基于FSA的相邻罐消防冷却水系统设计探讨.pdf

水处理与注水工程张祎达等：基于 FSA的相邻罐消防冷却水系统设计探讨油气田地面工程 https:/基于 FSA的相邻罐消防冷却水系统设计探讨张祎达孙龙珠连广宇中国石油工程建设有限公司北京设计分公司摘要：罐区消防冷却系统是油田站场消防设计重点，结合中东地区某油田罐区消防冷却保护设计实例，解决相邻罐设计问题。通过对比国内外标准发现，在确定相邻罐设计固定式冷却喷淋系统方面，国内外均采用罐壁之间间距是否大于N倍罐直径的设计原则；在消防冷却喷淋强度及面积设计方面，总体趋势为我国标准体现冷却喷淋强度低，罐壁冷却面积大；国际标准体现冷却喷淋强度高，罐壁冷却面积小，考虑罐壁上半部分气相空间冷却。同时，国际上引入火灾安全分析（FSA）复核消防冷却设计方案，通过软件模拟不同火灾工况下的相邻罐表面热辐射强度，按热辐射强度超过12.5 kW/m2，则需考虑设计固定冷却喷淋系统，可结合事故泄漏发生频率高低、工程投资费用等进行最终确定。通过火灾安全分析复核，罐区消防冷却设计满足要求，得出在风险可接受条件下的消防设计方案，为项目投资决策提供技术支持，保障项目后续运行阶段平稳顺利。关键词：相邻罐消防冷却系统；热辐射强度；喷淋强度及面积；火灾安全分析（FSA）Discussion on the Design of Adjacent Tank Fire Cooling Water System Based on FSAZHANG Yida，SUN Longzhu，LIAN GuangyuBeijing Design Branch，CPECCAbstract：The fire cooling system in tank areas is a key focus of fire protection design for oilfield sta-tions.Combining with the fire cooling protection design example of an oilfield tank farm in the MiddleEast，the design problem of adjacent tanks is solved.By comparing domestic and foreign standards，it isfound that in determining the design of fixed cooling spray systems for adjacent tanks，both domesticand foreign design principles are based on whether the spacing between tank walls is greater thanNtimes the tank diameter.In terms of fire cooling spray intensity and area design，the general trend is thatChinese standards reflect low cooling spray intensity，large tank wall cooling area，considering the gasphase space cooling on the upper half of the tank wall，international standards reflect high cooling sprayintensity，small tank wall cooling area.At the same time，internationally，fire safety analysis is intro-duced to review fire cooling design schemes，and software is used to simulate the surface thermal radia-tion intensity of adjacent tanks under different fire conditions.If the thermal radiation intensity exceeds12.5 kW/m2，it is necessary to consider designing a fixed cooling spray system，which can be deter-mined based on the frequency of accident leakage，engineering investment costs，etc.Through firesafety analysis and review，the tank farm fire cooling design meets the requirements，and the fire pro-tection design scheme under the condition of acceptable risk is obtained，which provides technical sup-port for project investment decision，and ensures the smooth and stable operation in the subsequentstages of the project.Keywords：adjacent tank fire cooling system；thermal radiation intensity；spray intensity and area；firesafety analysis（FSA）DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.01.00422第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/水处理与注水工程油田站场罐区具有物料存量大、火灾危险性较高等特点，因此罐区消防冷却系统是油田站场消防设计重点，着火罐常为固定式/半固定式冷却喷淋系统1-3。