采修一体化平台消防水系统分析验证及设备选型应用

魏颂珂,梅耀丹,刘 琳,阎贵文,安明泉,陈 聪

中国石油集团海洋工程有限公司,北京 100028

海上平台消防水设计的合理性对平台运行的安全性和工程投资都会产生较大影响，必须确保管网的性能适用于所有用户在不同场景下的工作需求。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可以确保消防水系统符合设计要求、最佳经济性和适用性[1]。目前最流行的消防管网流体计算与分析软件是PIPENET，其内嵌NFPA、FOC以及我国国家标准等消防规范中的计算要求，用于消防管网的仿真计算和系统优化、设备的选型以及事故工况下的水力分析[2]。本文以埕海区块某采修一体化平台详细设计项目为例，开展消防水系统分析验证及设备选型应用。

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、喷头等组成。海上生产设施中，消防水系统涉及的用户多，工况复杂，通常为了提高消防管路的安全性，将主管路设计成环形管网并且利用阀门分成多段[3]。由于环状管网各管段连接节点多、管路水流方向不定，运行工况复杂，使得环状管网的手动水力分析计算工程量庞大，需借助软件对管网进行水力分析，保证消防泵、管径、孔板等配置经济合理[4]。

2 海上平台消防水系统的PIPENET水力分析

2.1 某海上平台消防水系统简介

该平台消防水系统为湿式消防系统，用于保护平台组块的工艺区和井口区，并为生活楼消火栓、消防炮和修井机软管站提供消防水源。消防水系统通过生产淡水泵稳压在500 kPa，系统利用一台主电动消防泵和一台备用柴油消防泵为消防系统供水。此平台设置2个喷淋区域，分别为中层甲板的井口区、油气设备区以及下层甲板油气设备区，如图1所示。本平台最大消防用水量为中层甲板，最大消防水用量为543 m3/h。

图1 消防水系统PFD示意

2.2 系统建模

软件中消防水系统的计算采用海澄-威廉(Hazen-Williams)公式，利用公式中海澄系数的调整，可适用于多种粗糙系数管道的水力计算。

式中：Pfric为摩擦及管件造成的压力损失，bar（1bar=0.1MPa）；L为管道长度，m；Le为管件的当量长度，m；Q为体积流量，L/min；D为管径，mm；C为海澄-威廉系数（或是C系数）。

PIPENET建模需依据消防水系统PI&D、消防管网三维图、管道详细参数及设备参数等[5]。首先将设计的管材和泵等设备参数输入模型数据库，沿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，消防管网模型如图2所示。

图2 消防管网模型（以下层甲板为例）

本文主要进行消防水系统主管网的全程稳态水力分析，以达到以下目的。

（1）验证消防水系统管径、消防泵性能参数。

（2）确定不同消防水用户的压力、流量满足设计要求。

（3）确定管道和喷头布置满足水力平衡要求。

2.3 消防水系统稳态水力分析及系统验证

通过模拟三种消防工况，验证消防水用量最大工况及压力最大工况的水量和流速。

（1）工况1：中层甲板喷淋区+两个泡沫/消防水软管站水力计算。

（2）工况2：下层甲板喷淋区+两个泡沫/消防水软管站水力计算。

（3）工况3：生活楼直升机甲板消防水/泡沫炮+两个消防水软管站水力计算。

输入参数：本PIPENET模型消防泵参数使用选定的柴油消防泵额定数据（额定流量为550 m3/h，额定扬程为135 m）。输入管件长度、高程、三通、90°弯头、45°弯头、管座、喷头等数据，平台消防水系统最大用水量为中层甲板喷淋区，最大压力为生活楼直升机甲板消防水/泡沫炮。将选用的消防泵输入模型中，校核最不利点的流量和压力。当压力过高时，可使用孔板来降低压力。

首先模拟中层甲板喷淋区、下层甲板喷淋区、生活楼直升机甲板消防水/泡沫炮及软管站喷淋流量及管道流速，部分设备水力计算流量与设计流量进行对比，结果见表1。

表1 设备喷淋流量对比

模拟计算结果显示水力计算流量均大于设计流量，表明中层甲板、下层甲板、直升机甲板的设备喷淋流量满足设计要求。

本系统设计流速要求为：碳钢内（涂环氧树脂）管内流速≤5 m/s，铜镍管内流速≤6.7 m/s。各层甲板设备喷淋流速模拟结果如表2所示，结果表明流速均满足设计要求。

表2 设备喷淋流速

本系统模拟结果的消防泵曲线如图3所示，柴油消防泵的流量处于440～900 m3/h高效区范围内，终端设备满足压力和流量的要求。

图3 消防泵曲线

2.4 消防水系统设备选型应用

PIPENET计算结果对设备选型有重要参考作用。

2.4.1 最小流量保护阀

在流量过小时，消防泵密闭运转，易发热汽化而发生气蚀或憋压造成损坏，可通过设置最小流量保护阀（PCV阀）进行消防泵保护。

通过软件建模进行水力计算可以验证最小流量保护阀选用是否合理。以直升机甲板喷淋区为例，通过删除和保留最小流量保护阀（PCV阀）分别开展消防系统水力计算，观察泵运行工况及管道承压情况。在保留PCV阀的工况下，泵运行曲线和图3一致，在不设置PCV阀时，模拟计算结果如图4所示。

图4 未设置PCV阀时消防泵运行工况

由图3和图4对比可知，未设置PCV阀时虽然系统仍然能够有效运行，但柴油消防泵的流量已经不再处于440～900 m3/h高效区范围内，会导致消防泵出口管道压力变大。因而，消防系统为满足多种工况运行，设置PCV阀合理可行。结合厂家情况，选用120 kPa级自力式调节阀作为最小流量保护阀。

2.4.2 孔板

在雨淋阀后设置孔板可以调节阀后管道压力，同时实现对喷头压力及流量大小的控制。通过使用PIPENET软件反复调整孔板压降可使系统与设计工况更匹配，在提高计算精确度的同时降低了计算的复杂程度，也为选择孔板尺寸提供了有力依据。

以中层甲板喷淋区为例，不设置孔板时，最远端喷头的压力达到8.7 bar，远大于设计要求的3.5 bar。此时最远端喷头压力过高，管内流速过快，与设计工况偏离较大。通过软件模拟不同的孔板，中层甲板消防水用量情况如表3所示。考虑系统的各种因素，最终选择直径90 mm的孔板。

表3 中层甲板消防水用量情况

3 结论

通过PIPENET模拟渤海湾埕海区块某采修一体化平台消防水系统，并开展水力计算，结果表明，消防水环路、各消防管道和喷淋系统的设计已经满足设计流量和压力的需求，并对最小流量保护阀孔板等保护措施的选型也起到准确判断和优化验证作用。因此，本平台消防水系统能够给终端设备提供设计要求的压力和流量，确保消防系统行之有效。为进一步验证系统可靠性，建议对环路阻断、瞬态水击等工况开展进一步模拟分析。