油罐水冷却设计计算探讨

陈金思
（安徽省化工设计院，安徽 合肥230009）

　　摘　要：利用热力学方程导出油罐防日晒冷却水供水强度，并将此供水强度与消防冷却水供水强度结合考虑，通过优化水幕喷头的布置，充分利用水幕喷头工况，从而降低油罐水冷却系统的冷却水量和能耗。
　　关键词：消防冷却；防日晒冷却；供水强度；水幕喷头
　　中国分类号：TU991.42
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455-（2002）02-0055-02

Calcuation for the Oil Tank Water Cooling Design
CHEN Jin-si
(Anhui Chemical Design Institute,Hefei 230009,China)

　　Abstract:Empirical equation of cooling water supply intensity for oil tanks protection against sunshine was deduced with thermodynamic principles. Taken into account the water for fire-fighting cooling together,the cooling water and energy consumption were cut down by opimizing the distribution of the sprinkler heads and optimizing the performances of the sprinkler heads.
　　Key words:cooling for fire-fighting;cooling against sunshine;water supply intensity;sprinkler head

　　油罐内储存的气油属甲B类低闪点易燃液体，其间点-50℃，爆炸上限6.0％，爆炸下限1.3％，其蒸汽与空气接触形成爆炸性混合物，高热极易燃烧爆炸^[1]。根据《石油库设计规范》（GBJ74～84）之规定，应设置消防冷却水系统，以对着火罐和临近罐实施冷却；同时根据《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160－92）之规定：“甲B类液体固定顶罐或压力储罐除有保温的原油罐外，应设防日晒的固定冷却水喷淋系统或其他设施。”故对油罐实施水冷却保护有两方面含义：一指火灾发生时，对着火油罐和临近罐采取的应急降温措施，即消防冷却；二指夏季高温对油罐实施的日常性防护冷却，即防日晒冷却。下面就夏季油罐防日晒冷却系统的设置如何较好地与消防冷却水系统结合，谈谈个人观点，仅供参考。

1 防日晒冷却水供水强度的选择

　　规范对防日晒冷却水供水强度没有数据规定，因此笔者在设计中作如下假设：如合肥地区，夏季太阳直射罐壁辐射强度最大值出现在14:00左右，辐射强度达687W/m²，而辐射强度较大值出现在13:00－18:00，该时段太阳辐射占全天太阳辐射总量的80％以上，其时平均辐射强度为537.5W/m²，为将14:OO左右的太阳辐射峰值降低到13:00－18:00平均辐射水平，须向罐壁喷淋一定强度的冷却水，以带走该部分太阳辐射热。建立热平衡方程：
　　60(f_max-f_ave)×10-3=qc_wp_w△t^[2]
　　式中：f_max－高温日最大辐射强度值，W/m²；
　　　　　f_ave－高温日时平均辐射强度值，W/m²；
　　　　　q－防日晒冷却水喷淋强度，L/(m²·min)；
　　　　　c_w－水的比热，c_w=4.187kJ/(kg·℃)；
　　　　　p_w－水的密度，p_w=1kg/L；
　　　　　△t－水温差，△t＝6℃。
　　代人数据 60×(687－537.5)×10-3＝q×4.187×1×6，解得q＝0.36L/(m²·min)，设计中取q=0.40L/(m²·min)。假定防日晒冷却水喷淋强度取上述值的意义：一方面带走由最大时太阳辐射强度引起的超热；另一方面通过不间断喷淋水及时导走太阳辐射热，使油罐壁乃至整个罐区不蓄热，体现“预防为主，防消结合”方针。

