范海成 童富良 羅雙全 孫文濤

1.中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120；

2.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

近年來，在包含消防給水系統(tǒng)的項目中，多數(shù)存在消防泵啟動超電流和消防穩(wěn)壓泵頻繁啟停情況，以及燒電機和穩(wěn)壓泵頻繁啟停損壞泵的隱患。 本文通過對國內(nèi)消防相關(guān)標準以及NFPA 系列標準的研究， 結(jié)合工程實際，對消防給水系統(tǒng)配置進行優(yōu)化，解決了上述操作隱患。

1 組成和控制原理

按照國內(nèi)消防標準相關(guān)條款，大型石油化工企業(yè)的工藝裝置區(qū)、 罐區(qū)等應(yīng)設(shè)置獨立的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)，推薦壓力0.7～1.2 MPa［1］。 盡管穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)在設(shè)備配置上大同小異，但由于設(shè)計者對消防標準的理解不同，系統(tǒng)在運行中的可靠性亦存在差異。

基于工作實踐，本文參考涉外油氣田消防系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的NFPA 系列標準， 對油氣田穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的壓力設(shè)置和壓力聯(lián)鎖進行了討論。

1.1 組成

穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)一般應(yīng)由消防穩(wěn)壓泵、消防水泵、聯(lián)鎖控制設(shè)備、閥門、儲水設(shè)施和消防管網(wǎng)等組成［2］。依據(jù)NFPA 系列標準， 典型穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 符合NFPA 要求的典型穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)

符合NFPA 系列標準的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)在設(shè)計上有特殊要求：

a） 在柴油引擎驅(qū)動消防泵出口單向閥的上游設(shè)置柴油引擎超速保護泄壓閥，設(shè)定值不應(yīng)大于柴油引擎驅(qū)動消防泵關(guān)閥壓力的121%［3］。

如果泵出口關(guān)閥壓力的121% 加上泵入口最大壓力不高于消防管網(wǎng)的設(shè)計壓力，則可以不設(shè)置該超速保護回流線。

121% 這個數(shù)值是基于NFPA 系列標準所要求的柴油引擎在超速10%時自動停車而設(shè)定。 如果按照國標，引擎可以在超速15%～20%時停車，則需要將百分數(shù)相應(yīng)提高。

b）在每臺泵出口的單向閥和出口閥之間，通過引壓管線與各泵的控制盤相連接，且需在引壓管線上安裝流向指向泵出口管線的帶小孔單向閥。

這樣設(shè)置可以確保消防管網(wǎng)壓力降低時，泵組能迅速啟動，且有效保護控制盤免受來自管網(wǎng)的水擊。

c） 除超速保護泄壓閥以及安裝在電動泵泵體上的最小流量泄壓閥（一般為DN 20 或DN 25）之外，不允許設(shè)置其它壓力控制閥或泄壓閥來控制泵的出口壓力。

d）消防泵出口設(shè)置測試回流線，回流線上設(shè)置流量計。 該設(shè)計主要用于消防泵周期性的性能檢查。

1.2 控制原理

根據(jù)國內(nèi)標準，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)靠管網(wǎng)壓力自動啟動消防主泵［1］。 綜合NFPA 系列標準的相關(guān)條款，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的控制原理為：

a）在非火災(zāi)狀況下，管網(wǎng)內(nèi)的微小泄漏導致整個管網(wǎng)壓力下降， 穩(wěn)壓泵根據(jù)控制盤預設(shè)啟動壓力自啟，并在達到預設(shè)停泵壓力后自停。 有時為了避免穩(wěn)壓泵頻繁啟停，穩(wěn)壓泵也可在達到設(shè)定壓力后連續(xù)運轉(zhuǎn)一段時間再自動停止。

b） 當管網(wǎng)壓力低于備用穩(wěn)壓泵的啟動壓力設(shè)定值時，備用穩(wěn)壓泵會自動啟動，且在達到預設(shè)的停泵壓力時自動停泵，或運行一段時間后自動停泵。 這種情況下，一般要求備用穩(wěn)壓泵的啟動壓力比主穩(wěn)壓泵的啟動壓力至少低0.034 MPa。 也可以將備用穩(wěn)壓泵的啟動壓力設(shè)定為與主穩(wěn)壓泵相同的啟動壓力并設(shè)置延時（如5 s）但一般不推薦。

c） 在火災(zāi)工況下，消防管網(wǎng)用水，穩(wěn)壓泵無法維持消防管網(wǎng)壓力，當壓力降低至電動泵控制盤預設(shè)的啟動壓力時，電動泵組將自動啟動。

d） 如果電動泵由于電纜燒毀或其它原因無法順利啟動，消防管網(wǎng)的壓力將進一步降低至柴油引擎驅(qū)動消防泵的啟動壓力時，柴油引擎驅(qū)動消防泵自動啟動。

