穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)壓力設(shè)定值探討

范海成 童富良 羅雙全 孫文濤

1.中國(guó)石油工程建設(shè)公司，北京 100120；

2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

近年來(lái)，在包含消防給水系統(tǒng)的項(xiàng)目中，多數(shù)存在消防泵啟動(dòng)超電流和消防穩(wěn)壓泵頻繁啟停情況，以及燒電機(jī)和穩(wěn)壓泵頻繁啟停損壞泵的隱患。 本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)消防相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)的研究， 結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)消防給水系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化，解決了上述操作隱患。

1 組成和控制原理

按照國(guó)內(nèi)消防標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)條款，大型石油化工企業(yè)的工藝裝置區(qū)、 罐區(qū)等應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)，推薦壓力0.7～1.2 MPa［1］。 盡管穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)在設(shè)備配置上大同小異，但由于設(shè)計(jì)者對(duì)消防標(biāo)準(zhǔn)的理解不同，系統(tǒng)在運(yùn)行中的可靠性亦存在差異。

基于工作實(shí)踐，本文參考涉外油氣田消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)油氣田穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的壓力設(shè)置和壓力聯(lián)鎖進(jìn)行了討論。

1.1 組成

穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)一般應(yīng)由消防穩(wěn)壓泵、消防水泵、聯(lián)鎖控制設(shè)備、閥門(mén)、儲(chǔ)水設(shè)施和消防管網(wǎng)等組成［2］。依據(jù)NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)， 典型穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖1。

圖1 符合NFPA 要求的典型穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)

符合NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上有特殊要求：

a） 在柴油引擎驅(qū)動(dòng)消防泵出口單向閥的上游設(shè)置柴油引擎超速保護(hù)泄壓閥，設(shè)定值不應(yīng)大于柴油引擎驅(qū)動(dòng)消防泵關(guān)閥壓力的121%［3］。

如果泵出口關(guān)閥壓力的121% 加上泵入口最大壓力不高于消防管網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力，則可以不設(shè)置該超速保護(hù)回流線。

121% 這個(gè)數(shù)值是基于NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)所要求的柴油引擎在超速10%時(shí)自動(dòng)停車(chē)而設(shè)定。 如果按照國(guó)標(biāo)，引擎可以在超速15%～20%時(shí)停車(chē)，則需要將百分?jǐn)?shù)相應(yīng)提高。

b）在每臺(tái)泵出口的單向閥和出口閥之間，通過(guò)引壓管線與各泵的控制盤(pán)相連接，且需在引壓管線上安裝流向指向泵出口管線的帶小孔單向閥。

這樣設(shè)置可以確保消防管網(wǎng)壓力降低時(shí)，泵組能迅速啟動(dòng)，且有效保護(hù)控制盤(pán)免受來(lái)自管網(wǎng)的水擊。

c） 除超速保護(hù)泄壓閥以及安裝在電動(dòng)泵泵體上的最小流量泄壓閥（一般為DN 20 或DN 25）之外，不允許設(shè)置其它壓力控制閥或泄壓閥來(lái)控制泵的出口壓力。

d）消防泵出口設(shè)置測(cè)試回流線，回流線上設(shè)置流量計(jì)。 該設(shè)計(jì)主要用于消防泵周期性的性能檢查。

1.2 控制原理

根據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)靠管網(wǎng)壓力自動(dòng)啟動(dòng)消防主泵［1］。 綜合NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條款，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的控制原理為：

a）在非火災(zāi)狀況下，管網(wǎng)內(nèi)的微小泄漏導(dǎo)致整個(gè)管網(wǎng)壓力下降， 穩(wěn)壓泵根據(jù)控制盤(pán)預(yù)設(shè)啟動(dòng)壓力自啟，并在達(dá)到預(yù)設(shè)停泵壓力后自停。 有時(shí)為了避免穩(wěn)壓泵頻繁啟停，穩(wěn)壓泵也可在達(dá)到設(shè)定壓力后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間再自動(dòng)停止。

b） 當(dāng)管網(wǎng)壓力低于備用穩(wěn)壓泵的啟動(dòng)壓力設(shè)定值時(shí)，備用穩(wěn)壓泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，且在達(dá)到預(yù)設(shè)的停泵壓力時(shí)自動(dòng)停泵，或運(yùn)行一段時(shí)間后自動(dòng)停泵。 這種情況下，一般要求備用穩(wěn)壓泵的啟動(dòng)壓力比主穩(wěn)壓泵的啟動(dòng)壓力至少低0.034 MPa。 也可以將備用穩(wěn)壓泵的啟動(dòng)壓力設(shè)定為與主穩(wěn)壓泵相同的啟動(dòng)壓力并設(shè)置延時(shí)（如5 s）但一般不推薦。

