1.4石油产品受热后蒸汽压升高、体积膨胀。若容器罐装过满或储存密闭容器中，会导致油罐膨胀，甚至爆炸引起火灾。
1.5油罐中重质或含有水分的油品燃烧时，燃烧的油品有的大量外溢，有的从罐猛烈喷出形成高达70-80米的巨大火柱，火柱顺风向喷射距离可达120米左右，容易直接烧至邻近油罐，扩大受灾面积。
对国炼油厂进行调查的结果表明：在全部油罐火灾中，原油罐占40﹪，汽油罐占32﹪，柴油罐占8﹪，重质油品储罐占20﹪。由此可见，闪点低于28℃的油品占全部油罐火灾的72﹪。立式钢质油罐顶盖全部掀开占40﹪，而大多数情况下是油罐的部分顶盖掀开，造成一定的危险性。
2.油罐区火灾的主要原因
2.1明火引燃、引爆
油罐附近的烟道的火星，车辆喷出的火星、放鞭炮和烧纸的飞火、库区违章吸烟，动明火、电气焊作业等极易引燃泄露在地面的油品或引爆弥漫在空气中的油蒸汽。2001年9月凌晨4时32分，位于新路140号的市大龙洋石油，因倒油过程中油罐汽油外溢，大量挥发气体流动到160米以外的汽车库，当司机发动汽车时，火花引燃汽油挥发气体，导致灌区东北侧建筑物8个储灌发生恶性爆炸火灾。如油品泄露油蒸汽弥漫到锅炉房、灶房、配电站等处极易引起燃烧或爆炸。若油罐未装阻火器，液压安全阀缺油或各封闭口不严密等原因，很容易将外火传入罐，引起燃烧或爆炸。
2.2静点火花引起爆炸
电阻率在1012Ω·CM左右的液体最容易产生聚集静电。多数油品的电阻率大于1012Ω·CM，为带静电物质，很容易产生和聚集静电荷，而且消散慢，油品在管道和泵流动时就常常会发生静电聚集。如果油罐接地电阻过大（大于100Ω），或消除静电的装置失灵，或孤立的导体（如浮顶）与油罐接触不良，很容易聚集静电荷，一旦放电形成火花，就会引燃或引爆弥漫的油蒸汽，发生火灾。
2.3雷击引起火灾或爆炸
由于油罐顶孔口关闭不严或未安装阻火器，避雷装置设计不合理或发生故障，金属罐接地过大（大于10Ω）静电荷消除不掉，混凝土油罐中钢筋未能安全电气闭合，在雷击时易引起火灾或爆炸。
2.4碰撞和摩擦火花引起火灾
若油罐的量油孔口没用有色金属制做，钢尺放入或拉出时易与量油孔口边缘摩擦而发生火花，引燃油罐油蒸汽；用钢铁造的工具开启油罐孔口或搬运时相互撞击产生火花易引燃泄漏的油蒸汽。
2.5电气原因引起火灾
油罐的主要电气设备如输电设备、线路、泵房电机照明设备等，若发生短路、漏电、接地，过负荷等故障时，产生的电弧、电火花、高热极易引燃泄漏的油及油蒸汽。若泵房电机、灯具、开关等采用非防爆型或防爆等级不够也易点燃泄漏的油蒸汽。
2.6自燃引起火灾
常见的情况如油罐中含硫油品的沉积物在消除时发生自燃，润滑油及重油加温时温度超过闪点而自燃。
2.7放火引起火灾
根据统计资料，石油储运系统发生的火灾，主要原因中明火引燃占67﹪，静电引燃占13﹪，雷击引燃占8﹪，电气故障及其他原因占12﹪。由此看出各种明火引燃是油罐火灾最主要的原因。
（二）油罐区设置消防工程的意义和消防工程的容
1. 油罐区设置消防工程的意义
由于油灌区致火因素复杂，油罐一旦发生火灾，发展蔓延十分迅速，扑救难度大，容易造成较大的经济损失和人员伤亡。因此，油罐区消防工程对确保油罐安全，降低火灾扑救损失有着十分重要的作用。
油库储存的大量易燃液体，在油品转输作业中，经常散发油品蒸气，火灾危险性较大，容易发生火灾。油罐发生火灾时，往往伴随着可燃气体混合物的爆炸，以及沸溢和喷溅，导致油罐破坏，造成油品流散，给扑救工作带来困难，比如发生在黄岛油库和炼油厂的火灾。因此，就
