魏頌珂,梅耀丹,劉 琳,閻貴文,安明泉,陳 聰

中國石油集團海洋工程有限公司,北京 100028

海上平臺消防水設計的合理性對平臺運行的安全性和工程投資都會產(chǎn)生較大影響，必須確保管網(wǎng)的性能適用于所有用戶在不同場景下的工作需求。水力計算分析是消防水系統(tǒng)設計的重要組成部分，正確合理的水力分析可以確保消防水系統(tǒng)符合設計要求、最佳經(jīng)濟性和適用性[1]。目前最流行的消防管網(wǎng)流體計算與分析軟件是PIPENET，其內(nèi)嵌NFPA、FOC以及我國國家標準等消防規(guī)范中的計算要求，用于消防管網(wǎng)的仿真計算和系統(tǒng)優(yōu)化、設備的選型以及事故工況下的水力分析[2]。本文以埕海區(qū)塊某采修一體化平臺詳細設計項目為例，開展消防水系統(tǒng)分析驗證及設備選型應用。

1 海上平臺消防水系統(tǒng)

海上平臺消防水系統(tǒng)由消防泵、管網(wǎng)、雨淋閥、軟管站、消防栓、消防炮、噴頭等組成。海上生產(chǎn)設施中，消防水系統(tǒng)涉及的用戶多，工況復雜，通常為了提高消防管路的安全性，將主管路設計成環(huán)形管網(wǎng)并且利用閥門分成多段[3]。由于環(huán)狀管網(wǎng)各管段連接節(jié)點多、管路水流方向不定，運行工況復雜，使得環(huán)狀管網(wǎng)的手動水力分析計算工程量龐大，需借助軟件對管網(wǎng)進行水力分析，保證消防泵、管徑、孔板等配置經(jīng)濟合理[4]。

2 海上平臺消防水系統(tǒng)的PIPENET水力分析

2.1 某海上平臺消防水系統(tǒng)簡介

該平臺消防水系統(tǒng)為濕式消防系統(tǒng)，用于保護平臺組塊的工藝區(qū)和井口區(qū)，并為生活樓消火栓、消防炮和修井機軟管站提供消防水源。消防水系統(tǒng)通過生產(chǎn)淡水泵穩(wěn)壓在500 kPa，系統(tǒng)利用一臺主電動消防泵和一臺備用柴油消防泵為消防系統(tǒng)供水。此平臺設置2個噴淋區(qū)域，分別為中層甲板的井口區(qū)、油氣設備區(qū)以及下層甲板油氣設備區(qū)，如圖1所示。本平臺最大消防用水量為中層甲板，最大消防水用量為543 m3/h。

圖1 消防水系統(tǒng)PFD示意

2.2 系統(tǒng)建模

軟件中消防水系統(tǒng)的計算采用海澄-威廉(Hazen-Williams)公式，利用公式中海澄系數(shù)的調(diào)整，可適用于多種粗糙系數(shù)管道的水力計算。

式中：Pfric為摩擦及管件造成的壓力損失，bar（1bar=0.1MPa）；L為管道長度，m；Le為管件的當量長度，m；Q為體積流量，L/min；D為管徑，mm；C為海澄-威廉系數(shù)（或是C系數(shù)）。

PIPENET建模需依據(jù)消防水系統(tǒng)PI&D、消防管網(wǎng)三維圖、管道詳細參數(shù)及設備參數(shù)等[5]。首先將設計的管材和泵等設備參數(shù)輸入模型數(shù)據(jù)庫，沿具體的消防管網(wǎng)走向進行模型構建，建模要保持與三維圖一致，管件等設備與實際數(shù)量一致，消防管網(wǎng)模型如圖2所示。

圖2 消防管網(wǎng)模型（以下層甲板為例）

本文主要進行消防水系統(tǒng)主管網(wǎng)的全程穩(wěn)態(tài)水力分析，以達到以下目的。

（1）驗證消防水系統(tǒng)管徑、消防泵性能參數(shù)。

（2）確定不同消防水用戶的壓力、流量滿足設計要求。

（3）確定管道和噴頭布置滿足水力平衡要求。

2.3 消防水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)水力分析及系統(tǒng)驗證

通過模擬三種消防工況，驗證消防水用量最大工況及壓力最大工況的水量和流速。

（1）工況1：中層甲板噴淋區(qū)+兩個泡沫/消防水軟管站水力計算。

（2）工況2：下層甲板噴淋區(qū)+兩個泡沫/消防水軟管站水力計算。

（3）工況3：生活樓直升機甲板消防水/泡沫炮+兩個消防水軟管站水力計算。

輸入?yún)?shù)：本PIPENET模型消防泵參數(shù)使用選定的柴油消防泵額定數(shù)據(jù)（額定流量為550 m3/h，額定揚程為135 m）。輸入管件長度、高程、三通、90°彎頭、45°彎頭、管座、噴頭等數(shù)據(jù)，平臺消防水系統(tǒng)最大用水量為中層甲板噴淋區(qū)，最大壓力為生活樓直升機甲板消防水/泡沫炮。將選用的消防泵輸入模型中，校核最不利點的流量和壓力。當壓力過高時，可使用孔板來降低壓力。

