油品液體化工碼頭消防水泵復(fù)核與設(shè)計(jì)選型

王洋

摘 要：消防水泵作為消防給水系統(tǒng)中最常用的設(shè)備，其布設(shè)選型是否合理將對(duì)消防給水產(chǎn)生較大的影響。某油品液體化工碼頭因發(fā)展需求，需要靠泊100000噸級(jí)油船，通過(guò)結(jié)合相關(guān)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)現(xiàn)有消防水泵的供水能力和布設(shè)進(jìn)行復(fù)核，驗(yàn)證其是否能繼續(xù)被利用，若不能，需要重新設(shè)計(jì)選型。消防水泵若需重新設(shè)計(jì)選型，在選型后通過(guò)對(duì)消防水泵并聯(lián)運(yùn)行曲線和汽蝕現(xiàn)象是否會(huì)發(fā)生進(jìn)行分析與判斷，驗(yàn)證經(jīng)重新設(shè)計(jì)選型的消防水泵在布設(shè)和供水能力方面能否滿足消防給水系統(tǒng)改建后的要求，同時(shí)提出了滅火第二階段消防水泵的操作方法。

關(guān)鍵詞：水泵;復(fù)核;設(shè)計(jì)選型;運(yùn)行曲線;汽蝕現(xiàn)象;操作方法

中圖分類(lèi)號(hào)：U656.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0071-03

某油品液體化工碼頭現(xiàn)狀可靠泊最大船型為50000噸級(jí)，隨著市場(chǎng)對(duì)石化產(chǎn)品需求不斷增加，該碼頭需通過(guò)改建擴(kuò)大作業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)靠泊100000噸級(jí)油船。

項(xiàng)目已按照預(yù)留100000噸級(jí)油船的可能對(duì)消防給水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，只是設(shè)計(jì)之時(shí)主要參考《裝卸油品碼頭防火設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ 237-99，如今該規(guī)范已被《油氣化工碼頭設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]替代，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者內(nèi)容差異較大，部分條文規(guī)定《油氣化工碼頭設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]要嚴(yán)于《裝卸油品碼頭防火設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ 237-99，這就使得碼頭已建消防給水系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

基于上述原因，碼頭已建消防給水系統(tǒng)需重新設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。本文以該油品液體化工碼頭改建設(shè)計(jì)工作為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和項(xiàng)目現(xiàn)狀，著重對(duì)現(xiàn)有消防水泵的布設(shè)和供水能力進(jìn)行復(fù)核，以驗(yàn)證其能否在改建后的消防給水系統(tǒng)中被繼續(xù)利用。若不能，則需重新布設(shè)與設(shè)計(jì)選型。

1 工程概況

項(xiàng)目位于北方某港區(qū)北部岸線的液體化工及油品泊位岸線區(qū)段，碼頭泊位長(zhǎng)度298m，碼頭寬26m，碼頭與陸域之間設(shè)1座引橋，作為管廊及碼頭與岸聯(lián)系的通道，引橋?qū)挾?8m，長(zhǎng)度70m?？赏瑫r(shí)靠泊2艘5000噸級(jí)化學(xué)品船，最小兼顧1000噸級(jí)化學(xué)品船，最大靠泊50000噸級(jí)油輪。

碼頭布置采用連片式+系纜墩結(jié)構(gòu)。泊位中部可靠泊10000～50000噸級(jí)船舶，泊位東側(cè)與西側(cè)可靠泊較小船型。

碼頭現(xiàn)有消防設(shè)施包括：消防塔架、固定式消防水炮、固定式消防泡沫炮、固定式干粉炮、移動(dòng)炮、水幕、消火栓、滅火器、消防水管道和泡沫混合液管道等。

陸域現(xiàn)有消防設(shè)施包括：消防水泵、平衡式泡沫比例混合裝置、泡沫液罐、消防水池、消防水管道和泡沫混合液管道等。

2 消防給水系統(tǒng)改建

2.1消防給水系統(tǒng)調(diào)整

碼頭消防系統(tǒng)包括消防給水系統(tǒng)和泡沫滅火系統(tǒng)，前者用于設(shè)計(jì)船型著火艙周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的甲板冷卻，后者用于設(shè)計(jì)船型液貨艙滅火。