必须设置完善的灭火系统。按系统设备安装情况分类，油罐区灭火系统可分为移动式和固定式两类。移动式灭火系统就是在储罐上不安装固定灭火设备，火灾时完全靠移动灭火力量扑救火灾；固定式灭火系统具有永久固定的完整的消防设施和可靠、充足的水源，灭火时，只需启动水泵、开启有关阀门即可实施灭火。移动式灭火系统投资小，设备利用率高，维护管理较简单，适合用于储量较小的罐区。固定时灭火系统与移动式灭火系统相比，具有启动及时、安全可靠、常期处于战备状态，且操作方便及自动化程度高等优点，适合总储量或单罐容积大，火灾危险性大的油罐区。
2.油罐区消防工程的容
2.1消防水源及供水系统，含水井、水池、水泵房、供水管网、消火栓、冷却水系统等。
2.2油罐泡沫灭火系统，含泡沫液罐、泡沫混合液泵、泡沫混合液管网、泡沫拴、泡沫产生器等。
2.3油罐组防火提。
2.4消防道路。
2.5消防器材、装备。
二、油罐区消防系统
（一）消防水系统
水取用方便，分布广泛，在化学上呈中性，无毒，冷却效果和灭火作用非常好，因此水是最常用、最主要的灭火剂。
1.水是通过以下几种灭火作用实施灭火：
1.1冷却作用。当水于燃烧物接触或流经燃烧区时，将被加热或气化，吸收热量，从而使燃烧区温度大大降低，以致使燃烧中止。
1.2窒息作用。水气化将在燃烧区产生大量水蒸气，阻止新鲜空气进入燃烧区，降低燃烧区氧的浓度，导致燃烧强度减弱直至中止。
1.3稀释作用。水是一种很好的溶剂，可以稀释可燃物的浓度，使燃烧减弱，当可燃液体的浓度降低到可燃浓度以下时，燃烧即行中止。
1.4乳化作用。非水溶性可燃液体的初起火灾，在形成热波之前，以较强的水雾射流灭火，可在液面形成“油包水”型乳液，可以使液体表面受到冷却，使可燃蒸气产生的速率降低，致使燃烧中止。
2.消防水源
消防水源是为消防给水设备提供足够消防用水的储水设施，是确保灭火成功的基本保证。加强消防水源的建设、管理，具有非常重要的实际意义。消防水源有天然水源，市政管网，消防水池三类。
3.消防给水管网
给水管网是油库的一种重要的消防水源，按布置方式分，可分为环状管网和支状管网两类。
油灌区的消防用水管道，应采用环状布置。
4.消防水泵
在灭火过程中，从消防水源取水到将水输送到灭火设备处，都要依靠消防水泵来完成，就好像是系统的心脏，其工作的好坏严重影响到灭火的成败。消防水泵是通过叶轮的旋转将能量传递给水，从而增加水的动能、压能，并将其输送到灭火设备处，以满足各种灭火设备的水量、水压要求。目前消防给水系统中使用的多为离心泵。水泵的主要性能参数有流量、扬程、轴功率、功率、转速、允许吸上真空高度等，这些性能参数反映了水泵的工作特性。
（二）低倍数泡沫灭火系统
1.空气泡沫灭火剂
泡沫液本身不能灭火，是通过与水混合形成混合液，再吸入空气产生泡沫以覆盖或淹没来实现灭火，具体的灭火作用如下：
1.1冷却作用
泡沫被施加到燃烧着的油品表面时，由于油品表面的热作用，泡沫中的水被气化，从而吸收了所接触部分的油品表面的热量。
1.2窒息作用
泡沫受到热的油品表面的作用以及火焰的热辐射作用，其中的水分在油品表面气化，所产生的蒸汽使油品表面附近的氧浓度降低，销弱了火焰表面的燃烧强度，有助于泡沫在油品表面的积累和泡沫层的加厚。
1.3阻断作用
在泡沫灭火过程中，泡沫可使已被覆盖的油品表面与尚未被覆盖的油品表面的火焰隔离开来，即可防止火焰与已被泡沫覆盖的油品表面直接接触，又可遮断火焰对这部分油品表面的热辐射，这既有助于泡沫冷却作用的发挥，又有助于窒息作用的加强。
1.4淹没作用