c） 在火災(zāi)工況下，消防管網(wǎng)用水，穩(wěn)壓泵無(wú)法維持消防管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力降低至電動(dòng)泵控制盤(pán)預(yù)設(shè)的啟動(dòng)壓力時(shí)，電動(dòng)泵組將自動(dòng)啟動(dòng)。

d） 如果電動(dòng)泵由于電纜燒毀或其它原因無(wú)法順利啟動(dòng)，消防管網(wǎng)的壓力將進(jìn)一步降低至柴油引擎驅(qū)動(dòng)消防泵的啟動(dòng)壓力時(shí)，柴油引擎驅(qū)動(dòng)消防泵自動(dòng)啟動(dòng)。

同樣，也可以將柴油引擎驅(qū)動(dòng)消防泵的啟動(dòng)壓力設(shè)置成與電動(dòng)泵一樣的啟動(dòng)壓力并延時(shí)（如2 s）但一般不推薦。

2 壓力設(shè)置

根據(jù)NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)壓泵、消防電泵和消防柴油泵的壓力設(shè)置如下：

a） 穩(wěn)壓泵的自動(dòng)停泵壓力應(yīng)等于其零流量壓力加上穩(wěn)壓泵最小入口壓力。

b） 穩(wěn)壓泵的自動(dòng)啟泵壓力應(yīng)比自動(dòng)停泵壓力至少低0.068 MPa。

c） 消防電泵（主）的啟泵壓力應(yīng)至少比穩(wěn)壓泵的啟泵壓力低0.034 MPa。

d） 其它泵的啟泵壓力應(yīng)依次比消防電泵（主）的啟泵壓力低0.068 MPa。

e）如果設(shè)定了泵的最小運(yùn)行時(shí)間，則該泵的出口壓力加上最大入口壓力在零流量運(yùn)行工況下，不得超過(guò)管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。

可以看出，NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)只要求了穩(wěn)壓泵啟停壓力差的最小值， 以及穩(wěn)壓泵與電動(dòng)泵壓力間隔的最小值，電動(dòng)主泵與備用泵啟動(dòng)壓力間隔的最小值。

NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定穩(wěn)壓泵啟停壓力差的最小值，主要是避免泵的頻繁啟動(dòng)，頻繁啟動(dòng)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組溫度升高而燒毀或熱繼電器動(dòng)作導(dǎo)致供電中斷。 規(guī)定其它泵之間啟動(dòng)壓力差的最小值，主要是考慮壓力傳感器的誤差，及泵組在啟停瞬間的水擊，過(guò)低的差值可能導(dǎo)致主備泵組不能按照預(yù)設(shè)的優(yōu)先次序啟動(dòng)。

NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有規(guī)定穩(wěn)壓泵啟停壓力差的上限，以及各消防泵啟動(dòng)壓力間隔的最大值。 但實(shí)際設(shè)計(jì)中，為減少穩(wěn)壓泵的啟停頻率，或確保泵組的啟動(dòng)順序萬(wàn)無(wú)一失而任意增加泵組啟動(dòng)壓力差，會(huì)使備用泵在出口壓力非常低的情況下啟動(dòng)［4］。 可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)設(shè)的最后幾臺(tái)備用泵在啟動(dòng)初期出水壓力太低、流量過(guò)大使驅(qū)動(dòng)裝置過(guò)載。 對(duì)柴油引擎驅(qū)動(dòng)消防泵而言，該問(wèn)題更突出。

從典型離心泵的性能曲線圖可以看出，隨著流量增加，離心泵的工作點(diǎn)偏離最佳效率點(diǎn)，由于效率降低，泵的軸功率不斷增加。 而在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油引擎的最大輸出功率為定值。 如果泵的輸入功率超過(guò)了該轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的引擎最大輸出功率，引擎就會(huì)出現(xiàn)“超載”現(xiàn)象［5］。 在消防泵啟動(dòng)初期，機(jī)組部件及潤(rùn)滑油溫度偏低，潤(rùn)滑效果欠佳，部件處于非額定工況運(yùn)行，超載將加劇氣缸套、活塞環(huán)、軸套等部件的磨損。 NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)要求引擎的輸出軸功率不低于泵組在任何負(fù)荷下的輸入軸功率［6］。這不經(jīng)濟(jì)，因此，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，消防泵配套的電機(jī)和引擎在現(xiàn)場(chǎng)工況下的額定輸出功率應(yīng)不小于其1.5 倍額定流量時(shí)對(duì)應(yīng)的泵軸功率［7］。

