油庫碼頭消防取水口及反沖洗裝置設(shè)計

◎華永福 武漢長江航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司

1.項目背景

為服從國家長江生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略的需要，服務(wù)長江經(jīng)濟(jì)帶“綠色發(fā)展”的大局，配合湖北省、宜昌市兩級政府的工作，按照宜昌市政府統(tǒng)籌安排，中長燃宜昌油庫碼頭位于中華鱘自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，限期2021年底完成遷建并撤除原宜昌油庫碼頭。擬將宜昌油庫遷至枝江姚家港化工園區(qū)，油庫碼頭遷至長江枝江羅家河港區(qū)。油庫遷建規(guī)劃圖如圖1所示。

圖1 油庫遷建規(guī)劃圖

2.工程概況

中長燃枝江油庫碼頭工程擬建設(shè)5000噸級成品油進(jìn)出口泊位1個，設(shè)計年吞吐量81萬噸/年。配置相應(yīng)的裝卸設(shè)備，配套建設(shè)相應(yīng)的供電照明、通信、環(huán)保、給排水、消防等工程以及生產(chǎn)和輔助生產(chǎn)設(shè)施。設(shè)計通過能力85萬噸/年。

碼頭結(jié)構(gòu)采用浮碼頭型式，碼頭主要由躉船、活動鋼引橋、撐桿及撐桿墩、閥室平臺、縱橫向管廊、消防變電平臺組成。碼頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中長燃油庫碼頭效果圖

3.消防取水設(shè)計

本碼頭主要裝卸物料包括汽油屬甲B類危險物質(zhì)和柴油屬乙B類危險物質(zhì)。根據(jù)泊位裝卸物料性質(zhì)，本工程火災(zāi)危險性為甲B類，碼頭防火分級按河港一級碼頭確定。由于周邊無滿足碼頭消防需求的城市自來水管網(wǎng)接口，碼頭消防水源采用長軸深井消防泵抽取江水提供。最大一次消防用水量為2581m3（其中碼頭消防泵供水量為1933m3、躉船消防泵供水量為648m3）。

在閥室平臺頂設(shè)置消防泵站，設(shè)置電動長軸深井消防泵1臺（流量150L/s，揚(yáng)程1.2MPa，功率315kW/10kV）、柴油機(jī)長軸深井消防泵1臺（流量150L/s，揚(yáng)程1.2MPa，柴油機(jī)配套功率452kW，底座自帶油箱，油箱容積750L），1用1備（電動長軸深井消防泵為常用泵、柴油機(jī)長軸深井消防泵為備用泵，消防泵由配套電控柜控制，帶自動切換功能）。

閥室平臺下方設(shè)置2根鋼質(zhì)DN1000mm引水管至江側(cè)（引水管設(shè)置1‰的坡度），2根引水管各設(shè)取水頭部1個。碼頭設(shè)計低水位為34.43m（保證率98%），三峽建庫后枯水期最低水位33.05m，取水頭部中心標(biāo)高位于33.05m以下約1.5m，可以滿足《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50974-2014）4.4.3條“天然消防水源保證率宜為90～97%”及《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》（JTS 158-2019）7.2.3條“天然水源應(yīng)確?？菟谧畹退蝗∷目煽啃浴币?。消防取水設(shè)計如圖3所示。

圖3 碼頭消防取水口設(shè)計圖

4.取水口泥沙淤積原因

查閱大量有關(guān)取水口資料、文獻(xiàn)以及在很多取水口工程實例中，泥沙淤積往往是影響取水效果和維護(hù)成本的難題。造成取水口泥沙淤積的主要原因有取水頭部高程低、消防泵泵吸力作用、河勢變化、取水頭部局部渦流作用這四方面：

（1）取水頭部高程低。為確?？菟谧畹退蝗∷目煽啃?，取水口引水管進(jìn)水口靠近江（河）底，河床淤泥地質(zhì)，水質(zhì)相對較差，泥沙和小卵石容易伴隨江水帶入引水管道，長期作用易淤積在水平引水管道底部，造成引水管道有效引水截面減小甚至淤塞，影響消防取水效果和水泵運(yùn)行安全，同時大大增加了維護(hù)和清淤成本。

（2）消防泵泵吸力作用。消防泵工作時，泵吸作用將水中泥沙帶入水平引水管道造成淤積。

（3）河勢變化原因。河勢演變主要表現(xiàn)在河床沖淤、洲灘消長和汊道的交替沖淤變化。當(dāng)取水口處于河道凸型彎道段的下游，取水口頭部水流和泥沙運(yùn)動發(fā)生變化和調(diào)整，將造成取水頭部泥沙回淤。

本工程河段在三峽水庫蓄水運(yùn)用后，總體河勢將繼續(xù)維持目前的格局不變，河道兩岸岸線基本穩(wěn)定，但局部沖刷仍將持續(xù)，隨著時間推移，沖刷將逐步減弱，沖刷發(fā)展逐步得到抑制。因此河勢演變對本工程影響較小。

