工程消防泵選型的探討

丁強(qiáng)民，操松林，劉海山，文宏剛，王祥薇

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031）

消防泵在使用上有其特殊性。在工作時(shí)，泵一般處于非額定狀態(tài)，偏工況運(yùn)行是消防泵的常態(tài)；在設(shè)計(jì)時(shí)，更多地強(qiáng)調(diào)泵的可靠性和使用的便捷性。

石化裝置現(xiàn)場(chǎng)、化工企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和油氣碼頭等工礦企業(yè)使用的消防水泵屬于工程消防泵，其設(shè)計(jì)、制造、選型應(yīng)符合《消防泵》GB6245-2006，同時(shí)還要參考《離心泵技術(shù)條件Ⅲ類》GB/T5657-2008；消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照《石油化工企業(yè)防火規(guī)范》GB50160—2008和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016—2006的相關(guān)要求。

1 消防泵標(biāo)準(zhǔn)的理解

由公安部提出、上海消防研究所起草的《消防泵》GB6245-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了消防泵，包括無(wú)動(dòng)力消防泵（習(xí)慣稱之為泵頭）、消防泵組的名詞術(shù)語(yǔ)、分類與型號(hào)、性能要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則和標(biāo)志。該標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制性，適用于輸送清水、泡沫滅火劑或泡沫溶液的消防泵。

標(biāo)準(zhǔn)第6條規(guī)定了工程用消防泵的結(jié)構(gòu)、材料、外觀質(zhì)量、主要技術(shù)參數(shù)、機(jī)械性能、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能等方面的要求。在技術(shù)參數(shù)方面，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工程用消防泵必須滿足2個(gè)工況點(diǎn)。

（1）工況1。在吸深1m時(shí)（普通消防泵），在吸深0m時(shí)（深井、潛水消防泵），應(yīng)滿足額定流量（Qn）和額定壓力（Pn）的要求，同時(shí)工作壓力不超過(guò)額定壓力的1.05倍。

（2）工況2。在吸深1m時(shí)（普通消防泵），在吸深0m時(shí)（深井、潛水消防泵），應(yīng)滿足1.5倍的額定流量（Qn）時(shí)，工作壓力不低于0.65倍的額定壓力。

2 泵的選型

2.1 考慮泵型

對(duì)廠區(qū)設(shè)有地上消防水池的泵，多選用臥式單級(jí)離心泵(如IS型水泵、S型雙吸水泵)、立式單級(jí)離心泵(如G型管道泵)或臥式多級(jí)泵(如D型泵)、立式多級(jí)泵(如DL型泵)等，采用自灌啟動(dòng)。要求啟動(dòng)前水池液面高于臥式泵的排氣口或立式泵的第一級(jí)葉輪，對(duì)于軸封為機(jī)封的立式泵，水池液面還應(yīng)高于機(jī)封上部的排氣口。如果水池液面達(dá)不到自灌啟動(dòng)的要求，后果就很嚴(yán)重。對(duì)廠區(qū)設(shè)有地下消防水池的泵或利用江河湖海自然水系的泵，多選用立式長(zhǎng)軸液下泵，該泵型相對(duì)穩(wěn)健可靠。

2.2 考慮流量參數(shù)布置

消防泵選型在參數(shù)選取時(shí)，需要考慮工況點(diǎn)的布置，性能參數(shù)須與泵的設(shè)計(jì)參數(shù)相對(duì)吻合，使泵組2個(gè)工況點(diǎn)都處于高效范圍、2個(gè)工況點(diǎn)之間都處于高效區(qū)。這樣，即使運(yùn)行工況點(diǎn)偏離，泵仍然相對(duì)高效，且泵不會(huì)因徑向力增大而失效，也不會(huì)因徑向力問(wèn)題出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。

鑒于消防泵的技術(shù)參數(shù)，其水力特征均為離心式泵。它的優(yōu)先工作范圍為0.7～1.2倍的設(shè)計(jì)流量（最佳效率點(diǎn)流量），相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議選型時(shí)額定流量點(diǎn)應(yīng)位于0.8～1.1倍的最佳效率點(diǎn)。按照《消防泵》GB6245-2006標(biāo)準(zhǔn)的要求選型時(shí)，應(yīng)將泵的正常流量布置在0.8倍設(shè)計(jì)流量附近，最大流量布置在1.2倍設(shè)計(jì)流量附近，這樣的選型才比較合理。它既考慮了效率問(wèn)題——泵工作區(qū)均在高效范圍，又考慮了泵偏工況運(yùn)行時(shí)的可靠性問(wèn)題——避免過(guò)大的徑向力。