淹没作用主要是高倍数泡沫灭火的主要原因，通过泡沫将被保护对象淹没使淹没空间缺氧，不能为维持其继续燃烧，最终实现灭火。
2.低倍数泡沫灭火系统
低倍数泡沫灭火系统是指发泡倍数小于20倍的泡沫灭火系统。从目前使用情况看，其发泡倍数一般为3-8倍。由于泡沫发泡倍数小，泡沫的密度大，灭火时泡沫基本上不随燃烧产生的热气流上升，适用于扑救甲、乙、丙类液体火灾，因此储罐区泡沫灭火系统多采用低倍数泡沫灭火系统。
3.泡沫消防泵
泡沫消防泵宜选用特性曲线平稳的离心泵，一组泡沫消防泵的吸水管不应少于两条，当其中一条损坏时，其余的吸水管应能通过全部用水量。储罐区固定式泡沫灭火系统与消防冷却水
系统和用一组消防水泵时，应有保障混合液供给强度满足设计要求的措施，且不得以火灾时临时调整的方式来保障。泡沫消防泵应设置备用泵，其工作能力不应小于最大一台泵的工作能力。但当符合下列条件之一时，可不设备用泵：
3.1非水溶性甲、乙、丙类液体的总储量小于2500 m3，且单罐容量小于500 m3
3.2水溶性甲、乙、丙类液体的总储量小于1000 m3，且单罐容量小于100 m3
4.管道
管道在系统中担负着输送泡沫混合液和灭火泡沫的任务，为便于检测设备的安装和取样，在固定式泡沫灭火系统的泡沫混合液主管道上应留出泡沫混合液流量检测仪安装位置，在泡沫混合液管道上应设置检验测试口。
三、固定式低倍数泡沫灭火和冷却水系统计算
以2000 m3地面立式固定顶汽油罐为例，说明固定式低倍数泡沫灭火和冷却水系统设计的过程。
（一）设计计算步骤
第一步：
计算油罐基本数据（着火罐横截面积和壁表面积、相邻罐壁面积）。
第二步：计算泡沫系统的有关参数
先求混合液秒流量和泡沫产生器个数，取整且按罐径最少安装产生器的数量确定油罐上的泡沫产生器安装数量，依次求出产生器实际应供应混合液秒流量、泡沫枪所需混合液秒流量、混合液总秒流量、混合液罐罐径，最后算出泵所需扬程和灭火所需泡沫液总量，确定混合液泵和泡沫液罐容积。
第三步：计算冷却水系统的有关参数
先求着火罐冷却水秒流量和相邻罐冷却水秒流量，再求出灭火所需冷却水总量及配置泡沫混合液是所需水量，从而求出消防总水量，确定消防水池容积和水管管径，最后求出冷却水泵扬程，选取冷却水泵。
（二）设计计算过程
第一步：绘制油罐区布置图，计算油罐基本数据：
2、3为着火罐
1、4为相邻罐
汽油灌区有如图布置的大小相等的4个罐，其罐体常数为： V=2000m 3 D=14.5m H 壁=12.3m;消防泵房距灌区管线距离约为500m 。 第一步：
F 着截=3.1416?D 2着/4=3.1416×(14.5)2/4=165（m 2） F 着壁=3.1416?D 着?H 着=3.1416×14.5×12.3=(560m) F 相壁=3.1416?D 相?H 相=3.1416×14.5×12.3=(560m ） 第二步：泡沫系统设计计算： （1） 计算混合液流量：
Q 混计=q 混规?F 着截/60 ……………(L/S)(式1)
式中：q 混规为低倍数泡沫灭火供给强度，查规（GB50151-92）得：q 混规=6L/min ?m 2 则Q 混计=6L/min ?m 2×165 m 2/60min=16.5(L/S) (2) 计算泡沫产生器个数：
N 计=Q 混计/q 器 ……………………(个)（式2）
式中：q 器为空气泡沫产生器的强度，查消防器材产品样本知: Pc8=8L/S , Pc16=16L/S , 分别代入式2： N=16.5/8=2.1个 ， N=16.5/16=1.03个。 （3）求泡沫产生器实际应安装的个数：
