穩高壓消防給水系統壓力設定值探討

范海成 童富良 羅雙全 孫文濤

1.中國石油工程建設公司，北京 100120；

2.中國石油集團工程設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的項目中，多數存在消防泵啟動超電流和消防穩壓泵頻繁啟停情況，以及燒電機和穩壓泵頻繁啟停損壞泵的隱患。 本文通過對國內消防相關標準以及NFPA 系列標準的研究， 結合工程實際，對消防給水系統配置進行優化，解決了上述操作隱患。

1 組成和控制原理

按照國內消防標準相關條款，大型石油化工企業的工藝裝置區、 罐區等應設置獨立的穩高壓消防給水系統，推薦壓力0.7～1.2 MPa［1］。 盡管穩高壓消防給水系統在設備配置上大同小異，但由于設計者對消防標準的理解不同，系統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設計中應用最廣泛的NFPA 系列標準， 對油氣田穩高壓消防給水系統的壓力設置和壓力聯鎖進行了討論。

1.1 組成

穩高壓消防給水系統一般應由消防穩壓泵、消防水泵、聯鎖控制設備、閥門、儲水設施和消防管網等組成［2］。依據NFPA 系列標準， 典型穩高壓消防給水系統的組成見圖1。

圖1 符合NFPA 要求的典型穩高壓消防給水系統

符合NFPA 系列標準的穩高壓消防給水系統在設計上有特殊要求：

a） 在柴油引擎驅動消防泵出口單向閥的上游設置柴油引擎超速保護泄壓閥，設定值不應大于柴油引擎驅動消防泵關閥壓力的121%［3］。

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

121% 這個數值是基于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，則需要將百分數相應提高。

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。

這樣設置可以確保消防管網壓力降低時，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）消防泵出口設置測試回流線，回流線上設置流量計。 該設計主要用于消防泵周期性的性能檢查。

1.2 控制原理

根據國內標準，穩高壓消防給水系統靠管網壓力自動啟動消防主泵［1］。 綜合NFPA 系列標準的相關條款，穩高壓消防給水系統的控制原理為：

a）在非火災狀況下，管網內的微小泄漏導致整個管網壓力下降， 穩壓泵根據控制盤預設啟動壓力自啟，并在達到預設停泵壓力后自停。 有時為了避免穩壓泵頻繁啟停，穩壓泵也可在達到設定壓力后連續運轉一段時間再自動停止。

b） 當管網壓力低于備用穩壓泵的啟動壓力設定值時，備用穩壓泵會自動啟動，且在達到預設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，一般要求備用穩壓泵的啟動壓力比主穩壓泵的啟動壓力至少低0.034 MPa。 也可以將備用穩壓泵的啟動壓力設定為與主穩壓泵相同的啟動壓力并設置延時（如5 s）但一般不推薦。

c） 在火災工況下，消防管網用水，穩壓泵無法維持消防管網壓力，當壓力降低至電動泵控制盤預設的啟動壓力時，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，消防管網的壓力將進一步降低至柴油引擎驅動消防泵的啟動壓力時，柴油引擎驅動消防泵自動啟動。

同樣，也可以將柴油引擎驅動消防泵的啟動壓力設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 壓力設置

根據NFPA 系列標準，穩壓泵、消防電泵和消防柴油泵的壓力設置如下：

a） 穩壓泵的自動停泵壓力應等于其零流量壓力加上穩壓泵最小入口壓力。

b） 穩壓泵的自動啟泵壓力應比自動停泵壓力至少低0.068 MPa。

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

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

e）如果設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，不得超過管網系統的設計壓力。

可以看出，NFPA 系列標準只要求了穩壓泵啟停壓力差的最小值， 以及穩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 系列標準規定穩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的優先次序啟動。

