3 基本设计参数和喷头布置3、1、基本设计参数3,1 1、基本设计参数包括设计供给强度.持续喷雾时间，保护面积.水雾喷头的工作压力和系统响应时间。基本设计参数需要根据水喷雾灭火系统的防护目的与保护对象的类别来选取、3，1、2。水喷雾灭火系统的供给强度、响应时间和持续喷雾时间是保证灭火或防护冷却效果的基本设计参数、本条按防护目的.针对不同保护对象规定了各自的供给强度.持续喷雾时间和响应时间、1，关于保护对象的防护目的，1、油浸变压器的水喷雾防护、变压器油是从原油中提炼出的以环烃为主的烃类液体混合物，初馏点大于300.闪点一般在140。以上、变压器油经过较长时间工作后。因高压电解,局部高温裂解、会产生少量的氢和轻烃，这些气态可燃物质很容易发生爆炸。本规范编制组针对油浸变压器火灾进行了专门研究。搜集了国内若干变压器火灾案例 由案例分析得知，变压器的火灾模式主要有三种。初期绝缘子根部爆裂火灾 油箱局部爆裂火灾,油箱整体爆裂火灾、其中以初期绝缘子根部爆裂火灾为主,油箱局部爆裂火灾多由绝缘子根部爆裂火灾发展而成.从三种火灾模式来看,固定灭火系统能够扑救的火灾为绝缘子根部爆裂火灾与变压器油沿油箱外壁流向集油池的变压器油箱局部爆裂火灾,油箱整体爆裂火灾是各种固定灭火系统无法保护的。所以、水喷雾灭火系统设计参数的确定立足于扑救绝缘子根部爆裂火灾与变压器油沿油箱外壁流向集油池的变压器油箱局部爆裂火灾,对此,公安部天津消防研究所会同有关单位。在2009年5月,6月进行了多次变压器火灾模拟试验,变压器模型用钢板焊制而成，长2500mm.宽1600mm.高1500mm 在变压器模型的两个斜面上各开有3个φ460的圆孔。用来模拟变压器发生火灾时沿绝缘子开裂的情形。圆孔均匀布置,每次试验变压器模型的开孔情况如下，试验1和试验2所有孔全开，试验3为3个开孔.开孔位于变压器模型的同一侧 试验4为4个开孔。变压器一侧开3孔。另一侧中间开孔 试验5为2个开孔 一侧中间开孔.一侧边上开孔。试验6为3个开孔 一侧两边开孔 一侧中间开孔，主要试验结果见表3 表3，试验结果、试验结果表明、水喷雾灭变压器火灾时 水雾蒸发形成的水蒸气的窒息作用明显。可以较快控制火灾、在变压器开孔较少时，变压器内部和外部未形成良好通风条件.火灾规模小.水喷雾可以成功灭火。而在变压器开孔较多时，内。外部易形成良好通风条件,火灾规模大。较大的喷雾强度也难以灭火、一般情况下、变压器初期火灾规模较小。可能会只有个别绝缘套管爆裂.此时若水喷雾灭火系统及时启动,则可有效扑灭火灾,但若火灾发展到一定规模时，如多个绝缘套管同时爆裂或油箱炸裂时.则水喷雾难以灭火,但此时靠水雾的冷却。窒息作用可以有效控制火灾。可为采取其他消防措施赢得时间 2,液化烃储罐或类似液体储罐的水喷雾防护常温下为气态的烃类气体。C1。C4、经过加压或,和，降温呈液态后即称为液化烃.其他类似液体是指理化性能和液化烃相似的液体,如环氧乙烷,二甲醚、液氨等 对于液化烃储罐或类似液体储罐 设置水喷雾灭火系统的目的主要是对储罐进行冷却降温,防止发生沸液蒸汽爆炸.如LPG储罐发生泄漏后.过热液体会迅速汽化、形成LPG蒸汽云 蒸汽云遇火源发生爆炸后，会回火点燃泄漏源，形成喷射火,使储罐暴露于火焰中,若此时不能对储罐进行有效的冷却、罐内液体会急速膨胀,沸腾、液面以上的罐壁,干壁，温度将迅速升高、强度下降，同时，蒸汽压会出现异常的升高 一定时间后、干壁将产生热塑性破口.罐内压力急剧下降.液体处于深过热状态。迅速膨胀气化产生大量蒸汽.