N 安的选取要考虑两个因素：其一应满足N 安不小于N 计（所以应对N 安近位取整）；其二应满足不同罐径对泡沫产生器最小安装数量N 安最小的要求，即满足下表要求：
表1 不同罐径对N 安最小的要求
根据以上两个因素，2000m 3罐选为2个Pc16或3个Pc8产生器都可以。 （4）求油罐产生器实际应供混合液秒流量： Q 混实=q 器?N 安……………(L/S)（式4） A. 选3个Pc8产生器时，Q 混实=8×3=24(L/S) B. 选2个Pc16产生器时，Q 混实=16×2=32(L/S)
A. B 两者相比较，选3个Pc8产生器较经济合理，即Q 混实=24L/S （5）求泡沫枪所需混合液秒流量：
Q 混枪=q 枪?N 枪………………(L/S)（式5），也可由下表选取：
表2 不同罐径对N 枪和t 枪的要求
2000m 3罐直径为14.5m ，故选Q 混枪=8L/S. (6)求混合液总秒流量： Q 混总=Q 混枪+Q 混实=8+24=32(L/S) (7)求混合液管管径：
d 混=[4?Q 混总/（3.1416?V 混?103）]1/2 ………………（m ）(式7)
式中：V 混为混合液的流速，不宜大于3m/s ，分别代入不同数值试算，再按罐系列规格选取管径。 d 混=[4×32/（3.1416×3×103）]1/2=0.117（m ） ， d 混=[4×32/（3.1416×2×103）]1/2=0.143（m ）
由上述计算可知：混合液管应大于100mm ，按管系列规格不宜选d 混为125mm ，宜选d 混为150mm 的混合液管。
（8）求混合液管摩阻：
∑h 混=0.00107? V 2混?L 计混/ d 1.3混 …………………（m ）(式8) 式中：L 计混=500m(已知), d 混=0.15m
V 混=4? Q 混总/（d 混?3.1416×103）=4×32/（0.152×3.1416×103）=1.81（m/l ） ∑h 混=0.00107× 1.812×500/ 0.151.3=1.7527/0.0849=20.6(m) (9)求混合液泵所需扬程：
H 混=（h 静+∑h 混+h 器）×1.1……………(m)（式9）
式中：h 静为最远最高油罐产生器的标高减去泡沫泵轴中心标高，本例假设h 静=13m ；h 器为空气泡沫产生器出口所需要的压力，一般h 器=50m 则H 混=（13+20.6+50）×1.1=92（m ） (10)选混合液泵：
由Q
混总
（32L/S=115m 3/h ）与H
混
（92m ）查泵样本选取水泵D155-30×3，此泵的Q
泵
=119-155m 3/h,H 泵=96-90m,也可选用BDC50型固定式消防泵机组，由6135Q 型柴油机带动，此泵机组的Q=180m 3/h,H=130m. (11)求灭火所需泡沫液总量：
Q 混=（Q 混实?t 液+Q 混枪?t 枪）×60×η………………(L)（式11）
式中：t 液为连续供应泡沫的时间，查规GB50151-92知，甲、乙类油品，t 液=40min ；
η为泡沫液在泡沫混合液中占的比例，一般η=6℅ 则Q 混=(24×40+8×10)×60×0.06=3744(L)=3.74（m 3） (12)求泡沫液管容积，并选罐：
V 液= （Q 液+ Q 管?η）×1.1…………………(m 3)（式12） 式中：Q 管为泡沫混合液管容积，DN150管500m 长的容积： Q 管=3.1416×d 2?L/4=3.1416×0.152×500/4=8.8(m 3)
