PIPENET软件在大型石化企业消防系统中的应用

赵 光，蒙晓非

(中国石化宁波工程有限公司，浙江宁波 315103)

PIPENET软件在大型石化企业消防系统中的应用

赵 光，蒙晓非

(中国石化宁波工程有限公司，浙江宁波315103)

阐述了PIPENET水力分析软件在大型石化企业消防管网设计中的应用。从管网设计的优化性、可靠性、经济性及设计的高效性等方面进行了对比阐述。

PIPENET水力分析 消防系统 石油化工企业 优化设计 工况模拟

在规模经济的要求下，石油化工企业工艺装置和储罐向大型化发展，与其配套的消防系统也逐渐趋向于大型化、复杂化。而消防管网设计的安全合理性是整个工艺装置安全运行的保障也是装置发生火灾事故时的救兵，其重要性不言而喻。目前超过100公顷占地面积的项目日渐增多，根据GB50160-2008《石油化工企业设计防火规范》的要求需要考虑同一时间两处着火的工况。庞大的环状消防管网再加上复杂的着火工况，设计者将要面对的是大量的平差计算、工况校核计算以及最不利点选取计算等。面临当今设计周期紧迫、工作量巨大的形势，想要完成这样的计算几乎是不可能的。诸多的环状管网拼在一起，往往让设计者无从下手。就单一的一种工况的计算恐怕都要费尽周折，且计算失误率高、偏差大。因此，大部分设计人员都会采用估算的方式去解决这个问题，并且为了确保设计的安全可靠性而牺牲经济性，过大的扩张管径，扩大消防水泵的流量和扬程。显然，这样的设计是不可取的。

笔者经过多个项目的实际计算，结合实际设计中的体会，对大型消防管网的水力计算做出了较为全面的论述，阐明软件应用对于优化设计的重要意义。

1 大型消防水系统

大型消防水系统的特点是着火要求的消防用水量大，用水压力高，管网庞大而且消防设施完善，如消防炮、喷淋等，这样的消防水系统通常为独立的稳高压系统，一旦发生火灾，消防设施立即开启，并且能够提供满足系统要求的消防水量和压力。

以国外某项目消防管网为例，其主要消防单元用水量见表1。

根据NFPA规范，考虑一处消防用水量最大的单元着火，此表显示8100单元的用水量最大，所以装置总用水量为2 557 m3/h。

表1 主要单元用水量

2 管网计算及选泵

通过表1可以大概选定泵的额定流量，但是对于水泵的扬程就需要通过选定最不利点进行计算。最不利点的确定应充分考虑最大消防水量、系统中距消防泵房的最远点、地势最高点等综合因素，分别进行计算。

而对于大型的消防系统，其用水工况多种多样，为了核算所选定的管径和水泵能否满足不同工作情况下的要求，就需要进行多种工况的计算，以确保经济合理的供水。通过核算，有时需要将管网中个别管段的直径放大，也有可能需要另选合适的水泵[1]。

设计者一般采用估算法，即先算出各个装置的用水量，然后通过控制流速来确定该装置周围的管径。而对于泵的扬程则一般通过最远点按枝管网计算法反算泵的扬程。这样的算法对于环状的消防管网显然是不合理的。对于诸多环状的管网来说本来供水可靠性就比枝装管网高，而且随着环数的增多供水可靠性就更高。设计者选择用枝装网的计算方法且在其基础上扩大管径和泵的扬程使得项目投资增加很多。

PIPENET软件消防模块是目前国际工程界独一无二的专业消防系统设计计算软件，符合NFPA(美国消防协会)、FOC(英国消防协会)以及GB(国标)等消防规范对消防系统设计的各种强制性计算要求，能够根据用户所需的流量来确定管路系统的布置情况和管道直径，进行管网平衡计算，管网优化计算及设备选型分析等，计算速度快捷而且结果准确。

图1为该项目消防管网布置图。仅从图面上是无法确定最远点的，因为环状管网中的每个点都可以有多种方式流向该点。路线的不同决定了该点与泵房距离的不同。所以无法确定最不利点，也就无法精确计算所用水泵的扬程。

图1 消防管网平面布置

图2为软件计算的节点压力图，其中实心点为内部节点，代表管网交叉节点；实心加圆圈点为外部输出节点，代表消火栓。通过图2可以看出点HY/37为压力最低点，此点即是该工况下选泵的基准点。确定了基准点，再将该点压力定义为所需求的压力0.8 MPa，进行反向计算，软件便会自动分配管网流量，计算出泵房处水泵出口的压力。

图2 节点压力

确定了泵的扬程和压力之后，还需要对各种工况进行校核。例如校核最不利工况(区别于最不利点)时管网的流速是否合理，校核最不利工况发生而某一段管网检修时的管网流速以及出现两处着火点时的消防工况等。

