PIPENET軟件在大型石化企業(yè)消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙 光，蒙曉非

(中國石化寧波工程有限公司，浙江寧波 315103)

PIPENET軟件在大型石化企業(yè)消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙 光，蒙曉非

(中國石化寧波工程有限公司，浙江寧波315103)

闡述了PIPENET水力分析軟件在大型石化企業(yè)消防管網(wǎng)設(shè)計中的應(yīng)用。從管網(wǎng)設(shè)計的優(yōu)化性、可靠性、經(jīng)濟性及設(shè)計的高效性等方面進行了對比闡述。

PIPENET水力分析 消防系統(tǒng) 石油化工企業(yè) 優(yōu)化設(shè)計 工況模擬

在規(guī)模經(jīng)濟的要求下，石油化工企業(yè)工藝裝置和儲罐向大型化發(fā)展，與其配套的消防系統(tǒng)也逐漸趨向于大型化、復(fù)雜化。而消防管網(wǎng)設(shè)計的安全合理性是整個工藝裝置安全運行的保障也是裝置發(fā)生火災(zāi)事故時的救兵，其重要性不言而喻。目前超過100公頃占地面積的項目日漸增多，根據(jù)GB50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》的要求需要考慮同一時間兩處著火的工況。龐大的環(huán)狀消防管網(wǎng)再加上復(fù)雜的著火工況，設(shè)計者將要面對的是大量的平差計算、工況校核計算以及最不利點選取計算等。面臨當(dāng)今設(shè)計周期緊迫、工作量巨大的形勢，想要完成這樣的計算幾乎是不可能的。諸多的環(huán)狀管網(wǎng)拼在一起，往往讓設(shè)計者無從下手。就單一的一種工況的計算恐怕都要費盡周折，且計算失誤率高、偏差大。因此，大部分設(shè)計人員都會采用估算的方式去解決這個問題，并且為了確保設(shè)計的安全可靠性而犧牲經(jīng)濟性，過大的擴張管徑，擴大消防水泵的流量和揚程。顯然，這樣的設(shè)計是不可取的。

筆者經(jīng)過多個項目的實際計算，結(jié)合實際設(shè)計中的體會，對大型消防管網(wǎng)的水力計算做出了較為全面的論述，闡明軟件應(yīng)用對于優(yōu)化設(shè)計的重要意義。

1 大型消防水系統(tǒng)

大型消防水系統(tǒng)的特點是著火要求的消防用水量大，用水壓力高，管網(wǎng)龐大而且消防設(shè)施完善，如消防炮、噴淋等，這樣的消防水系統(tǒng)通常為獨立的穩(wěn)高壓系統(tǒng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，消防設(shè)施立即開啟，并且能夠提供滿足系統(tǒng)要求的消防水量和壓力。

以國外某項目消防管網(wǎng)為例，其主要消防單元用水量見表1。

根據(jù)NFPA規(guī)范，考慮一處消防用水量最大的單元著火，此表顯示8100單元的用水量最大，所以裝置總用水量為2 557 m3/h。

表1 主要單元用水量

2 管網(wǎng)計算及選泵

通過表1可以大概選定泵的額定流量，但是對于水泵的揚程就需要通過選定最不利點進行計算。最不利點的確定應(yīng)充分考慮最大消防水量、系統(tǒng)中距消防泵房的最遠點、地勢最高點等綜合因素，分別進行計算。

而對于大型的消防系統(tǒng)，其用水工況多種多樣，為了核算所選定的管徑和水泵能否滿足不同工作情況下的要求，就需要進行多種工況的計算，以確保經(jīng)濟合理的供水。通過核算，有時需要將管網(wǎng)中個別管段的直徑放大，也有可能需要另選合適的水泵[1]。

設(shè)計者一般采用估算法，即先算出各個裝置的用水量，然后通過控制流速來確定該裝置周圍的管徑。而對于泵的揚程則一般通過最遠點按枝管網(wǎng)計算法反算泵的揚程。這樣的算法對于環(huán)狀的消防管網(wǎng)顯然是不合理的。對于諸多環(huán)狀的管網(wǎng)來說本來供水可靠性就比枝裝管網(wǎng)高，而且隨著環(huán)數(shù)的增多供水可靠性就更高。設(shè)計者選擇用枝裝網(wǎng)的計算方法且在其基礎(chǔ)上擴大管徑和泵的揚程使得項目投資增加很多。