从而引发沸液蒸汽爆炸。发生沸液蒸汽爆炸将会导致重大人员伤亡和财产损失。其后果是灾难性的 据火灾案例及相关研究,一个9000kg的LPG储罐发生沸液蒸汽爆炸,其冲击波将致使半径115m范围内露天人员死亡或整幢建筑破坏的概率可能高达100.影响半径达235m 如若考虑高速容器碎块抛射物造成的伤害。影响范围可达300m,600m 甚至达到800m以上。因此.这类储罐设置水喷雾灭火系统的主要目的就是对储罐进行冷却降温.防止形成沸液蒸汽爆炸，2、供给强度和持续喷雾时间、1.国外相关规范对喷雾强度的规定按防护目的规定见表4、表4。国外规范对水喷雾灭火系统喷雾强度的规定 按保护对象的规定见表5。表5。国外规范对水喷雾灭火系统喷雾强度的规定.2.国外相关规范对持续喷雾时间的规定、美国NFPA15和API.2030对水喷雾灭火系统的持续喷雾时间作为一个工程判断问题处理。对防护冷却系统要求能持续喷雾数小时不中断、日本保险协会规定水喷雾灭火系统的持续喷雾时间不应小于90min,日本消防法,日本，液化石油气保安规则，对具体保护对象的持续喷雾时间规定如下、通信机房和储存可燃物的场所 汽车库和停车场要求水源保证不小于持续喷雾20min的水量，prEN14816对水喷雾的各类保护对象规定了喷雾时间.最短的30min,最长的120min，3，国内规范的规定，现行国家标准,自动喷水灭火系统设计规范.GB,50084中规定严重危险级建构筑物的设计喷水强度为12L min、m2、16L。min m2、消防用水量按火灾延续时间不小于1h计算。现行国家标准,石油化工企业设计防火规范、GB，50160中规定全压力式液化烃储罐的消防冷却水供给强度为9L，min。m2 火灾延续时间按6h计算、对于甲B。乙。丙类液体储罐.固定顶储罐的消防冷却水供给强度为2，5L。min,m2,浮顶罐和相邻罐为2.0L min m2、冷却水延续时间,直径不超过20m的按4h计算,直径超过20m的按6h计算、现行国家标准。石油天然气工程设计防火规范，GB 50183的规定和现行国家标准、石油化工企业设计防火规范、GB。50160类似.4、国内外有关试验数据,英国消防研究所皮，内斯发表的论文，水喷雾应用于易燃液体火灾时的性能 中的有关试验数据如下 高闪点油火灾 灭火要求的供给强度为9.6L,min。m2.60L.min、m2、水溶性易燃液体火灾。灭火要求的供给强度为9、6L,min m2.18L,min。m2 变压器火灾 灭火要求的供给强度为9，6L min.m2.60L min，m2.液化石油气储罐火灾、防护冷却要求的供给强度为9.6L、min,m2，英国消防协会G。布雷发表的论文。液化气储罐的水喷雾保护,中指出。只有以10L,min,m2,的供给强度向储罐喷射水雾才能为被火焰包围的储罐提供安全保护 美国石油协会.API,和日本工业技术院资源技术试验所分别在20世纪50年代和60年代进行了液化气储罐水喷雾保护的试验，结果均表明对液化石油气储罐的供给强度大于6L，min m2 即是安全的.采用10L min、m2。的供给强度是可靠的,20世纪80年代，公安部天津消防研究所对柴油 煤油,变压器油等液体进行了灭火试验 试验数据见表6.可以看到在12。8L，m2,min,的供给强度下，水喷雾可较快灭火.表6,试验数据表、公安部天津消防研究所于1982年至1984年进行了液化石油气储罐受火灾加热时喷雾冷却试验、对一个被火焰包围的球面罐壁进行喷雾冷却，获得了与美,英.