2.3 考慮配套動(dòng)力

對(duì)于消防泵來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)機(jī)可能是電機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)等。不論選擇什么動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)機(jī)功率必須具有包容性。對(duì)離心式消防泵，在允許使用的流量范圍，泵的軸功率曲線為隨流量增大的上升曲線，如圖1。因此，我們?cè)诳紤]動(dòng)力配套時(shí)，不能簡(jiǎn)單理解配套功率為額定工況點(diǎn)軸功率的1.1～1.25倍就可行，而需要考慮滿足1.5倍額定流量時(shí)的功率需求。這一點(diǎn)與化工裝置上的流程泵有著明顯的區(qū)別。在化工流程中，流量由出口閥來(lái)嚴(yán)格控制，選型的額定流量即為泵工作的最大流量，在工作范圍內(nèi)，其它工況點(diǎn)的軸功率不會(huì)超過(guò)該點(diǎn)的軸功率，因此只需按此點(diǎn)配套動(dòng)力。對(duì)于消防泵，額定點(diǎn)（額定流量、額定壓力下的工作點(diǎn)）只是指導(dǎo)選型的技術(shù)指標(biāo)點(diǎn)，或者說(shuō)只是實(shí)際工作的一個(gè)點(diǎn)，真正工作的是在額定點(diǎn)和1.5倍額定流量?jī)烧咧g的區(qū)域。

3 選型實(shí)例

實(shí)例1：

煙臺(tái)萬(wàn)華異氰酸酯搬遷消防主泵4臺(tái)，要求技術(shù)參數(shù)：流量250L/s，揚(yáng)程105m。

合理選型：工藝要求的流量為900m3/h，按上述選型建議，則泵的設(shè)計(jì)流量應(yīng)為1125m3/h。查樣本比較接近的泵型是350S125，其設(shè)計(jì)流量1260m3/h、揚(yáng)程125m，轉(zhuǎn)速1480r/min，效率81%。切割葉輪后可得所需參數(shù)：流量900m3/h，揚(yáng)程105m，效率76%，軸功率338kW；當(dāng)1.5倍流量1350m3/h時(shí)，揚(yáng)程75m，效率約70%，軸功率394kW，配套電機(jī)功率為450kW。泵組標(biāo)識(shí)型號(hào)為：XBD10.5/250-G-350S125。

事情進(jìn)展得很順利，小蟲(chóng)得手了。玉敏摸著黑到了家，小蟲(chóng)就把玉敏拉進(jìn)屋，關(guān)上門(mén)，從箱子里拿出了紫紅色鉆戒。玉敏捏著鉆戒，左瞅右瞅，驚奇地說(shuō)，和我賣給許沁的那款太像了，款型大小都一樣，色澤也差不多。小蟲(chóng)豎起拇指，說(shuō)那就好辦了，你明天拿回店里，對(duì)雨落她們就說(shuō)，許沁把鉆戒還了。玉敏說(shuō)她們會(huì)信么？小蟲(chóng)說(shuō)，就這么說(shuō)，信不信由她們。玉敏點(diǎn)點(diǎn)頭。小蟲(chóng)吁了口氣，說(shuō)鉆戒總算還了，我們?cè)俨挥贸钅c百結(jié)了。玉敏的眼淚突然迸發(fā)出來(lái)，趴在小蟲(chóng)肩上說(shuō)，小蟲(chóng)，謝謝你。小蟲(chóng)抹去玉敏的淚，說(shuō)謝什么，我不只是幫你，也是幫我自己嘛。我老婆去坐牢，我的日子多難熬。玉敏含著淚，說(shuō)我們把鉆戒還了，可姑媽呢？小蟲(chóng)說(shuō)對(duì)于姑媽，這是九牛一毛。