首先模擬中層甲板噴淋區(qū)、下層甲板噴淋區(qū)、生活樓直升機甲板消防水/泡沫炮及軟管站噴淋流量及管道流速，部分設備水力計算流量與設計流量進行對比，結(jié)果見表1。

表1 設備噴淋流量對比

模擬計算結(jié)果顯示水力計算流量均大于設計流量，表明中層甲板、下層甲板、直升機甲板的設備噴淋流量滿足設計要求。

本系統(tǒng)設計流速要求為：碳鋼內(nèi)（涂環(huán)氧樹脂）管內(nèi)流速≤5 m/s，銅鎳管內(nèi)流速≤6.7 m/s。各層甲板設備噴淋流速模擬結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明流速均滿足設計要求。

表2 設備噴淋流速

本系統(tǒng)模擬結(jié)果的消防泵曲線如圖3所示，柴油消防泵的流量處于440～900 m3/h高效區(qū)范圍內(nèi)，終端設備滿足壓力和流量的要求。

圖3 消防泵曲線

2.4 消防水系統(tǒng)設備選型應用

PIPENET計算結(jié)果對設備選型有重要參考作用。

2.4.1 最小流量保護閥

在流量過小時，消防泵密閉運轉(zhuǎn)，易發(fā)熱汽化而發(fā)生氣蝕或憋壓造成損壞，可通過設置最小流量保護閥（PCV閥）進行消防泵保護。

通過軟件建模進行水力計算可以驗證最小流量保護閥選用是否合理。以直升機甲板噴淋區(qū)為例，通過刪除和保留最小流量保護閥（PCV閥）分別開展消防系統(tǒng)水力計算，觀察泵運行工況及管道承壓情況。在保留PCV閥的工況下，泵運行曲線和圖3一致，在不設置PCV閥時，模擬計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 未設置PCV閥時消防泵運行工況

由圖3和圖4對比可知，未設置PCV閥時雖然系統(tǒng)仍然能夠有效運行，但柴油消防泵的流量已經(jīng)不再處于440～900 m3/h高效區(qū)范圍內(nèi)，會導致消防泵出口管道壓力變大。因而，消防系統(tǒng)為滿足多種工況運行，設置PCV閥合理可行。結(jié)合廠家情況，選用120 kPa級自力式調(diào)節(jié)閥作為最小流量保護閥。

2.4.2 孔板

在雨淋閥后設置孔板可以調(diào)節(jié)閥后管道壓力，同時實現(xiàn)對噴頭壓力及流量大小的控制。通過使用PIPENET軟件反復調(diào)整孔板壓降可使系統(tǒng)與設計工況更匹配，在提高計算精確度的同時降低了計算的復雜程度，也為選擇孔板尺寸提供了有力依據(jù)。

以中層甲板噴淋區(qū)為例，不設置孔板時，最遠端噴頭的壓力達到8.7 bar，遠大于設計要求的3.5 bar。此時最遠端噴頭壓力過高，管內(nèi)流速過快，與設計工況偏離較大。通過軟件模擬不同的孔板，中層甲板消防水用量情況如表3所示?？紤]系統(tǒng)的各種因素，最終選擇直徑90 mm的孔板。

表3 中層甲板消防水用量情況

3 結(jié)論

通過PIPENET模擬渤海灣埕海區(qū)塊某采修一體化平臺消防水系統(tǒng)，并開展水力計算，結(jié)果表明，消防水環(huán)路、各消防管道和噴淋系統(tǒng)的設計已經(jīng)滿足設計流量和壓力的需求，并對最小流量保護閥孔板等保護措施的選型也起到準確判斷和優(yōu)化驗證作用。因此，本平臺消防水系統(tǒng)能夠給終端設備提供設計要求的壓力和流量，確保消防系統(tǒng)行之有效。為進一步驗證系統(tǒng)可靠性，建議對環(huán)路阻斷、瞬態(tài)水擊等工況開展進一步模擬分析。