稳高压消防给水系统压力设定值探讨

范海成 童富良 罗双全 孙文涛

1.中国石油工程建设公司，北京 100120；

2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

近年来，在包含消防给水系统的项目中，多数存在消防泵启动超电流和消防稳压泵频繁启停情况，以及烧电机和稳压泵频繁启停损坏泵的隐患。 本文通过对国内消防相关标准以及NFPA 系列标准的研究， 结合工程实际，对消防给水系统配置进行优化，解决了上述操作隐患。

1 组成和控制原理

按照国内消防标准相关条款，大型石油化工企业的工艺装置区、 罐区等应设置独立的稳高压消防给水系统，推荐压力0.7～1.2 MPa［1］。 尽管稳高压消防给水系统在设备配置上大同小异，但由于设计者对消防标准的理解不同，系统在运行中的可靠性亦存在差异。

基于工作实践，本文参考涉外油气田消防系统设计中应用最广泛的NFPA 系列标准， 对油气田稳高压消防给水系统的压力设置和压力联锁进行了讨论。

1.1 组成

稳高压消防给水系统一般应由消防稳压泵、消防水泵、联锁控制设备、阀门、储水设施和消防管网等组成［2］。依据NFPA 系列标准， 典型稳高压消防给水系统的组成见图1。

图1 符合NFPA 要求的典型稳高压消防给水系统

符合NFPA 系列标准的稳高压消防给水系统在设计上有特殊要求：

a） 在柴油引擎驱动消防泵出口单向阀的上游设置柴油引擎超速保护泄压阀，设定值不应大于柴油引擎驱动消防泵关阀压力的121%［3］。

如果泵出口关阀压力的121% 加上泵入口最大压力不高于消防管网的设计压力，则可以不设置该超速保护回流线。

121% 这个数值是基于NFPA 系列标准所要求的柴油引擎在超速10%时自动停车而设定。 如果按照国标，引擎可以在超速15%～20%时停车，则需要将百分数相应提高。

b）在每台泵出口的单向阀和出口阀之间，通过引压管线与各泵的控制盘相连接，且需在引压管线上安装流向指向泵出口管线的带小孔单向阀。

这样设置可以确保消防管网压力降低时，泵组能迅速启动，且有效保护控制盘免受来自管网的水击。

c） 除超速保护泄压阀以及安装在电动泵泵体上的最小流量泄压阀（一般为DN 20 或DN 25）之外，不允许设置其它压力控制阀或泄压阀来控制泵的出口压力。

d）消防泵出口设置测试回流线，回流线上设置流量计。 该设计主要用于消防泵周期性的性能检查。

1.2 控制原理

根据国内标准，稳高压消防给水系统靠管网压力自动启动消防主泵［1］。 综合NFPA 系列标准的相关条款，稳高压消防给水系统的控制原理为：

a）在非火灾状况下，管网内的微小泄漏导致整个管网压力下降， 稳压泵根据控制盘预设启动压力自启，并在达到预设停泵压力后自停。 有时为了避免稳压泵频繁启停，稳压泵也可在达到设定压力后连续运转一段时间再自动停止。

b） 当管网压力低于备用稳压泵的启动压力设定值时，备用稳压泵会自动启动，且在达到预设的停泵压力时自动停泵，或运行一段时间后自动停泵。 这种情况下，一般要求备用稳压泵的启动压力比主稳压泵的启动压力至少低0.034 MPa。 也可以将备用稳压泵的启动压力设定为与主稳压泵相同的启动压力并设置延时（如5 s）但一般不推荐。

