錢嬋娟

（安徽實(shí)華工程技術(shù)股份有限公司上海分公司，上海200136）

近年來大型石油化工企業(yè)相繼建成投產(chǎn)，工藝裝置、儲罐也向大型化發(fā)展，相應(yīng)增加了固定式的消防設(shè)備，如消防水炮、水噴淋等。強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50160-2008，簡稱規(guī)范）要求：大型石油化工企業(yè)的工藝裝置區(qū)、罐區(qū)等，應(yīng)設(shè)獨(dú)立的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)，其壓力宜為0.7～1.2MPa，但該穩(wěn)壓設(shè)施的設(shè)置，規(guī)范沒有給出明確規(guī)定或說明。目前，石油化工企業(yè)的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的穩(wěn)壓方式常見的有兩種：一種為變頻穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓，由穩(wěn)壓泵及變頻器組成，通過穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)控制管網(wǎng)壓力；另一種為氣壓罐穩(wěn)壓，由氣壓罐及穩(wěn)壓泵（即補(bǔ)水泵）組成，平常由氣壓罐維持管網(wǎng)壓力。現(xiàn)就這兩種穩(wěn)壓設(shè)施的適用場合及氣壓罐穩(wěn)壓選型計(jì)算做如下分析。

1 穩(wěn)壓設(shè)施適用場所分析

根據(jù)“規(guī)范”8.5.1條，穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)水量要考慮消防水管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏量和一只水槍出水量（5L/s）。根據(jù)Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防部分規(guī)定，消防穩(wěn)壓泵其出水量原則上按系統(tǒng)的滲漏量計(jì)算。對于全廠性的穩(wěn)高壓給水系統(tǒng)，也可按系統(tǒng)容量的大小考慮，一般可取5.0～15.0L/s計(jì)算。綜上，石油化工企業(yè)消防穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)水量至少選用5.0L/s。

對于新建穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)而言，其管網(wǎng)泄漏量相當(dāng)小，計(jì)算可參照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-2008）中壓力管道水壓試驗(yàn)的允許滲水量。以某石油庫穩(wěn)高壓消防水管道更新項(xiàng)目為例，估算更新后穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)泄漏量，見表1。

表1 穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)泄漏量

由表1可見，穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)泄漏量為5.032L/min，即0.084L/s，因此管網(wǎng)泄漏量是相當(dāng)小的。此時(shí)應(yīng)采用氣壓罐方式穩(wěn)壓，平常管網(wǎng)的消防水泄漏量由氣壓罐補(bǔ)給，當(dāng)氣壓罐內(nèi)的壓力降低到系統(tǒng)設(shè)定的最低壓力時(shí)，啟動穩(wěn)壓泵，由穩(wěn)壓泵向氣壓罐補(bǔ)水，當(dāng)氣壓罐的壓力達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的最高壓力時(shí)，穩(wěn)壓泵停止運(yùn)行。

若采用穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)，當(dāng)管網(wǎng)泄漏量相當(dāng)小時(shí)，穩(wěn)壓泵變頻后將達(dá)不到管網(wǎng)壓力需求。具體分析如下：變頻調(diào)節(jié)即調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，當(dāng)通過變頻調(diào)節(jié)降低泵的流量時(shí)，揚(yáng)程相應(yīng)也要降低，流量太小時(shí)，揚(yáng)程將不能滿足穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)的壓力要求（0.7～1.2MPa）；另外，穩(wěn)壓泵一般采用普通電機(jī)，當(dāng)變頻調(diào)節(jié)時(shí)，頻率不宜低于30Hz，否則電機(jī)容易燒壞。因此當(dāng)管網(wǎng)泄漏量較小時(shí)，不應(yīng)采用穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)。

對于某些石油化工企業(yè)，其穩(wěn)高壓消防水管道建成投用至今已有十多年，甚至更久，管道及閥門密封處等滲漏量較大，若仍采用氣壓罐穩(wěn)壓，穩(wěn)壓泵將頻繁啟動，容易損壞，此時(shí)可將原有的氣壓罐穩(wěn)壓方式改造成穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)穩(wěn)壓。

2 氣壓罐穩(wěn)壓的選型計(jì)算

2.1 氣壓罐選型

關(guān)于氣壓罐穩(wěn)壓系統(tǒng)，目前常用的為隔膜式氣壓罐，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖中：P1—最低工作壓力；P2—消防主泵啟動壓力；PS1—穩(wěn)壓泵啟動壓力；PS2—穩(wěn)壓泵停止壓力；VX—貯水容積；VP—緩沖水容積；VS—穩(wěn)壓水容積；VO—壓力為PS2時(shí)的氣體容積。

