液氢罐区消防设计研究

液氢罐区消防设计研究

汪超

空气产品（山东）工程设计有限公司南京分公司，江苏省南京市210000

摘要：液氢作为一种化学品，遇到火源极易发生爆炸，所以液氢罐区储存、使用有着极为严格的要求。消防设计是从建构筑物的安全角度入手，对其消防功能进行科学设计及计算，当其发生火灾事故时可及时预警或扑救，可以挽救公众的生命财产安全，使火灾发生后的损失降到最低。基于此，对液氢罐区的消防设计进行研究，从液氢化学特性入手，分析液氢罐区消防工程设计要点及流程，为液氢罐区消防设计提供针对性意见，目的是提升液氢罐区安全指数，让液氢能够安全的应用在新能源等各类领域。

关键词：液氢罐区；消防设计；易燃易爆

在工业高速发展的现代，能源是推动国家发展的根基。我国是耗能大国与能源生产大国。我国煤炭储量丰富，但是以煤炭为核心的能源消费体系会对生态环境带来巨大损害，如何有效环保的利用煤炭资源，是我国面临的巨大挑战。在现代社会，化石燃料的过度使用加剧了全球气候变暖，伴随国际节能减排呼声的日益高涨，新能源成为国家发展的核心目标。氢能作为新能源领域的核心成员，具有环境友好、实用、利于规模化生产的优点。氢能存储方式可以分为高压气态储氢、液态储氢、固体储氢三种方式。

一 液氢的化学特性及危险因素分析

液氢为无色无味的透明液体，标准大气压下的沸点为-252.8℃，凝固点为-259.2℃，在空气中的燃烧极限范围为4%~75%，属于第二类气体中的易燃气体。

氢气易通过密封面，多孔材料等部位泄露。氢易渗入某些非金属材料内而引起氢的渗漏，若液氢或者氢浆系统发生渗漏，会导致液氢储罐外的真空绝热层被破坏，造成更大范围的泄露危险。若液氢大量泄露，泄露后的液氢或者氢浆，会迅速的蒸发扩散，形成可见的可爆气团，也可能导致系统负压，使周围环境中的空气及水蒸气进入，凝结成冰，堵塞管道和阀门。液氢在气化蒸发的过程中也会大量吸收热量，导致与之接触的材料和设备急速降温，影响设备和材料的稳定性，造成次生灾害。气化后的氢气迅速蒸发扩散，会导致可燃、可爆区域不断的扩大，且氢气的扩散肉眼不可见，高浓度的氢气会使人窒息，给后续的安全救援工作带来巨大的困难。液氢泄露发生火灾时，因为氢气火焰肉眼不易察觉，且高浓度的氢气会使人窒息，消防人员需要佩戴自给式呼吸器，穿着防静电服进入火灾现场，防止被不易察觉的氢气火焰烧伤。氢气的燃烧和爆燃会使周围区域的压力迅速升高，爆轰产生的冲击波会对燃烧区域外造成巨大的冲击，并伴随高温高压气体的迅速传播，对周围的设备及装置造成巨大的损害。

液氢罐区需要设置氢气浓度报警系统，宜设置紫外火焰和红外火焰探测器。液氢泄露时，要及时切断液氢和氢气来源，应防止氢气的聚集，对污染区域进行通风，对已泄露的氢气进行稀释，防止氢气积聚形成爆炸性气体混合物。

二 液氢罐区消防事故设计分析

1. 液氢的泄露及溢出

液氢泄露或者溢出时要切断泄漏源和溢出源，对泄露及溢出区域进行通风，防止氢气挥发聚集，工作人员需要及时撤出泄露区域，行动到通风良好的位置。若不能切断气源，应保持液氢系统的正压，防止系统发生回火，造成更大的灾害。对于已经泄露的氢气，需要进行稀释，防止氢气聚集形成爆炸性混合气体。

2．液氢的火灾及爆炸

当液氢发生泄露，且已经出现火灾事故时，应尽快的切断氢气来源，防止系统回火，切断现场的电源，防止发生次生灾害。当氢气来源不能切断时，需要采用水幕或者水喷雾系统对邻近的液氢储罐，可燃物，生产设备进行冷却降温，防止火灾扩大。

当液氢系统的超压和火灾导致爆炸发生时，应立即疏散危险区域的操作及救援人员，并立即通知消防部门，上报上级主管部门。不可以将可爆雾团的扩散范围作为混合性气体的扩散范围，要在更远处建立安全防护。

