閻貴文，安明泉

（中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引言

海上平臺消防水系統(tǒng)設(shè)計過程中，必須確保消防泵的性能和管網(wǎng)的性能同時滿足各種用戶在各種工況下的工作需求，設(shè)計的合理性對工程投資和今后的運行管理都會產(chǎn)生較大影響。水力計算分析是消防水系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，正確、合理的水力分析對確保系統(tǒng)正常運行、最佳的經(jīng)濟性和適用性具有重要作用。PIPENET是目前主流的管網(wǎng)流體計算與分析軟件，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、造船、化工以及電力工業(yè)等領(lǐng)域，用于管網(wǎng)系統(tǒng)的計算和優(yōu)化。采用PIPENET軟件研究這一問題具有巨大的實際價值。

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、噴頭等幾部分組成。消防水系統(tǒng)是海上生產(chǎn)設(shè)施中非常復(fù)雜的一個系統(tǒng)，它涉及的用戶多、工況復(fù)雜。通常為了提高消防管路的安全性，將主管路設(shè)計成環(huán)狀網(wǎng)路并且利用閥門分成多段，一旦主管網(wǎng)某段發(fā)生故障，可以及時截斷故障管路而其他管路繼續(xù)供水，從而保證整個消防系統(tǒng)的供水不受影響。由于環(huán)狀管網(wǎng)各管段互相連接，使得節(jié)點較多，管路水流方向不定，加之各種運行工況的存在，使得環(huán)狀管網(wǎng)的分析計算變得相當復(fù)雜、繁瑣[1]。因此有必要對環(huán)狀管網(wǎng)進行水力分析，保證管徑、消防泵等配置經(jīng)濟合理。針對消防水系統(tǒng)設(shè)計，實際工程一般利用PIPENET軟件進行水力學分析，通常把消防水系統(tǒng)分成消防主環(huán)網(wǎng)和雨淋閥后噴淋系統(tǒng)兩部分分別進行建模分析[2]。

2 PIPENET軟件簡介

PIPENET軟件的Spray/Sprinkler模塊，可用于消防管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計的數(shù)值計算及模擬仿真，遵循國際公認和常用的各種消防規(guī)范 （如NFPA、FOC、GB等），并符合上述規(guī)范對各行業(yè)消防系統(tǒng)設(shè)計的嚴格而特殊的各種強制性計算和布置要求。

PIPENET的Spray/Sprinkler模塊還可以為消防系統(tǒng)等在靜態(tài)工況下工作的關(guān)鍵設(shè)備進行靜態(tài)設(shè)備選型，使設(shè)備的型號更準確、更安全、更經(jīng)濟。對于介質(zhì)為水的情況，消防水系統(tǒng)的計算核心是采用海澄—威廉 （Hazen-Williams）公式[3]。

式中Pfric——摩擦及管件造成的壓力損失/×0.1MPa；

L——管道長度/m；

Le——管件的當量長度/m；

Q——體積流量/（L/min）；

D——管徑/mm；

C——海澄—威廉系數(shù) （或叫C系數(shù)）。

3 海上平臺消防水系統(tǒng)的PIPENET水力分析

3.1 項目消防水系統(tǒng)簡介

本文結(jié)合某一海上無人駐守平臺，利用PIPENET軟件進行消防水系統(tǒng)的水力計算分析。該平臺共四層甲板，擁有井口和簡單生產(chǎn)設(shè)施。其消防水系統(tǒng)為干式環(huán)狀系統(tǒng)且沒有設(shè)置消防泵，平時管網(wǎng)中無消防水，在上層甲板處設(shè)置有直徑355 mm的管路接口，環(huán)路為直徑305 mm的管路，環(huán)路至4個雨淋閥是直徑203 mm的管路。此系統(tǒng)主要有井口和生產(chǎn)設(shè)備兩大噴淋區(qū)，兩個遠離的雨淋閥同時向一個噴淋區(qū)供水，消防噴淋水量共880 m3/h，入口壓力0.8 MPa，見圖1。當鉆修井時，鉆井平臺的消防供水管路與直徑355 mm的管路連接，發(fā)生火災(zāi)危險時直接提供消防水進行消防。

