化学制药加氢反应装置生产厂房的消防设计

0　前言
　　氢气是一种极其危险的物质，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即会发生爆炸。氢气比空气轻，在室内使用和储存时，泄漏的气体上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸。氢气与氟、氯、溴等卤族元素会剧烈反应。一般的灭火方法是首先应切断气源，若不能立即切断气源，则不允许熄灭正在燃烧的气体。喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂可选用雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。工业级氢气的使用含量为大于等于98.0%，由此可见生产反应装置及厂房的消防设施、厂房之间的布置、防火间距的确定以及在生产过程中的消防管理，都是十分重要的。

1　L350工程总图、贮运、土建设计
　　本工程包括主厂房及3个单独的厂房即加氢厂房、触媒制备厂房、氢气钢瓶厂房。主厂房生产类别为乙类，其它3个厂房均为甲类。
　　厂区内设有环形消防通道，其各个厂房周围均设有4.5m宽的消防通道，出入口及现有道路均满足《建筑设计防火规范》(以下简称《规范》)的要求。同时为减少施工土方搬运的工作量，在竖向布置上，主厂房比其它3个厂房高出0.3m。另各独立厂房的防火间距均在12m以上，满足《规范》的要求。
　　在生产中所用到的氨水、液碱、盐酸等生产原料均由分厂库区经管道输送至生产装置内。醋酐用罐车，固体物料及钢瓶用汽车运输。
　　主厂房为框架结构，耐火等级为二级，生产类别为乙类，长73.18m，宽16.6m，共4层，层高6m，总高27.22m。氢气钢瓶厂房、触媒制备厂房、加氢厂房因属甲类生产厂房，土建设计为满足工艺生产的特殊条件的需要，采取了半敞开式的单层混凝土框架结构，反应设备均布置在框架内。为了防止有氢气泄漏而集聚在顶棚处，厂房设计成平顶棚，平滑无死角，同时各厂房上部均设有1m以上的敞开部分，作为通风和泄压措施，墙面光滑，地面做不发火处理，详见图1。

图1　总平面图及室外消防平面图
1 加氢厂房　2 触媒制备厂房　3 氢气钢瓶厂房

2　工艺生产过程中火灾危险性分析
　　加氢还原岗位所用的氢气为甲类易燃易爆气体，反应剧烈，在生产中的使用压力为0.8MPa；
　　工艺生产中消化岗位使用的镍触媒是一种可自燃的物质，在空气中暴露时间过长，即可自燃；
　　在缩合、水解反应过程中产生出来的氨气也是一种易燃气体。

3　二氧化碳局部应用灭火系统
　　二氧化碳局部应用灭火系统应用于扑救不需封闭空间条件的具体保护对象的非深位火灾。《规范》规定：“灭火前可切断气源的气体火灾”。这说明了尽管二氧化碳灭气体火灾是有效的，但由于二氧化碳的冷却作用较小，火虽扑灭，但难于在短时间内使火场环境温度包括其中设置物的温度降至燃气的燃点以下。如果气源不能关闭，则气体会继续逸出，当逸出量在空间里达到或高过燃烧下限浓度，即有产生爆炸的危险，故强调灭火前必须能切断气源。
3.1　局部应用灭火系统喷头布置及数量计算
　　通过分析着火部位的特点和对实际情况的研究，局部应用灭火系统采用面积法设计。
　　喷嘴的布置应根据防护区的大小、形状和制造厂商提供的喷嘴保护面积和高度条件确定。防护区内任一点均应在喷嘴的有效覆盖面积之内，防护区的高度应小于喷嘴的最大安装高度。若防护区的高度超过喷嘴的最大安装高度，则应布置多排喷嘴。对于局部应用系统，喷嘴的布置应根据防护区的大小、形状、防护区内可燃物的性质、数量和分布状况，并严格按制造厂商提供的喷嘴的应用特性，包括应用场所、流量特性、有效覆盖面积和喷嘴的安装高度与方向等进行设计。所选择的喷嘴类型、数量和布置的位置，应使防护区内可燃物体的所有暴露表面均处于喷嘴的有效覆盖范围内，包括对火灾可能蔓延到的区域及设备等。
　　取保护面积最大的氢气钢瓶厂房进行计算。选用架空型喷头JK8，设计流量为16.74kg/min～68.58kg/min，安装高度为1.0m～3.0m，保护面积为1.23m²～3.99m²，按下式计算喷头数量：

式中N——喷头数量；
　　A₁——保护对象计算面积，为9.28m²;
　　A_i——单个喷头的保护面积，取2.61m²;
　　K_b——二氧化碳设计浓度与二氧化碳基本设计浓度之间换算系数，查表得氢气的K_b=3.3，设计浓度为75%。