日等国同类试验基本一致的结论 即6L.min.m2 供给强度是接近控制壁温。防止储罐干壁强度下降的临界值,10L。min，m2，供给强度可获得露天有风条件下保护储罐干壁的满意效果。公安部.石油部 商业部 1966年在公安部天津消防研究所进行泡沫灭火试验时、对100m3敞口汽油储罐采用固定式冷却 测得冷却水强度最低为0，49L.s、m.最高为0,82L，s.m,1000m3油罐采用固定式冷却.测得冷却水强度为1 2L s，m,1,5、L、s.m 上述试验 冷却效果较好 试验油罐温度控制在200。325、之间,仅发现罐壁部分出现焦黑,罐体未发生变形 当时认为、固定式冷却水供给强度可采用0，5L,s,m 并且由于设计时不能确定哪是着火罐。哪是相邻罐,建筑设计防火规范、TJ.16、74与,石油库设计规范 GBJ 74 84最先规定着火罐和相邻罐固定式冷却水最小供给强度同为0。5L，s.m 此后,国内石油库工程项目基本都采用了这一参数，随着储罐容量、高度的不断增大。以单位周长表示的0，5L.s.m,冷却水供给强度对于高度大的储罐偏小 为使消防冷却水在罐壁上分布均匀 罐壁设加强圈、抗风圈的储罐需要分几圈设消防冷却水环管供水.国际上已通行采用、单位面积法，来表示冷却水供给强度、所以.现行国家标准。石油库设计规范 GB，50074和 石油化工企业设计防火规范、GB.50150将以单位周长表示的冷却水供给强度、按罐壁高13m的5000m3固定顶储罐换算成单位罐壁表面积表示的冷却水供给强度.即0，5L。s.m、60、13m 2、3L，min、m2、适当调整取2,5L、min。m2.故规定固定顶储罐,浅盘式或浮盘由易熔材料制作的内浮顶储罐的着火罐冷却水供给强度为2，5L，min、m2。浮顶。内浮顶储罐着火时 通常火势不大 且不是罐壁四周都着火,故冷却水供给强度小些.现行国家标准,石油天然气工程设计防火规范。GB.50188也是这种思路。相邻储罐的冷却水供给强度至今国内未开展过试验,现行国家标准.石油库设计规范。GB，50074和.石油化工企业设计防火规范,GB、50160对此参数是根据测定的热辐射强度进行推算确定的,思路是 甲B、乙类固定顶储罐的间距为0，6D D为储罐直径。接近0，5D 假设消防冷却水系统的水温为20 冷却过程中一半冷却水达到100，并汽化吸收的热量为1465kJ,L，要带走距着火油罐罐壁0、5D处最大值为23、84kW m2.相关试验测量值 辐射热。所需的冷却水供给强度约为1.0L.min.m2。石油库设计规范,GBJ.74，84。1995年版，和。石油化工企业设计防火规范。GB，50160.92曾一度规定相邻储罐固定式冷却水供给强度为1,0L,min m2,后因要满足这一参数，喷头的工作压力需降至着火罐冷却水喷头工作压力的1.6，25，在操作上难以实现 于是.石油化工企业设计防火规范,GB,50160。92,1999年版、率先修改 不管是固定顶储罐还是浮顶储罐.其冷却强度均调整为2。0L min。m2。石油库设计规范,GB.50074。2002也采纳了这一参数 值得说明的是 100m3试验罐高5,4m 若将1965年国内试验时测得的最低冷却水强度0.49L、s。m.一值进行换算，结果应大致为6 0L min，m2 相邻储罐消防冷却水供给强度的推算思路也不一定成立、与国外相关标准规范的规定相比，见表7 我国规范规定的消防冷却水供给强度偏低.然而 设置消防冷却水系统的储罐区大都设置了泡沫灭火系统.