油灌区消防安全监控系统的应用设计.doc

武警学院毕业设计（论文）用纸 第 16 页油灌区消防安全监控系统的应用设计工程六队 闫琪【摘 要】 本文分析石化油罐区火灾特点、消防安全监控要求和消防应急处置方法，探讨罐区可燃气体泄漏和消防监控系统的设计原则与构成方法，并通过实例说明石化储罐区泄漏监测、安全监控和消防联动三级处置措施。【关键词】 可燃气体，易燃液体，油罐区，泄漏监测，消防监控1 前言随着我国社会主义现代化建设事业的发展，国内各地地炼油厂、石油化工厂、石油库、液化气库等易燃易爆场所的数量和规模都相当可观。如广东省内的茂名石化联合企业、广东石化联合企业等。其不但含有石化联合生产工艺装置，而且还有大型的易燃易爆的原料；油品和化工成品储罐区。这些场所皆有爆炸危险，易导致大范围火灾而造成扑救困难和人身重大伤亡及财产的重大损失，同时也带来了广泛的油罐区消防安全问题。鉴于油罐区特殊的火灾危险性，在罐区内设计安装监测与消防安全监控系统具有实际意义，起目的在于将罐区内诸多的危险因素及环境和工艺参数给予实时监测、报警和监控，分析判断储罐区的安全状态，及时预测可能的事故后果和消除事故隐患，避免火灾事故发生。2 油罐区火灾特点及原因石化储罐区储存的物质主要是油品及液化气等可燃、易燃液体，可燃液体常温下遇点火源易起火燃烧，且具有流淌性，装盛可燃、易燃液体的容器、管道一旦发生泄漏，会产生可燃气体及易燃液体蒸气，尤其是蒸气压较高的可燃液体，在流淌过程中液体蒸发速度加快，不断地从液面散发可燃蒸气，一旦接触火源，即使是极其微小的火花，都有引起燃烧爆炸的危险。石油产品的火灾有以下特点及原因：（1）着火速度快，火势凶猛。按一般规律，燃烧可分为初起阶段、发展阶段、猛烈阶段。而石油产品着火，分三个阶段，亦不明显，而且在极短的时间内，甚至在一瞬间，就形成了火海，其速度之快，火势之凶猛，是石化储罐火灾特点之一。由于石油产品易燃烧的特性，主要是以其闪点、燃点、自然点来衡量的。一般石油产品的闪点与燃点相差约15；即使闪点在100以上的石油产品，其燃点比闪点仅高30。例如：汽油的闪点是-5030，爆炸极限上限6.48，下限1.58，自然点是415530，一旦泄漏，迅速变为油蒸汽与空气混合，形成易燃、易爆气体。它被气流推动、扩散，其漂移距离一般在45.7左右，这时，哪怕是遇到闪电一样的火花，刹那间也会引起一场火灾，其火势就在整个油蒸汽范围内猛烈燃烧。所以，闪点越低的石油产品，其火灾危险性越大，燃烧速度越快，火势凶猛。（2）火焰高，辐射强。例如一个5000 M3油罐燃烧时，若直径为11.5 M3时，其辐射热度平均值为1400大卡/平方米小时；若直径为23m时，则为30004000大卡/平方米小时。(3)烟雾大，毒气重。石油产品一旦着火，其烟雾和有毒气体，比其他物质高出34倍，特别是部分原料其本身就有毒性，如二氧化硫（）、硫化氢（）一氧化碳（）、环氧乙烷（）等。如果火场中有这些有毒物料，其有毒气体会更浓。(4)爆炸危险性大，连锁反应快。石化储罐区一旦有易燃液体、气体泄漏，遇火星，即可闪燃或因超温超压引起爆炸，如果扑救措施不力。则易引起连锁反应，造成损失。(5)冲击波力大，破坏性强。石化储罐区生产装置一旦发生火灾爆炸事故，其冲击波在瞬间可摧毁设备和厂房。(6)受热膨胀快，流动范围广，扩散快。石油产品受热后体积膨胀快，同时蒸汽压力增强，若物料储存于密闭的容器中，就会造成容器的膨胀，甚至炸裂；一旦发生破裂，液体泄漏出，就会流动扩散；而液体流动扩散的强弱取决于油品本身的黏度，黏度低则流动扩散性强，会向四周流散，造成大面积燃烧。(7)容易蒸发，火灾难以控制。石油产品尤其是轻质油品具有易蒸发特性，比重越轻的油品其蒸发越快，闪点亦越低，火灾危险性越大。石油产品的蒸发有两种状态：静止蒸发是指在比较严密的容器内的油在空气不太流通情况下，液面发生的蒸发现象；流动蒸发是指油品在进行泵送或灌装时，油品或周围的空气处于流动情况下，或二者都处在流动情况下所发生的蒸发现象。