NFPA 系列標準并沒有規定穩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。 但實際設計中，為減少穩壓泵的啟停頻率，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、流量過大使驅動裝置過載。 對柴油引擎驅動消防泵而言，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。 而在一定的轉速范圍內，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速所對應的引擎最大輸出功率，引擎就會出現“超載”現象［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、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］。這不經濟，因此，中國標準明確規定，消防泵配套的電機和引擎在現場工況下的額定輸出功率應不小于其1.5 倍額定流量時對應的泵軸功率［7］。

因此， 盡管NFPA 系列標準對穩高壓消防給水系統的啟動壓力間隔的上限未明確規定，但在確定系統的啟動壓力時，必須根據泵的性能曲線和驅動裝置的最大輸出功率進行校驗，確保泵在啟動時所對應的軸輸入功率不大于驅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的流量不高于1.5 倍額定流量即可［8］。

3 消防氣壓罐

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

a）穩壓泵出口壓力大于消防管網的設計壓力時，需在泵出口安裝泄壓閥，當穩壓泵入口壓力在較大范圍內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）系統對網管的適應性較差。 管網系統嚴密性很好時， 會出現由于環境溫度變化而導致的系統超壓現象，如1.2 MPa 設計壓力的管網由于環境溫度變化而升高至1.7 MPa。 而管網系統嚴密性較差時，又存在穩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，又同樣會導致穩壓泵頻繁啟停。

出現上述兩個問題的原因， 在于水本身的可壓縮性較小。 通過在穩高壓消防給水系統增設中國消防標準所推薦的水壓罐［9］，增加管網系統對溫度變化和壓力變化的適應性，可以很好地解決這兩個問題。 氣壓罐的容積，推薦依據CECS76∶95《氣壓給水設計規范》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，建議采用氣囊內部及氣囊與管壁之間存氣的氣 壓 緩 沖 罐［10］。

4 設計實例

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

圖2 中的穩高壓消防給水系統壓力參數見表1。

項目中規定消防管網的壓力不得低于1.5 MPa。 消防管網的設計壓力為1.8 MPa，為避免超壓，柴油消防泵出口泄壓閥的設定壓力為1.5 MPa。

穩高壓消防給水系統在試運中發現兩個問題：

a）穩壓泵頻繁啟停。

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

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

圖2 某項目的穩高壓消防給水系統示意圖

表1 穩高壓消防給水系統的壓力參數

柴油消防泵啟動后管網壓力接近柴油泵的零流量壓力問題，是由于沒有遵從NFPA 系列標準的規定，將超速泄壓閥用作穩壓閥的結果。 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的調控時滯，在泄壓閥開始作用前的2～3 s 內，管網系統的壓力已經達到了消防泵的零流量壓力。

在消防管網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， 穩壓泵的啟停頻率也大大降低。

5 結論

本文參考國內消防相關標準以及NFPA 系列標準，結合工作實踐，經過對穩高壓消防給水系統的壓力設置和啟停聯鎖進行分析，得出以下結論：

a）驅動裝置的最大輸出功率是設置消防穩壓泵、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 系列標準進行穩高壓消防給水系統設計時，依據國內標準增加一個氣壓緩沖罐，以確保泵組啟動功率不超過驅動裝置最大輸入功率，減少穩壓泵的啟停頻率。

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

［1］GB 50160-2008，石油化工企業設計防火標準［S］.GB 50160-2008，Fire Prevention Code of Petrochemical Enterprise Design［S］.

［2］ 黃 敏，范恩強. 石油化工裝置穩高壓消防給水系統聯鎖控制［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］ 龐術榮.900 kt/a 乙烯工程消防水系統設計簡述［J］. 石油化工安全技術，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，Fire 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］. 石油化工設備技術，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，高層民用建筑設計防火規范（2005 版）［S］.GB 50045-95，Code for Fire Protection Design of Tall Buildings（2005 Version）［S］.

［10］ 張永強. 石油化工企業穩高壓消防系統中穩壓裝置設計探討［J］. 石油化工安全環保技術，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.