同樣，也可以將柴油引擎驅(qū)動消防泵的啟動壓力設(shè)置成與電動泵一樣的啟動壓力并延時（如2 s）但一般不推薦。

2 壓力設(shè)置

根據(jù)NFPA 系列標準，穩(wěn)壓泵、消防電泵和消防柴油泵的壓力設(shè)置如下：

a） 穩(wěn)壓泵的自動停泵壓力應(yīng)等于其零流量壓力加上穩(wěn)壓泵最小入口壓力。

b） 穩(wěn)壓泵的自動啟泵壓力應(yīng)比自動停泵壓力至少低0.068 MPa。

c） 消防電泵（主）的啟泵壓力應(yīng)至少比穩(wěn)壓泵的啟泵壓力低0.034 MPa。

d） 其它泵的啟泵壓力應(yīng)依次比消防電泵（主）的啟泵壓力低0.068 MPa。

e）如果設(shè)定了泵的最小運行時間，則該泵的出口壓力加上最大入口壓力在零流量運行工況下，不得超過管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計壓力。

可以看出，NFPA 系列標準只要求了穩(wěn)壓泵啟停壓力差的最小值， 以及穩(wěn)壓泵與電動泵壓力間隔的最小值，電動主泵與備用泵啟動壓力間隔的最小值。

NFPA 系列標準規(guī)定穩(wěn)壓泵啟停壓力差的最小值，主要是避免泵的頻繁啟動，頻繁啟動會造成驅(qū)動電機繞組溫度升高而燒毀或熱繼電器動作導致供電中斷。 規(guī)定其它泵之間啟動壓力差的最小值，主要是考慮壓力傳感器的誤差，及泵組在啟停瞬間的水擊，過低的差值可能導致主備泵組不能按照預設(shè)的優(yōu)先次序啟動。

NFPA 系列標準并沒有規(guī)定穩(wěn)壓泵啟停壓力差的上限，以及各消防泵啟動壓力間隔的最大值。 但實際設(shè)計中，為減少穩(wěn)壓泵的啟停頻率，或確保泵組的啟動順序萬無一失而任意增加泵組啟動壓力差，會使備用泵在出口壓力非常低的情況下啟動［4］。 可能會導致預設(shè)的最后幾臺備用泵在啟動初期出水壓力太低、流量過大使驅(qū)動裝置過載。 對柴油引擎驅(qū)動消防泵而言，該問題更突出。

從典型離心泵的性能曲線圖可以看出，隨著流量增加，離心泵的工作點偏離最佳效率點，由于效率降低，泵的軸功率不斷增加。 而在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油引擎的最大輸出功率為定值。 如果泵的輸入功率超過了該轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的引擎最大輸出功率，引擎就會出現(xiàn)“超載”現(xiàn)象［5］。 在消防泵啟動初期，機組部件及潤滑油溫度偏低，潤滑效果欠佳，部件處于非額定工況運行，超載將加劇氣缸套、活塞環(huán)、軸套等部件的磨損。 NFPA 系列標準要求引擎的輸出軸功率不低于泵組在任何負荷下的輸入軸功率［6］。這不經(jīng)濟，因此，中國標準明確規(guī)定，消防泵配套的電機和引擎在現(xiàn)場工況下的額定輸出功率應(yīng)不小于其1.5 倍額定流量時對應(yīng)的泵軸功率［7］。

因此， 盡管NFPA 系列標準對穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的啟動壓力間隔的上限未明確規(guī)定，但在確定系統(tǒng)的啟動壓力時，必須根據(jù)泵的性能曲線和驅(qū)動裝置的最大輸出功率進行校驗，確保泵在啟動時所對應(yīng)的軸輸入功率不大于驅(qū)動裝置所允許的輸出功率。 對滿足中國標準的消防泵組， 只需確保啟泵壓力對應(yīng)的流量不高于1.5 倍額定流量即可［8］。

3 消防氣壓罐

根據(jù)NFPA 系列標準，除以下三種情況外，不允許設(shè)置任何用以控制消防管網(wǎng)壓力的泄壓閥：

a）穩(wěn)壓泵出口壓力大于消防管網(wǎng)的設(shè)計壓力時，需在泵出口安裝泄壓閥，當穩(wěn)壓泵入口壓力在較大范圍內(nèi)變化時存在這種可能。

b）電動消防泵本體上的最小流量泄壓閥。

c）柴油消防泵出口的超速保護泄壓閥。

理論上，只要泵的選型合適，上述要求是完全可以實現(xiàn)的。 但實踐中，即使通過泵的選型滿足了上述要求，仍存在以下問題：

a）系統(tǒng)對網(wǎng)管的適應(yīng)性較差。 管網(wǎng)系統(tǒng)嚴密性很好時， 會出現(xiàn)由于環(huán)境溫度變化而導致的系統(tǒng)超壓現(xiàn)象，如1.2 MPa 設(shè)計壓力的管網(wǎng)由于環(huán)境溫度變化而升高至1.7 MPa。 而管網(wǎng)系統(tǒng)嚴密性較差時，又存在穩(wěn)壓泵啟停過于頻繁的問題。

b） 為確保所有泵的啟泵壓力都不低于其額定工作壓力的65%，各泵之間的壓力，尤其是穩(wěn)壓泵的壓力間隔就不能太大。 而較小的啟動壓力差，又同樣會導致穩(wěn)壓泵頻繁啟停。