手动计算时设计人员需要将所有环状网初定管径，并且为了使分配的流量趋近于实际流量，需要通过哈代-克罗斯迭代法进行多次管网平差计算，直到闭合差在精度要求范围内为止。可想而知，单单是平差计算就可能要耗去设计人员大量的精力和时间，还可能会造成误差偏大。而利用PIPENET软件可以轻松解决上述问题。

为了防止管网因水锤现象出现事故，根据相关规范要求，最大设计流速控制在3.5 m/s以内。

首先校核工况1：最大消防用水量的罐区即最不利工况点着火，假设该罐区消防水有2处管道引入，并且同时开启2处消防炮供水。利用软件模拟该工况，计算结果如表2。

经过计算发现有些管段流速非常小，从0～2.75 m/s不等，且多数管径流速在2 m/s甚至1 m/s以下。说明在罐区着火工况下，这些小流速的管段的管径设计是不经济的。但是单凭这一种工况还不能说明问题。还需要兼顾其它工况进行分析。

表2 工况1计算结果

工况2：在最不利着火工况下，选择将2条较为重要的管段HFW/50和HFW/43关断(模拟着火时管段检修工况)，如图3(虚线部分代表该工况下关断的管段)，然后再利用软件进行模拟，计算结果显示仅有5条管段流速处于2～3 m/s之间，大部分管段流速仍处于较低阶段。

根据NFPA规范按1处着火点进行考虑，显然现有的管径完全符合要求，而且富余量较大。为了确保消防的可靠性，再利用软件进行2处着火点的校核，从而观察管径是否仍然能够满足要求。

工况3：模拟2处着火点，一处在罐区处，着火时消防用水量按1 297 m3/h进行计算；另一处在PP装置处，着火时消防用水量按1 260 m3/h进行计算。结果表明，最大流速不超过2 m/s。

图3 工况2计算

工况4：模拟2处着火点时，管段HFW/52和HFW/23关断(模拟着火时管段检修工况)，经过软件计算后，流速显示2 m/s以下管段居多。

通过4种工况的计算不难发现，人工估算的管径明显偏大，富余量较多。综合几种工况来看，显然可以将主管道流速均较低的管径进行缩小。经过比较后发现工况2为最不利工况，根据工况2的流速将主干管管径缩小并进行计算，最终得到满足流速要求的管径。

3 计算结果分析

对于大型消防水管网的计算必须要兼顾可靠性、经济性。人工计算虽然也是本着这两个原则进行设计，但却因为人为和客观的因素限制无法避免地采用了相对不经济的作法。并且对于大型的消防管网人为设计后并无法做到各种工况的精确校核，使得设计者以及校审人员存在“不放心”的心态，在设计以及校审过程中层层增大管径，牺牲经济性，给业主带来了不必要的经济损失。通过软件对人为初定的管径进行分析后大大减少了不必要的浪费，并且满足规范要求的可靠性。就本项目而言，通过软件校核后对于管材的变化量如表2所示。

表2 软件校核前后管材对照

不同管径及壁厚的管材对应的价格不同，笔者仅以碳素无缝钢材(20#)平均价格中较低价7 000元/t进行计算，可节省80余万元。

除此以外，管径的减少相对应的是阀门投资的减少、阀门井投资的减少以及管件投资的减少。这几方面节省的总投资可能比单一管材投资更为巨大。

4 结论及建议

本项目消防管网的规模有限，随着今后国内外大型石化行业的发展和消防设计的重要性的不断增高，消防系统的规模也将不断扩大，而PIPENET软件的优势将更加明显。目前国外项目对于软件的使用及计算书要求较为严格，而PIPENET软件则可以生成国际通用的标准计算书。

利用软件协助设计可以使得设计更为合理、可靠和优化，能够成倍提高设计效率而且避免了人为计算的不准确因素，为设计者提供可靠的参考依据，让设计者的每一方案都能得到模拟仿真增加设计的确定性。而最终的目标即是保证工程安全性的前提下最大限度节约工程成本。软件的应用不仅限于消防管网的应用，笔者建议，对于今后一些大型的储罐消防、栈桥喷淋以及水锤等复杂的水力计算均可通过软件进行计算，使设计更加优化、高效、经济。

[1] 严煦世，范瑾初. 给水工程[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2007.

TheApplicationofPIPENETHydraulicAnalysisinFireProtectionSystemofLargePetrochemicalEnterprises

Zhao Guang, Meng Xiaofei

(SINOPEC Ningbo Engineering Corporation Co. ltd., Zhejiang, Ningbo, 315103)

This article clarifies the importance of PIPENET software in the application of pipe network design in large petrochemical enterprises. Through contrast in actual case, this article emphasizes the importance of software in network calculation and pump selection. The article mainly does some comparison in design optimization, reliability and high efficiency.

PIPENET hydraulic analysis；fire protection system；petrochemical enterprise；design optimization；situation simulation

2015-12-21

赵光，助理工程师，2010年毕业于常州大学(原江苏石油化工学院)给水排水专业，目前主要从事给排水消防设计工作。