2 冷却水量的确定

　　某石油库汽油罐组由6个单罐容量2000m³（D×H＝15.4×12.8m）的固定顶罐组成。消防冷却时，着火罐冷却水供给强度取2.5L/（m²·min）。临近罐取1.0L/（m²·min），防日晒冷却时冷却水供给强度取0.4L/（m²·min）。着火罐冷却面积619m²，临近罐冷却面积928.5m²（即0.5×3×619m²），防日晒冷却水供给范围为整个罐组罐壁面积之和，即6×619m²＝3714m²。则消防时将冷却水流量148.6m³/h（即2.5×619＋1.0×928.5=2476L/min），防晒时冷却水流量89.1m³/h（即0.4×3714L/min）。
　　消防冷却水按4h贮量为594.24m³，而防日晒时冷却水需在夏季高温日连续供给且流量较大，故设置循环水场，由循环水泵输送至罐区喷淋系统，罐壁上的喷淋水流过水封井后，自流人循环水场水处理构筑物，经处理后循环回用。消防冷却水和防日晒冷却水共用水池，通过液位计及阀门控制水池水位，以确保600m³左右的消防水量不被挪用。

3 冷却水供给设施

3.1 喷头选型及布置
　　由于水幕喷头喷出的水能形成雾状层及膜状层的双层效果，其均匀性、隔离性、冷却效果均很好，故设计中采用SMTBD型水幕喷头，每罐37个，分上、下两圈设置。其中上圈设置于高出罐弧顶1.2m处，上圈环管周长为12m，11个喷头均布；下圈布置在罐顶壁的最上部，喷头距罐壁0.3m，26个喷头均布。火灾消防时上、下圈共计37个喷头全部启动喷淋，在0.7MPa压力下，单个喷头喷水42L/min，其喷水总量1554L/min（即42×37=1554L/min），略大于消防时着火罐 1547.5L/min（即2.5×619＝1547.5L/min）规定需水量。夏季高温实施防日晒冷却下保护时，启动上圈11个喷头喷水，在0.2MPa压力下，单个喷头喷水22.8L/min，11个喷头总喷水量250.8L/min（即22.8×11＝250.8L/min），略大于防日晒冷却时单罐需水量247.6L/min（即0.4×619＝247.6L/min）。
3.2 泵的选型与匹配
　　由于喷头在不同水量下，其工作压力相差大，故在设计中采用高压消防冷却供水系统和低压防日晒冷却循环水系统联合供水方式。高压消防水泵选XBD8－45（Q=162m³/h，H＝80m，P＝75kw）消防泵2台，其中1用1备；低压冷却水泵选IS125－100J－315（Q＝100m³/h，H=32m，P＝15kw）消防泵2台，其中1用1备。每泵设置单独的吸、压水管，压水管均并人罐区消防冷却水环干管，且压水管上设闸阀，以灵活控制，方便切断。高、低消防水泵设置事故联锁控制装置。每泵压水管上设压力表、流量计以及时了解水泵和喷头工况。
3.3 管道及附件
　　高、低压冷却水给水环管会二为一。每油罐设4根冷却进水管，在防火堤外距罐壁15m处的进水管上设问阀控制。4根进水管中的两根与上圈喷头的环管相接，另两根与下圈环管相连。各环管上水立管均对称布置，上、下圈环管均分成独立的两段。这样既兼顾了火灾的特点，又能在防护上做灵活调整^[3]。

4 结论

　　夏季防日晒冷却水供给强度的取值大小对整个油罐水冷系统的设计规模影响较大，该强度取值需作进一步论证。水幕喷头工况直接决定水泵的选型，合理选择喷头，优化喷头布置是油罐水冷却系统节能降耗的途径之一。

参考文献：
　　[1]张维凡．常用危险物品安全手册[M]．北京：化学工业出版社，1996．
　　[2]黄素逸．能源科学导论[M]．北京：中国计划出版社，2000．
　　[3]丁国臣．储罐区消防冷却喷淋装置设计探讨[J]．工业用水与废水，1999，30(3)：41－42．

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作者简介：陈金思（1976－），男，安徽合肥人，1999年毕业于安徽建筑工业学院给水排水工程专业，毕业后一直从事给排水及消防工程设计工作，现为在职硕士研究生，电话（0551）2904896。