因此， 盡管NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的啟動(dòng)壓力間隔的上限未明確規(guī)定，但在確定系統(tǒng)的啟動(dòng)壓力時(shí)，必須根據(jù)泵的性能曲線和驅(qū)動(dòng)裝置的最大輸出功率進(jìn)行校驗(yàn)，確保泵在啟動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸輸入功率不大于驅(qū)動(dòng)裝置所允許的輸出功率。 對(duì)滿足中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的消防泵組， 只需確保啟泵壓力對(duì)應(yīng)的流量不高于1.5 倍額定流量即可［8］。

3 消防氣壓罐

根據(jù)NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)，除以下三種情況外，不允許設(shè)置任何用以控制消防管網(wǎng)壓力的泄壓閥：

a）穩(wěn)壓泵出口壓力大于消防管網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，需在泵出口安裝泄壓閥，當(dāng)穩(wěn)壓泵入口壓力在較大范圍內(nèi)變化時(shí)存在這種可能。

b）電動(dòng)消防泵本體上的最小流量泄壓閥。

c）柴油消防泵出口的超速保護(hù)泄壓閥。

理論上，只要泵的選型合適，上述要求是完全可以實(shí)現(xiàn)的。 但實(shí)踐中，即使通過(guò)泵的選型滿足了上述要求，仍存在以下問(wèn)題：

a）系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)管的適應(yīng)性較差。 管網(wǎng)系統(tǒng)嚴(yán)密性很好時(shí)， 會(huì)出現(xiàn)由于環(huán)境溫度變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)超壓現(xiàn)象，如1.2 MPa 設(shè)計(jì)壓力的管網(wǎng)由于環(huán)境溫度變化而升高至1.7 MPa。 而管網(wǎng)系統(tǒng)嚴(yán)密性較差時(shí)，又存在穩(wěn)壓泵啟停過(guò)于頻繁的問(wèn)題。

b） 為確保所有泵的啟泵壓力都不低于其額定工作壓力的65%，各泵之間的壓力，尤其是穩(wěn)壓泵的壓力間隔就不能太大。 而較小的啟動(dòng)壓力差，又同樣會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓泵頻繁啟停。

出現(xiàn)上述兩個(gè)問(wèn)題的原因， 在于水本身的可壓縮性較小。 通過(guò)在穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)增設(shè)中國(guó)消防標(biāo)準(zhǔn)所推薦的水壓罐［9］，增加管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)溫度變化和壓力變化的適應(yīng)性，可以很好地解決這兩個(gè)問(wèn)題。 氣壓罐的容積，推薦依據(jù)CECS76∶95《氣壓給水設(shè)計(jì)規(guī)范》所提供的公式進(jìn)行計(jì)算。為減少水對(duì)氣壓緩沖罐金屬部件的腐蝕，建議采用氣囊內(nèi)部及氣囊與管壁之間存氣的氣 壓 緩 沖 罐［10］。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

圖2 是國(guó)外某項(xiàng)目中由國(guó)外設(shè)計(jì)公司所設(shè)計(jì)的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)示意圖。 可以看出，在設(shè)備配置上，與圖1 NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)推薦的典型配置沒(méi)有太大差別。

圖2 中的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)壓力參數(shù)見(jiàn)表1。

項(xiàng)目中規(guī)定消防管網(wǎng)的壓力不得低于1.5 MPa。 消防管網(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力為1.8 MPa，為避免超壓，柴油消防泵出口泄壓閥的設(shè)定壓力為1.5 MPa。

穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)在試運(yùn)中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：

a）穩(wěn)壓泵頻繁啟停。

b）在按照NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行每周測(cè)試時(shí)，管網(wǎng)壓力高達(dá)1.96 MPa，接近于柴油泵的零流量壓力。

穩(wěn)壓泵頻繁啟停，跟系統(tǒng)泄漏量大有關(guān)。 通過(guò)修改啟停壓力差，可在一定程度上緩解該問(wèn)題。

圖2 某項(xiàng)目的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)示意圖

表1 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的壓力參數(shù)

