本文为大家分析石化储罐区可燃气体及易燃液体泄漏的火灾危险性、消防安全监控要求和消防应急处置方法, 探讨罐区可燃气体及易燃液体泄漏监测和消防监控系统设计原则与构成方法, 通过实例说明石化轻质油储罐区泄漏监测、安全监控和消防联动三级处置措施。
1. 可燃气体及易燃液体泄漏的火灾危险性
石化储罐区的储存物质主要是油品及液化气等可燃、易燃液体。可燃液体常温下遇点火源易起火燃烧,且具有流淌性,装盛可燃、易燃液体的容器、管道一旦发生泄漏, 会产生可燃气体及易燃液体蒸气, 尤其是蒸气压较高的可燃液体, 在流淌过程中液体蒸发速度加快, 不断地从液面散发可燃蒸气, 一旦接触火源, 即使是极其微小的火花, 都有引起燃烧爆炸的危险。石油产品的火灾危险性主要有下列几个方面:
(1) 易燃。石油产品的易燃特性主要以其闪点、燃点、自燃点来衡量。石油产品按其闪点分为易燃液体和可燃液体, 闪点小于45 ℃的属于易燃液体, 闪点大于或等于45 ℃的属于可燃液体。从消防角度分析, 闪燃是着火的前兆, 因而闪点越低的石油产品, 火灾危险性越大。闪点高于45 ℃的石油产品, 虽然在常温下发生失火的危险性较小, 自身亦达不到自燃点, 但如果油品被加热, 或存储容器附近有火源时, 油温增高后, 着火的危险性仍然存在。
(2) 易爆。石油产品的蒸气和空气的混合比达到一定浓度范围时, 遇火即能爆炸。爆炸极限范围越大、下限越低的油品, 发生爆炸的危险性越大。爆炸极限除用油品气体浓度来表示外, 也可用油品温度来表示, 液体的爆炸浓度极限体现着一定的温度极限。
(3) 易蒸发。石油产品尤其是轻质油品具有易蒸发特性, 密度越轻的油品其蒸发越快, 闪点亦越低, 火灾危险性越大。石油产品的蒸发有两种状态: 静止蒸发是指在比较严密的容器内的油在空气不太流通情况下, 液面发生的蒸发现象; 流动蒸发是指油品在进行泵送或灌装时, 油品或周围的空气处于流动情况下, 或二者都处在流动情况下所发生的蒸发现象。石油产品的蒸发速度与温度、蒸发面积、液体表面空气流动速度、液面承受的压力、密度等因素有关; 蒸发速度较快的油品, 其蒸发油气在空气中的浓度易超过爆炸下限而形成爆炸性混合物, 且其相对密度一般在1. 59～4 之间,往往在作业区空间、地面弥漫飘荡, 在低洼处聚积不散, 大大增加了火灾危险性。
(4) 易产生静电。石油产品的电阻率一般在1012Ω ·cm 左右, 当沿管道流动与管壁摩擦和在运输过程中因震荡与车、船管壁冲击, 以及在装卸、灌装、泵送等作业过程中, 都会产生静电且电位高达2 万伏～3 万伏。静电的主要危害是静电放电; 当静电放电产生的火花能量达到或大于油品蒸气的最小点火能量时, 会立刻引起燃烧或爆炸。
(5) 易受热膨胀。石油产品受热后体积膨胀, 同时蒸气压增高, 若储存于密闭容器中, 会造成容器膨胀,甚至爆裂。另一方面, 当容器内灌入热油冷却时, 又会造成油品体积收缩而形成负压, 损坏储油容器, 增加火灾危险性。
(6) 易沸腾突溢。储存重质油品的油罐着火后, 由于辐射热作用、热波作用和水蒸气作用, 有时会引起油品沸腾突溢, 使燃烧的油品大量外溢, 甚至从罐内猛烈喷出, 扩大灾情。
2. 石化储罐区泄漏监测及消防监控需解决的问题
石化消防安全的核心问题是通过监控手段保障生产过程安全。在石化生产过程体系中某一环节的消防安全问题, 应与石化生产体系及生产工艺紧密结合、与企业发展决策紧密结合。因此, 石化储罐区可燃气体及易燃液体泄漏监测与消防监控系统在设计中需解决下列问题:
(1) 充分考虑生产过程复杂的工艺安全因素、被保护对象火灾特殊性、火灾蔓延和连锁反应问题, 实现消防安全与生产工艺相结合。
(2) 通过计算机通信、控制与信息的有机结合, 实现不同消防安全单元或区域、不同消防安全监控设备的信息交互。
(3) 进行消防安全信息化管理, 实现数据库的图形化及可透视性、消防安全信息共享和消防安全事故分析诊断。
显然, 实现石化储罐区消防安全具有强烈的针对性, 应综合考虑石化生产体系安全要求和实际生产工艺状况, 形成相关设计、施工指导原则和方法。
3. 石化储罐区泄漏监测与消防设备联动要求
3. 1 泄漏监测要求