根據(jù)《油氣化工碼頭設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]相關(guān)要求，已建消防給水系統(tǒng)面臨的最大問(wèn)題是消防泵房現(xiàn)有消防水泵組最大給水流量不能滿足改建后消防給水系統(tǒng)和泡沫滅火系統(tǒng)所需最大用水流量之和的要求。根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)狀綜合考慮，將兩套系統(tǒng)相互獨(dú)立設(shè)置，消防水由已建消防泵房供給，泡沫水由新建泡沫消防泵房供給，其他更改按照《油氣化工碼頭設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]相關(guān)要求執(zhí)行。

2.2改建后消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

現(xiàn)狀消防水最大流量為401L/s，改建后消防水與泡沫水最大流量為533L/s，其中消防水流量385L/s，所需壓力1.7MPa，根據(jù)滅火需求，消防水流量和用水設(shè)施見(jiàn)表1。

3 消防水泵復(fù)核

消防泵房?jī)?nèi)現(xiàn)有4臺(tái)消防電動(dòng)泵，3用1備，單泵流量140L/s，揚(yáng)程180m，供水能力滿足改建后消防給水系統(tǒng)用水要求，但結(jié)合《油氣化工碼頭設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]、《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》[2]和《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[3]相關(guān)要求對(duì)消防水泵布設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行復(fù)核，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）備用泵未采用柴油機(jī)拖動(dòng)，且未達(dá)到具備100%備用能力要求;

（2）若主泵不變，備用泵采用柴油機(jī)泵，3用1備運(yùn)行，則備用泵出水流量不符合規(guī)范要求，且1臺(tái)主泵發(fā)生故障時(shí)就需啟動(dòng)備用泵代替3臺(tái)主泵工作，運(yùn)行模式合理性較差。

因此，消防水泵需重新布設(shè)和設(shè)計(jì)選型。

4 消防水泵設(shè)計(jì)選型

4.1消防水泵特性曲線

根據(jù)改建后消防給水系統(tǒng)所需流量、供水壓力、運(yùn)行模式合理性以及消防泵房空間等因素綜合分析，主泵采用電動(dòng)泵，備用泵采用柴油機(jī)泵，2用2備，單泵流量200L/s，揚(yáng)程170m，額定功率515kW，NPSHr（必需汽蝕余量）5.2m，消防水泵特性曲線如圖1所示。

由圖1可知，消防水泵高效區(qū)為60%～66%，對(duì)應(yīng)的流量和揚(yáng)程分別為120L/s～250L/s和195m～137m。

4.2消防水泵并聯(lián)特性曲線

消防水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其工作點(diǎn)由泵與其所隸屬的管道系統(tǒng)一同確定，即水泵特性曲線與管道系統(tǒng)特性曲線共同確定工作點(diǎn)。將管道水頭損失視為零的情況下，根據(jù)圖1內(nèi)容按照《泵與泵站》[4]給出的步驟繪制水泵并聯(lián)特性曲線，如圖2所示。

（1）在同一坐標(biāo)圖上繪制并聯(lián)各泵的（Q-H）特性曲線;

（2）把對(duì)應(yīng)同一H值的各流量相加;

（3）用平滑曲線將流量疊加后的坐標(biāo)點(diǎn)連接，得到水泵并聯(lián)后的總和（Q-H）特性曲線。

4.3管道特性曲線

根據(jù)管道系統(tǒng)特性方程繪制管道系統(tǒng)特性曲線，管道系統(tǒng)特性方程如下。

根據(jù)公式1、2和圖2繪制消防水泵并聯(lián)運(yùn)行曲線，如圖3所示。

4.4消防水泵選型分析

4.4.1流量、揚(yáng)程、功率、NPSHr、效率

由圖3可知，滅火第一階段，消防給水流量最大，該階段2臺(tái)消防水泵并聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)A點(diǎn)為消防水泵并聯(lián)特性曲線與管道系統(tǒng)特性曲線交匯點(diǎn)，B點(diǎn)為2臺(tái)消防水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)單臺(tái)消防水泵工況點(diǎn)，O點(diǎn)為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。消防水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各工況點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表2。

結(jié)合圖1和表2可知，A點(diǎn)流量和揚(yáng)程滿足O點(diǎn)要求，此時(shí)消防水泵效率處于高效區(qū)內(nèi)。此種工況下消防水泵供水能力滿足用水需求，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)合理高效。

滅火第二階段，消防給水流量最小，該階段1臺(tái)消防水泵運(yùn)行，此時(shí)消防水泵特性曲線與管道系統(tǒng)特性曲線交匯于C點(diǎn)。單泵運(yùn)行時(shí)各工況點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表3。

