石油化工企业稳高压消防水系统中稳压设施的设置探讨

2015-12-12钱婵娟

安徽化工 2015年4期

钱婵娟

（安徽实华工程技术股份有限公司上海分公司，上海200136）

近年来大型石油化工企业相继建成投产，工艺装置、储罐也向大型化发展，相应增加了固定式的消防设备，如消防水炮、水喷淋等。强制性国家标准《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008，简称规范）要求：大型石油化工企业的工艺装置区、罐区等，应设独立的稳高压消防给水系统，其压力宜为0.7～1.2MPa，但该稳压设施的设置，规范没有给出明确规定或说明。目前，石油化工企业的稳高压消防给水系统的稳压方式常见的有两种：一种为变频稳压泵稳压，由稳压泵及变频器组成，通过稳压泵变频调节控制管网压力；另一种为气压罐稳压，由气压罐及稳压泵（即补水泵）组成，平常由气压罐维持管网压力。现就这两种稳压设施的适用场合及气压罐稳压选型计算做如下分析。

1 稳压设施适用场所分析

根据“规范”8.5.1条，稳压泵的设计水量要考虑消防水管网系统泄漏量和一只水枪出水量（5L/s）。根据Q/SH0700-2009（E）给水排水与消防部分规定，消防稳压泵其出水量原则上按系统的渗漏量计算。对于全厂性的稳高压给水系统，也可按系统容量的大小考虑，一般可取5.0～15.0L/s计算。综上，石油化工企业消防稳压泵的设计水量至少选用5.0L/s。

对于新建稳高压消防水管网而言，其管网泄漏量相当小，计算可参照《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）中压力管道水压试验的允许渗水量。以某石油库稳高压消防水管道更新项目为例，估算更新后稳高压消防水管网泄漏量，见表1。

表1 稳高压消防水管网泄漏量

由表1可见，稳高压消防水管网泄漏量为5.032L/min，即0.084L/s，因此管网泄漏量是相当小的。此时应采用气压罐方式稳压，平常管网的消防水泄漏量由气压罐补给，当气压罐内的压力降低到系统设定的最低压力时，启动稳压泵，由稳压泵向气压罐补水，当气压罐的压力达到系统设定的最高压力时，稳压泵停止运行。

若采用稳压泵变频调节，当管网泄漏量相当小时，稳压泵变频后将达不到管网压力需求。具体分析如下：变频调节即调节泵的转速，泵的流量与转速成正比，扬程与转速的二次方成正比，当通过变频调节降低泵的流量时，扬程相应也要降低，流量太小时，扬程将不能满足稳高压消防水管网的压力要求（0.7～1.2MPa）；另外，稳压泵一般采用普通电机，当变频调节时，频率不宜低于30Hz，否则电机容易烧坏。因此当管网泄漏量较小时，不应采用稳压泵变频调节。

对于某些石油化工企业，其稳高压消防水管道建成投用至今已有十多年，甚至更久，管道及阀门密封处等渗漏量较大，若仍采用气压罐稳压，稳压泵将频繁启动，容易损坏，此时可将原有的气压罐稳压方式改造成稳压泵变频调节稳压。

2 气压罐稳压的选型计算

2.1 气压罐选型

关于气压罐稳压系统，目前常用的为隔膜式气压罐，其结构示意图见图1。

图中：P1—最低工作压力；P2—消防主泵启动压力；PS1—稳压泵启动压力；PS2—稳压泵停止压力；VX—贮水容积；VP—缓冲水容积；VS—稳压水容积；VO—压力为PS2时的气体容积。

气压罐的总容积按下式计算：

式中：V—稳压罐总容积；VXf—消防水总容积，VXf=VX+VP+VS；β—气压罐的容积系数，隔膜式气压罐取1.05；a—工作压力比，宜在0.5～0.9范围内取值。

计算最低工作压力P1时，计算管道系统沿程和局部损失所采用的流量，按火灾初期消防给水量确定，对于稳高压消防水系统，火灾初期消防给水量按两股室外消火栓流量计算，即2×15L/s=30L/s。由于稳高压消防水管网总管管径较大，按其计算出的管道系统沿程和局部损失较小。以某石油库稳高压消防水管道为例，其总管管径为DN400，最不利点消火栓至消防泵房管道最长约为2000m，其总水头损失不足1m，可忽略不计。即最低工作压力P1按稳高压消防水系统的最低压力取值0.7MPa。贮水容积VX按火灾初期30s储水量计算，即Vx=30L/s×30s=900L=0.9m3。

根据Q/SH0700-2009（E）给水排水与消防部分规定，消防稳压泵的停止压力值PS2和启动压力值PS1之间的差值宜为0.05～0.1MPa，稳压泵的启动压力值PS1和消防主泵的启动压力值P2之间的差值宜为0.05～0.1MPa。