经计算N≥11.73，取设计喷头数量为12个。
3.2　二氧化碳设计用量计算
　　二氧化碳设计用量应按下式计算：

M=N ^. Q_i ^. t

式中M——二氧化碳设计用量，kg;
　　Q_i——单个喷头的设计流量，取42.66kg/min；
　　t——喷射时间，取0.5min。
　　M=12×42.66×0.5=255.96(kg)
　　架空型喷头的布置宜垂直于保护对象的表面，其瞄准点应是喷头保护面积的中心。当确需非垂直布置时，喷头的安装角不应小于45°。设计中取喷头的安装角度为60°～75°，喷头偏离保护面积中心的距离为0.25L_b～0.125L_b即1.45m～0.725m。
3.3　管网中干管的设计流量计算

Q=M/t

式中Q——管道的设计流量，kg/min。

Q=255.96/0.5=511.92(kg/min)

3.4　管网中支管的设计流量计算

式中Q₁——管道支管的设计流量，kg/min;
　　N_g——安装在计算支管流程下游的喷头数量，取6个，详见图2。

图2　氢气钢瓶厂房CO₂灭火系统喷头布置

Q₁=42.66×6=255.96(kg/min)

3.5　管道内径计算

式中D——管道内径，mm。
管网干管管道内径计算：

管网支管管道内径计算：

3.6　管道计算长度计算
　　管道的计算长度应为管道的实际长度与管道附件当量长度之和。管道附件的当量长度按《规范》附录B查得：三通DN40，1个，当量长度0.82m；三通DN15，5个，当量长度5×0.3=1.5m；弯头DN15，1个，当量长度0.52m，管道计算长度按下式计算。

L=L_实+L_当　　　　　
　　　　　 =(18+8.2)+(0.82+5×0.3+0.52)
=29.04(m)　　　　

3.7　管道压力降计算
　　管道压力降按照《规范》附录C图表，来分别计算出Q/D²、L/D^1.25:
第一段管道的压降P₁
　　管道内径为D=69(mm)
　　管道设计流量为Q=511.92(kg/min)
　　管段计算长度为L=18+0.82=18.82(m)
　　Q/D²=0.107(kg/min ^. mm²)
　　L/D^1.25=0.095(m/mm^1.25)
　　查图表得：P₁=5.17(MPa)
第二段管道的压降P₂
　　管道内径为D=40mm
　　管道设计流量为Q=255.96kg/min
　　管段计算长度为L=8.2+2.02=10.22(m)
　　Q/D²=0.16(kg/min ^. mm²)
　　L/D^1.25=0.10(m/mm^1.25)
　　查图表得：P₂=5.15(MPa)
　　管段累计压降为P₁+P₂=10.32MPa。
　　CO₂储瓶到喷嘴之间的高差为3m，设计选用CO₂灭火系统设计压力为15MPa，则喷头入口的压力为15-10.32-0.03=4.65MPa。
　　计算结果表明满足《规范》“喷头入口压力计算值不应小于1.4MPa(绝对压力)”的要求，由此可以确定前面选择的架空型喷嘴是合适的。
3.8　高压储瓶的数量计算
　　高压储瓶的计算式如下：

N_p=M_c/(α^. V₀)

式中N_p——储存容器数，个；
　　M_c——储存量，取1.4Q即360kg;
　　α——充装率，kg/L;
　　V₀——单个储存容器的容积，L。

N_p=360/(0.6×40)=15(个)

　　二氧化碳局部应用灭火系统是将二氧化碳直接喷射到保护对象表面来灭火，只有液态的二氧化碳才能有效地灭火，按正常充装密度充装的高压储瓶以液态形式喷出的二氧化碳仅为充装量的70%～75%。在ISO6183中规定“对于高压储存系统，二氧化碳的设计用量应增加40%，以确定容器的名义储存能力”。因此只有喷出的液体部分才是有效的。
3.9　控制与操作
　　二氧化碳局部应用灭火系统用于经常有人工作的保护场所，所以灭火系统设置了手动控制和机械应急操作两种启动方式。手动操作装置设在保护区外附近便于操作的地方，并可在此处完成系统启动的全部操作。在防护区内设置了火灾探测器，其信号与声光报警器连接。
3.10　安全措施
　　(1)在保护区门口处设置了声光报警器，并且能够手动切除报警信号；
　　(2)在防护区的入口处设置了灭火系统防护标志以及二氧化碳喷放指示灯；
　　(3)在二氧化碳灭火系统的管网上设置了防静电接地装置，从而防止由于静电而引起爆炸事故；
　　(4)在灭火系统中设置了灭火剂称重装置，以便及时补充灭火剂用量；
　　(5)设备安装完后，应对管道、喷嘴用压缩空气(或氮气)进行彻底吹除，然后对管道系统进行液压试验和气密性试验；
　　(6)在操作室内配备了专用的空气呼吸器；
　　(7)由于二氧化碳比空气重，施放后往往聚集在防护区的低处，因此在厂房的底部距离地面46cm以内设置了固定排气扇，排气量为保护区内每小时换气次数大于4次。
　　二氧化碳灭火系统在发出火灾报警信号和释放灭火剂之间有20s～30s的间隔。这给防护区内的人员提供了撤离的时间以及判断防护区的火灾是否可以用手提式灭火器，而不必启动二氧化碳灭火系统。如果防护区内的人员发现火灾很小，可将灭火系统启动控制部分切断，从而减少不必要的麻烦。