PIPENET軟件消防模塊是目前國際工程界獨一無二的專業(yè)消防系統(tǒng)設(shè)計計算軟件，符合NFPA(美國消防協(xié)會)、FOC(英國消防協(xié)會)以及GB(國標)等消防規(guī)范對消防系統(tǒng)設(shè)計的各種強制性計算要求，能夠根據(jù)用戶所需的流量來確定管路系統(tǒng)的布置情況和管道直徑，進行管網(wǎng)平衡計算，管網(wǎng)優(yōu)化計算及設(shè)備選型分析等，計算速度快捷而且結(jié)果準確。

圖1為該項目消防管網(wǎng)布置圖。僅從圖面上是無法確定最遠點的，因為環(huán)狀管網(wǎng)中的每個點都可以有多種方式流向該點。路線的不同決定了該點與泵房距離的不同。所以無法確定最不利點，也就無法精確計算所用水泵的揚程。

圖1 消防管網(wǎng)平面布置

圖2為軟件計算的節(jié)點壓力圖，其中實心點為內(nèi)部節(jié)點，代表管網(wǎng)交叉節(jié)點；實心加圓圈點為外部輸出節(jié)點，代表消火栓。通過圖2可以看出點HY/37為壓力最低點，此點即是該工況下選泵的基準點。確定了基準點，再將該點壓力定義為所需求的壓力0.8 MPa，進行反向計算，軟件便會自動分配管網(wǎng)流量，計算出泵房處水泵出口的壓力。

圖2 節(jié)點壓力

確定了泵的揚程和壓力之后，還需要對各種工況進行校核。例如校核最不利工況(區(qū)別于最不利點)時管網(wǎng)的流速是否合理，校核最不利工況發(fā)生而某一段管網(wǎng)檢修時的管網(wǎng)流速以及出現(xiàn)兩處著火點時的消防工況等。

手動計算時設(shè)計人員需要將所有環(huán)狀網(wǎng)初定管徑，并且為了使分配的流量趨近于實際流量，需要通過哈代-克羅斯迭代法進行多次管網(wǎng)平差計算，直到閉合差在精度要求范圍內(nèi)為止?？上攵瑔螁问瞧讲钣嬎憔涂赡芤娜ピO(shè)計人員大量的精力和時間，還可能會造成誤差偏大。而利用PIPENET軟件可以輕松解決上述問題。

為了防止管網(wǎng)因水錘現(xiàn)象出現(xiàn)事故，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，最大設(shè)計流速控制在3.5 m/s以內(nèi)。

首先校核工況1：最大消防用水量的罐區(qū)即最不利工況點著火，假設(shè)該罐區(qū)消防水有2處管道引入，并且同時開啟2處消防炮供水。利用軟件模擬該工況，計算結(jié)果如表2。

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)有些管段流速非常小，從0～2.75 m/s不等，且多數(shù)管徑流速在2 m/s甚至1 m/s以下。說明在罐區(qū)著火工況下，這些小流速的管段的管徑設(shè)計是不經(jīng)濟的。但是單憑這一種工況還不能說明問題。還需要兼顧其它工況進行分析。

表2 工況1計算結(jié)果

工況2：在最不利著火工況下，選擇將2條較為重要的管段HFW/50和HFW/43關(guān)斷(模擬著火時管段檢修工況)，如圖3(虛線部分代表該工況下關(guān)斷的管段)，然后再利用軟件進行模擬，計算結(jié)果顯示僅有5條管段流速處于2～3 m/s之間，大部分管段流速仍處于較低階段。

根據(jù)NFPA規(guī)范按1處著火點進行考慮，顯然現(xiàn)有的管徑完全符合要求，而且富余量較大。為了確保消防的可靠性，再利用軟件進行2處著火點的校核，從而觀察管徑是否仍然能夠滿足要求。

