石油化工企業(yè)穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)中穩(wěn)壓設施的設置探討

錢嬋娟

（安徽實華工程技術股份有限公司上海分公司，上海200136）

近年來大型石油化工企業(yè)相繼建成投產(chǎn)，工藝裝置、儲罐也向大型化發(fā)展，相應增加了固定式的消防設備，如消防水炮、水噴淋等。強制性國家標準《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》（GB50160-2008，簡稱規(guī)范）要求：大型石油化工企業(yè)的工藝裝置區(qū)、罐區(qū)等，應設獨立的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)，其壓力宜為0.7～1.2MPa，但該穩(wěn)壓設施的設置，規(guī)范沒有給出明確規(guī)定或說明。目前，石油化工企業(yè)的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的穩(wěn)壓方式常見的有兩種：一種為變頻穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓，由穩(wěn)壓泵及變頻器組成，通過穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)控制管網(wǎng)壓力；另一種為氣壓罐穩(wěn)壓，由氣壓罐及穩(wěn)壓泵（即補水泵）組成，平常由氣壓罐維持管網(wǎng)壓力?，F(xiàn)就這兩種穩(wěn)壓設施的適用場合及氣壓罐穩(wěn)壓選型計算做如下分析。

1 穩(wěn)壓設施適用場所分析

根據(jù)“規(guī)范”8.5.1條，穩(wěn)壓泵的設計水量要考慮消防水管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏量和一只水槍出水量（5L/s）。根據(jù)Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防部分規(guī)定，消防穩(wěn)壓泵其出水量原則上按系統(tǒng)的滲漏量計算。對于全廠性的穩(wěn)高壓給水系統(tǒng)，也可按系統(tǒng)容量的大小考慮，一般可取5.0～15.0L/s計算。綜上，石油化工企業(yè)消防穩(wěn)壓泵的設計水量至少選用5.0L/s。

對于新建穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)而言，其管網(wǎng)泄漏量相當小，計算可參照《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-2008）中壓力管道水壓試驗的允許滲水量。以某石油庫穩(wěn)高壓消防水管道更新項目為例，估算更新后穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)泄漏量，見表1。

表1 穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)泄漏量

由表1可見，穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)泄漏量為5.032L/min，即0.084L/s，因此管網(wǎng)泄漏量是相當小的。此時應采用氣壓罐方式穩(wěn)壓，平常管網(wǎng)的消防水泄漏量由氣壓罐補給，當氣壓罐內(nèi)的壓力降低到系統(tǒng)設定的最低壓力時，啟動穩(wěn)壓泵，由穩(wěn)壓泵向氣壓罐補水，當氣壓罐的壓力達到系統(tǒng)設定的最高壓力時，穩(wěn)壓泵停止運行。

若采用穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)，當管網(wǎng)泄漏量相當小時，穩(wěn)壓泵變頻后將達不到管網(wǎng)壓力需求。具體分析如下：變頻調(diào)節(jié)即調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，當通過變頻調(diào)節(jié)降低泵的流量時，揚程相應也要降低，流量太小時，揚程將不能滿足穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)的壓力要求（0.7～1.2MPa）；另外，穩(wěn)壓泵一般采用普通電機，當變頻調(diào)節(jié)時，頻率不宜低于30Hz，否則電機容易燒壞。因此當管網(wǎng)泄漏量較小時，不應采用穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)。

對于某些石油化工企業(yè)，其穩(wěn)高壓消防水管道建成投用至今已有十多年，甚至更久，管道及閥門密封處等滲漏量較大，若仍采用氣壓罐穩(wěn)壓，穩(wěn)壓泵將頻繁啟動，容易損壞，此時可將原有的氣壓罐穩(wěn)壓方式改造成穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)穩(wěn)壓。

2 氣壓罐穩(wěn)壓的選型計算

2.1 氣壓罐選型

關于氣壓罐穩(wěn)壓系統(tǒng)，目前常用的為隔膜式氣壓罐，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖中：P1—最低工作壓力；P2—消防主泵啟動壓力；PS1—穩(wěn)壓泵啟動壓力；PS2—穩(wěn)壓泵停止壓力；VX—貯水容積；VP—緩沖水容積；VS—穩(wěn)壓水容積；VO—壓力為PS2時的氣體容積。

