直線型油品碼頭固定消防炮選型

蘇洪濤

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430030)

在油品化工碼頭的眾多消防設(shè)備中，直接滅火的泡沫消防炮及起冷卻作用的消防水炮是其中重要的組成部分，其選型直接影響其他部件的設(shè)計(jì)。如何快速地計(jì)算選型是該類碼頭消防設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

1 相關(guān)規(guī)范的理解及參數(shù)的確定

1.1 消防炮設(shè)計(jì)流量的確定

1)消防水炮設(shè)計(jì)流量的確定。裝卸油品化工碼頭消防冷卻水量的公式如下:Q1=0.06×F×ql。其中，Q1為冷卻水流量，L/s;F為冷卻范圍，m2，由船型資料定;ql為冷卻水供給強(qiáng)度，其值為2.5L/(min·m2)［1］。根據(jù)《裝卸油品碼頭防火設(shè)計(jì)規(guī)范》，“冷卻水可以由水上和陸上消防設(shè)備共同提供，但陸上消防設(shè)備所提供的冷卻水量不應(yīng)小于全部冷卻水量的50%”，所以，在有水上消防船的條件下，由固定式消防炮提供的冷卻水量其最低值為Q1min=0.5×Q1，在無水上消防的情況下Q1min=Q1。另外，規(guī)范限定裝卸甲類油品的一級碼頭，“至少應(yīng)有一艘消防船或拖消兩用船進(jìn)行監(jiān)護(hù)”，所以在此類碼頭中可以默認(rèn)該工程中固定式消防水炮的最小設(shè)計(jì)流量為Q1min=0.5×Q1。2)消防泡沫炮設(shè)計(jì)流量的確定。裝卸油品化工碼頭泡沫混合液最小供給量的公式如下:Qp=fmax×qp。其中，Qp為冷卻水流量，L/s;f max為設(shè)計(jì)船型最大油艙面積，m2，由船型資料定;qp為泡沫混合液供給強(qiáng)度，其值不小于8L/(min·m2)［1］。

1.2 消防炮與油船之間的關(guān)系

消防炮與油船的相對位置關(guān)系是通過消防炮的覆蓋范圍來確定的。《裝卸油品碼頭防火設(shè)計(jì)規(guī)范》6.5.2條規(guī)定，當(dāng)有水上消防設(shè)施監(jiān)護(hù)時(shí)，可由消防炮及水上消防設(shè)施聯(lián)合滿足泡沫炮射程覆蓋設(shè)計(jì)船型油艙、水炮射程覆蓋設(shè)計(jì)船型的要求，然而在《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.4條要求“泡沫炮的射程應(yīng)滿足覆蓋設(shè)計(jì)船型的油氣艙范圍，水炮的射程應(yīng)滿足覆蓋設(shè)計(jì)船型的全船范圍”，并不考慮水上消防設(shè)施的影響?？紤]到《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.4條為國家標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)制性條款，加之油品化工碼頭的安全性需求，筆者認(rèn)為消防炮與油船的相對位置以滿足《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》為準(zhǔn)繩，在圖紙上可直觀地理解為以各消防水炮為圓心、射程為半徑做圓，各圓的半徑能覆蓋設(shè)計(jì)船型，同樣的，泡沫炮應(yīng)滿足以各泡沫炮為圓心、射程為半徑做圓能夠覆蓋油艙。由于消防炮的射程和流量及壓力的方根均成正比關(guān)系，對于選定了消防炮個(gè)數(shù)及型號的工程，最經(jīng)濟(jì)的布置方式就是使消防炮的射程剛好能夠覆蓋其規(guī)定的范圍，這樣對后方的壓力和水量的要求都剛好合適，沒有浪費(fèi)。在圖面上就要求首尾的兩臺炮其保護(hù)范圍圓落在油船的邊角上，中間的消防炮的保護(hù)范圍圓相交，且其交點(diǎn)落在保護(hù)范圍的邊線上。在理想狀態(tài)下，以四臺炮為例，消防水炮、泡沫炮與化學(xué)品船的位置關(guān)系分別如圖1，圖2所示。