实际运行中P2、PS1、PS2之间的差值可在控制系统中根据需要调整。一般管网投用初期，管网泄漏量较小，稳压泵的启停压力PS1、PS2差值可取较小值0.05MPa，以减小管网运行压力。随着运行时间的增加，管网的泄漏量将会增大，可适当增大稳压泵的启停压力PS1、PS2差值，以减少稳压泵的启动频率。

气压罐容积的确定以稳高压消防水系统压力范围在0.7～1.2MPa之间为前提。由表2可知，气压罐总容积越大，管网运行压力越小；当气压罐总容积达到6m3时，气压罐总容积每增加1m3，管网运行压力减小量不足0.03MPa，再增大气压罐总容积，对管网的运行压力减小影响较小。综合考虑管网运行压力及初期投资，选用总容积为6m3的气压罐。

表2 气压罐总容积对管网运行压力的影响

注：由于气体容积Vo、缓冲水容积Vp对后续稳压泵选型无指导意义，因而表2中未列出其值。

2.2 稳压泵选型

根据上述计算结果，下面以选用总容积为6m3的气压罐为例，介绍稳压泵扬程及流量的选择。

根据表2可知，由于PS2、PS1、P2的差值可在控制系统中调整，当稳压泵启动压力PS1=P2+0.1MPa，稳压泵停止压力PS2=PS1+0.1MPa时，稳压泵停止压力PS2最高，为1.031MPa，故稳压泵扬程选用105m。

关于稳压泵流量的确定，对于某一确定的稳高压消防水系统而言，稳压水容积越大，稳压泵启动频率越小。根据表2可知，当稳压泵启动压力PS1=P2+0.05MPa，稳压泵停止压力PS2=PS1+0.1MPa时，稳压水容积Vs最大，其值为0.463m3。故确定稳压泵流量时，稳压水容积Vs取0.463m3。

稳压泵的流量q范围为5～15L/s，管网泄漏量为x（L/s），稳压泵一次补水时间为T，T=Vs/（q-x），稳压泵启动频率为n次/h。根据管网1h泄漏量与1h补水量平衡列方程3600x=T·q·n，得n=-3600x2/（q·Vs）+3600x/Vs。

根据《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014）5.3.4条要求，稳压泵启泵次数不大于15次/h，稳压泵补水时间参照《消防增压稳压设备选用与安装（隔膜式气压罐）》98S205，补水时间不大于3min。

当稳压泵流量分别为5、10、15L/s时，研究管网泄漏量与稳压泵启动频率n的关系。

当稳压泵流量为 5L/s，n=-1.555x2+7.775x，T=463/（5-x），其曲线如下：

由图2可知，管网泄漏量在0～5L/s，稳压泵的启动次数均不会大于15次/h。由图3可知，当管网泄漏量越大，稳压泵一次补水时间越长，当泄漏量超过2.42L/s时，稳压泵补水时间将超过3min，当泄漏量接近5L/s时，稳压泵连续运行将接近1h。即当网管泄漏量达到2.42L/s时，将不适合采用稳压罐稳压，此时需将稳压罐稳压改造成稳压泵变频控制稳压。

当稳压泵流量为 10L/s，n=-0.778x2+7.775x，T=463/（10-x），其曲线如下：

由图4可知，管网泄漏量在0～2.61L/s及7.39～10L/s，稳压泵的启动次数均不会大于15次/h。由图5可知，当泄漏量超过7.43L/s时，稳压泵补水时间将超过3min，当泄漏量在7.39～7.43L/s之间时，稳压泵补水时间约为3min，1h补水次数约为15次，此时稳压泵理论运行情况是运行3min，停1min，实际不可运行。即当网管泄漏量达到2.61L/s时，将不适合采用稳压罐稳压。当稳压泵流量为15L/s，n=-0.518x2+7.775x，T=463/（15-x），其曲线如图6、图7。

由图6可知，管网泄漏量在0～2.27 L/s及12.73～15L/s，稳压泵的启动次数均不会大于15次/h。由图7可知，当泄漏量超过12.43L/s时，稳压泵补水时间将超过3min。即当网管泄漏量达到2.27L/s时，将不适合采用稳压罐稳压。

当稳压泵的流量q在5～15L/s之间时，采用稳压罐稳压，管网允许泄漏量最大值计算结果列于表3。

由表3可知，当稳压泵流量在5～7L/s时，管网允许泄漏量与稳压泵流量呈递增关系；当稳压泵流量在8～15L/s时，由于受稳压泵启动频率不应大于15次/h限制，管网允许泄漏量与稳压泵流量呈递减关系。根据表3数据，稳压泵流量取7L/s时，管网允许泄漏量最大。故稳压泵流量选用7L/s。