三 液氢罐区消防设计

在液氢罐区消防设计中，消防灭火系统是其核心组成。消防水灭火系统的水源包括市政供水、消防水池供水、自然水源供水。常规条件下，为了保障消防水灭火系统的稳定性与可靠性，通常使用专用的消防水池供水，或者将几种供水系统联合使用，以免某个供水系统故障而延误灭火时机。为了确保系统水源稳定，消防水灭火系统规划中需注意如下几点问题。首先，对于液氢罐区的消防冷却水设置，需采用雾化喷头，消防水需要完全雾化，防止水柱直接冲击泄露的液氢，造成液氢迅速气化或者消防水凝结成冰，影响灭火效果，加速灾害的发生。其二，液氢储罐需全面积保护，并对可能发生泄露的位置加强保护，以此提升冷却效果。其三，消防冷却水泵要选用合适的供水压力，既要避免因压力不足造成消防水不能完全雾化，又要避免管网承压超过荷载而破坏供水系统。其四，液氢罐区消防冷却水管网需布置为环状结构，为消防灭火提供保障。

1. 消防给水模式

消防水灭火系统设计模式分为高压给水系统、稳高压给水系统和低压给水系统三类。高压给水系统指代管网内始终保持随时进行灭火的供水压力，该系统在实际应用中很难运用。稳高压给水系统在日常运行中内部水压与水量不满足灭火需求，当发生火灾后，该系统可自动启动消防水泵从而提升运行压力及增加出水量，满足灭火时的压力与供水需求。稳高压给水系统，一般由稳压设备稳定系统压力，既可以在极短时间内供给灭火所需的水量与水压，还可降低灭火成本的投入及系统投建阶段的经费支出。低压给水系统在日常管网运行中压力较低，开展灭火工作时可向内部加压，从而满足灭火需求。上述三种灭火方式均需借助外界力量实现灭火，综上消防冷却水系统采用稳高压给水系统具有操作简单且后期运维成本低的优势。

2. 消防水灭火系统的设计

液氢罐区设置固定式消防冷却系统和移动式消防冷却水系统。

液氢储罐一般采用卧式储罐,储罐分为内外两层，内层为不锈钢材质，内外层之间为真空绝热夹层。由于液氢属于新能源，目前阶段并没有广泛的应用于民用领域，只是在军工，航天等领域有着少量的应用，所以目前国内外对于液氢的火灾保护并没有明确的规范要求，故需要在国内外目前现有的标准的基础之上，寻找最合适的做法，结合有关专家及部门的意见建议，合理的选择最适合的保护方式及技术参数。

因为液氢在储存容器中属于液体，在泄露之后会迅速的气化，属于可燃气体，在状态上与液化烃及液化天然气类似。液氢的储存容器为卧式罐，为内外两层，中间为真空绝热夹层。

按照《消防给水及消火栓系统技术规范》：液化烃半冷冻式储罐的着火罐喷水强度为9L/（min.m2），距离着火罐罐壁1.5倍着火罐直径范围内的邻近罐计算冷却水量，邻近罐按罐体表面积的1/2计算保护面积，喷水强度为9L/（min.m2），火灾延续时间为6h。液化石油气的邻近罐按照着火罐的直径与长度之和的0.75倍确定，保护强度和保护面积与液化烃一致，火灾延续时间为3h。卧式储罐邻近罐按照着火罐的直径与长度之和的0.75倍确定，喷水强度为6L/（min.m2），保护面积与液化烃一致，火灾延续时间为4h。

按照《石油化工企业设计防火标准》：卧式储罐宜采用移动式消防，喷水强度不应小于6L/（min.m2），邻近罐不应小于3L/（min.m2），火灾延续时间为4h。液化烃储罐的消防要求与《消防给水及消火栓系统技术规范》一致。

按照《石油天然气工程设计防火规范》：液化石油气储罐当采用卧式储罐时，着火罐冷却水供给强度不小于0.15L/（s.m2），保护面积按表面积计算。距着火罐直径（卧式罐按直径和长度之和的一半）1.5倍范围内的邻近罐冷却水供给强度不应小于0.15L/（s.m2），保护面积按表面积的一半计算。总容量小于220m3或者单罐容量不大于50m3的储罐，火灾延续时间为3h；其他为6h。

按照《水喷雾灭火系统技术规范》：液化烃半冷冻式储罐的喷水强度为9L/（min.m2），火灾延续时间为6h，距离着火罐罐壁1.5倍着火罐直径范围内的邻近罐计算冷却水量，邻近罐按罐体表面积的1/2计算保护面积。

按照NFPA 2 Hydrogen Technologies Code，消防系统按照NFPA 13要求设计，GH2 和LH2 的喷水要求按照Extra Hazard Group 1 要求设计。

NFPA 13 Standard for the Installation of Sprinkler Systems

但是NFPA 13只是针对Sprinkler Systems，并不是Water Spray System，且强度在8.2L/（min.m2）至12.2L/（min.m2）之间。

此外在固定式冷却水系统设计中需注意如下几点问题。首先，在对消防水量计算时需依照设计要求及液氢罐区罐体数量、间隔、大小、储量等合理分析，综合考虑。其次，根据上述环节设计出的消防水量、水压与流量后，需依照喷头点位布置再次通过建模，使用pipenet等水力计算软件，进行精确计算。