及时供给泡沫可快速灭火,并且着火储罐不一定为辐射热强度大的汽油，不一定处于中低液位,不一定形成全敞口 所以.规范规定的冷却水供给强度是能发挥一定作用的、表7，部分国外标准 规范规定的可燃液体储罐消防冷却水供给强度,3。有关响应时间的主要依据。水喷雾灭火系统一般用于火灾危险性大，火灾蔓延速度快,灭火难度大的保护对象.当发生火灾时如不及时灭火或进行防护冷却.将造成较大的损失,因此.水喷雾灭火系统不仅要保证足够的供给强度和持续喷雾时间，而且要保证系统能迅速启动，响应时间是评价水喷雾灭火系统启动快慢的性能指标、也是系统设计必须考虑的基本参数之一,本条根据根据保护对象的防护目的及防火特性。规定了各类对象的响应时间，国外规范有关响应时间的规定如下.NFPA15规定系统应能使水进入管道并从所有开式喷头有效喷洒水雾。期间不应有延迟,对此在附录中解释为水喷雾灭火系统的即时启动需要满足设计目标，在大多数装置中,所有开式喷头应在探测系统探测到火灾后30s内有效喷水、另外规定探测系统应在没有延迟的情况下启动系统启动阀、对此在附录中解释为探测系统的响应时间从暴露于火灾到系统启动阀启动一般为40s,prEN14816规定系统设计应满足在探测系统动作之后的60s内、所有喷头应能有效喷雾。此外，某些国外规范推荐水喷雾灭火系统采用与火灾自动报警系统联网自动控制，系统组成中采用雨淋报警阀控制水流、并使其能自动或手动开启的做法均是为了保证系统的响应时间、综上所述,当水喷雾灭火系统用于灭火时.要求系统能够快速启动。以将火灾扑灭于初期阶段。因此 规定系统响应时间不大于60s,当系统用于防护冷却时，根据保护场所的危险程度及系统的可操作性。分别规定了不同的响应时间.如对于危险性较大的液化烃储罐 发生火灾时、需要尽快冷却。以免发生沸液蒸汽爆炸.因此 规定其响应时间不大于120s，对于危险程度相对较低的甲B。乙,丙类液体储罐，发生火灾后、短时间内火灾不会对储罐造成较大危害 因此.规定响应时间不大于300s.4，其他说明。当水喷雾灭火系统用于灭火时。具体设计参数基本是按照火灾类别来规定的。这样可以涵盖更多的保护对象，如对于加工和使用可燃液体的设备,其可燃物主要为液体.可根据所用液体的闪点来确定具体设计参数,举例说明.对于电厂中的汽轮机油箱,磨煤机油箱 电液装置，氢密封油装置，汽轮发电机组轴承 给水泵油箱等,这些设备所使用油品的闪点一般在120.以上。适用闪点高于120。液体的设计参数,对于锅炉燃烧器。柴油发电机室、柴油机消防泵及油箱等,适用闪点60.120 的液体的设计参数,对于钢铁冶金企业中的热连轧高速轧机机架、未设油雾抑制系统、液压站，润滑油站。库 地下油管廊、储油间、柴油发电机房等,适用闪点60.120。的液体的设计参数 对于配电室,油浸电抗器室、电容器室、适用闪点高于120。液体的设计参数、表3，1。2、中甲，乙类液体及可燃气体生产。输送.装卸设施包括泵.压缩机等相关设备,本条规定的参数为水喷雾灭火系统的关键设计参数.设计时必须做到。否则灭火和冷却效果难以保证.因此 将本条确定为强制性条文。3、1。3、本条规定的主要依据如下。1,防护目的.水雾喷头须在一定工作压力下才能使出水形成喷雾状态，一般来说,对一种水雾喷头而言 工作压力越高、其出水的雾化效果越好，此外,相同供给强度下。雾化效果好有助于提高灭火效率、灭火时、要求喷雾的动量较大。雾滴粒径较小.因此，需要向水雾喷头提供较高的水压，防护冷却时、要求喷雾的动量较小.雾滴粒径较大。需要提供给喷头的水压不宜太高 2 国外同类规范的规定.NFPA15规定保护室外危险场所的喷头 其最低工作压力应为0。