大型外浮顶油罐充氮防雷灭火系统

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工业安全与环保

I ndust r i al Saf e t y a nd Envi r onm e nt al Pr o t ect i on

2013年第39卷第12期

D ecem ber2013

大型外浮顶油罐充氮防雷灭火系统*

文建军1张乐2丁波2

(1．浙江海洋学院石化与能源工程学院浙江舟山316000；2．常州大学石油工程学院江苏常州213016)

摘要针对大型外浮顶油罐一、二次环形密封空间油气积聚造成的安全问题，提出了一套充氮保护系统。传统的充氮保护系统通过充入氮气降低爆炸性气体的浓度，该系统则是通过充入氮气降低空间中氧气的

浓度，达到惰化可燃油气，降低爆炸危险性的目的，同时该系统可应用于外浮顶油罐火灾初期扑救。本文提出

了该系统的组成方案，并分析了该系统的适用性。

关键词外浮顶油罐防雷充氮保护惰化

N i t r ogen—Fi l l e d Pr ot ect i on sys觚f or L ar ge m oa6ng R oof T ank s

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0引言

雷击时产生的高温和放电，是大型浮顶油罐雷击燃爆的两个直接原因【1-2I。对于外浮顶油罐，一、二次环形密封空间存在油气混合物b J，在一定条件下，油罐一、二次环形密封空间局部油气混合物浓度可达爆炸极限14j。此外，金属油罐区电阻率较小，受感应雷的作用易产生较大的电场强度…5，导致雷电极易朝油罐区发展。当直击雷击中油罐，就可能造成油罐着火的重大事故。

目前防范油罐雷击火灾的技术措施主要有三个方面：

(1)接地及等电位防雷击技术。如提高油罐接地的可靠性，加强浮盘与罐壁的等电位连接的可靠性和分布均匀性，取消导静电板等措施以消除点火源。袁广明等【6J经过检测实践指出，等电位连接是防止雷电高电位反击的措施；王长旭17]通过对事故案例的分析，指出油罐浮盘与管壁之间的静电导出线的横截面积应大于25Ⅱ，m2。

(2)一、二次密封技术的目的是减少油气挥发*基金项目：浙江省教育厅科研项目(y201122071)。量，改进二次密封方法使二次密封装置即能起到对一次密封的保护作用，又使一、二次环形密封空间与大气有较好的通连，从而防止油气集聚。王振国【8J 分析了油罐密封的缺陷，指出需改进机械密封形式以达到油罐的本质安全；杨扬等人引9将一次密封的形式改造成一次机械镀锌钢板加内隔膜橡胶软密封，结果表明一、二次密封之间区域的可燃气体浓度由原来的80％L ET下降至10％LE T以下，有效的保证了储罐的安全。

(3)惰性气体防护，如哈龙灭火剂及其替代品[10-I ll。

充氮灭火系统在其他领域的应用开展较早【12’16|，但其在油库中的应用相对较晚，其基本原理是探测一、二次环形密封空问的油气浓度，当油气浓度达到危险范围时发出报警，在雷雨季充氮系统向密封空间充入氮气，降低可燃油气的浓度，达到防雷击火灾的目的。

I充氮防雷系统的不足

通过对舟山某油库充氮防雷系统应用情况的调

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研，系统主要存在以下问题：

(1)增加了安全隐患。安装可燃气体检测仪，引入了外部电源和相应的管路及附件，增加了物的不安全因素；可燃气体检测仪为保证其测量精确度，通常需要每年对其进行拆卸校验，在危险区的拆装过程增加了人为危险因素。

(2)可燃气体检测仪测量准确性较低。一、二次环形密封空间油气浓度分布不均匀，可燃气体检测仪安装数量有限；可燃气体检测仪安装处，因破坏了二次密封隔膜的完整，探测头与外部空间距离近；可燃气体检测仪安装位置较高，而油气密度大于空气密度；另外，充氮时气相不均匀等因素，使检测仪的检测准确度不高。

(3)控制过程不稳定。因为充氮是根据可燃气体检测仪的信号进行的，而检测信号的欠准确和不稳定，使得充氮过程成为一个不稳定过程。

(4)充氮时间不确定。在有雷电预警信号时，由于需要多长时间充氮可使油气浓度达到安全值不能确定，所以充氮在时间上必须有一定的提前量，而提前量难以量化；充氮使油气浓度达到安全值后，是否停止充氮系统运行需要人为控制；同时，根据雷电预警信号控制系统运行价值不高，空耗能量。

(5)充氮量相对较大。根据一、二次环形密封空间油气浓度的检测，其最大值接近5％，如要降低浓度到爆炸下限值(唧)的25％，根据计算，充氮量体积在101kPa压力下约为2．3倍充氮空间体积。

据此，提出一种兼顾防雷和灭火的外浮顶油罐一、二次密封空间充氮系统方案供探讨。

2充氮防雷灭火系统

2．1系统组成

系统组成如图1所示，该装置由三部分组成：一是制氮储存，该部分利用空气制氮，实现高压储存、调压输送；二是信号处理控制，该部分接收雷电预警信号、火灾报警信号和气体流量信号，通过对信号的分析处理来控制充氮阀门开度和充氮时间；三是充氮管网，该部分有防雷充氮及灭火充氮两种流程，由控制器信号控制阀门选择流程。

2．2油气惰化防雷

外浮顶油罐主要用于储存原油，其一、二次密封空间中的油气成份为轻质组分，与汽油油气组分近似，爆炸极限约l％一7％。用充氮稀释，油气不发生爆炸燃烧的含氧安全限值为9％，如充氮使一、二次密封空间氧含量达到8％，可认为油气不再会发生爆燃[17]。油气惰化防雷过程如下：控制器接收到雷电预警信号后，开启调节阀，氮气开始注入一、二次密封空间；在雷电预警信号到雷电发生的时间间隔内，使充氮量达到惰化浓度；流量计计量值达到惰化设计用量后，在设定时间内保持一、二次密封空间微正压状态。

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图1系统组成示惹

2．3充氮灭火

外浮顶油罐一、二次密封空间及火灾类型符合《氮气(I G～100)灭火系统设计规范》的防护区要求和火灾类型[10]。当油罐发生火灾时，火灾信号传递到控制器，控制器发出指令，开启直通式电磁阀，在较短时间(48～60S)内充人可全覆盖灭火的氮气量。

2．4系统关键量值确定

对惰化和灭火过程分析可知，该系统方案在应用中要实现比较精确的定量控制，取得好的效果，必须确定符合实际要求的惰化需氮量、灭火需氮量、氮储存量、缓冲罐压力、喷嘴数量及其喷注方式等。2．4．1氮气量

防护区氮气(I G一100)灭火设计用量或惰化设计用量的计算公式【18J：

肜=K Kb"iV‰(丽100)(1)

S=0．7997+0．00293T(2)式中，形为全淹没灭火设计用量或惰化设计用量，k；K b为开E l补偿系数；V为防护区净容积，m3；K 为防护区海拔高度修正系数；S为灭火剂气体在101 kPa大气压和防护区最低环境温度下的质量体积，m3／kg；T为防护区最低环境温度，oC；C为防护区灭火设计浓度或惰化设计浓度，％。

假设某油罐区内有l O座100000m3外浮顶油罐，油罐区所在地海拔高度为2m ，防护区最低环境