氣壓罐的總?cè)莘e按下式計(jì)算：

式中：V—穩(wěn)壓罐總?cè)莘e；VXf—消防水總?cè)莘e，VXf=VX+VP+VS；β—?dú)鈮汗薜娜莘e系數(shù)，隔膜式氣壓罐取1.05；a—工作壓力比，宜在0.5～0.9范圍內(nèi)取值。

計(jì)算最低工作壓力P1時(shí)，計(jì)算管道系統(tǒng)沿程和局部損失所采用的流量，按火災(zāi)初期消防給水量確定，對于穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)，火災(zāi)初期消防給水量按兩股室外消火栓流量計(jì)算，即2×15L/s=30L/s。由于穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)總管管徑較大，按其計(jì)算出的管道系統(tǒng)沿程和局部損失較小。以某石油庫穩(wěn)高壓消防水管道為例，其總管管徑為DN400，最不利點(diǎn)消火栓至消防泵房管道最長約為2000m，其總水頭損失不足1m，可忽略不計(jì)。即最低工作壓力P1按穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)的最低壓力取值0.7MPa。貯水容積VX按火災(zāi)初期30s儲水量計(jì)算，即Vx=30L/s×30s=900L=0.9m3。

根據(jù)Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防部分規(guī)定，消防穩(wěn)壓泵的停止壓力值PS2和啟動壓力值PS1之間的差值宜為0.05～0.1MPa，穩(wěn)壓泵的啟動壓力值PS1和消防主泵的啟動壓力值P2之間的差值宜為0.05～0.1MPa。

實(shí)際運(yùn)行中P2、PS1、PS2之間的差值可在控制系統(tǒng)中根據(jù)需要調(diào)整。一般管網(wǎng)投用初期，管網(wǎng)泄漏量較小，穩(wěn)壓泵的啟停壓力PS1、PS2差值可取較小值0.05MPa，以減小管網(wǎng)運(yùn)行壓力。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，管網(wǎng)的泄漏量將會增大，可適當(dāng)增大穩(wěn)壓泵的啟停壓力PS1、PS2差值，以減少穩(wěn)壓泵的啟動頻率。

氣壓罐容積的確定以穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)壓力范圍在0.7～1.2MPa之間為前提。由表2可知，氣壓罐總?cè)莘e越大，管網(wǎng)運(yùn)行壓力越小；當(dāng)氣壓罐總?cè)莘e達(dá)到6m3時(shí)，氣壓罐總?cè)莘e每增加1m3，管網(wǎng)運(yùn)行壓力減小量不足0.03MPa，再增大氣壓罐總?cè)莘e，對管網(wǎng)的運(yùn)行壓力減小影響較小。綜合考慮管網(wǎng)運(yùn)行壓力及初期投資，選用總?cè)莘e為6m3的氣壓罐。

表2 氣壓罐總?cè)莘e對管網(wǎng)運(yùn)行壓力的影響

注：由于氣體容積Vo、緩沖水容積Vp對后續(xù)穩(wěn)壓泵選型無指導(dǎo)意義，因而表2中未列出其值。

2.2 穩(wěn)壓泵選型

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，下面以選用總?cè)莘e為6m3的氣壓罐為例，介紹穩(wěn)壓泵揚(yáng)程及流量的選擇。

根據(jù)表2可知，由于PS2、PS1、P2的差值可在控制系統(tǒng)中調(diào)整，當(dāng)穩(wěn)壓泵啟動壓力PS1=P2+0.1MPa，穩(wěn)壓泵停止壓力PS2=PS1+0.1MPa時(shí)，穩(wěn)壓泵停止壓力PS2最高，為1.031MPa，故穩(wěn)壓泵揚(yáng)程選用105m。

關(guān)于穩(wěn)壓泵流量的確定，對于某一確定的穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)而言，穩(wěn)壓水容積越大，穩(wěn)壓泵啟動頻率越小。根據(jù)表2可知，當(dāng)穩(wěn)壓泵啟動壓力PS1=P2+0.05MPa，穩(wěn)壓泵停止壓力PS2=PS1+0.1MPa時(shí)，穩(wěn)壓水容積Vs最大，其值為0.463m3。故確定穩(wěn)壓泵流量時(shí)，穩(wěn)壓水容積Vs取0.463m3。

穩(wěn)壓泵的流量q范圍為5～15L/s，管網(wǎng)泄漏量為x（L/s），穩(wěn)壓泵一次補(bǔ)水時(shí)間為T，T=Vs/（q-x），穩(wěn)壓泵啟動頻率為n次/h。根據(jù)管網(wǎng)1h泄漏量與1h補(bǔ)水量平衡列方程3600x=T·q·n，得n=-3600x2/（q·Vs）+3600x/Vs。

根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB50974-2014）5.3.4條要求，穩(wěn)壓泵啟泵次數(shù)不大于15次/h，穩(wěn)壓泵補(bǔ)水時(shí)間參照《消防增壓穩(wěn)壓設(shè)備選用與安裝（隔膜式氣壓罐）》98S205，補(bǔ)水時(shí)間不大于3min。