出現(xiàn)上述兩個問題的原因， 在于水本身的可壓縮性較小。 通過在穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)增設(shè)中國消防標準所推薦的水壓罐［9］，增加管網(wǎng)系統(tǒng)對溫度變化和壓力變化的適應(yīng)性，可以很好地解決這兩個問題。 氣壓罐的容積，推薦依據(jù)CECS76∶95《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》所提供的公式進行計算。為減少水對氣壓緩沖罐金屬部件的腐蝕，建議采用氣囊內(nèi)部及氣囊與管壁之間存氣的氣 壓 緩 沖 罐［10］。

4 設(shè)計實例

圖2 是國外某項目中由國外設(shè)計公司所設(shè)計的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)示意圖。 可以看出，在設(shè)備配置上，與圖1 NFPA 系列標準推薦的典型配置沒有太大差別。

圖2 中的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)壓力參數(shù)見表1。

項目中規(guī)定消防管網(wǎng)的壓力不得低于1.5 MPa。 消防管網(wǎng)的設(shè)計壓力為1.8 MPa，為避免超壓，柴油消防泵出口泄壓閥的設(shè)定壓力為1.5 MPa。

穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)在試運中發(fā)現(xiàn)兩個問題：

a）穩(wěn)壓泵頻繁啟停。

b）在按照NFPA 系列標準進行每周測試時，管網(wǎng)壓力高達1.96 MPa，接近于柴油泵的零流量壓力。

穩(wěn)壓泵頻繁啟停，跟系統(tǒng)泄漏量大有關(guān)。 通過修改啟停壓力差，可在一定程度上緩解該問題。

圖2 某項目的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)示意圖

表1 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的壓力參數(shù)

柴油消防泵啟動后管網(wǎng)壓力接近柴油泵的零流量壓力問題，是由于沒有遵從NFPA 系列標準的規(guī)定，將超速泄壓閥用作穩(wěn)壓閥的結(jié)果。 由于泄壓閥采用了NFPA系列標準所要求的先導式泄壓閥，該閥門本身存在2～3 s的調(diào)控時滯，在泄壓閥開始作用前的2～3 s 內(nèi)，管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力已經(jīng)達到了消防泵的零流量壓力。

在消防管網(wǎng)出口管匯增加一個容積為480 L 的膜式氣壓罐后， 柴油消防泵啟動時的最大壓力降至1.6 MPa。由于氣壓罐的緩沖作用， 穩(wěn)壓泵的啟停頻率也大大降低。

5 結(jié)論

本文參考國內(nèi)消防相關(guān)標準以及NFPA 系列標準，結(jié)合工作實踐，經(jīng)過對穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的壓力設(shè)置和啟停聯(lián)鎖進行分析，得出以下結(jié)論：

a）驅(qū)動裝置的最大輸出功率是設(shè)置消防穩(wěn)壓泵、消防電泵和消防柴油泵啟停壓力值時必須考慮的重要因素之一。

b） 在采用NFPA 系列標準進行穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)設(shè)計時，依據(jù)國內(nèi)標準增加一個氣壓緩沖罐，以確保泵組啟動功率不超過驅(qū)動裝置最大輸入功率，減少穩(wěn)壓泵的啟停頻率。

c）通過列舉工程實例，為保證消防泵啟動期間，消防給水系統(tǒng)壓力不超過額定值，消防系統(tǒng)上設(shè)置的持壓泄壓閥應(yīng)選擇超速泄壓類型，以防止泄壓滯后，造成瞬間超壓。

［1］GB 50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準［S］.GB 50160-2008，F(xiàn)ire Prevention Code of Petrochemical Enterprise Design［S］.

［2］ 黃 敏，范恩強. 石油化工裝置穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)聯(lián)鎖控制［J］. 安防科技，2008，50（10）：62-64.Huang Min，F(xiàn)an 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］ 龐術(shù)榮.900 kt/a 乙烯工程消防水系統(tǒng)設(shè)計簡述［J］. 石油化工安全技術(shù)，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. 大落差輸水管線的引擎泵組啟動方案研究［J］. 中國水運，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，F(xiàn)ire Pumps［S］.

［8］ 黃銘科，吳曉玲，孫道林. 石油化工用消防泵選型工程實例分析［J］. 石油化工設(shè)備技術(shù)，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，高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范（2005 版）［S］.GB 50045-95，Code for Fire Protection Design of Tall Buildings（2005 Version）［S］.

［10］ 張永強. 石油化工企業(yè)穩(wěn)高壓消防系統(tǒng)中穩(wěn)壓裝置設(shè)計探討［J］. 石油化工安全環(huán)保技術(shù)，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.