氣壓罐的總?cè)莘e按下式計算：

式中：V—穩(wěn)壓罐總?cè)莘e；VXf—消防水總?cè)莘e，VXf=VX+VP+VS；β—氣壓罐的容積系數(shù)，隔膜式氣壓罐取1.05；a—工作壓力比，宜在0.5～0.9范圍內(nèi)取值。

計算最低工作壓力P1時，計算管道系統(tǒng)沿程和局部損失所采用的流量，按火災初期消防給水量確定，對于穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)，火災初期消防給水量按兩股室外消火栓流量計算，即2×15L/s=30L/s。由于穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)總管管徑較大，按其計算出的管道系統(tǒng)沿程和局部損失較小。以某石油庫穩(wěn)高壓消防水管道為例，其總管管徑為DN400，最不利點消火栓至消防泵房管道最長約為2000m，其總水頭損失不足1m，可忽略不計。即最低工作壓力P1按穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)的最低壓力取值0.7MPa。貯水容積VX按火災初期30s儲水量計算，即Vx=30L/s×30s=900L=0.9m3。

根據(jù)Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防部分規(guī)定，消防穩(wěn)壓泵的停止壓力值PS2和啟動壓力值PS1之間的差值宜為0.05～0.1MPa，穩(wěn)壓泵的啟動壓力值PS1和消防主泵的啟動壓力值P2之間的差值宜為0.05～0.1MPa。

實際運行中P2、PS1、PS2之間的差值可在控制系統(tǒng)中根據(jù)需要調(diào)整。一般管網(wǎng)投用初期，管網(wǎng)泄漏量較小，穩(wěn)壓泵的啟停壓力PS1、PS2差值可取較小值0.05MPa，以減小管網(wǎng)運行壓力。隨著運行時間的增加，管網(wǎng)的泄漏量將會增大，可適當增大穩(wěn)壓泵的啟停壓力PS1、PS2差值，以減少穩(wěn)壓泵的啟動頻率。

氣壓罐容積的確定以穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)壓力范圍在0.7～1.2MPa之間為前提。由表2可知，氣壓罐總?cè)莘e越大，管網(wǎng)運行壓力越?。划敋鈮汗蘅?cè)莘e達到6m3時，氣壓罐總?cè)莘e每增加1m3，管網(wǎng)運行壓力減小量不足0.03MPa，再增大氣壓罐總?cè)莘e，對管網(wǎng)的運行壓力減小影響較小。綜合考慮管網(wǎng)運行壓力及初期投資，選用總?cè)莘e為6m3的氣壓罐。

表2 氣壓罐總?cè)莘e對管網(wǎng)運行壓力的影響

注：由于氣體容積Vo、緩沖水容積Vp對后續(xù)穩(wěn)壓泵選型無指導意義，因而表2中未列出其值。

2.2 穩(wěn)壓泵選型

根據(jù)上述計算結(jié)果，下面以選用總?cè)莘e為6m3的氣壓罐為例，介紹穩(wěn)壓泵揚程及流量的選擇。

根據(jù)表2可知，由于PS2、PS1、P2的差值可在控制系統(tǒng)中調(diào)整，當穩(wěn)壓泵啟動壓力PS1=P2+0.1MPa，穩(wěn)壓泵停止壓力PS2=PS1+0.1MPa時，穩(wěn)壓泵停止壓力PS2最高，為1.031MPa，故穩(wěn)壓泵揚程選用105m。

關于穩(wěn)壓泵流量的確定，對于某一確定的穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)而言，穩(wěn)壓水容積越大，穩(wěn)壓泵啟動頻率越小。根據(jù)表2可知，當穩(wěn)壓泵啟動壓力PS1=P2+0.05MPa，穩(wěn)壓泵停止壓力PS2=PS1+0.1MPa時，穩(wěn)壓水容積Vs最大，其值為0.463m3。故確定穩(wěn)壓泵流量時，穩(wěn)壓水容積Vs取0.463m3。

穩(wěn)壓泵的流量q范圍為5～15L/s，管網(wǎng)泄漏量為x（L/s），穩(wěn)壓泵一次補水時間為T，T=Vs/（q-x），穩(wěn)壓泵啟動頻率為n次/h。根據(jù)管網(wǎng)1h泄漏量與1h補水量平衡列方程3600x=T·q·n，得n=-3600x2/（q·Vs）+3600x/Vs。