根据石化储罐区特殊的火灾危险性和可燃气体及易燃液体泄漏监测实际需要, 安装可燃气体探测器。其消防安全监测参数主要是可燃气体浓度、成分、温度、液位或压力等工艺参数。此外, 石化储罐区的火灾监测参数应充分考虑罐区特点来确定, 当储存油品为原油等重质油品时, 因其含碳量较多, 燃烧将产生大量的烟气, 火灾探测的重点是对烟气浓度探测, 同时对火灾温度进行监测; 对于轻质油品及一些成品油, 由于其含碳量较少, 燃烧较充分,在火灾燃烧初期不会产生或少量产生烟气, 应着重考虑火焰探测和图像监测问题。
3. 2 消防设备联动控制要求
石化储罐区的消防设备主要包括火灾警报装置、灭火设备及安全操作设备。火灾警报装置是为了在安全参数出现异常或火灾发生时产生及时报警, 主要设备有警铃、水力警铃、事故广播等。灭火设备是为了在火灾初期有效的控制火势, 及时扑灭初起火灾, 主要设备有消防炮、泡沫泵、自动喷淋泵等。安全操作设备是为了在安全参数出现异常时对物料管线及各种控制阀门进行控制和操作, 如压力阀等。
石化储罐区中各种消防设备对联动控制的要求不同, 有些设备要求在出现异常时直接启动, 如警铃; 有些设备在出现异常后需要延时启动, 如消防水泵需在火灾确认后启动; 有些设备则需要在启动后, 对系统返回状态信号, 如泡沫泵等。石化储罐区具有联动要求的主要设备有消防水泵、泡沫泵、安全阀、声光报警器、讯响器、消防电话及消防广播等。考虑到石化储罐区消防水泵、泡沫泵等设备数量少、重要性强且分散布置, 多采用专线方式直接控制或专线与总线复合控制方式,使用DC24V 标准驱动信号直接送入消防设备配电箱驱动, 以确保这些设备动作的高度可靠性。
4. 石化储罐区泄漏监测与消防监控系统设计
4. 1 系统设计原则
石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统的设计思路, 是根据石化储罐区消防安全监测要求,采用系统集成方法设计构造系统, 实现石化储罐区安全参数实时监测处理和安全状态分析, 及时预测可能的灾害事故后果, 并通过联动控制装置有效启动现场消防设备或灭火设施。
根据上述思路, 系统设计遵循两项原则: 一是管理软件与系统硬件相结合, 根据实际情况制定安全管理规则和事故处置预案, 将安全管理要求和事故处置预案与硬件系统有机结合起来, 确保设备监测可靠性和联动有效性; 二是生产监测与安全监控相结合, 通过联锁控制、自动停车及其它参数控制等措施, 使罐区进出料生产过程控制与静态安全参数监测协调互补, 达到安全生产的目的。
4. 2 系统硬件结构
根据石化储罐区的特点, 考虑到工艺参数和火灾参数的监测要求, 石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统结构形式, 见图1, 以兼顾工艺监测参数DC (4～20)mA 传输和火灾参数频率量传输的不同要求, 以及灭火设备联动控制所需的信号要求。
图1 石油储罐区火灾检测与灭火联动系统结构图
图1 系统中, 火灾参数探测一般采用防爆型火灾探测器, 如选用防爆型火焰光探测器、防爆型电子感温探测器、防爆型可燃气体探测器、线缆感温探测装置等; 工艺参数监测则根据数据通信协议要求, 设计构造防爆型DDZ 转换器, 接受处理DC (4～20)mA 本安型一次仪表输出信号, 如可燃气体浓度、气体成分、储罐温度、液位、压力等工艺参数探测器的输出信号; 监控主机主要完成对工艺安全参数及火灾参数的连续采集处理和状态分析, 及时预测事故并采取处理措施, 有效启动现场消防设备, 实施灭火操作。
4. 3 系统软件设计
按照系统集成方法, 石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统的应用软件采用模块化编程,主要包括系统主控模块、事故处理模块、信息通信模块、消防管理模块等, 功能如下:
(1) 系统主控模块。主要完成数据采集处理、报警判断与联动控制输出、自动与手动控制方式切换、系统管理。
(2) 事故处置模块。根据监测数据完成对监测区域安全状态的事故状态分析预测, 对工艺安全进行操作控制和处置紧急情况, 实施救灾方案。
(3) 信息通信模块。主要完成通信协议管理、通信控制、异地远程联网。
(4) 消防管理模块。主要完成系统操作管理、设备工况管理、防火管理与数据存储。 按上述模块划分, 系统应用软件可采用W indow s 环境下编程语言, 面向对象设计应用界面和数据库, 全面支持可视化编程, 提供集中数据管理功能。