14MPa。保护室内危险场所的喷头，其最低工作压力应按其注册情况确定.API.2030规定室外喷头的喷洒压力不应低于0,21MPa、日本 水喷雾灭火设备、按照不同的防护目的给出的喷头工作压力如下 灭火,0、25MPa.0。7MPa 防护冷却、0.15MPa.0，5MPa。3 国产水雾喷头的性能、目前我国生产的水雾喷头、多数在压力大于或等于0、2MPa时,能获得良好的水量分布和雾化要求、满足防护冷却的要求,压力大于或等于0。35MPa时.能获得良好的雾化效果.满足灭火的要求，另外 公安部天津消防研究所曾对B型和C型水雾喷头在不同压力下的喷雾状态进行过试验、测试最低压力为0。15MPa。在该压力下喷头的雾化角和雾滴直径也满足其产品标准的要求。综上所述.尤其是根据我国水雾喷头产品现状和水平。确定了喷头最低工作压力。水雾喷头的工作压力必须满足本条规定。否则。影响灭火和冷却效果，因此,将本条确定为强制性条文、3,1 4、不论是平面的还是立体的保护对象。在设计水喷雾灭火系统时 按设计供给强度向保护对象表面直接喷雾 并使水雾覆盖或包围保护对象是保证灭火或防护冷却效果的关键.保护对象的保护面积是直接影响水雾喷头布置，确定系统流量和系统操作的重要因素.1。将保护对象的外表面面积确定为保护面积是本款规定的基本原则,对于外形不规则的保护对象.则规定为首先将其调整成能够包容保护对象的规则体或规则体的组合体，然后按规则体或组合体的外表面面积确定保护面积.2.本款规定了变压器保护面积的确定方法、对此各国均有类似规定,对变压器的防护需要考虑它的整个外表面.包括变压器和附属设备的外壳。贮油箱和散热器等。美国NFPA15和欧洲标准prEN14816均规定，保护变压器时。需要对其所有暴露的外表面提供完全的水喷雾保护 包括特殊构造，油枕 泵等设备.日本消防法中对变压器保护面积的确定方法,图2。如下，图2,变压器保护面积的确定方法A,变压器宽度，B、变压器长度,C、集油坑宽度。D 集油坑长度 H，变压器高度保护面积S、CD AB,2，A，B,H、AB 3,本款根据第1款的规定、要求分层敷设的多层电缆，在计算保护面积时接包容多层电缆及其托架总体的最小规则体的外表面面积确定。3.1,5 液化石油气灌瓶间的保护面积为整个使用面积，对于陶坛或桶装酒库 盛酒容器破裂后 火灾可能会在整个防火分区蔓延，斛此保护面积按防火分区的建筑面积确定。3。1 6，输送煤等可燃物料的皮带一般采用阻燃皮带,确定其保护面积时可按载有可燃物的上行皮带的上表面积确定，水雾对着火的输送皮带喷洒时。在向可燃物料喷水的同时.对下行皮带也有一定的淋湿作用 当输送栈桥内有多条皮带时，系统设计可考虑仅对着火皮带喷水 对于长距离输送皮带。为使系统能够快速喷水并达到设计强度、需对其进行分段保护,参考电厂输煤栈桥的设置情况。确定了每段皮带的最小保护长度.一般电厂的输煤皮带长度不超过400m。电厂的水量一般按照主厂房确定，经测算 全厂水量为600m3，h的电厂。在输送皮带着火时,其水量可同时满足400m左右长皮带的喷水需要、在综合考虑系统用水量 响应时间，皮带运行速度的情况下 确定每段皮带的保护长度不小于100m 对于煤化工等其他场所，其用水量一般比电厂大，能够满足本条要求、3.1、7。开口容器的着火面为整个液面.因此要求喷雾覆盖整个液面.3。1 8.本条参照NFPA15,固定水喷雾系统标准 制订。3.1 9.