球罐固定水喷雾系统的设计与计算
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球罐固定水喷雾系统的设计与计算
[摘 要] 本文结合作者的工作经验，介绍球罐消防冷却用固定水喷雾系统的设计与计算方法，供设计人员参考。
[关键词] 球罐 固定水喷雾系统 设计与计算方法
球罐在油气田工厂、液化气及轻烃液体储存中是经常使用的一种容器。近几年来，随着社会需求的增加，生产的不断发展，原有的单罐容积400 m3的球罐已无法满足生产的需要，球罐已越来越向大型化发展。目前国内已建成1000 m3、2000 m3、3000 m3、3500 m3、6500 m3、10000 m3的球罐，其中10000 m3的球罐尚属国内第一大球罐。
根据《石油化工企业设计防火规范》GB 50160-92 1999年版的有关液化烃罐区消防的规定，液化烃储罐容积大于100m3时，应设置固定式消防冷却水系统或固定式水炮系统和移动式消防冷却供水系统。我国固定式消防冷却水系统多采用固定水喷雾系统。球罐的固定水喷雾装置不同于拱顶罐的冷却喷淋装置，拱顶罐的冷却喷淋环管一般设置1－3圈就足够了，而球罐的喷淋环管只布1－3圈是远远不够的，因为拱顶罐壁相对来说是直上直下的，而球罐的罐壁整个都是圆形的，当水流从球罐的上部沿罐壁向下流淌时会由于重力的作用离罐壁向外飞溅，这往往使得水喷淋不到球罐下部的罐壁。
下面，针对此项设计，谈谈自己的体会和想法。
1、球罐固定水喷雾系统
球罐固定水喷雾系统，设计时常常考虑为两种方法，一种是球罐火灾时用来扑灭火灾的；另一种是夏季气温较高，球罐外壁没有采用保温的状况下，为防止日晒引起球罐内液体升高，罐内压力上升，而需设置夏季降温用的喷淋冷却设施。为节省投资，可将球罐上部水喷雾系统兼做夏季防日晒喷淋降温用。
2 、球罐固定水喷雾系统的组成
固定水喷雾系统由消防水池、消防水泵、消防水管网、控制阀门、在球罐区防火堤外四周设置地上式消火栓、消防水炮、消防水泵结合器以及在球罐罐体上设置的消防供水竖管、供水环管、水雾喷头、过滤器等设备组成。本文主要谈谈消防供水竖管、供水环管、水雾喷头的设置。
3、球罐固定水喷雾系统的设计计算中需确定的内容
① 球罐固定水喷雾系统所需的设计水量Q
② 球罐喷淋环管的根数（层数）N
③ 球罐喷淋环管之间的夹角2γ
④ 球罐喷淋环管及竖管的管径d
⑤ 球罐喷淋环管的半径R和周长L
⑥ 每根喷淋环管上水雾喷头的数量n1
⑦ 球罐喷淋所需的水雾喷头的总数量n2
⑧ 水雾喷头距罐壁之间的距离L1
⑨ 水雾喷头之间的距离L2
⑩ 水雾喷头的型号及喷雾角度2α
4、球罐固定水喷雾系统的设计计算步骤可以按以下几个步骤计算。
第一步：确定球罐固定水喷雾系统的计算水量Q
Q=∏D2x q=4∏R2 x q
Q—球罐固定水喷雾系统的设计水量L/min
D－球罐的直径,m
R—球罐的半径,m
q---球罐的设计喷雾强度L/min. m2(着火罐为9L/min. m2,相临罐为4.5L/min. m2)
第二步：确定水雾喷头的喷雾角度2α
水雾喷头的喷雾角度2α由喷头的产品样本确定
第三步：确定水雾喷头距罐壁之间的距离L1
《水喷雾灭火系统设计规范》GB50219-95中规定, 喷头距罐壁之间的距离不应大于0.7m, 见图1.