（4）取水頭部局部渦流作用。取水口引水管伸入河道，河道斷面局部縮小，在取水頭部形成局部渦流，長期作用下也會造成泥沙進(jìn)入引水管形成淤積。

5.本工程設(shè)計解決方案

根據(jù)《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》第4.2.7條規(guī)定：裝卸火災(zāi)危險性為甲B類、乙類液體的化工碼頭，消防水泵房距離碼頭前沿線防火間距為35m。若采用消防水泵在江側(cè)直接抽取，則不滿足規(guī)范防火間距要求。

本工程取水口設(shè)計思路：利用連通器原理，采用“L”型引水管將江水引至閥室平臺下方，通過安裝在閥室平臺頂?shù)拈L軸深井消防泵伸入豎直管抽取江水用于碼頭消防。為解決取水口水平引水管泥沙淤積問題，本工程設(shè)計采取以下解決方案。碼頭取水口細(xì)部構(gòu)造如圖4所示。

圖4 碼頭取水口細(xì)部構(gòu)造圖

5.1 改善取水頭部地質(zhì)環(huán)境

本工程碼頭設(shè)計低水位為34.43m（保證率98%），該江段在三峽建庫后枯水期最低水位33.05m，為確保枯水期最低水位取水的可靠性，設(shè)計消防取水口水平引水管取水頭部中心標(biāo)高位于33.05m以下約1.5m，基本緊貼江底，巖土地層分布為淤泥地質(zhì)。為避免泥沙淤積，設(shè)計采用60m長DN1000mm水平引水管將取水頭部延伸至深水區(qū)，且在取水頭部下方進(jìn)行拋填塊石防護(hù)（塊石大小60～100kg）。改善取水頭部環(huán)境條件，可有效減輕由于泵吸作用造成泥沙進(jìn)入管道。

5.2 優(yōu)化取水頭部朝向

本工程碼頭取水口水平引水管取水頭部焊接90°彎管，彎管水平朝向下游方向，并在彎管頭部焊接帶格柵的喇叭管，格柵采用φ10mm圓鋼焊接，網(wǎng)眼尺寸為20mm×20mm。優(yōu)化調(diào)整取水頭部朝向使其順著水流方向，能有效防止泥沙直接沖入引水管，且格柵對阻隔卵石、漂浮物等雜物也有良好效果。

5.3 反沖洗裝置

上述兩種措施皆為被動防護(hù)，雖然能夠有效防止泥沙進(jìn)入引水管道，但是一旦管道泥沙淤積量大將影響消防取水，需要定期清淤維護(hù)，且管道在設(shè)計低水位以下3m位置，清淤工作尤為困難。

（1）反沖洗裝置設(shè)計。綜合上述問題，本工程碼頭消防取水口在2條DN1000mm水平引水管內(nèi)分別設(shè)置1條DN219mm反沖洗管道，反沖洗管道置于水平引水管內(nèi)底部間隔3m焊接固定在引水管道上，反沖洗管道兩側(cè)間隔開φ25mm沖洗孔、間距2m，左右交替錯開，反沖洗管道末端采用法蘭蓋板封堵，法蘭蓋板底部開φ25mm沖洗孔1個。

通過2個DN1000mm等徑鋼質(zhì)四通將2條DN1000mm水平引水管道在根部位置相互連通，豎向取水管道通過90°彎管和四通相連形成“L”型引水管道，四通最外側(cè)兩個出口采用鋼板焊接封堵，反沖洗管道從鋼質(zhì)四通兩側(cè)鋼板穿出并穿過閥室平臺頂板與長軸深井消防泵通過閥門連接。取水口引水管反沖洗裝置如圖5所示。

圖5 取水口引水管反沖洗裝置圖

（2）反沖洗裝置工作原理。當(dāng)水平引水管道需要清淤時，關(guān)閉消防管道DN300蝶閥、止回閥，打開反沖洗管道DN200蝶閥，開啟電動長軸深井消防泵，水泵自取水口豎向管道中抽水，經(jīng)過加壓流入反沖洗管道，經(jīng)反沖洗管道兩側(cè)φ25mm沖洗孔噴出高壓水流，帶動水平引水管道底部泥沙往外排出。

（3）注意事項。由于水平引水管道為DN1000mm，而反沖洗管道為DN219mm，直徑相差懸殊，如果淤積嚴(yán)重，反沖洗效果不佳。這就要求在碼頭運(yùn)營期內(nèi)定期開啟反沖洗裝置進(jìn)行清淤維護(hù)，而不應(yīng)淤積嚴(yán)重時再開啟裝置進(jìn)行清淤，否則在發(fā)生火災(zāi)時反沖洗裝置因淤塞嚴(yán)重失效時造成嚴(yán)重后果。

6.結(jié)語

綜上所述，通過對宜昌港枝江港區(qū)中長燃油庫碼頭工程消防取水口的專項設(shè)計，通過改善取水頭部地質(zhì)環(huán)境、優(yōu)化取水頭部朝向、設(shè)置引水管道反沖洗裝置，將取水口泥沙淤積問題從被動解決轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘Ｖ鲃泳S護(hù)，從根本上解決了由于泥沙淤積影響消防取水效果和水下清淤維護(hù)成本高的難題，為后續(xù)同類工程設(shè)計施工提供參考。