对于相邻罐如何确定固定式冷却喷淋系统、冷却喷淋强度及面积，国内外做法有明显区别，本文重点围绕上述问题，通过总结国内外标准的 不 同 及 国 际 惯 例 做 法，借 助 火 灾 安 全 分 析（FAS）结论，按不同火灾工况下相邻罐壁接收的热辐射强度对相邻罐消防冷却系统设计进行复核，以判定消防冷却方案的完整性。1相邻罐消防冷却保护确定罐区消防冷却水系统设计首要任务是确定储罐消防冷却水形式选择。相邻罐采用固定式消防冷却系统的确定，通常为衡量罐壁之间间距是否大于N倍罐直径，如法国道达尔石油标准按 1.25倍，我国标准按 1.5 倍，科威特石油标准按 3 倍。对于国内外标准，在相邻罐采用固定式消防冷却系统冷却喷淋强度及面积对比4-6如表 1所示。在某些国际标准中，更多借助火灾安全风险分析确定消防冷却水系统方案，通过罐表面受到热辐射强度来确定相邻罐的冷却范围，比如荷兰壳牌石油标准要求热辐射强度超过 8 kW/m2则需消防冷却，但可采用移动式消防冷却水系统，超过32 kW/m2则需固定式消防冷却系统；科威特石油标准要求超过 12.5 kW/m2则需固定式消防冷却系统。对于着火罐而言，罐体表面热辐射强度必然超过标准的限值，需采用固定式消防冷却水系统降温是可以理解的，而对于相邻罐消防冷却水系统如何选择，更适用于热辐射强度来评判。在美国石油协会 API 5212014 标准中，对热辐射造成人体和设备结构的影响如表 2所示，其中热辐射的影响已包含太阳辐射热。一 般 情 况 下，钢 制 设 备 暴 露 在 热 辐 射 强 度12.5 kW/m2及以下时，不需额外防火保护设计，在此热通量水平下，金属表面温度约至 300 左右，表 1国内外标准对相邻罐固定式冷却要求对比Tab.1 Comparison of fixed cooling requirements for adjacent tanks in domestic and foreign standards标准GB 501832004石油天然气工程防火设计规范美国石油协会标准API 20302014(行标)美国消防协会标准NFPA592021/美国石油协会标准 API 2510A1996(行标)法国道达尔石油标准TOTAL GS_EP_SAF_3222011(企标)荷兰壳牌石油标准 Shell DEP804710302011(企标)科威特石油标准KOC-L-0092017(企标)着火罐为固定顶罐1.5 倍直径范围内相邻罐冷却，喷淋强度 2.0 L/minm2，1/2全罐壁冷却喷淋强度 4.1 L/minm2，1/41/2 全罐表面积冷却不适用1.25 倍直径范围内或半径+15 m 范围内相邻罐冷却，喷淋强度10 L/minm且至少 3 000 L/min,罐周半长冷却根据受到热辐射数值确定是否需要设计,若需要则按喷淋强度 2 L/minm2，1/2 全 罐 顶 冷 却，喷 淋 强 度1 000 L/hm，罐周半长冷却3 倍直径范围内或根据受到热辐射数值超过 12.5 kW/m2相邻罐冷却，喷淋强度 10.2 L/minm2，1/2 罐顶表面积冷却着火罐为浮顶罐相邻罐不需要冷却喷淋强度 4.1 L/minm2，1/41/2全罐表面积冷却不适用1.25 倍直径范围内或半径+15 m 范围内相邻罐冷却，喷淋强度 10 L/minm 且至少3 000 L/min,罐周半长冷却根据受到热辐射数值确定是否需要设计,若需要则按喷淋强度 1 000 L/hm，罐周半长冷却3 倍直径范围内或根据受到热辐射数值超过 12.5 kW/m2相 邻 罐 冷 却，喷 淋 强 度10.2 L/minm2，1/4罐壁冷却着火罐为 LPG球罐1.5 倍直径范围内相邻罐冷却，喷淋强度 9 L/minm2，1/2表面积冷却参考 API 2510A1996根据热辐射计算确定未明确未明确未明确表 2热辐射的影响结果Tab.2 Effects of thermal radiation热辐射强度/(kWm-2)1.5835612.52537.5影响最大的辐射热强度下，任何位置只要人员穿着适当的衣服可以持续暴露对不能在 30 s内找到遮蔽物的人员足以引起痛感；皮肤可能出现水泡（二级烧伤）；无致命性最大的辐射热强度下，没有遮挡但穿着适当衣服的人员可以在紧急行动地区持续 23 min最大的辐射热强度下，没有遮挡但穿着适当衣服的人员可以在紧急行动地区持续 30 s钢材可能会达到足够高的热应力温度，从而导致结构失效；50%致死率长时间暴露可能致人死亡，而瞬间暴露极有可能致人死亡；木材长时间暴露后自燃；未保护的钢材将达到热应力温度，从而导致失效钢制设备将很快超过临界金属温度 400 以上，设备失去完整性23水处理与注水工程张祎达等：基于 FSA的相邻罐消防冷却水系统设计探讨油气田地面工程 https:/不会危及其性能完整性；热辐射强度在 12.5 kW/m2至 37.5 kW/m2之间，则需要采取一定防火保护设计（如消防冷却、扩大设备间距、增加防火涂料等），否则可能火势扩大；热辐射强度在 37.5 kW/m2以上，钢制设备将很快超过临界金属温度 400，从而导致设备性能快速降低，火灾会进一步扩大和升级。