圖1 消防水炮與油品船的位置關(guān)系

圖2 泡沫炮與油品船的位置關(guān)系

從圖1和圖2中可以看到，由于保護(hù)范圍的不同，在理想狀態(tài)下，泡沫炮和水炮數(shù)目相同的時(shí)候，其布置位置是不同的。在炮數(shù)不同的情況下更是如此。而實(shí)際情況是，油品碼頭上的裝卸設(shè)備、電氣設(shè)備及其他設(shè)施都較多，如果將消防水炮和泡沫炮分開設(shè)置，必然要在碼頭上設(shè)置較多的炮塔，給碼頭的布置帶來不便。同時(shí)，泡沫混合液受到平時(shí)必須空管且要在水泵啟動后5min之內(nèi)送至最遠(yuǎn)著火點(diǎn)的限制，其往往和消防冷卻水共用水源。如果消防水炮和泡沫炮的個(gè)數(shù)不同，炮數(shù)少的系統(tǒng)因其保護(hù)范圍擴(kuò)大其炮口所需壓力也將增大，而這個(gè)增大的壓力對于炮數(shù)多的系統(tǒng)不必要，造成了相對浪費(fèi)，故而也無需考慮消防炮個(gè)數(shù)的不同的情況。有鑒于此，消防炮和水炮一般是個(gè)數(shù)相同且位置一致，市場上的雙層炮塔即是為此專門設(shè)置。以各系統(tǒng)選用四門炮為例，消防炮塔的設(shè)置見圖3，其設(shè)置以消防水炮設(shè)置最優(yōu)為基準(zhǔn)，消防泡沫炮的保護(hù)范圍則稍微擴(kuò)大。

圖3 消防炮與油品船的位置關(guān)系

2 數(shù)學(xué)模型的建立及求解

經(jīng)過上述分析，可以得到以下幾點(diǎn):

1)對于給定外部條件的油品化工碼頭，消防水炮、泡沫炮都有一個(gè)設(shè)計(jì)最小流量，這里分別記為Q1min及Qpmin;

2)消防炮的保護(hù)范圍內(nèi)保證單股水流到達(dá)任何一點(diǎn);

3)消防水炮和泡沫炮設(shè)置在一座炮塔上，炮塔的設(shè)置位置按消防水炮布置最優(yōu)來考慮，泡沫炮根據(jù)消防水炮的位置進(jìn)行反算選型。另外，在實(shí)際情況下，各消防炮之間由于間距的問題，炮口壓力必然不同，然而考慮到壓力差別較小，為計(jì)算方便假設(shè)各消防炮的炮口壓力均和最不利處消防炮相同，這樣各消防炮的射程范圍就一樣了，其中消防水炮和泡沫炮的射程分別記為Ds，Dp。另設(shè)油船邊線至消防炮塔距離為a，油船寬度為b，油船總長為L，其中a由設(shè)計(jì)定，L，b則是油船的自身尺寸。則在n個(gè)消防水炮保護(hù)油船的情況下，最經(jīng)濟(jì)的布置方式如圖4所示。

圖4 n個(gè)消防水炮保護(hù)油船示意圖

圖4中，h為油船中心線至炮塔的距離，h=a+0.5b;h為油船外邊線至炮塔的距離，H=a+b。

對于直線型碼頭，由前文的假設(shè)條件，根據(jù)勾股定理不難得到以下兩式:

于是得到:

其中，L，H，h對于一個(gè)給定的碼頭，其值為定值或可以由設(shè)計(jì)人員根據(jù)相關(guān)規(guī)范取值確定，故該式是僅關(guān)于消防炮個(gè)數(shù)n及消防炮射程Ds的方程。

如前文所述，給定的油品化工碼頭，其提供的消防冷卻水有個(gè)最小值Q1min，根據(jù)式(2):

