NFPA20規(guī)范對消防泵選型和安裝的要求

王樹乾 邱宏宇 梅歡

中國石油工程建設(shè)有限公司

伴隨著“國家走出去”發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”發(fā)展規(guī)劃，我國工程公司業(yè)務(wù)范圍開始涉及海外工程設(shè)計、施工及工程總承包等業(yè)務(wù)，工程技術(shù)人員逐漸認(rèn)識到為了滿足建設(shè)項目所在地消防監(jiān)管部門的審批要求，大部分海外項目的消防泵要求滿足美國NFPA20消防泵安裝標(biāo)準(zhǔn)[1]。此外國際公司在中國投資建廠，其成套供應(yīng)的消防系統(tǒng)配套的消防泵也按NFPA20標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計采購供貨。國標(biāo)GB 6245—2006《消防泵標(biāo)準(zhǔn)》[2]和 GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[3]也采納了NFPA20的部分要求進(jìn)行了修訂。本文結(jié)合近年來工作中對NFPA20相關(guān)內(nèi)容的理解和采購評標(biāo)經(jīng)驗，介紹了NFPA20規(guī)范對消防泵設(shè)計的一些特殊要求。

1 設(shè)計壓力及泄壓安全閥安裝要求

NFPA20—2003以后版本要求消防泵和出口管線的設(shè)計壓力不小于泵關(guān)閥點揚程加泵的最大吸水靜壓力，禁止采用泄壓安全閥來降低系統(tǒng)設(shè)計壓力[1]。這一要求主要是基于泄壓安全閥的可靠性考慮，安全閥故障時可能導(dǎo)致系統(tǒng)超壓。先于2003年版本的NFPA20沒有嚴(yán)格禁止采用泄壓安全閥來控制泵小流量下或者出口閥關(guān)閉時系統(tǒng)操作壓力超過設(shè)計壓力的情況，只是在1999年版本中認(rèn)為泄壓不是一個好的設(shè)計[1]。盡管現(xiàn)在仍有許多按舊規(guī)范設(shè)計的系統(tǒng)在使用，但由于工程技術(shù)人員經(jīng)常套用以往的設(shè)計經(jīng)驗，容易導(dǎo)致忽略此條款的要求。

規(guī)范的要求在正常操作條件下保證了消防泵系統(tǒng)的工作壓力不超過系統(tǒng)的設(shè)計壓力。但是對于柴油機驅(qū)動的消防泵，滿足規(guī)范要求的控制器在轉(zhuǎn)速超速10%時才會自動停止柴油機[1]，根據(jù)泵的相似定律此時泵的關(guān)閥揚程最大可達(dá)121%泵的額定轉(zhuǎn)速下的關(guān)閥揚程。為了不提高整個系統(tǒng)的設(shè)計壓力水平，規(guī)范允許柴油機驅(qū)動的消防泵通過安裝泄壓安全閥的方式降低系統(tǒng)的設(shè)計壓力。這樣的規(guī)定是出于泵的控制系統(tǒng)和安全閥不同時發(fā)生故障考慮，即獨立事件的故障不同時發(fā)生，在故障狀態(tài)下可以保證系統(tǒng)操作壓力不大于設(shè)計壓力。對于泄壓安全閥的選型，規(guī)范詳細(xì)解釋了泄壓閥選型的計算方法，即按泵的性能曲線使消防泵系統(tǒng)在故障時操作壓力小于設(shè)計壓力，確定泄放量，然后依據(jù)泄放量和泄放壓力選擇安全閥。為了方便選型，規(guī)范根據(jù)泵的流量范圍提供了泄壓閥尺寸和泄壓管線尺寸。

由于消防泵可能在出口沒有流量的情況下工作導(dǎo)致泵過熱，未安裝壓力泄壓閥的系統(tǒng)應(yīng)安裝3/4 in或1 in的熱泄放安全閥[1]。對于已安裝壓力泄壓閥的系統(tǒng)也應(yīng)使其在起跳壓力設(shè)定上滿足這一要求。壓力泄壓閥和熱泄放安全閥的設(shè)定壓力值應(yīng)小于泵關(guān)閥點揚程加泵最小吸水靜壓力。

2 性能曲線要求

在消防泵性能曲線要求方面，國標(biāo)GB 6245—2006和GB 50974—2014借鑒了NFPA20規(guī)范，要求消防泵性能曲線平滑且不能具有駝峰，關(guān)閥揚程不大于額定流量下?lián)P程的140%，150%額定流量下的揚程不小于額定流量下?lián)P程的65%[1-5]。由于實際滅火時火場情況的復(fù)雜性，按額定流量選型的消防泵通常不會和火情相匹配[6]，具有平滑性能曲線的消防泵，流量變化時壓力變化不明顯，在實際滅火流量大于額定流量時可以保證滅火的可靠性，在實際滅火流量小于額定流量時可以減少消防水的浪費。

NFPA20要求消防泵生產(chǎn)廠商進(jìn)行工廠性能測試，提供實測的性能曲線。性能曲線應(yīng)包括從泵關(guān)閥點到150%額定流量點的范圍，并且能夠反映泵的最大軸功率。泵的最大軸功率通常在額定流量的130%～150%之間[1]，但有時泵的最大軸功率可能大于130%～150%額定流量的軸功率，則需要測出泵的最大軸功率。曲線通常包括5個點的測試結(jié)果，關(guān)閥點、額定流量點、150%額定流量點，另外2個點分別為額定流量點與關(guān)閥點和150%額定流量的中間值[1]。