c） 在火灾工况下，消防管网用水，稳压泵无法维持消防管网压力，当压力降低至电动泵控制盘预设的启动压力时，电动泵组将自动启动。

d） 如果电动泵由于电缆烧毁或其它原因无法顺利启动，消防管网的压力将进一步降低至柴油引擎驱动消防泵的启动压力时，柴油引擎驱动消防泵自动启动。

同样，也可以将柴油引擎驱动消防泵的启动压力设置成与电动泵一样的启动压力并延时（如2 s）但一般不推荐。

2 压力设置

根据NFPA 系列标准，稳压泵、消防电泵和消防柴油泵的压力设置如下：

a） 稳压泵的自动停泵压力应等于其零流量压力加上稳压泵最小入口压力。

b） 稳压泵的自动启泵压力应比自动停泵压力至少低0.068 MPa。

c） 消防电泵（主）的启泵压力应至少比稳压泵的启泵压力低0.034 MPa。

d） 其它泵的启泵压力应依次比消防电泵（主）的启泵压力低0.068 MPa。

e）如果设定了泵的最小运行时间，则该泵的出口压力加上最大入口压力在零流量运行工况下，不得超过管网系统的设计压力。

可以看出，NFPA 系列标准只要求了稳压泵启停压力差的最小值， 以及稳压泵与电动泵压力间隔的最小值，电动主泵与备用泵启动压力间隔的最小值。

NFPA 系列标准规定稳压泵启停压力差的最小值，主要是避免泵的频繁启动，频繁启动会造成驱动电机绕组温度升高而烧毁或热继电器动作导致供电中断。 规定其它泵之间启动压力差的最小值，主要是考虑压力传感器的误差，及泵组在启停瞬间的水击，过低的差值可能导致主备泵组不能按照预设的优先次序启动。

NFPA 系列标准并没有规定稳压泵启停压力差的上限，以及各消防泵启动压力间隔的最大值。 但实际设计中，为减少稳压泵的启停频率，或确保泵组的启动顺序万无一失而任意增加泵组启动压力差，会使备用泵在出口压力非常低的情况下启动［4］。 可能会导致预设的最后几台备用泵在启动初期出水压力太低、流量过大使驱动装置过载。 对柴油引擎驱动消防泵而言，该问题更突出。

从典型离心泵的性能曲线图可以看出，随着流量增加，离心泵的工作点偏离最佳效率点，由于效率降低，泵的轴功率不断增加。 而在一定的转速范围内，柴油引擎的最大输出功率为定值。 如果泵的输入功率超过了该转速所对应的引擎最大输出功率，引擎就会出现“超载”现象［5］。 在消防泵启动初期，机组部件及润滑油温度偏低，润滑效果欠佳，部件处于非额定工况运行，超载将加剧气缸套、活塞环、轴套等部件的磨损。 NFPA 系列标准要求引擎的输出轴功率不低于泵组在任何负荷下的输入轴功率［6］。这不经济，因此，中国标准明确规定，消防泵配套的电机和引擎在现场工况下的额定输出功率应不小于其1.5 倍额定流量时对应的泵轴功率［7］。

因此， 尽管NFPA 系列标准对稳高压消防给水系统的启动压力间隔的上限未明确规定，但在确定系统的启动压力时，必须根据泵的性能曲线和驱动装置的最大输出功率进行校验，确保泵在启动时所对应的轴输入功率不大于驱动装置所允许的输出功率。 对满足中国标准的消防泵组， 只需确保启泵压力对应的流量不高于1.5 倍额定流量即可［8］。

3 消防气压罐

根据NFPA 系列标准，除以下三种情况外，不允许设置任何用以控制消防管网压力的泄压阀：

a）稳压泵出口压力大于消防管网的设计压力时，需在泵出口安装泄压阀，当稳压泵入口压力在较大范围内变化时存在这种可能。

b）电动消防泵本体上的最小流量泄压阀。

c）柴油消防泵出口的超速保护泄压阀。

理论上，只要泵的选型合适，上述要求是完全可以实现的。 但实践中，即使通过泵的选型满足了上述要求，仍存在以下问题：

a）系统对网管的适应性较差。 管网系统严密性很好时， 会出现由于环境温度变化而导致的系统超压现象，如1.2 MPa 设计压力的管网由于环境温度变化而升高至1.7 MPa。 而管网系统严密性较差时，又存在稳压泵启停过于频繁的问题。

b） 为确保所有泵的启泵压力都不低于其额定工作压力的65%，各泵之间的压力，尤其是稳压泵的压力间隔就不能太大。 而较小的启动压力差，又同样会导致稳压泵频繁启停。

出现上述两个问题的原因， 在于水本身的可压缩性较小。 通过在稳高压消防给水系统增设中国消防标准所推荐的水压罐［9］，增加管网系统对温度变化和压力变化的适应性，可以很好地解决这两个问题。 气压罐的容积，推荐依据CECS76∶95《气压给水设计规范》所提供的公式进行计算。为减少水对气压缓冲罐金属部件的腐蚀，建议采用气囊内部及气囊与管壁之间存气的气 压 缓 冲 罐［10］。