可以求出各消防炮對應(yīng)于Q1min的壓力p1min。

其中，qs0為水炮在額定工作壓力時(shí)的流量，m，由消防炮型號確定;p0為水炮的額定工作壓力，MPa，由消防炮型號確定;pe為水炮的設(shè)計(jì)工作壓力，MPa。

《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定消防炮“設(shè)計(jì)工作壓力與產(chǎn)品額定工作壓力不同時(shí)，應(yīng)在產(chǎn)品規(guī)定的工作壓力范圍內(nèi)選用”，即pe∈［pmin′，pmax］，其中，pmin′，pmax分別為消防水炮工作壓力下限和上限，均由廠家提供其參數(shù)，結(jié)合受到流量限定的最小壓力p1min，可知只能選擇消防炮最大工作壓力大于p1min者。對于可以選用的消防炮，依據(jù)其額定工作壓力，自小向大依次計(jì)算。對于X型消防炮，先選擇 p min′及p1min中的大者設(shè)定為pmin，得到pe∈［pmin，pmax］。通過式(3)即可以求出相應(yīng)型號消防炮Ds的取值范圍［Dmin，Dmax］。

其中，Ds0為水炮在額定工作壓力時(shí)的射程，m，由消防炮型號確定。

由于消防炮的射程D越大，所需的某型消防炮個(gè)數(shù)n也就越少，所以將Dmin，Dmax分別代入式(1)中，可得到 n的取值范圍［nmin，nmax］，基于n必然是自然數(shù)，也即對X型消防水炮而言，其可能的消防炮的個(gè)數(shù)是［nmin，nmax］之間的正整數(shù)。按照自小向大的順序，依次將n值代入式(1)，則式(1)為關(guān)于Ds的一次方程，通過牛頓迭代求出消防炮的射程Ds，繼而由式(4)，式(5)計(jì)算得到此時(shí)的炮口壓力及設(shè)計(jì)流量。

如此反復(fù)，即可計(jì)算出所有滿足規(guī)范要求的各型消防水炮，及其在最低要求條件下的工作壓力、流量及射程參數(shù)。

由圖3可以得到泡沫炮與水炮的差別僅為射程范圍線的交點(diǎn)在油艙的邊線上而不是油船的邊線，同樣地，由勾股定理可以得到式(6):

其中，b為油船邊艙寬度，為油船自身尺寸，無數(shù)據(jù)時(shí)可參照《河港工程總體設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B取值;Dp為消防炮設(shè)計(jì)射程。

計(jì)算出Dp后由式(4)，式(5)計(jì)算得到此時(shí)的炮口壓力及設(shè)計(jì)流量，區(qū)別僅是將水炮的額定參數(shù)改為泡沫炮額定參數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算，即可得到所有滿足規(guī)范的消防炮組合。

3 消防炮設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整

由于《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定室外配置的水炮、泡沫炮的額定流量最小值分別不宜小于30L/s和48L/s，故當(dāng)經(jīng)過計(jì)算選得的消防炮小于該定值后，在條件允許的情況下，以滿足規(guī)范為準(zhǔn)，直接選擇額定流量滿足該條文的消防炮。一般來說，10000t及以下的油輪，均可以直接采用規(guī)范規(guī)定的最小值選炮，只有在室外條件確實(shí)不允許且得到消防單位許可的情況下，方可采用依據(jù)計(jì)算得到的消防炮。

4 結(jié)語

本文所述計(jì)算過程可以將直線型直立式油品化工碼頭所可能選用的消防炮做一個(gè)較為準(zhǔn)確、完整的計(jì)算及選型。如果進(jìn)一步將該計(jì)算過程編譯為程序語言制作一個(gè)小工具，通過該工具只需輸入油船中心線至炮塔的距離h、油船外邊線至炮塔距離H及油船?？繀^(qū)域總長L等3個(gè)參數(shù)即可完成計(jì)算。這樣不僅可以提高該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員、校核人員的工作效率，同時(shí)也可作為相關(guān)企業(yè)單位、消防主管部門的一個(gè)參考工具。

［1］JTJ 237-99，裝卸油品碼頭防火設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50338-2003，固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.