圖1 某海上平臺消防水系統(tǒng)示意

3.2 建模

PIPENET軟件的建模依據(jù)是消防水系統(tǒng)PI&D、消防管網(wǎng)三維圖、管道詳細參數(shù)及設(shè)備參數(shù)等。首先把項目實際的管材和泵等設(shè)備參數(shù)輸入模型數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)具體的消防管網(wǎng)走向進行模型構(gòu)建，建模要保持與三維圖一致，管件等設(shè)備與實際數(shù)量一致，這樣的模型才能保證接近實際情況，為水力計算分析提供基礎(chǔ)。

本平臺初步設(shè)計時缺乏詳細的管網(wǎng)三維圖，未做消防水系統(tǒng)PIPENET水力分析，所以設(shè)定的參數(shù)缺少可行性及經(jīng)濟性驗證。針對這種情況，本文主要進行消防水系統(tǒng)主管網(wǎng)的全程靜態(tài)水力分析，驗證設(shè)計數(shù)據(jù)的可行性。PIPENET水力分析主要包括以下內(nèi)容：

（1）正常狀態(tài)下，入口輸入100%流量以驗證管徑及泵參數(shù)的可行性，水流速最大不超過3 m/s。

（2）故障狀態(tài)下，環(huán)路隔斷及噴淋區(qū)的一路雨淋閥阻塞時，以90%的流量通過，驗證水流速最大不超過4 m/s。

3.3 水力計算分析

在用PIPENET建模時，暫時沒有獲得供水消防泵的曲線，所以分析按照入口壓力為0.8 MPa、流量881.4 m3/h進行模擬計算。本文共模擬兩種狀態(tài)，分析管道內(nèi)的流量、流速及壓力。具體情況見表1。

表1 PIPENET軟件水力分析

3.3.1 正常狀態(tài)

正常消防噴淋情況下 （雨淋閥1和2的噴淋1區(qū)、雨淋閥3和4的噴淋2區(qū)），消防水系統(tǒng)的全部管路水流速都不超過3 m/s，最大的流速是在直徑355 mm的入口管道，分析結(jié)果見表1、圖2。

3.3.2 故障狀態(tài)

根據(jù)經(jīng)驗，假設(shè)故障狀態(tài)下直徑355 mm的入口管道壓力為0.8 MPa，90%的流量為793.3 m3/h。消防主環(huán)路使用閥門隔斷，消防水只通過一路雨淋閥進行噴淋。

故障狀態(tài)1：在主環(huán)路隔斷、雨淋閥2和4阻塞情況下，模擬計算結(jié)果表明消防水流速并不超過4 m/s。在這種狀態(tài)下雨淋閥1的支管路流速最大，流速為3.99 m/s，分析結(jié)果見表1、圖3。

圖3 故障狀態(tài)1流速分布示意

故障狀態(tài)2：在主環(huán)路隔斷、雨淋閥1和3阻塞情況下，模擬計算結(jié)果表明消防水流速并不超過4 m/s。在這種狀態(tài)下雨淋閥2的支管路流速最大，流速為3.99 m/s，分析結(jié)果見表1、圖4。

圖4 故障狀態(tài)2流速分布示意

分析結(jié)果表明，在正常及故障狀態(tài)下，消防水系統(tǒng)均滿足設(shè)計要求，所以管路355、305、203 mm的設(shè)計管徑在目前條件下是合理的。

4 結(jié)論與建議

（1）采用PIPENET進行水力分析，可以驗證設(shè)計的正確性，并優(yōu)化實際設(shè)計方案，此海上平臺的消防水系統(tǒng)在正常和故障狀態(tài)下都滿足設(shè)計要求。

（2）本次分析缺少泵曲線參數(shù)，建議取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)再重新模擬計算，使設(shè)計更加貼近實際工況。

（3）本次沒有分析雨淋閥后的噴淋系統(tǒng)，獲得相應(yīng)的管道三維圖后，建議進一步分析閥后的噴淋系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求；并且根據(jù)閥后的分析可以進一步反推分析入口壓力是否符合實際需求。

（4）PIPENET水力分析軟件能夠較準確模擬出消防系統(tǒng)的水力關(guān)系，但前提是系統(tǒng)建模時要保證管道、設(shè)備等的參數(shù)及管路三維圖的準確性。

[1]劉建續(xù).小型環(huán)狀管網(wǎng)水力計算方法研究[J].華北水利水電學院學報，2009，30（6）：62-66.

[2]張克雄，毛偉志，陳好，等.PIPENET水力分析在曹妃甸改造項目中的應(yīng)用研究[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2011，40（5）：50-52.

[3]楊丙杰.自動噴水滅火系統(tǒng)水力計算方法比較分析[J].給水排水，2010，36（12）：80-83.