4 设计实例

图2 是国外某项目中由国外设计公司所设计的稳高压消防给水系统示意图。 可以看出，在设备配置上，与图1 NFPA 系列标准推荐的典型配置没有太大差别。

图2 中的稳高压消防给水系统压力参数见表1。

项目中规定消防管网的压力不得低于1.5 MPa。 消防管网的设计压力为1.8 MPa，为避免超压，柴油消防泵出口泄压阀的设定压力为1.5 MPa。

稳高压消防给水系统在试运中发现两个问题：

a）稳压泵频繁启停。

b）在按照NFPA 系列标准进行每周测试时，管网压力高达1.96 MPa，接近于柴油泵的零流量压力。

稳压泵频繁启停，跟系统泄漏量大有关。 通过修改启停压力差，可在一定程度上缓解该问题。

图2 某项目的稳高压消防给水系统示意图

表1 稳高压消防给水系统的压力参数

柴油消防泵启动后管网压力接近柴油泵的零流量压力问题，是由于没有遵从NFPA 系列标准的规定，将超速泄压阀用作稳压阀的结果。 由于泄压阀采用了NFPA系列标准所要求的先导式泄压阀，该阀门本身存在2～3 s的调控时滞，在泄压阀开始作用前的2～3 s 内，管网系统的压力已经达到了消防泵的零流量压力。

在消防管网出口管汇增加一个容积为480 L 的膜式气压罐后， 柴油消防泵启动时的最大压力降至1.6 MPa。由于气压罐的缓冲作用， 稳压泵的启停频率也大大降低。

5 结论

本文参考国内消防相关标准以及NFPA 系列标准，结合工作实践，经过对稳高压消防给水系统的压力设置和启停联锁进行分析，得出以下结论：

a）驱动装置的最大输出功率是设置消防稳压泵、消防电泵和消防柴油泵启停压力值时必须考虑的重要因素之一。

b） 在采用NFPA 系列标准进行稳高压消防给水系统设计时，依据国内标准增加一个气压缓冲罐，以确保泵组启动功率不超过驱动装置最大输入功率，减少稳压泵的启停频率。

c）通过列举工程实例，为保证消防泵启动期间，消防给水系统压力不超过额定值，消防系统上设置的持压泄压阀应选择超速泄压类型，以防止泄压滞后，造成瞬间超压。

［1］GB 50160-2008，石油化工企业设计防火标准［S］.GB 50160-2008，Fire Prevention Code of Petrochemical Enterprise Design［S］.

［2］ 黄 敏，范恩强. 石油化工装置稳高压消防给水系统联锁控制［J］. 安防科技，2008，50（10）：62-64.Huang Min，Fan Enqiang. Interlocks for the Stabilized High Pressure Fire Water System of Petrochemical Facilities［J］. Security and Safety Technology Magazine，2008，50（10）：62-64.

［3］NFPA 20 -2013，Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection［S］.

［4］ 庞术荣.900 kt/a 乙烯工程消防水系统设计简述［J］. 石油化工安全技术，2006，22（1）：51-53.Pang Shurong. The Brief of Firewater System Design 900 kt/a Ethylene Project［J］. Petrochemical Safety Technology，2006，22（1）：51-53.

［5］ 范海成. 大落差输水管线的引擎泵组启动方案研究［J］. 中国水运，2013，13（6）：107-109.Fan Haicheng. Study on Starting Scheme of Engine-driving Pumpset for High Elevation-Differential Waterine［J］. China Water Transport，2013，13（6）：107-109.

［6］ NFPA 24-2007，Standard for the Installation of Private Fire Service Mains and Their Appurtenances［S］.

［7］GB 6245-2006，消防泵［S］.GB 6245-2006，Fire Pumps［S］.

［8］ 黄铭科，吴晓玲，孙道林. 石油化工用消防泵选型工程实例分析［J］. 石油化工设备技术，2013，34（6）：13－17.Huang Mingke, Wu Xiaoling, Sun Daolin. Analysis of Fire Pump Selection in Petrochemical Industry［J］. Petro-Chemical Equipment Technology,2013,34（6）：13-17.

［9］GB 50045-95，高层民用建筑设计防火规范（2005 版）［S］.GB 50045-95，Code for Fire Protection Design of Tall Buildings（2005 Version）［S］.

［10］ 张永强. 石油化工企业稳高压消防系统中稳压装置设计探讨［J］. 石油化工安全环保技术，2014，30（1）：47－50.Zhang Yongqiang. Discussion on the Pressure Maintenance Device of Stabillized High Pressure Fire Extinguishing System in Petrochemical Enterprises ［J］. Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology,2014，30（1）：47－50.