四 液氢罐区消防设计案例分析

4.1 工程概况

某新建化工企业，设置液氢罐区，液氢储罐采用卧式储罐，分为内外两层，内层为不锈钢材质，内外层之间为真空绝热夹层。外罐直径为6500mm，长为30000mm，椭圆形封头，单罐容积为400m3，共6个储罐，单排布置。现对新建罐区进行消防设计。

4.2 消防系统的设计

液氢罐区设置固定式冷却水系统和室外消火栓系统。

液氢罐区外围消防水管道采用稳高压消防水系统，环状布置。上设室外消火栓及消防炮。按照国内标准，需每5个消火栓设置一个隔断阀，但按NFPA 24每6个连接点（包含室外消火栓及消防炮）设置一个隔断阀，综合考虑后，按照NFPA 24 要求设置隔断阀，且确保两个隔断阀之前的消火栓数量不超过5个。

室外消火栓采用防撞调压式消火栓，设置间距不超过60m，每个消火栓设置一个室外消火栓箱，内设消防水带，水枪，呼吸器及消防斧。

消防水炮的设置需保证每个储罐都能够被消防水炮全覆盖。

固定式冷却系统采用水喷雾系统。在综合了国内规范后，消防设计征询了中国石油化工集团公司专家组意见，设计采用喷水强度9L/（min.m2），且对管道进出口，仪表口等局部危险区域加强保护。邻近罐按照着火罐的直径与长度之和的0.75倍确定，着火罐保护面积为全表面积，邻近罐为全表面积的一半，火灾持续时间采用6h。设计参数能满足现有的国内规范要求及NFPA相关要求。

储罐上的水喷雾管道采用环状布置，储罐上半部与下半部的消防管道分别各自在雨淋阀室内设置雨淋阀单独控制。水雾喷头的布置确保整个储罐被完全覆盖，且水雾能直接喷向储罐。

4.3 管道设计

本工程液氢罐区消防设计中，考虑到管线大多数情况下处于内部空置状态，很容易受到大气腐蚀，因此在管道选择时需择取抗腐蚀能力强的管道。如果利用常规碳素钢管，当达到一定使用年限后，将导致管道内部锈蚀，从而堵塞管道及喷头，延误最佳灭火时机。对此，在雨淋阀之前设置过滤器，过滤器后到储罐上的喷头的消防管道采用内外热镀锌钢管。为了避免管线因切割或钻孔导致的镀锌层破坏，采用机械煨弯的方式让管线达到预设形态，不可采用热煨弯形式。此外，喷头位置和连接支管位置及时清洗，发现锈渣后及时清除，避免水雾喷头发生堵塞问题。储罐上的消防支架，在设计好规格，确定好位置之后，由储罐厂家在工厂内与储罐整体预制，避免现场焊接施工破坏储罐外罐壁，继而破坏真空绝热层，为之后的运行与操作埋下安全隐患。

4.4 消防报警及控制系统的设计

为保证液氢储罐安全运行，在液氢罐区建立完备的自动消防控制系统十分重要。本工程规划完成后，可保证液氢罐区在火灾发生初期后可借助全天候监控系统对火情进行动态探测，并发出预警信号，同时启动雨淋阀门，自动启动消防泵，向给水系统供水加压。当发生火灾后，可在第一时间向着火的液氢罐体进行水雾覆盖，配合罐区外围的室外消火栓及消防炮，将火灾控制在最小的范围之内，确保液氢罐体不会由于温度升高而发生垮塌事故，造成更大范围的灾害。相邻液氢储罐水喷雾系统可同时启动，可从上而下形成隔断式屏蔽效果，让其将储罐与热空气隔绝，同时达到冷却罐体的目的。固定式水喷雾系统设计中配置的控制阀门采用雨淋阀，可通过消防泵房及消防控制室对罐区消防系统进行集中控制，形成全天候消防监控网络。最后，在火灾报警装置设计中，由于氢气火灾肉眼不易察觉，没有烟雾，故设置了紫外火焰探测器和红外火焰探测器。且在罐区设置了浓度报警装置。

当发生火灾后，探头可自动捕捉火灾情形并发生预警，连同系统打开雨淋阀，进行灭火作业，同时由于消防水系统的压力降低，将会连锁开启消防水泵。消防控制室接收到火情信号后，也可远程手动控制雨淋阀的开启，当火情得到控制后，不可远程关闭消防水泵，必须由专业消防人员就地关闭消防泵。

结束语：

液氢储罐消防设计中需满足我国现行设计标准，同时借鉴国外相关的规范要求，在规范与标准基础上，综合考虑液氢罐区运行实际要求，优化管道系统，尤其是消防系统参数的选择，管道的布置与消防设施的设置等方面。为提升液氢罐区运行的稳定性与安全性，还需对消防冷却水系统继续进行深入研究，不断地完善相关标准及要求，在实践中总结经验，以期待液氢作为新能源能够更加安全的服务于社会。

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