錯(cuò)誤的選型示例：某泵廠由于未透徹理解消防泵的標(biāo)準(zhǔn)，選XBD10.5/250-250SS150A，配套電機(jī)450kW。結(jié)果有2臺(tái)泵運(yùn)行50多h后斷軸，斷軸位置均在軸伸端軸承附近。制造廠的斷軸分析報(bào)告有如下表述：在泵啟動(dòng)前，軸對(duì)中的調(diào)節(jié)良好（使用的是膜片聯(lián)軸器），對(duì)中偏差小于12絲；在使用50h后即有2臺(tái)泵出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象；拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，泵進(jìn)出口法蘭與管路偏心。

我們不妨從泵選型方面來(lái)分析一下泵斷軸的原因。從泵的出廠試驗(yàn)報(bào)告看，該泵的設(shè)計(jì)流量（試驗(yàn)報(bào)告中高效點(diǎn)流量）為920m3/h，葉輪外徑D2=540mm，葉輪出口寬度B2=45mm（該寬度為估測(cè)），該泵軸危險(xiǎn)截面直徑φ64.5mm。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求的工況點(diǎn)1處（額定流量900m3/h）時(shí)，揚(yáng)程106.5m，效率74%，軸功率354kW；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求的工況點(diǎn)2處（1.5倍額定流量）1350m3/h時(shí)，揚(yáng)程73.7m，效率60.6%，軸功率447kW。顯然，工況點(diǎn)2（1350m3/h）偏離設(shè)計(jì)流量點(diǎn)920m3/h較遠(yuǎn)，該泵如果在此點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，泵的徑向力不容忽視。此時(shí)，徑向力Fr=9.81×K·H·D2·B2kN≈7kN。

H：揚(yáng)程；D2：葉輪外徑；B2：葉輪出口寬度；Kr：試驗(yàn)系數(shù)。

其中，Kr=0.36×［1-(Q/Qn)2］=0.36×［1-(1350/920)2］=0.41517。

Q：流量；Qn：額定流量。

軸的扭矩：Mn=9550Pj/n=9550×447/1480=2884.4 Nm。

Pj：軸功率；n：轉(zhuǎn)速。

僅考慮扭轉(zhuǎn)作用，估算泵軸的最小軸徑為：

dmin=(Mn/0.2/［τ］)1/3=(2884.4/0.2/60×106)1/3=0.06218m=62.18 mm。

式中，材料剪切應(yīng)力［τ］取60×106Pa，泵軸材質(zhì)42CrMo。

由此可見(jiàn)，泵的軸徑偏小，設(shè)計(jì)裕量不大，容易出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。后期制造廠將泵軸加粗5mm，同樣工作條件，未出現(xiàn)斷軸問(wèn)題。

實(shí)例2：

陜西美鑫鋁鎂合金項(xiàng)目配套動(dòng)力站消防主泵1臺(tái)，要求技術(shù)參數(shù)：流量560m3/h，揚(yáng)程110m，效率≥83%。合理選型：工藝要求的流量為560m3/h。按選型建議：則泵的設(shè)計(jì)流量應(yīng)為700m3/h。查樣本比較接近的泵型是HS250-200-650B，其設(shè)計(jì)流量735m3/h，揚(yáng)程138m，轉(zhuǎn)速1480r/min，效率80%。切割葉輪后可得所需參數(shù)：流量560m3/h，揚(yáng)程110m，效率76%，軸功率220kW；1.5倍流量840m3/h，揚(yáng)程約90m，效率74%，軸功率278kW，配套電機(jī)功率為300 kW。泵型號(hào)為：XBD11/156-G-HS250-200-650B。

從選型情況看，泵的效率指標(biāo)偏高，所選泵的型號(hào)不達(dá)標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)泵效率的要求偏高，超出行業(yè)水平達(dá)不到，可參考進(jìn)口產(chǎn)品，或與用戶協(xié)商來(lái)降低技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

泵出現(xiàn)斷軸的現(xiàn)象并不少見(jiàn)，特別是高揚(yáng)程、重載泵。避免泵斷軸的關(guān)鍵一步是合理選型。對(duì)工程消防泵來(lái)說(shuō)，大多沒(méi)有運(yùn)行流量的嚴(yán)格控制，注定了泵必須有足夠的偏工況運(yùn)行的能力。

將泵的正常流量布置在0.8倍設(shè)計(jì)流量附近，最大流量布置在1.2倍設(shè)計(jì)流量附近，這樣消防泵的選型才比較合理：既考慮了效率問(wèn)題，又考慮了泵偏工況運(yùn)行時(shí)的可靠性問(wèn)題，該選型方法值得推廣。

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