當(dāng)穩(wěn)壓泵流量分別為5、10、15L/s時(shí)，研究管網(wǎng)泄漏量與穩(wěn)壓泵啟動頻率n的關(guān)系。

當(dāng)穩(wěn)壓泵流量為 5L/s，n=-1.555x2+7.775x，T=463/（5-x），其曲線如下：

由圖2可知，管網(wǎng)泄漏量在0～5L/s，穩(wěn)壓泵的啟動次數(shù)均不會大于15次/h。由圖3可知，當(dāng)管網(wǎng)泄漏量越大，穩(wěn)壓泵一次補(bǔ)水時(shí)間越長，當(dāng)泄漏量超過2.42L/s時(shí)，穩(wěn)壓泵補(bǔ)水時(shí)間將超過3min，當(dāng)泄漏量接近5L/s時(shí)，穩(wěn)壓泵連續(xù)運(yùn)行將接近1h。即當(dāng)網(wǎng)管泄漏量達(dá)到2.42L/s時(shí)，將不適合采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，此時(shí)需將穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓改造成穩(wěn)壓泵變頻控制穩(wěn)壓。

當(dāng)穩(wěn)壓泵流量為 10L/s，n=-0.778x2+7.775x，T=463/（10-x），其曲線如下：

由圖4可知，管網(wǎng)泄漏量在0～2.61L/s及7.39～10L/s，穩(wěn)壓泵的啟動次數(shù)均不會大于15次/h。由圖5可知，當(dāng)泄漏量超過7.43L/s時(shí)，穩(wěn)壓泵補(bǔ)水時(shí)間將超過3min，當(dāng)泄漏量在7.39～7.43L/s之間時(shí)，穩(wěn)壓泵補(bǔ)水時(shí)間約為3min，1h補(bǔ)水次數(shù)約為15次，此時(shí)穩(wěn)壓泵理論運(yùn)行情況是運(yùn)行3min，停1min，實(shí)際不可運(yùn)行。即當(dāng)網(wǎng)管泄漏量達(dá)到2.61L/s時(shí)，將不適合采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓。當(dāng)穩(wěn)壓泵流量為15L/s，n=-0.518x2+7.775x，T=463/（15-x），其曲線如圖6、圖7。

由圖6可知，管網(wǎng)泄漏量在0～2.27 L/s及12.73～15L/s，穩(wěn)壓泵的啟動次數(shù)均不會大于15次/h。由圖7可知，當(dāng)泄漏量超過12.43L/s時(shí)，穩(wěn)壓泵補(bǔ)水時(shí)間將超過3min。即當(dāng)網(wǎng)管泄漏量達(dá)到2.27L/s時(shí)，將不適合采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓。

當(dāng)穩(wěn)壓泵的流量q在5～15L/s之間時(shí)，采用穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，管網(wǎng)允許泄漏量最大值計(jì)算結(jié)果列于表3。

由表3可知，當(dāng)穩(wěn)壓泵流量在5～7L/s時(shí)，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞增關(guān)系；當(dāng)穩(wěn)壓泵流量在8～15L/s時(shí)，由于受穩(wěn)壓泵啟動頻率不應(yīng)大于15次/h限制，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞減關(guān)系。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，穩(wěn)壓泵流量取7L/s時(shí)，管網(wǎng)允許泄漏量最大。故穩(wěn)壓泵流量選用7L/s。

表3 穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓下管網(wǎng)允許泄漏量最大值

3 結(jié)論

（1）石油化工企業(yè)穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)施的設(shè)置應(yīng)根據(jù)穩(wěn)高壓消防水管網(wǎng)的泄漏量來確定。當(dāng)管網(wǎng)泄漏量較小時(shí)，采用氣壓罐穩(wěn)壓；當(dāng)管網(wǎng)泄漏量較大時(shí)，采用穩(wěn)壓泵變頻調(diào)節(jié)穩(wěn)壓。

（2）氣壓罐總?cè)莘e越大，管網(wǎng)運(yùn)行壓力越小，隨著氣壓罐容積的增大，管網(wǎng)運(yùn)行壓力降低幅度不斷減小。一般根據(jù)初期投資及運(yùn)行費(fèi)用綜合考慮確定氣壓罐容積。

（3）氣壓罐穩(wěn)壓時(shí)，穩(wěn)壓泵流量在某一流量范圍內(nèi)，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞增關(guān)系；穩(wěn)壓泵流量超過某一流量時(shí)，管網(wǎng)允許泄漏量與穩(wěn)壓泵流量呈遞減關(guān)系。一般以管網(wǎng)允許最大泄漏量考慮穩(wěn)壓泵流量。

[1]GB50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2]GB50974-2014，消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防，中國石油化工集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]CECS76：95，氣壓給水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].□