消防泵在實際使用過程中，由于葉輪腐蝕等因素，可導(dǎo)致泵的性能下降，從而不能滿足設(shè)計的水量和水壓要求。規(guī)范要求對實際安裝的消防泵提供流量測試功能，供監(jiān)管部門或用戶周期性檢測消防泵的性能。

選擇合適性能曲線的消防泵通常應(yīng)綜合考慮泵的工作情況和管網(wǎng)的性能曲線。滿足NFPA20規(guī)范的消防泵的性能曲線，在關(guān)閥點壓力可為額定流量下?lián)P程的101%～140%，在150%額定流量點的壓力可以為額定流量下?lián)P程的65%到僅僅略小于額定揚程[1]。當(dāng)消防泵并聯(lián)工作時，對于性能曲線平坦的消防泵，考慮并聯(lián)后的性能曲線和管網(wǎng)性能曲線，并聯(lián)工作的第2臺水泵通常流量增加比較小。為了克服這一不利因素，同時降低系統(tǒng)的設(shè)計壓力水平，結(jié)合實際的工程經(jīng)驗和參考國外工程石油公司的設(shè)計規(guī)范，通常要求泵的關(guān)閥點揚程不大于額定流量下?lián)P程的125%，當(dāng)泵在并聯(lián)工作時，應(yīng)使泵的關(guān)閥點揚程大于額定流量下?lián)P程的110%。

3 泵密封要求

通常泵的密封包括機械密封和填料密封兩種形式[5，7]。機械密封的零件較多，加工復(fù)雜，安裝精度高，沒有軸套磨損，幾乎不泄漏，密封摩擦消耗功率低，但可靠性比較低。而填料密封相較機械密封情況正好相反，考慮到消防泵只在滅火和測試時開啟，NFPA20規(guī)范明確要求消防泵應(yīng)采用填料密封[1，5，8]。

4 驅(qū)動機要求

工程應(yīng)用中消防泵通常采用電動機或柴油機驅(qū)動，NFPA20規(guī)范要求消防泵配置的驅(qū)動機需要滿足水泵在任何工況下的要求[1，3，7]。因為消防泵可能在滅火過程中由于動力故障導(dǎo)致備用泵啟動，此時由于滅火設(shè)備已開啟，備用泵開啟時出水管道系統(tǒng)已部分或完全泄壓，為了使消防泵開啟時驅(qū)動機不過載，驅(qū)動機的功率需滿足泵性能曲線上最大功率的要求。

考慮泵的制造在實際運行中與設(shè)計的偏差，驅(qū)動機功率通常需要考慮10%的功率儲備[7]。對于滿足NEMA標(biāo)準(zhǔn)的電動機，電動機安全因子1.15乘以電動機額定功率需不小于水泵最大軸功率的110%。對于柴油機，規(guī)范要求柴油機的4 h最小功率應(yīng)至少大于柴油機額定功率的10%[1]，同時需按照使用場所的環(huán)境溫度和氣象條件對柴油機功率折減，然后使柴油機4 h的最小功率大于水泵最大軸功率的110%。規(guī)范在驅(qū)動機選型時利用了驅(qū)動機的過載能力，為了提高消防泵系統(tǒng)的可靠性，一些國外石油公司標(biāo)準(zhǔn)要求高于NFPA20規(guī)范，要求消防泵配置驅(qū)動機時需采用驅(qū)動機連續(xù)功率選型。

5 穩(wěn)壓泵選型和壓力控制啟動設(shè)定

對于壓力控制啟動的消防泵，消防泵系統(tǒng)需要安裝穩(wěn)壓泵維持管網(wǎng)的壓力。通常為了在火災(zāi)時快速啟動消防泵，穩(wěn)壓泵應(yīng)維持系統(tǒng)壓力大于消防泵操作壓力[7，9]，同時泵的流量小于消防系統(tǒng)開啟時的流量。對于只供給噴淋滅火的系統(tǒng)，規(guī)范建議穩(wěn)壓泵流量小于單只噴頭開啟的流量[1，5]。目前許多項目消防泵系統(tǒng)穩(wěn)壓泵設(shè)定壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于消防泵系統(tǒng)的正常操作壓力[10-11]，擔(dān)心系統(tǒng)平時壓力高容易泄漏，反而降低了系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

針對壓力控制的消防泵和穩(wěn)壓泵，系統(tǒng)控制壓力可按如下方式設(shè)定：消防泵啟動壓力為系統(tǒng)設(shè)計條件下操作壓力，多臺并聯(lián)工作的消防泵可按時間間隔和壓力要求開啟[8-9]。穩(wěn)壓泵啟動壓力為消防泵啟動壓力加34 kPa，穩(wěn)壓泵停止壓力為穩(wěn)壓泵啟動壓力加68 k Pa，且不超過系統(tǒng)的設(shè)計壓力。

6 結(jié)束語

NFPA20規(guī)范為美國消防協(xié)會消防泵安裝標(biāo)準(zhǔn)，作為國際項目的通用標(biāo)準(zhǔn)目前已被大部分國家消防監(jiān)管部門接受，其涉及的內(nèi)容非常廣泛、詳細(xì)，全面介紹規(guī)范超出本文的范圍，對于規(guī)范的全面理解認(rèn)識需要廣大工程技術(shù)人員結(jié)合實際應(yīng)用仔細(xì)研讀。本文基于規(guī)范與實際工作中設(shè)計選型和采購評標(biāo)遇到的問題，對比我國消防標(biāo)準(zhǔn)，僅僅就規(guī)范中比較重要的一些問題進(jìn)行了解讀，希望能為廣大工程技術(shù)人員在項目設(shè)計中提供一定的幫助。