石油产品的蒸发速度与温度、蒸发面积、液体表面空气流动速度、液面承受的压力、比重等因素有关；蒸发速度较快的油品，其蒸发油气在空气中的浓度易超过爆炸下限而形成爆炸性混合物，且其比重一般在1.59-4.00之间，往往在作业区空间、地面弥漫飘荡，在低洼处聚积不散，大大增加了火灾危险性。(8)容易沸腾突溢。储存重质油品的油罐着火后，由于辐射热作用、热波作用和水蒸气作用，有时会引起油品沸腾突溢，使燃烧的油品大量外溢，甚至从罐内猛烈喷出，扩大灾情。(9)容易产生静电。石油产品的电阻率一般在1012cm左右，当沿管道流动与管壁摩擦和在运输过程中因震荡与车、船管壁冲击，以及在装卸、灌装、泵送等作业过程中，都会产生静电且电位高达2-3万伏。静电的主要危害是静电放电；当静电放电产生的火花能量达到或大于油品蒸气的最小点火能量时，会立刻引起燃烧或爆炸。(10)容易出现超稳、超压、超负荷引起容器破裂泄漏发生火灾爆炸事故。3 油罐区火灾安全监测及消防监控需解决的问题石化消防安全的核心问题是通过监控手段保障生产过程安全。在石化生产过程体系中某一环节的消防安全问题，应与石化生产体系及生产工艺紧密结合、与企业发展决策紧密结合。因此，石化储罐区可燃气体及易燃液体泄漏检测与消防监控与消防监控系统在设计中需解决下列问题：(1)充分考虑生产过程复杂的工艺安全因素、被保护对象火灾特殊性、或蔓延和连锁反应问题，实现消防安全与生产工艺相结合。(2)通过计算机通信、控制与信息的有机结合 ,实现不同消防安全单元或区域、不同消防安全监控设备的纤细交互。(3)进行消防安全信息化管理，实现数据库的图形化及可透视性、消防安全信息共享和消防安全事故分析诊断。显然，实现石化储罐区的消防安全具有强烈的针对性，应综合考虑石化生产体系安全要求和实际生产工艺状况，形成相关设计、施工指导原则和方法。4. 石化储罐区泄漏监测与消防设备联动要求4.1 监测系统的主导思想 油罐区火灾监控系统是以火灾为监测对象，根据防灾要求和特点而设计、构成和工作的，是一种及时发现和通报火情，并采取有效措施控制和扑灭火灾而设置在油罐对象中的自动消防设施，是将油罐火消灭在萌芽状态，最大限度地减少火灾的有力工具。随着社会对消防和救灾抢险工作提出越来越高的要求，消防技术设施和消防技术手段之一，也越来越显示出它的重要性。4.2 监测系统的监测参数(1)机械罐体、阀门、管件以及支撑建筑物的强度；(2)工艺储罐内部的压力、温度、液体、成分、以及与储罐内物理化学状态密切相关的流量等；(3) 气象风速、风向、气温、气压、温度；(4)火险液化石油气包括许多易燃易爆气体，它是由石油经过石油化工厂过程中得到的，主要成分有乙烷、丙烷、丁烷、丙烯丁烯等等，火险分类为甲类。43 泄漏监测要求 根据石化储罐区特殊的火灾危险性和可燃气体及易燃液体泄漏监测实际需要，其消防安全监测参数主要是可燃气体浓度、成分、温度、液位或压力等工艺参数。此外，石化储罐区的火灾监测参数应充分考虑罐区特点来确定，当储存油品为原油等重质油品时，因其含碳量较多，燃烧将产生大量的烟气，火灾探测的重点是对烟气浓度探测，同时对火灾温度进行监测；对于轻质油品及一些成品油，由于其含碳量较少，燃烧较充分，在火灾燃烧初期不会产生或少量产生烟气，应着重考虑火焰探测和图像监测问题。总体来讲，石化储罐区消防安全监测要求是通过对工艺参数和火灾参数的实时监测和数据分析，实现参数异常情况及时报警并预测判断可能的后果，采取有效的联动控制方式，启动消防安全设施及灭火设施。据此，在石化监测环境中工艺参数的监测要求，主要是有效测量各类参数，分析预测石化储罐区的安全状态、事故可能性及火灾危险性，根据判断结果采取相应的安全措施；对火灾参数的监测要求是在火灾初期对烟气浓度、温度、光辐射强度等进行有效监测，综合分析监测数据，及时产生报警信号及联动控制信号，有效启动现场灭火设备。