4. 4 数据通信传输
在数据通信方面, 石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统主要依靠各类探测器采集现场数据并送入监控主机, 通过对各类参数的数据分析处理和预测判断, 产生报警与消防设备联动控制信号, 同时将监测数据及各种信号存入系统数据库, 并通过远程传输方式送入上级管理中心, 实现数据分类存储、数据共享、信息查询和业务管理等功能。石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统的数据通信传输方式如图2 所示。
图2 石油储罐区可燃气体泄漏监控及应急处置系统数据传输框图
4. 5 应急处置措施
石化储罐区可燃气体泄漏的应急处置措施, 由罐区泄漏源的储存及分布状况、事故灾害的危害特性及相应对策、消防安全监控装置的联动控制逻辑等多种因素决定, 需结合罐区实际状况, 从关阀断气、漏点封堵、倒罐泄压、堵漏装置堵漏、稀释驱散、水幕堵截、疏散警戒、连续测试等多方面考虑, 制定应急处置预案和处置措施, 在消防安全监控系统中加以实现。
5. 2000m3球罐泄漏监测及消防安全监控系统实例
根据上述石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统设计实现方法, 考虑球罐实际状况、分析石化储罐区消防安全性、确定监测参数和有效监控方法,某橡胶厂液化气罐区2000m3碳四球罐消防监控系统结构如图3所示。系统设置高液位、压力、火灾监测和灭火联动方面的手动、自动控制, 生产安全和消防安全事故处置预案与灭火预案, 体现了石化储罐区消防安全监控系统整体设计和工程实际的有机结合。
图3 某长液化气灌区2000m3球罐消防安全监控系统结构图
图3系统的监控范围是2000m3碳四球罐及其泵区, 监测参数包括球罐压力、温度、液位和高液位, 罐区和泵区可燃气泄漏量, 罐区和泵区20m范围感温式火灾信息; 系统共计4个可燃气体泄漏监测点,1条感温监测电缆(火灾报警),1个高液位监测报警点和液位、压力、温度3个生产参数监测点, 整个系统由监控主机管理。其中, 液位、压力和温度3 个监测参数取自石化储罐区生产安全控制系统(DCS);可燃气体泄漏监测报警采用4台可燃气体探测器, 3台安装在2000m3球罐底部, 1台安装在物料泵区, 可燃气体探测器输出为DC(4～20)mA 标准信号并直接送入可燃气体报警器监控主机; 火灾探测报警采用可复用式线型感温电缆, 在物料泵区架设10m,2000m3球罐底部架设10m,开关量报警信号送入监控主机; 高液位开关量报警信号取自2000m3球罐顶部安装的高液位报警装置。根据罐区监控要求, 图3系统还配备了生产安全和消防安全控制装置, 完成下列设备系统的控制功能:
(1) 由液位参数或人工操作实现球罐进出料阀自动/手动控制, 以及进出料泵自动/手动控制;
(2) 由压力参数或人工操作实现放空阀自动/手动控制, 以及水喷淋装置自动?手动控制;
(3) 由火灾监测参数或人工操作实现消防水炮自动/手动控制;
(4) 由火灾监测参数或人工操作实现消防泡沫泵自动/手动控制。
6. 总结
综上所述, 石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统是石化储罐区的消防安全基础设施之一, 对安全参数监测的准确程度、固定灭火装置的联动及时性、应急处置措施的合理性、系统无故障工作时间、系统运行成本等各方面指标, 需结合实际工程综合考虑。根据当前工业火灾监控系统技术水平, 石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统设计需达到如下功能要求:
(1) 安全参数监测与生产过程监控相结合, 安全参数监测系统相对独立。
(2) 安全参数监测报警与事故处置预案相结合,实现动态安全监测与管理。
(3) 监控主机与各类探测器实现直接通信及系统联网, 简化系统结构。
(4) 系统应用软件采用模块化结构, 达到功能层次清晰, 便于操作。
(5) 采用计算机多媒体技术, 形象生动的实现监测数据和事故预案显示。