根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》（GB50974-2014）5.3.4條要求，穩(wěn)壓泵啟泵次數(shù)不大于15次/h，穩(wěn)壓泵補水時間參照《消防增壓穩(wěn)壓設備選用與安裝（隔膜式氣壓罐）》98S205，補水時間不大于3min。

當穩(wěn)壓泵流量分別為5、10、15L/s時，研究管網(wǎng)泄漏量與穩(wěn)壓泵啟動頻率n的關系。

當穩(wěn)壓泵流量為 5L/s，n=-1.555x2+7.775x，T=463/（5-x），其曲線如下：

由圖2可知，管網(wǎng)泄漏量在0～5L/s，穩(wěn)壓泵的啟動次數(shù)均不會大于15次/h。由圖3可知，當管網(wǎng)泄漏量越大，穩(wěn)壓泵一次補水時間越長，當泄漏量超過2.42L/s時，穩(wěn)壓泵補水時間將超過3min，當泄漏量接近5L/s時，穩(wěn)壓泵連續(xù)運行將接近1h。即當網(wǎng)管泄漏量達到2.42L/s時，將不適合采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，此時需將穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓改造成穩(wěn)壓泵變頻控制穩(wěn)壓。

當穩(wěn)壓泵流量為 10L/s，n=-0.778x2+7.775x，T=463/（10-x），其曲線如下：

由圖4可知，管網(wǎng)泄漏量在0～2.61L/s及7.39～10L/s，穩(wěn)壓泵的啟動次數(shù)均不會大于15次/h。由圖5可知，當泄漏量超過7.43L/s時，穩(wěn)壓泵補水時間將超過3min，當泄漏量在7.39～7.43L/s之間時，穩(wěn)壓泵補水時間約為3min，1h補水次數(shù)約為15次，此時穩(wěn)壓泵理論運行情況是運行3min，停1min，實際不可運行。即當網(wǎng)管泄漏量達到2.61L/s時，將不適合采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓。當穩(wěn)壓泵流量為15L/s，n=-0.518x2+7.775x，T=463/（15-x），其曲線如圖6、圖7。

由圖6可知，管網(wǎng)泄漏量在0～2.27 L/s及12.73～15L/s，穩(wěn)壓泵的啟動次數(shù)均不會大于15次/h。由圖7可知，當泄漏量超過12.43L/s時，穩(wěn)壓泵補水時間將超過3min。即當網(wǎng)管泄漏量達到2.27L/s時，將不適合采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓。

當穩(wěn)壓泵的流量q在5～15L/s之間時，采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，管網(wǎng)允許泄漏量最大值計算結(jié)果列于表3。

由表3可知，當穩(wěn)壓泵流量在5～7L/s時，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞增關系；當穩(wěn)壓泵流量在8～15L/s時，由于受穩(wěn)壓泵啟動頻率不應大于15次/h限制，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞減關系。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，穩(wěn)壓泵流量取7L/s時，管網(wǎng)允許泄漏量最大。故穩(wěn)壓泵流量選用7L/s。

表3 穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓下管網(wǎng)允許泄漏量最大值

3 結(jié)論

（1）石油化工企業(yè)穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)穩(wěn)壓設施的設置應根據(jù)穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)的泄漏量來確定。當管網(wǎng)泄漏量較小時，采用氣壓罐穩(wěn)壓；當管網(wǎng)泄漏量較大時，采用穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)穩(wěn)壓。

（2）氣壓罐總?cè)莘e越大，管網(wǎng)運行壓力越小，隨著氣壓罐容積的增大，管網(wǎng)運行壓力降低幅度不斷減小。一般根據(jù)初期投資及運行費用綜合考慮確定氣壓罐容積。

（3）氣壓罐穩(wěn)壓時，穩(wěn)壓泵流量在某一流量范圍內(nèi)，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞增關系；穩(wěn)壓泵流量超過某一流量時，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞減關系。一般以管網(wǎng)允許最大泄漏量考慮穩(wěn)壓泵流量。

[1]GB50160-2008，石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范[S].

[2]GB50974-2014，消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范[S].

[3]Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防，中國石油化工集團公司企業(yè)標準[S].

[4]CECS76：95，氣壓給水設計規(guī)范[S].□