工況3：模擬2處著火點，一處在罐區(qū)處，著火時消防用水量按1 297 m3/h進行計算；另一處在PP裝置處，著火時消防用水量按1 260 m3/h進行計算。結(jié)果表明，最大流速不超過2 m/s。

圖3 工況2計算

工況4：模擬2處著火點時，管段HFW/52和HFW/23關(guān)斷(模擬著火時管段檢修工況)，經(jīng)過軟件計算后，流速顯示2 m/s以下管段居多。

通過4種工況的計算不難發(fā)現(xiàn)，人工估算的管徑明顯偏大，富余量較多。綜合幾種工況來看，顯然可以將主管道流速均較低的管徑進行縮小。經(jīng)過比較后發(fā)現(xiàn)工況2為最不利工況，根據(jù)工況2的流速將主干管管徑縮小并進行計算，最終得到滿足流速要求的管徑。

3 計算結(jié)果分析

對于大型消防水管網(wǎng)的計算必須要兼顧可靠性、經(jīng)濟性。人工計算雖然也是本著這兩個原則進行設(shè)計，但卻因為人為和客觀的因素限制無法避免地采用了相對不經(jīng)濟的作法。并且對于大型的消防管網(wǎng)人為設(shè)計后并無法做到各種工況的精確校核，使得設(shè)計者以及校審人員存在“不放心”的心態(tài)，在設(shè)計以及校審過程中層層增大管徑，犧牲經(jīng)濟性，給業(yè)主帶來了不必要的經(jīng)濟損失。通過軟件對人為初定的管徑進行分析后大大減少了不必要的浪費，并且滿足規(guī)范要求的可靠性。就本項目而言，通過軟件校核后對于管材的變化量如表2所示。

表2 軟件校核前后管材對照

不同管徑及壁厚的管材對應(yīng)的價格不同，筆者僅以碳素?zé)o縫鋼材(20#)平均價格中較低價7 000元/t進行計算，可節(jié)省80余萬元。

除此以外，管徑的減少相對應(yīng)的是閥門投資的減少、閥門井投資的減少以及管件投資的減少。這幾方面節(jié)省的總投資可能比單一管材投資更為巨大。

4 結(jié)論及建議

本項目消防管網(wǎng)的規(guī)模有限，隨著今后國內(nèi)外大型石化行業(yè)的發(fā)展和消防設(shè)計的重要性的不斷增高，消防系統(tǒng)的規(guī)模也將不斷擴大，而PIPENET軟件的優(yōu)勢將更加明顯。目前國外項目對于軟件的使用及計算書要求較為嚴格，而PIPENET軟件則可以生成國際通用的標準計算書。

利用軟件協(xié)助設(shè)計可以使得設(shè)計更為合理、可靠和優(yōu)化，能夠成倍提高設(shè)計效率而且避免了人為計算的不準確因素，為設(shè)計者提供可靠的參考依據(jù)，讓設(shè)計者的每一方案都能得到模擬仿真增加設(shè)計的確定性。而最終的目標即是保證工程安全性的前提下最大限度節(jié)約工程成本。軟件的應(yīng)用不僅限于消防管網(wǎng)的應(yīng)用，筆者建議，對于今后一些大型的儲罐消防、棧橋噴淋以及水錘等復(fù)雜的水力計算均可通過軟件進行計算，使設(shè)計更加優(yōu)化、高效、經(jīng)濟。

[1] 嚴煦世，范瑾初. 給水工程[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

TheApplicationofPIPENETHydraulicAnalysisinFireProtectionSystemofLargePetrochemicalEnterprises

Zhao Guang, Meng Xiaofei

(SINOPEC Ningbo Engineering Corporation Co. ltd., Zhejiang, Ningbo, 315103)

This article clarifies the importance of PIPENET software in the application of pipe network design in large petrochemical enterprises. Through contrast in actual case, this article emphasizes the importance of software in network calculation and pump selection. The article mainly does some comparison in design optimization, reliability and high efficiency.

PIPENET hydraulic analysis；fire protection system；petrochemical enterprise；design optimization；situation simulation

2015-12-21

趙光，助理工程師，2010年畢業(yè)于常州大學(xué)(原江蘇石油化工學(xué)院)給水排水專業(yè)，目前主要從事給排水消防設(shè)計工作。