A .------------------.B
1 在四边形ABCD中,
D.--------------.C A点为水雾喷头
AB与AD表示水雾喷头的喷水边界线
2 在三角形ABC中,
AC边长度为L1+R
BC边长度为R
AB边与AC边的夹角为α
AB边与BC边的夹角为β
AC边与BC边的夹角为γ
第四步：确定喷淋环管之间的夹角2γ
在图1中, 已知R L1 α欲求2γ
Rsinγ=(L1+R-Rcosγ)tgα
tgα= Rsinγ/[ L1+R(1Rcosγ)
则喷淋环管之间的夹角为2γ
第五步: 确定喷淋环管的根数N
已知2α, 喷淋环管可采用以下两种方式进行布置:
第一种方式: N’=90/2γ, N’取整后, 喷淋环管的根数 N=2N’+1
第一种方式: N’=(90-γ)/ 2γ, N’取整后, 喷淋环管的根数 N=2(N’+1)
第六步: 确定每根喷淋环管的半径R’
方式一: cosθ=R’/(R+ L1)
R’= (R+ L1) cosθ
θ= 2γ.4γ.6γ……
方式二: cosθ=R’/(R+ L1)
R’= (R+ L1) cosθ
θ=γ.3γ.5γ……
第七步: 确定喷淋环管的周长L
L=2∏R’
第八步: 确定喷淋环管上喷头之间的间距 L2
R1= L1xTan(0.5α)
式中: R1为水雾喷头喷洒锥底圆半径,m
当喷头采用矩形布置时, L2≥1.4 R1
当喷头采用菱形布置时, L2≥1.7 R1
第九步: 确定喷淋环管上喷头的个数n
n’=L/ L2 取偶数n, 并满足n≥n’
第十步: 确定喷头的出水量及型号
q=Q/n , 由q=k (10P) 0.5
根据K值可以确定喷头的型号.
第十一步: 确定喷头的总数N1
总喷头数量为每根喷淋环管上喷头数量之和.
第十二步: 校核喷头的实际出水量Q’与喷头计算出水量之间的差额, 如差额过大,则需调整L2, L1, r, 使Q’与Q接近.
第十三步: 确定喷淋环管的管径d
Q1=q x n1
根据Q1通过水力计算表即可查出喷淋环管的管径d
5、球罐设计数据
下面以3000m3为例， D=18051，采用8圈环管布置，喷头选ZSTWB-30-1350，即能符合喷头布置原则。
环管 环管周长(m) 球台面积(m2) 环罐计算流量(L/min) 喷头数(个) 环管实际流量(L/min) 喷头间距(m)
1 12.08 39.18 352.65 12 360 1.006
2 34.39 111.58 1004.19 34 1020 1.011
3 51.47 166.97 1502.71 51 1530 1.009
4 60.71 196.99 1772.95 60 1800 1.012
5 60.71 196.99 1772.95 60 1800 1.012
6 51.47 166.97 1502.71 51 1530 1.009
7 34.39 111.58 1004.19 34 1020 1.011
8 12.08 39.18 352.65 12 360 1.006
喷头共314个，流量314x30l/min=9420l/min=157l/s，可分两路供水。
第1、2、3、4圈为一路，流量为4710 l/min=78.5 l/s，管径DN200。
第5、6、7、8圈为一路，流量为4710 l/min=78.5 l/s，管径DN200。
6、设计中的注意事项
① 喷淋环管最好对称布置, 以便于设计与施工
② 喷淋环管喷头的布置应满足喷头的水雾锥沿纬线相交, 沿经线相接.
③ 喷淋环管与球罐盘梯相碰时最好现场解决.
④ 喷淋环管与球罐立柱相碰时应对喷头环管进行调整.
⑤ 喷淋环管在球罐平台上与其它专业管线相碰时应做适当调整.
参考文献
《水喷雾灭火系统设计规范》GB 50219-95
《石油化工企业防火设计规范》GB50160-92 1999年版
作者：任立军 新疆消防网