結(jié)合圖1和表3可知，C點(diǎn)除揚(yáng)程不滿足設(shè)計(jì)工況點(diǎn)要求外，消防水泵功率升高至580kW遠(yuǎn)大于其額定功率515kW，NPSHr（必需汽蝕余量）升高至6.6m大于其額定流量對(duì)應(yīng)的5.2m，效率降低至52%脫離了高效區(qū)，此時(shí)若不采取措施，消防水泵會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載燒毀，還有可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

由于受到項(xiàng)目建設(shè)方對(duì)投資的硬性要求以及已建消防泵房結(jié)構(gòu)尺寸不得改動(dòng)的雙重制約，滅火第二階段通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)節(jié)流，加大管道系統(tǒng)水頭損失，管道系統(tǒng)特性曲線將變陡，使交匯點(diǎn)C向左移動(dòng)至設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近，達(dá)到消防水泵正常高效運(yùn)行以滿足用水需求的目的。因Q-N為上升曲線，調(diào)節(jié)閥門(mén)節(jié)流，減小流量，消防水泵軸功率也隨著減小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載危害，而且通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)節(jié)流方便易行，因此，在泵站實(shí)際運(yùn)行中是一種常見(jiàn)的操作方法。

4.4.2汽蝕現(xiàn)象

泵中最低壓力如果降到被抽送液體工作溫度下的汽化壓力時(shí)，泵殼內(nèi)會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。汽蝕現(xiàn)象初期表現(xiàn)為泵外部輕微噪聲、振動(dòng)和H、N下降，嚴(yán)重時(shí)泵的H、N、η急劇下降，最后停止出水。為防止汽蝕現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)確保NPSHa（有效汽蝕余量）>NPSHr（必需汽蝕余量）。但為了安全起見(jiàn)，在工程中，通常采用NPSHa（有效汽蝕余量）>NPSHr（必需汽蝕余量）+0.6，以保證水泵吸水性良好。NPSHa可由公式3確定。

式中：NPSHa—有效汽蝕余量（mH2O）;Pa—消防水池表面氣壓（mH2O）;△H—吸入幾何高度（m）;∑h—吸水管水頭損失之和（mH2O）;Pv—汽化壓力（mH2O）;ρ—輸送介質(zhì)密度（kg/m3）;g—重力加速度（m/s2）。

根據(jù)公式3計(jì)算并結(jié)合圖1和圖3，消防水泵并聯(lián)運(yùn)行和單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的NPSHa和NPSHr關(guān)系見(jiàn)表4。

由表4可知，消防水泵并聯(lián)運(yùn)行和單獨(dú)運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

與民用類(lèi)項(xiàng)目相比，油品液體化工碼頭消防備用泵應(yīng)按照《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》[2]中的“備用泵應(yīng)采用柴油機(jī)泵，且應(yīng)按100%備用能力設(shè)置”要求布設(shè)選型。

由于受到建設(shè)方和項(xiàng)目現(xiàn)狀制約的影響，滅火第二階段采用調(diào)節(jié)閥門(mén)節(jié)流，使各項(xiàng)參數(shù)合理運(yùn)行，以滿足用水需求的操作方法。此方法雖然常用卻消耗大，對(duì)閥門(mén)磨損大，一般情況下，不宜使用此方法。

由于忽略了管道系統(tǒng)特性曲線對(duì)消防水泵并聯(lián)運(yùn)行的影響，往往錯(cuò)誤地認(rèn)為消防水泵并聯(lián)數(shù)量增加一倍，流量也增加一倍，根據(jù)這種錯(cuò)覺(jué)布設(shè)消防水泵是不可靠的，應(yīng)通過(guò)并聯(lián)工況分析計(jì)算后確定消防水泵型號(hào)和數(shù)量為宜。

該項(xiàng)目消防水泵在進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)選型之后，又通過(guò)繪制并聯(lián)運(yùn)行曲線進(jìn)行并聯(lián)工況分析計(jì)算和汽蝕現(xiàn)象判斷，驗(yàn)證了消防水泵的適用性。此設(shè)計(jì)方法不僅具有提高設(shè)備選型結(jié)果可靠性的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是提升了消防水泵并聯(lián)工況分析計(jì)算和汽蝕現(xiàn)象判斷的能力，也為其他類(lèi)似項(xiàng)目提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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