4　消防给水设计
4.1　室内消防给水设计
　　室内消火栓是我国目前室内的主要灭火设备之一，消火栓布置的合理与否，直接影响灭火的效果。《规范》中说明，当建筑物高度大于24m时属于高层建筑，应立足于室内消防自救。
　　室内消火栓用水量应根据同时使用水枪数量和充实水柱的长度来计算确定。已知该高层工业建筑的层高为6m，取消火栓的口径为DN65，水枪的口径为19mm麻质水龙带，长25m。采用水枪的上倾角为45°，计算水枪的充实水柱长度为8.48m。但《规范》规定高层工业建筑的水枪充实水柱长度不应小于13m，因此该高层工业建筑的水枪充实水柱长仍采用13m。由《给水排水设计手册》(2)中查表(2—3)得出当水枪充实水柱长度为13m、水枪口径为19mm时，水枪口流量为5.7L/s。计算可知水枪喷嘴处的压力为20.6mH₂O(1mH₂O=10kPa)，厂房内消火栓同时使用4支，则用水量为22.8L/s。《规范》规定室内消火栓用水量为25L/s，同时使用水枪数量5支，每根竖管最小流量为15L/s，因此室内消火栓设计用水量取25L/s。
　　高层建筑物的屋顶应设试验和检查用的屋顶消火栓。屋顶消火栓供消防队定期检查室内消火栓给水系统的供水能力使用。每支水枪的充实水柱长度不应小于10m，水龙带长度为25m。
　　高层工业建筑内，每个消火栓处应设启动消防水泵的按钮。按钮应设保护设施，防止误启动。
　　由于化学制药生产都要定期检修和大修，不是连续生产。没有火灾时，消防系统处于待命状态，因此消防系统作成临时高压给水系统较为适宜。在确定消防泵的流量和扬程时，应考虑到屋顶水箱难于满足屋顶消火栓的水量、水压需要。
4.2　室外消防给水设计
　　生产厂区已设有室外环状消防管网，靠近本生产装置一段，消防管网管径为DN150，流量为30L/s，压力保持0.4MPa。
　　《规范》规定：“室外消火栓的间距不应超过120m；室外消火栓的数量应按室外消防用水量计算确定。每个室外消火栓的用水量应按10L/s～15L/s计算；室外地上式消火栓应有一个直径为150mm或100mm和两个直径为65mm的栓口；室外消火栓用水量应按消防需水量最大的一座建筑物或防火分区计算，成组布置的建筑物应按消防需水量较大的相邻两座计算”。
　　由此可以确定室外消防用水量为30L/s。以室外地上式消火栓栓口直径为DN65(按消火栓设有一个DN100和两个DN65的栓口考虑)，喷嘴口径19mm，水枪流量不小于5L/s来计算，则水枪需要保持的充实水柱长度应为12m(流量为5.2L/s)。当充实水柱长度为12m时，水枪喷嘴处的压力为17mH₂O(1mH₂O=10kPa)。

5　其它
　　本生产装置电气负荷属于三级负荷，部分生产区域属气体或蒸汽爆炸危险场所2区。生产装置内电动机配电线路沿托盘式桥架敷设，动力线路采用1kV全塑铜芯电缆，控制按钮的线路采用KVV4×1.5控制电缆。电动机控制按钮选用LA5821型，其防爆标志为edⅡ CT6，完全符合场所的防爆要求。灯是选用eYD51—40×2GⅡ WF2，防爆标志为edⅡCT6，防护等级IP55。建筑物防雷设计按GB50057-94第二类进行设计。
　　主厂房顶设有天窗以自然通风为主，其他各层在南北两侧均设有轴流风扇。厂房内采取热水采暖。加氢、触媒、氢气钢瓶3个厂房均为半敞开式结构，以自然通风为主，操作室内设暖气和排风扇。

6　结束语
　　在本文中较全面地介绍了各专业对于该工程的设计情况，由此也说明了对于危险性较大的并且在生产中较难控制的甲类生产装置，只有各专业的通力协作，针对生产过程中的危险点，进行严格设计，在遵从《规范》的前提下，去更加完善工程设计，才能创造一个安全、可靠、防范性强的生产环境。

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