本条规定了甲B,乙，丙类液体储罐的冷却范围和保护面积.1,本款规定是在综合试验和辐射热强度与距离平方成反比的热力学理论及现实工程中油罐的布置情况的基础上作出的，为给相关规范的制订提供依据.有关单位分别于1974年.1976年 1987年,在公安部天津消防研究所试验场进行了全敞口汽油储罐泡沫灭火及其热工测试试验，现将有关辐射热测试数据摘要汇总,见表8,表中L为测点至试验油罐中心的距离，D为试验油罐直径 H为试验油罐高度 不过,由于试验时对储罐进行了水冷却，且燃烧时间仅有2min、3min左右,测得的数据可能偏小,即使这样、1974年的试验显示,距离5000m3低液面着火油罐1,5倍直径。测点高度等于着火储罐罐壁高度处的辐射热强度.平均值为2 17kW、m2、四个方向平均最大值为2，39kW m2。最大值为4、45kW。m2。1976年的5000m3汽油储罐试验显示 液面高度为11,3m，测点高度等于着火储罐罐壁高度时 距离着火储罐罐壁1 5倍直径处四个方向辐射热强度平均值为3 07kW。m2、平均最大值为4、94kW、m2.最大值为5，82kW、m2 尽管目前国内外标准.规范并未明确将辐射热强度的大小作为消防冷却的条件 但根据试验测试.热辐射强度达到4kW.m2时，人员只能停留20s 12 5kW m2时，木材燃烧，塑料熔化.37，5kW、m2时、设备完全损坏.可见辐射热强度达到4kW。m2时。必须进行水冷却，否则 相邻储罐被引燃的可能性较大。表8,国内油罐灭火试验辐射热测试数据摘要汇总表 试验证明、热辐射强度与油品种类有关.油品的轻组分越多、其热辐射强度越大。现将相关文献给出的汽油、煤油 柴油和原油的主要火灾特征参数摘录汇总成表9，供参考。由表9可见.主要火灾特征参数值,汽油最高。原油最低、汽油的质量燃烧速度约为原油的1。33倍，火焰高度约为原油的2。14倍.火焰表面的热辐射强度约为原油的1。62倍。所以，只要满足汽油储罐的安全要求 就能满足其他油品储罐的安全要求.表9 汽油。煤油.柴油和原油的主要火灾特征参数,2.对于浮顶罐。发生全液面火灾的几率极小.更多的火灾表现为密封处的局部火灾.设防基准为浮顶罐环形密封处的局部火灾环形密封处的局部火灾的火势较小,如某石化总厂发生的两起浮顶罐火灾.其中10000m3轻柴油浮顶罐着火，15min后扑灭 而密封圈只着了3处、最大处仅为7m长。相邻油罐无需冷却 3、对于相邻储罐。靠近着火罐的一侧接收的辐射热最大。且越靠近罐顶 辐射热越大.所以冷却的重点是靠近着火罐一侧的罐壁。保护面积可按实际需要冷却部位的面积计算、但现实中保护面积很难准确计算.并且相邻关系须考虑罐组内所有储罐。为了安全,规定设置固定式消防冷却水系统时.保护面积不得小于罐壁表面积的1,2 为实现相邻罐的半壁冷却.设计时。可将固定冷却环管等分成2段或4段.着火时由阀门控制冷却范围 着火油罐开启整圈喷淋管,而相邻油罐仅开启靠近着火油罐的半圈，这样虽然增加了阀门、但水量可减少。3。1,10。火灾时、着火罐直接受火作用、相邻罐受着火罐火焰热辐射作用.为防止罐体温度过高而失效，需要及时对着火罐和相邻罐进行冷却，3 1、11，全冷冻式液化烃储罐罐顶部的安全阀及进出罐管道易泄漏发生火灾。同时考虑罐顶受到的辐射热较大，不论着火罐还是相邻罐 都需对罐顶进行冷却 为使罐内的介质稳定气化,不至于引起更大的破坏，对于钢制单容罐。还需对着火罐和相邻罐的罐壁外壁进行冷却。对于无保温绝热层的双容罐。需对着火罐的外壁进行冷却、有保温绝热层的双容罐及全容罐则不需对着火罐的外壁进行冷却，