PIPENET软件用于海上平台消防水系统的水力分析
2012-10-29阎贵文安明泉
阎贵文，安明泉
（中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028）
0 引言
海上平台消防水系统设计过程中，必须确保消防泵的性能和管网的性能同时满足各种用户在各种工况下的工作需求，设计的合理性对工程投资和今后的运行管理都会产生较大影响。水力计算分析是消防水系统设计的重要组成部分，正确、合理的水力分析对确保系统正常运行、最佳的经济性和适用性具有重要作用。PIPENET是目前主流的管网流体计算与分析软件，广泛应用于石油、天然气、造船、化工以及电力工业等领域，用于管网系统的计算和优化。采用PIPENET软件研究这一问题具有巨大的实际价值。
1 海上平台消防水系统
海上平台消防水系统由消防泵、管网、雨淋阀、软管站、消防栓、消防炮、喷头等几部分组成。消防水系统是海上生产设施中非常复杂的一个系统，它涉及的用户多、工况复杂。通常为了提高消防管路的安全性，将主管路设计成环状网路并且利用阀门分成多段，一旦主管网某段发生故障，可以及时截断故障管路而其他管路继续供水，从而保证整个消防系统的供水不受影响。由于环状管网各管段互相连接，使得节点较多，管路水流方向不定，加之各种运行工况的存在，使得环状管网的分析计算变得相当复杂、繁琐[1]。因此有必要对环状管网进行水力分析，保证管径、消防泵等配置经济合理。针对消防水系统设计，实际工程一般利用PIPENET软件进行水力学分析，通常把消防水系统分成消防主环网和雨淋阀后喷淋系统两部分分别进行建模分析[2]。
2 PIPENET软件简介
PIPENET软件的Spray/Sprinkler模块，可用于消防管网稳态设计的数值计算及模拟仿真，遵循国际公认和常用的各种消防规范 （如NFPA、FOC、GB等），并符合上述规范对各行业消防系统设计的严格而特殊的各种强制性计算和布置要求。
PIPENET的Spray/Sprinkler模块还可以为消防系统等在静态工况下工作的关键设备进行静态设备选型，使设备的型号更准确、更安全、更经济。对于介质为水的情况，消防水系统的计算核心是采用海澄—威廉 （Hazen-Williams）公式[3]。
式中Pfric——摩擦及管件造成的压力损失/×0.1MPa；
L——管道长度/m；
Le——管件的当量长度/m；
Q——体积流量/（L/min）；
D——管径/mm；
C——海澄—威廉系数 （或叫C系数）。
3 海上平台消防水系统的PIPENET水力分析
3.1 项目消防水系统简介
本文结合某一海上无人驻守平台，利用PIPENET软件进行消防水系统的水力计算分析。该平台共四层甲板，拥有井口和简单生产设施。其消防水系统为干式环状系统且没有设置消防泵，平时管网中无消防水，在上层甲板处设置有直径355 mm的管路接口，环路为直径305 mm的管路，环路至4个雨淋阀是直径203 mm的管路。此系统主要有井口和生产设备两大喷淋区，两个远离的雨淋阀同时向一个喷淋区供水，消防喷淋水量共880 m3/h，入口压力0.8 MPa，见图1。当钻修井时，钻井平台的消防供水管路与直径355 mm的管路连接，发生火灾危险时直接提供消防水进行消防。
图1 某海上平台消防水系统示意
3.2 建模
PIPENET软件的建模依据是消防水系统PI&D、消防管网三维图、管道详细参数及设备参数等。首先把项目实际的管材和泵等设备参数输入模型数据库，然后根据具体的消防管网走向进行模型构建，建模要保持与三维图一致，管件等设备与实际数量一致，这样的模型才能保证接近实际情况，为水力计算分析提供基础。
本平台初步设计时缺乏详细的管网三维图，未做消防水系统PIPENET水力分析，所以设定的参数缺少可行性及经济性验证。针对这种情况，本文主要进行消防水系统主管网的全程静态水力分析，验证设计数据的可行性。PIPENET水力分析主要包括以下内容：
（1）正常状态下，入口输入100%流量以验证管径及泵参数的可行性，水流速最大不超过3 m/s。
（2）故障状态下，环路隔断及喷淋区的一路雨淋阀阻塞时，以90%的流量通过，验证水流速最大不超过4 m/s。
3.3 水力计算分析
在用PIPENET建模时，暂时没有获得供水消防泵的曲线，所以分析按照入口压力为0.8 MPa、流量881.4 m3/h进行模拟计算。本文共模拟两种状态，分析管道内的流量、流速及压力。具体情况见表1。
表1 PIPENET软件水力分析
3.3.1 正常状态
正常消防喷淋情况下 （雨淋阀1和2的喷淋1区、雨淋阀3和4的喷淋2区），消防水系统的全部管路水流速都不超过3 m/s，最大的流速是在直径355 mm的入口管道，分析结果见表1、图2。
3.3.2 故障状态
根据经验，假设故障状态下直径355 mm的入口管道压力为0.8 MPa，90%的流量为793.3 m3/h。消防主环路使用阀门隔断，消防水只通过一路雨淋阀进行喷淋。
故障状态1：在主环路隔断、雨淋阀2和4阻塞情况下，模拟计算结果表明消防水流速并不超过4 m/s。在这种状态下雨淋阀1的支管路流速最大，流速为3.99 m/s，分析结果见表1、图3。
图3 故障状态1流速分布示意
故障状态2：在主环路隔断、雨淋阀1和3阻塞情况下，模拟计算结果表明消防水流速并不超过4 m/s。在这种状态下雨淋阀2的支管路流速最大，流速为3.99 m/s，分析结果见表1、图4。
图4 故障状态2流速分布示意
分析结果表明，在正常及故障状态下，消防水系统均满足设计要求，所以管路355、305、203 mm的设计管径在目前条件下是合理的。
4 结论与建议
（1）采用PIPENET进行水力分析，可以验证设计的正确性，并优化实际设计方案，此海上平台的消防水系统在正常和故障状态下都满足设计要求。
（2）本次分析缺少泵曲线参数，建议取得相应的数据再重新模拟计算，使设计更加贴近实际工况。
（3）本次没有分析雨淋阀后的喷淋系统，获得相应的管道三维图后，建议进一步分析阀后的喷淋系统是否满足设计要求；并且根据阀后的分析可以进一步反推分析入口压力是否符合实际需求。
（4）PIPENET水力分析软件能够较准确模拟出消防系统的水力关系，但前提是系统建模时要保证管道、设备等的参数及管路三维图的准确性。
[1]刘建续.小型环状管网水力计算方法研究[J].华北水利水电学院学报，2009，30（6）：62-66.
[2]张克雄，毛伟志，陈好，等.PIPENET水力分析在曹妃甸改造项目中的应用研究[J].化工技术与开发，2011，40（5）：50-52.
[3]杨丙杰.自动喷水灭火系统水力计算方法比较分析[J].给水排水，2010，36（12）：80-83.