44 消防设备联动控制要求 石化储罐区的消防设备主要包括火灾警报装置、灭火设备及安全操作设备。火灾警报装置是为了在安全参数出现异常或火灾发生时产生及时报警，主要设备有警铃、水力警铃、事故广播等。灭火设备是为了在火灾初期有效的控制火势，及时扑灭初起火灾，主要设备有消防炮、泡沫泵、自动喷淋泵等。安全操作设备是为了在安全参数出现异常时对物料管线及各种控制阀门进行控制和操作，如压力阀等。石化储罐区中各种消防设备对联动控制的要求不同，有些设备要求在出现异常时直接启动，如警铃；有些设备在出现异常后需要延时启动，如消防水泵需在火灾确认后启动；有些设备则需要在启动后，对系统返回状态信号，如泡沫泵等。石化储罐区具有联动要求的主要设备有消防水泵、泡沫泵、安全阀、声光报警器、讯响器、消防电话及消防广播等。考虑到石化储罐区消防水泵、泡沫泵等设备数量少，重要性强且分散布置，多采用专线方式直接控制或专线与总线复合控制方式，使用DC24V标准驱动信号直接送入消防设备配电箱驱动，以确保这些设备动作的高度可靠性。5. 石化储罐区可燃气体及易燃液体泄漏监测与消防监控系统设计5.1 系统设计原则石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统的设计思路，是根据石化储罐区消防安全监测要求，采用系统集成方法设计构造系统，实现石化储罐区安全参数实时监测处理和安全状态分析，及时预测可能的灾害事故后果，并通过联动控制装置有效启动现场消防设备或灭火设施。 根据上述思路，系统设计遵循两项原则：一是管理软件与系统硬件相结合，根据实际情况制定安全管理规则和事故处置预案，将安全管理要求和事故处置预案与硬件系统有机结合起来，确保设备监测可靠性和联动有效性；二是生产监测与安全监控相结合，通过连锁控制、自动停车及其它参数控制等措施，使罐区进出料生产过程控制与静态安全参数监测协调互补，达到安全生产的目的。5.2 系统硬件结构图1 石化储罐区火灾监测与灭火联动控制系统结构图根据石化储罐区的特点，考虑到工艺参数和火灾参数的监测要求，石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统采用图1示结构形式，以兼顾工艺监测参数DC420mA传输和火灾参数频率量传输的不同要求，以及灭火设备联动控制所需的信号要求。图1系统中，火灾参数探测一般采用防爆型火灾探测器，如选用防爆型火焰光探测器、防爆型电子感温探测器、线缆感温探测装置等；工艺参数监测则根据数据通信协议要求，设计构造防爆型DDZ转换器，接受处理DC420mA本安型一次仪表输出信号，如可燃气体浓度、气体成分、储罐温度、液位、压力等工艺参数探测器的输出信号；监控主机主要完成对工艺安全参数及火灾参数的连续采集处理和状态分析，及时预测事故并采取处理措施，有效启动现场消防设备，实施灭火操作。5.3 系统软件设计按照系统集成方法，石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统的应用软件采用模块化编程，主要包括系统主控模块、事故处理模块、信息通信模块、消防管理模块等，功能如下：(1) 系统主控模块 主要完成数据采集处理、报警判断与联动控制输出、自动与手动控制方式切换、系统管理。(2) 事故处置模块 根据监测数据完成对监测区域安全状态的事故状态分析预测，对工艺安全进行操作控制和处置紧急情况，实施救灾方案。(3) 信息通信模块 主要完成通信协议管理、数据通信控制、异地远程联网(4) 消防管理模块 主要完成系统操作管理、设备工况管理、防火管理与数据存储。按上述模块划分，系统应用软件可采用Windows环境下编程语言，面向对象设计应用界面和数据库，全面支持可视化编程，提供集中数据管理功能。