综上，国际项目通常按热辐射强度812.5 kW/m2设置移动式消防冷却系统，超过 12.5 kW/m2设固定式消防冷却系统保护。2火灾安全分析应用某海外油田项目，罐区储罐直径 46 m，高度20 m，罐间距设计大于着火罐 1.5倍直径范围，1座储罐固定式冷却喷淋水量为 600 m3/h，1 个消火栓辅助消防冷却设计流量考虑 55 m3/h，1个消防炮辅助消防冷却设计流量考虑 110 m3/h。设计方案中罐区消防冷却水最大用量考虑 1座着火罐固定式冷却喷 淋 水 量+辅 助 消 防 冷 却 量（4 个 消 火 栓 用量）7-10，不考虑相邻罐冷却喷淋，共 820 m3/h。结合以上案例，借助火灾安全风险分析方法，利用 DNV PHAST 软件对罐区设施建模，计算热辐射影响范围，校核设备安全间距、消防冷却方案和相邻罐冷却设计等。首先，根据罐区物料特性及工艺流程，对罐区开展事故树分析（图 1），确定有两种火灾工况会发生，即工况 1储罐泄漏产生液池火；工况 2罐区管廊泄漏产生喷射火。分别对这两种工况在主风向和任意风向进行模拟计算，按国际上认可的热辐射强度 12.5 kW/m2作为影响范围参考值，计算结果如图 2、图 3所示。图 1罐区储罐泄漏事故树分析Fig.1 Fault tree analysis of tank leakage in tank farm工况 1根据计算结果发现：（1）在主风向下，热辐射强度 12.5 kW/m2影响范围覆盖部分靠近围堰的道路，此区域布置的雨淋阀、手/电动阀、消防栓/炮等需考虑重新布置位置，若位置不便于调整，则需考虑增加防火保护措施如防护墙、防火涂料等；在非主风向下，热辐射强度 12.5 kW/m2影响范围覆盖部分厂区道路及罐区管廊带，此时需考虑事故发生频率的高低，若在业主可接受风险水平下，则可不考虑该区域防火保护措施，但最终确定是由业主来决定。图 2罐区储罐泄漏产生液池火热辐射影响范围计算Fig.2 Calculation of the thermal radiation influence range ofliquid pool fire caused by tank leakage in the tank farm图 3罐区管廊泄漏产生喷射火热辐射影响范围计算Fig.3 Calculation of the thermal radiation influence range of jetfire caused by pipeline gallery leakage in the tank farm（2）在任意风向下，相邻罐组均在热辐射强度12.5 kW/m2影响范围之外，从热辐射影响角度校核罐安全间距满足要求，相邻罐无需冷却喷淋系统设计。（3）工况 1 的罐区消防冷却水最大用量考虑1 座着火罐固定式冷却喷淋水量+辅助消防冷却量（4个消火栓用量），不考虑相邻罐冷却喷淋，最终为 820 m3/h。工况 2根据计算结果发现：（1）在主风向下，热辐射强度 12.5 kW/m2影响范围集中在储罐围堰内，未覆盖到路侧消防栓/炮，则路侧消防栓/炮不需考虑防火保护措施；在非主风向下，热辐射强度 12.5 kW/m2影响范围覆盖部分厂区道路及罐区管廊带，此时需考虑事故发生频率的高低，若在业主可接受风险水平下，则可不考虑该区域防火保护措施，但最终确定是由业主来决定。24第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/水处理与注水工程（2）在任意风向下，热辐射强度 12.5 kW/m2影响范围最多同时覆盖 1座相邻罐表面，考虑喷射火的方向性，按 1座储罐 1/2表面冷却喷淋。（3）由于工况 2为喷射火工况，这样具有高辐射强度的撞击火焰对相邻罐的热冲击非常大，罐表面冷却喷淋水会被干扰和衰减，此时需采用消防炮提高受火部位的喷淋强度，因此，辅助消防冷却设计流量应额外考虑 2个消防炮对罐表面的保护，工况 2的罐区消防冷却水最大用量考虑 1座储罐 1/2表面固定式冷却喷淋水量+辅助消防冷却量（4 个消火栓+2个消防炮用量），最终为 740 m3/h。通过以上两个工况对比，工况 1为罐区消防冷却水最大用量，原设计方案无需调整。3结束语（1）对于相邻罐固定式消防冷却系统界定，国内外均有采用罐壁之间间距是否大于 1.253倍罐直径 来 确 定，国 际 上 也 有 通 过 热 辐 射 强 度 超 过12.5 kW/m2为设计固定式消防冷却系统，火灾安全分析通过热辐射强度来量化消防冷却水形式选择，国际上以热辐射强度 812.5 kW/m2设置移动式消防冷却系统，超过 12.5 kW/m2为设计固定式消防冷却系统，对于相邻罐消防冷却水系统选择，更适用于热辐射强度来评判。（2）对于相邻罐消防冷却保护，总体趋势为我国标准体现冷却喷淋强度低，罐壁冷却面积大；国际标准体现冷却喷淋强度高，罐壁冷却面积小，考虑罐壁上半部分气相空间冷却，针对固定顶油罐，国际标准还包括罐顶面积冷却。