柴油消防泵啟動(dòng)后管網(wǎng)壓力接近柴油泵的零流量壓力問(wèn)題，是由于沒(méi)有遵從NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將超速泄壓閥用作穩(wěn)壓閥的結(jié)果。 由于泄壓閥采用了NFPA系列標(biāo)準(zhǔn)所要求的先導(dǎo)式泄壓閥，該閥門(mén)本身存在2～3 s的調(diào)控時(shí)滯，在泄壓閥開(kāi)始作用前的2～3 s 內(nèi)，管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力已經(jīng)達(dá)到了消防泵的零流量壓力。

在消防管網(wǎng)出口管匯增加一個(gè)容積為480 L 的膜式氣壓罐后， 柴油消防泵啟動(dòng)時(shí)的最大壓力降至1.6 MPa。由于氣壓罐的緩沖作用， 穩(wěn)壓泵的啟停頻率也大大降低。

5 結(jié)論

本文參考國(guó)內(nèi)消防相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工作實(shí)踐，經(jīng)過(guò)對(duì)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的壓力設(shè)置和啟停聯(lián)鎖進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

a）驅(qū)動(dòng)裝置的最大輸出功率是設(shè)置消防穩(wěn)壓泵、消防電泵和消防柴油泵啟停壓力值時(shí)必須考慮的重要因素之一。

b） 在采用NFPA 系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)增加一個(gè)氣壓緩沖罐，以確保泵組啟動(dòng)功率不超過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置最大輸入功率，減少穩(wěn)壓泵的啟停頻率。

c）通過(guò)列舉工程實(shí)例，為保證消防泵啟動(dòng)期間，消防給水系統(tǒng)壓力不超過(guò)額定值，消防系統(tǒng)上設(shè)置的持壓泄壓閥應(yīng)選擇超速泄壓類(lèi)型，以防止泄壓滯后，造成瞬間超壓。

［1］GB 50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)［S］.GB 50160-2008，F(xiàn)ire Prevention Code of Petrochemical Enterprise Design［S］.

［2］ 黃 敏，范恩強(qiáng). 石油化工裝置穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)聯(lián)鎖控制［J］. 安防科技，2008，50（10）：62-64.Huang Min，F(xiàn)an Enqiang. Interlocks for the Stabilized High Pressure Fire Water System of Petrochemical Facilities［J］. Security and Safety Technology Magazine，2008，50（10）：62-64.

［3］NFPA 20 -2013，Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection［S］.

［4］ 龐術(shù)榮.900 kt/a 乙烯工程消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述［J］. 石油化工安全技術(shù)，2006，22（1）：51-53.Pang Shurong. The Brief of Firewater System Design 900 kt/a Ethylene Project［J］. Petrochemical Safety Technology，2006，22（1）：51-53.

［5］ 范海成. 大落差輸水管線的引擎泵組啟動(dòng)方案研究［J］. 中國(guó)水運(yùn)，2013，13（6）：107-109.Fan Haicheng. Study on Starting Scheme of Engine-driving Pumpset for High Elevation-Differential Waterine［J］. China Water Transport，2013，13（6）：107-109.

［6］ NFPA 24-2007，Standard for the Installation of Private Fire Service Mains and Their Appurtenances［S］.

［7］GB 6245-2006，消防泵［S］.GB 6245-2006，F(xiàn)ire Pumps［S］.

［8］ 黃銘科，吳曉玲，孫道林. 石油化工用消防泵選型工程實(shí)例分析［J］. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2013，34（6）：13－17.Huang Mingke, Wu Xiaoling, Sun Daolin. Analysis of Fire Pump Selection in Petrochemical Industry［J］. Petro-Chemical Equipment Technology,2013,34（6）：13-17.

［9］GB 50045-95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2005 版）［S］.GB 50045-95，Code for Fire Protection Design of Tall Buildings（2005 Version）［S］.

［10］ 張永強(qiáng). 石油化工企業(yè)穩(wěn)高壓消防系統(tǒng)中穩(wěn)壓裝置設(shè)計(jì)探討［J］. 石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2014，30（1）：47－50.Zhang Yongqiang. Discussion on the Pressure Maintenance Device of Stabillized High Pressure Fire Extinguishing System in Petrochemical Enterprises ［J］. Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology,2014，30（1）：47－50.