5.4 数据通信传输在数据通信方面，石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统主要依靠各类探测器采集现场数据并送入监控主机，通过对各类参数的数据分析处理和预测判断，产生报警与消防设备联动控制信号，同时将监测数据及各种信号存入系统数据库，并通过远程传输方式送入上级管理中心，实现数据分类地存储、数据共享、信息查询和业务管理等功能。石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统的数据通信传输方式图所示。图2 石化储罐区可燃气体泄漏安全监测及应急处置系统数据传输框图 5.5 应急处置措施石化储罐区可燃气体泄漏的应急处置措施，由罐区泄漏源的储存及分布状况、事故灾害的危害特性及相应对策、消防安全监控装置的联动控制逻辑等多种因素决定，需结合罐区实际状况，从关关闭阀门断气、漏点封堵、倒罐泄压、堵漏装置堵漏、稀释驱散、水幕堵截、疏散警戒、连续测试等多方面考虑，制定应急处置预案和处置措施，在消防安全监控系统中加以实现。6. 2000M3泄漏监测及消防安全监控系统实例根据上述石化储罐区可燃气体泄漏监测及消防安全监控系统设计实现方法，以某橡胶厂液化气罐区为依托工程，在考虑球罐实际状况、分析石化储罐区消防安全性、确定监测参数和有效监控方法基础上，针对生产安全和消防安全要求确定的系统结构如图3所示。系统设置了高液位、压力、火灾监测和灭火联动方面的手动/自动控制，以及生产安全和消防安全事故处置预案与灭火预案，体现了石化储罐区消防安全监控系统整体设计和工程实际的有机结合。图3系统的监控范围是2000M3 碳四球罐及其泵区，监测参数包括球罐压力、温度、液位和高液位，罐区和泵区可燃气泄漏量，罐区和泵区20m范围感温式火灾信息；系统共计4个可燃气体泄漏监测点，1条感温监测电缆（火灾报警），1个高液位监测报警点和液位、压力、温度,3个生产参数监测点，整个系统由监控主机管理。其中，液位、压力和温度3个监测参数取自石化储罐区生产安全控制系统（DCS）；可燃气体泄漏监测报警采用4台北京科力恒公司生产的SP3102型可燃气体浓度探测器，3台安装在2000M3球罐底部，1台安装在物料泵区，探测器输出为DC420mA标准信号并直接送入监控主机；火灾探测报警采用英国KIDDE公司可复用式线型感温电缆，在物料泵区架设10m，2000M3球罐底部架设10m，开关量报警信号送入监控主机；高液位开关量报警信号取自2000M3球罐顶部安装的高液位报警装置。根据罐区监控要求，图3系统还配备了生产安全和消防安全控制装置，完成下列设备系统的控制功能：(1) 由液位参数或人工操作实现球罐进出料阀自动/手动控制，以及进出料泵自动/手动控制；(2) 由压力参数或人工操作实现放空阀自动/手动控制，以及水喷淋装置自动/手动控制；(3) 由火灾监测参数或人工操作实现消防水炮自动/手动控制；(4) 由火灾监测参数或人工操作实现消防泡沫泵自动/手动控制。图3所示某橡胶厂 液化气 罐区2000M3 球罐消防安全监控系统还具有下列性能特点：(1)实现球罐压力、温度、液位和高高液位、罐区和泵区可燃气泄漏量、罐区和泵区火灾温度等参的实时监测。(2) 监控主机主界面以数字量及棒图、文字或指示灯实时显示： 储罐液位、压力和温度的实监值及报警状态； 正常火灾监测及其报警状态； 高高液位及其报警状态； 可燃气体泄漏监测值及报警状态； 各监测参数预置报警值； 球罐进料阀、放空阀及消防水枪和泡沫灭火枪的关闭和启动状态。图3 某橡胶厂液化气罐区2000M3 球罐消防安全监控系统结构框图 (3) 监控主机主界面通过切换操作，可显示： 消防预案和消防力量布局图； 报警处置预案和处置结果；球罐液位和压力、温度的24小时实测趋势图。 (4) 具有系统各监控参数手动/自动两种控制功能；监测参数超限报警时，操作人员按相应预案进行有序控制和处置；罐内压力超标报警时，延时30秒无人工介入则自动启动放空阀喷淋水阀；罐