海外油田结合项目合同要求特点，通常优先执行国际标准，对于其要求不清晰之处，可采用中国标准有效补充，同时开展火灾安全分析复核消防系统设计方案，通过以上对消防冷却系统设计和分析，可为其他海外项目消防设计提供参考。参考文献1 金永青，袁国清，李博颖定量风险分析软件在海外油田消防工程设计中的应用J工业用水与废水，2014，45（5）：77-79JIN Yongqing，YUAN Guoqing，LI BoyingApplication ofquantitative risk analysis software in fire control engineeringdesign of overseas oilfieldsJIndustrial Water&Wastewa-ter，2014，45（5）：77-792 李金林，齐建华国际油气田工程常用消防设计规范简明应用J中国给水排水，2010，26（20）：20-23LI Jinlin，QI JianhuaApplication of international fire pro-tection design code commonly used in oil and gas field engi-neeringJ China Water&Wastewater，2010，26（20）：20-233 张祎达，袁国清，李金林，等伊拉克某油田消防冷却水系统设计J工业用水与废水，2018，49（3）：70-74ZHANG Yida，YUAN Guoqing，LI Jinlin，et al Designof fire cooling water system in an Iraq oilfieldJ IndustrialWater&Wastewater，2018，49（3）：70-744 李博颖，袁国清，刘建兴国内外储油罐消防标准的差异分析J工业用水与废水，2016，47（2）：81-83LI Boying，YUAN Guoqing，LIU Jianxing Differenceanalysis of fire protection standards for oil storage tanks athomeandabroadJ IndustrialWater&Wastewater，2016，47（2）：81-835 梅欢，连广宇，王树乾，等南苏丹某石油罐区消防给水系统设计J给水排水，2017，43（3）：84-86MEI Huan，LIAN Guangyu，WANG Shuqian，et alDe-sign of fire water supply system for an oil tank farm in SouthSudanJ Water&Wastewater Engineering，2017，43（3）：84-866 梅欢，连广宇中东液化石油气球罐水喷雾灭火系统设计J油气田地面工程，2018，37（3）：47-49MEI Huan，LIAN Guangyu Design of Middle East LPGball tank water spray extinguishing systemJOil-Gas FieldSurface Engineering，2018，37（3）：47-497 陶贤文，王丽荣国内外石油天然气站场消防管网设置方式探讨J工业用水与废水，2012，43（3）：81-84TAO Xianwen，WANG Lirong Discussion on the settingway of fire protection pipe network in oil and gas stations athomeandabroadJ IndustrialWater&Wastewater，2012，43（3）：81-848 王克巍伊朗南阿油田中心处理站消防系统设计J工业用水与废水，2014，45（1）：79-81WANG KeweiFire protection system design of central pro-cessing station in Iran South Azadegan OilfieldJIndustrialWater&Wastewater，2014，45（1）：79-819 张学军水喷雾灭火系统在液化烃储罐消防的应用J工业用水与废水，2004，35（4）：75-77ZHANG XuejunApplication of water spray fire extinguish-ing system in liquefied hydrocarbon storage tankJ Indus-trial Water&Wastewater，2004，35（4）：75-7710 张祎达，袁国清，李金林，等油田站场消火栓系统设计与分析J油气田地工程，2017，36（1）：28-32ZHANG Yida，YUAN Guoqing，LI Jinlin，et alDesignand analysis of fire hydrant system in oilfield stationJOil-Gas Field Surface Engineering，2017，36（1）：28-32作者简介张祎达：工程师，硕士研究生，2012 年毕业于中国石油大学（华东）安全工程专业，从事油气地面工程消防及安全设计工作，13511091618，北京市海淀区上地信息路 8号 CPE大厦 B407，100085。收稿日期2023-08-11（编辑王艳）25