则V 液=(3.74+8.8×0.06)×1.1=4.69 (m 3） ，即选5m 3泡沫液储罐。 第三步：冷却水系统计算 （1）求着火罐冷却水秒流量：
Q 着水= q 着水? F 着壁/60………………(L/S)（式1）
式中：q 着水为着火罐固定冷却水供应强度，查《石油库设计规》GB50074-2002得：q 着水=2.5L/min ?m 2,则Q 着水=2.5×560/60=23.3(L/S) （2）求相邻罐冷却水秒流量：
Q 相水= (q 相水? F 相壁/2)?n/60……………(L/S)
式中：为相邻罐固定冷却水供应强度，查《石油库设计规》GB50074-2002得：q 相水=2L/min ?m 2,则：
Q 相水=（2×560/2）×2/60=18.7(L/S) （3）求着火罐和相邻罐冷却水总秒流量： Q 着相水=Q 着水+Q 相水=23.3+18.7=46.7（L/S ） （2） 求灭火所需冷却水总量：
Q 冷水= Q 着相水?60×60?t 水=46.7×3600×4=672000L=672(m 3) (5)求配置泡沫混合液时所需水量：
Q 泡水= V 液×(1-η）/η=4.69×（1-0.06）/0.06=73.5(m 3) （6）求消防总用水量
Q 总水= Q 冷水+ Q 泡水=672+73.5=745.5(m 3) （7）消防水池容积：
Q 池水=（Q 总水- Q 补水）×1.1…………(m 3)（式7） 式中：Q
补水
为市政或本库在供水时限可补充的水量，本题假设无补充水，即Q
补水
=0，则Q
池水
=
（745.5-0）×1.1=820(m 3） （8）求水管管径：
d 水=(4 Q 着相水/3.1416?V 水?103 )1/2…………………(式8) 式中：V 水为管中水的流速，取1至2.5m/s ，代入上式： d 水=（4×46.7/3.1416×2.5×103）1/2=0.154m,选DN200钢管。
（9）求冷却水管的摩阻：
∑h 水=0.00105?V 水2?L 计水/d 水1.3…………(m)(式9)
式中：V 水=4?Q 着相水/3.1416?d 2水? 103=4?46.7/3.1416×0.22?103=1.48(m/s) ∑h 水=0.00105×1.482×500/0.21.3=1.156/0.123=9.40(m) (10)求冷却水泵扬程：
H 水=（h 静水+∑h 水+h 咀）×1.1………………(m)（式10）
式中：h 静水为最高罐环形冷却水管与水泵轴中心的标高差，本题h 静水=11m ， h 咀为冷却水喷嘴出口压力，规中规定h 咀不小于0.1Mpa,现取h 咀=11m. 则H 水=（11+11.34+11）×11=35(m) (11)选冷却水泵： 由Q
着相水
=46.7L/S=168m 3/h , H
水
=35m,在泵样本中选水泵为IS125-100-200A ，其性能为：
Q=187m 3/h, H=44m,N=30kw 。
油罐区消防系统设计必须按照规要求进行，系统的建设更要符合规的具体要求，并注意日常维护管理，才能切实起到灭火作用，否则只会事倍功半。 四、 油罐区消防工程存在的主要问题和消防设施的维护与管理 （一）油罐区消防工程存在的主要问题
1. 有的没有按规要求设置消防工程设施，甚至有很多单位只建罐，不设消防系统。
