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噸級油船，通過結(jié)合相關(guān)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對現(xiàn)有消防水泵的供水能力和布設(shè)進行復(fù)核，驗證其是否能繼續(xù)被利用，若不能，需要重新設(shè)計選型。消防水泵若需重新設(shè)計選型，在選型后通過對消防水泵并聯(lián)運行曲線和汽蝕現(xiàn)象是否會發(fā)生進行分析與判斷，驗證經(jīng)重新設(shè)計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)計選型;運行曲線;汽蝕現(xiàn)象;操作方法

中圖分類號：U656.1? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：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，隨著市場對石化產(chǎn)品需求不斷增加，該碼頭需通過改建擴大作業(yè)能力，實現(xiàn)靠泊100000噸級油船。

項目已按照預(yù)留100000噸級油船的可能對消防給水系統(tǒng)進行了設(shè)計，只是設(shè)計之時主要參考《裝卸油品碼頭防火設(shè)計規(guī)范》JTJ 237-99，如今該規(guī)范已被《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》[1]替代，通過對比發(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)計防火規(guī)范》[1]要嚴于《裝卸油品碼頭防火設(shè)計規(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，以滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范要求。本文以該油品液體化工碼頭改建設(shè)計工作為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范和項目現(xiàn)狀，著重對現(xiàn)有消防水泵的布設(shè)和供水能力進行復(fù)核，以驗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)計選型。

1 工程概況

項目位于北方某港區(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，長度70m?？赏瑫r靠泊2艘5000噸級化學(xué)品船，最小兼顧1000噸級化學(xué)品船，最大靠泊50000噸級油輪。

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)計船型著火艙周圍一定范圍內(nèi)的甲板冷卻，后者用于設(shè)計船型液貨艙滅火。

根據(jù)《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(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)項目現(xiàn)狀綜合考慮，將兩套系統(tǒng)相互獨立設(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)施見表1。

3 消防水泵復(fù)核

消防泵房內(nèi)現(xiàn)有4臺消防電動泵，3用1備，單泵流量140L/s，揚程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)計防火規(guī)范》[1]、《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(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)要求對消防水泵布設(shè)現(xiàn)狀進行復(fù)核，發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）備用泵未采用柴油機拖動，且未達到具備100%備用能力要求;

（2）若主泵不變，備用泵采用柴油機泵，3用1備運行，則備用泵出水流量不符合規(guī)范要求，且1臺主泵發(fā)生故障時就需啟動備用泵代替3臺主泵工作，運行模式合理性較差。

因此，消防水泵需重新布設(shè)和設(shè)計選型。

4 消防水泵設(shè)計選型

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，主泵采用電動泵，備用泵采用柴油機泵，2用2備，單泵流量200L/s，揚程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%，對應(yīng)的流量和揚程分別為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)運行時，其工作點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。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)運行曲線，如圖3所示。

4.4消防水泵選型分析

4.4.1流量、揚程、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臺消防水泵并聯(lián)運行，此時A點為消防水泵并聯(lián)特性曲線與管道系統(tǒng)特性曲線交匯點，B點為2臺消防水泵并聯(lián)運行時單臺消防水泵工況點，O點為設(shè)計工況點。消防水泵并聯(lián)運行時各工況點參數(shù)見表2。

結(jié)合圖1和表2可知，A點流量和揚程滿足O點要求，此時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，各項運行參數(shù)合理高效。

滅火第二階段，消防給水流量最小，該階段1臺消防水泵運行，此時消防水泵特性曲線與管道系統(tǒng)特性曲線交匯于C點。單泵運行時各工況點參數(shù)見表3。

結(jié)合圖1和表3可知，C點除揚程不滿足設(shè)計工況點要求外，消防水泵功率升高至580kW遠大于其額定功率515kW，NPSHr（必需汽蝕余量）升高至6.6m大于其額定流量對應(yīng)的5.2m，效率降低至52%脫離了高效區(qū)，此時若不采取措施，消防水泵會出現(xiàn)驅(qū)動電機過載燒毀，還有可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

由于受到項目建設(shè)方對投資的硬性要求以及已建消防泵房結(jié)構(gòu)尺寸不得改動的雙重制約，滅火第二階段通過調(diào)節(jié)閥門節(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C向左移動至設(shè)計工況點附近，達到消防水泵正常高效運行以滿足用水需求的目的。因Q-N為上升曲線，調(diào)節(jié)閥門節(jié)流，減小流量，消防水泵軸功率也隨著減小，驅(qū)動電機不會出現(xiàn)過載危害，而且通過調(diào)節(jié)閥門節(jié)流方便易行，因此，在泵站實際運行中是一種常見的操作方法。

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，泵殼內(nèi)會發(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、振動和H、N下降，嚴重時泵的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，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計算并結(jié)合圖1和圖3，消防水泵并聯(lián)運行和單獨運行時的NPSHa和NPSHr關(guān)系見表4。

由表4可知，消防水泵并聯(lián)運行和單獨運行時不會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

5 結(jié)語

與民用類項目相比，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)計防火標(biāo)準(zhǔn)》[2]中的“備用泵應(yīng)采用柴油機泵，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)方和項目現(xiàn)狀制約的影響，滅火第二階段采用調(diào)節(jié)閥門節(jié)流，使各項參數(shù)合理運行，以滿足用水需求的操作方法。此方法雖然常用卻消耗大，對閥門磨損大，一般情況下，不宜使用此方法。

由于忽略了管道系統(tǒng)特性曲線對消防水泵并聯(lián)運行的影響，往往錯誤地認為消防水泵并聯(lián)數(shù)量增加一倍，流量也增加一倍，根據(jù)這種錯覺布設(shè)消防水泵是不可靠的，應(yīng)通過并聯(lián)工況分析計算后確定消防水泵型號和數(shù)量為宜。

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

參考文獻：

[1]JTS 158-2019，油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范 [S].

[2]GB 50160-2008（2018年版），石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn) [S].

[3]GB 50974-2014，消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 [S].

[4]姜乃昌.泵與泵站（第五版） [M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：27-85.