2. 有的消防系统不完善，如固定泡沫灭火系统未装泡沫产生器。
3. 有的冷却水系统安装不对，冷却水的主要作用是对罐壁进行消防冷却，而且立式罐着火特点多半是掀顶，但是有的油库却把油罐固定冷却水管装在罐顶。
4. 消防系统的模式选择不合理，有的选高了，没有必要；有的选低了，满足不了要求。
5. 有的消防罐网布置不合理，管径选择不当，致使水压或水量不能满足消防要求。
6. 油罐组容量太小，一组罐的个数太少，防火堤分隔不经济合理。新规要求：固定顶罐或混合罐组不大于12万m 3，单罐容量大于1000 m 3时，不大于12个罐；单罐容量小于1000 m 3时，和储存丙B 类油品的个数不限。
7. 防火堤设置不正确。防火堤高度要大于1米小于2.2米，厚度要足够承受静压力，堤罐间距要大于1/2罐壁高，并设有两处上下踏步和排水隔油装置，有一定的排水坡度，以便排除雨水。 8. 消防道路布置不合理，如有的油罐区消防道路距防火堤坡脚线小于3米，转弯半径小于9米，尽头式消防路无回车场。 （二）消防设施的维护与管理 1.消防水系统的维护与管理
每周进行一次巡检，每半年进行一次全面检查维修，使主要组件符合下列要求，保证系统经常处于准工作状态。
1.1消防水源的储水量应足够，根据情况及时补充，适时换水,防止结冰。
1.2消防水泵每周或每月启动运转一次，并应模拟自动控制启动，功能正常。
1.3水泵结合器的接口及配套附件应完好，无渗漏，闷盖盖好。
1.4各种阀门处于正确开、闭状态。
1.5消防设施因易受到人为或自然的损坏，应经常进行维护检查，及时清除杂物，必要时进行供水试验。
2.泡沫灭火系统的管理
泡沫灭火系统的管理非常重要，日常和定期检查一般有以下容。
2.1周检。管理人员每周应检查以下容：
（1）启动泵，看能否及时启动，运转是否良好，供水是否正常，压力是否适宜；
（2）管道和阀门有无泄漏，各控制阀门启闭是否灵活，是否处于正常工作状态；
（3）对系统进行外观检查，泡沫产生器、各管道是否牢靠，有无机械破坏、腐蚀等损坏；（4）操作装置和部件是否完好，消防用水是否足够；
（5）半固定式泡沫灭火系统检查其接口堵盖是否完好，保持管道畅通，预防杂物进入管道；（6）高倍数泡沫灭火系统防护区的封闭情况是否发生变化，如有变动及时恢复；
2.2月检和季检。
月检是对操作者的检查，考核他们对系统中设备的性能用途使用的掌握程度。季检是对全部的电气装置和报警系统进行检查和试验。
2.3 半年检。
（1）检查产生泡沫的有关装置，看有无机械损伤、腐蚀或堵塞，以及所有阀件手动是否灵活。（2）检查管道。对地上管道进行压力试验，看有无机械损伤和腐蚀。对地下管道的检查至少5年一次。
（3）检查过滤器。检查用过或做过流量试验后的清扫情况。
（4）检查报警和自动设备、自动和手动装置的性能是否良好。
（5）对泡沫液及其储存器进行检查，检查设备是否损坏，液位高低是否符合要求。
2.4年检。对泡沫液的成分和性能进行分析测试，仔细检查储存泡沫液的容器有无沉淀物或沉降物。
五、结束语
本文综述了油罐区火灾及消防系统，探讨了油罐区消防系统设计的方法和步骤，并以实例说明了固定式低倍数泡沫灭火和冷却水系统的设计计算过程，指出了油罐区消防工程存在的主要问题,提出了消防设施维护和管理的具体措施,这些对于确保油库消防安全设施的完备,好用具有非常重要的意义。
参考书目：
工业企业防火工程……………公安部政治部编建筑灭火设施…………………学魁、景绒主编石油化工安全技术……………集团主办
油库消防………………………朱吕通、吕志主编