高爐噴煤項目臨時高壓消防系統的設計計算及選型

劉 雪 嬌

(中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

1 概述

高爐噴煤是現代煉鐵工藝的一項新技術，它有利于節焦增產、改進高爐冶煉工藝和促進高爐順行，其經濟及社會效益顯著。高爐噴煤系統主要由干煤棚、煤粉制備系統、煤粉噴吹系統、熱煙氣系統及供氣系統等組成。噴煤車間的高度一般在25 m～40 m之間，GB 50974—2014消防給水及消火栓系統技術規范[1]表3.5.2中規定：廠房高度24 m

2 臨時高壓消防系統的選型及計算

以下以印度Sunflag高爐噴煤項目為例，介紹噴煤工程臨時高壓消防系統的設計計算。

2.1 項目概況

本工程為印度Sunflag高爐噴煤項目，噴煤車間地坪與噴煤消防泵房地坪處于同一標高，噴煤消防泵房內主要設施為成套供貨臨高壓消防裝置(包括消防主泵、穩壓泵、穩壓罐)、柴油機泵及電動單梁懸掛吊車；印度屬于熱帶季風氣候，全年高溫，故本次設計中管道不需做保溫。室外消防管網壓力為0.4 MPa。

2.2 設計計算依據

噴煤車間火災危險性類別為乙類，車間耐火等級為二級，車間占地426 m2，高度為29 m，體積6 048 m3。

根據GB 50016—201建筑設計防火規范[1]4.8.2.1規定，建筑占地面積大于300 m2的廠房，應設置室內消火栓系統；表3.5.2廠房高度24 m

2.3 消防水泵揚程計算

根據GB 50974—2014消防給水及消火栓系統技術規范[1]10.1.7消防水泵或消防給水所需要的設計揚程或設計壓力，宜按下式計算：

P=k2(∑Pf+∑Pp)+0.01H+P0。

式中：P——消防水泵或消防給水系統所需要的設計揚程或設計壓力，MPa；

k2——安全系數，可取1.2～1.4，宜根據管道的復雜程度和不可預見發生的管道變更所帶來的不確定性；

(∑Pf+∑Pp)——管道的局部損失和沿程損失之和，取泵房到噴煤車間損失為15 m;

H——給水管網在市政水泵入口處的設計壓力值的高程至最不利水在滅火設施的幾何高差，m;

P0——最不利配水點用水設備的流出水頭,MPa。

40 m～120 m(達到噴霧狀態的栓前最小壓力),本設計取50 m。

計算結果:P=1.4×0.15+0.01×29+0.5=1.0 MPa。

印度業主提供室外消防水壓力0.4 MPa，消防主泵揚程應為P=P出口-P入口=1.0-0.4=0.6 MPa。

2.4 消防水泵功率計算

水泵軸功率計算公式為N軸=QgH/3 600η1。

其中，g=9.81;η1為泵效率,取0.75～0.85。

計算N軸=25×3.6×9.81×60/(3 600×0.75)=19.6 kW。

電機功率N=N軸/η2,η2為電機效率,取0.75～0.85。

計算結果N=19.6/0.75=26.2 kW；經計算，消防主泵電機功率為26.2 kW，根據廠家樣本選泵功率為30 kW。

綜上所述，故消防主泵的選型為：Q=25 L/s;H=60 m；N=30 kW，415 V。

2.5 穩壓罐及穩壓泵壓力計算

1)氣壓罐的最低工作壓力應按管網最不利處配水點所需壓力來計算,應按管網最不利處配水點所需壓力來計算，采用計算公式：

P1=k2(∑Pf+∑Pp)+0.01H+P0=1.0 MPa。

2)氣壓罐最高工作壓力可采用公式：

P2=(P1+0.098)/ab-0.098。

式中：P2——氣壓水罐最高工作壓力,表壓MPa；

ab——氣壓水罐工作壓力比在一般情況下宜采用0.65～0.85,此時取0.80；

P2=(1.0+0.098)/0.8-0.098=1.27 MPa。

3)緩沖水容積下限水位壓力Ps1(即穩壓泵的啟動壓力)與貯水容積上限水位壓力P2的壓差Δp，一般可取0.02 MPa。

Ps1=P2+0.02 MPa。

計算結果Ps1=1.29 MPa。

4)緩沖水容積上限水位壓Ps2(即穩壓泵的停泵壓力)穩壓水容積上、下水位的壓力差Δps應不小于0.05 MPa。

Ps2=Ps1+0.05 MPa。

計算結果Ps2=1.34 MPa。

5)穩壓泵壓力P穩=(Ps1+Ps2)/2=1.31 MPa。

6)穩壓泵揚程應為P=P出口-P入口=1.31-0.4=0.91 MPa。

綜上所述：消防穩壓泵揚程H=91 m。

2.6 穩壓罐容積計算

氣壓水罐的調節容積為VS=cqb/4n。

式中：VS——穩壓水容積(調節容積)，m3；

qb——穩壓泵的流量,m3/h;

c——安全系數，宜采用1.0～1.3；

n——穩壓水泵在1 h內的啟動次數，宜采用6次～8次。

計算結果：VS=cqb/4n=1.2×5×3.6/4×6=0.9 m3。

根據《氣壓給水設計規范》[2]4.3.5消防水的總容積等于消防儲水容積VX+穩壓水容積(調節容積)VS+緩沖水容積VΔP，4.3.6.1消火栓給水系統消防氣壓水罐儲水容積不得少于300 L;4.3.6.4穩壓水容積不得小于50 L,可得出Vxf=VX+VS+VΔP=0.3+0.9+0.05=1.25 m3。

根據GB 50974—2014消防給水及消火栓系統技術規范[1]條文規定臨時高壓消防給水系統的高位消防水箱的有效容積應滿足火災消防用水量的要求，并應符合下列規定:工業建筑室內消防給水設計流量當不大于25 L/s時，不應小于12 m3[3]，本工程選取兩個穩壓罐，單個有效容積為6 m3。

氣壓水罐的總容積計算公式為V=BVxf/(1-ab)。

式中：V——消防氣壓水罐的總容積，m3；

Vxf——消防水總容積,m3;

ab——氣壓水罐的工作壓力比，宜采用0.65～0.85；

Β——氣壓水罐的容積系數，隔膜式水罐宜為1.05。

計算結果：V=1.05×6/(1-0.65)=18 m3。

根據計算，選穩壓罐單罐總容積為18 m3，消防水容積6 m3，壓力等級為1.6 MPa，共兩個。

2.7 消防穩壓泵功率計算

水泵軸功率計算公式為N軸=QgH/3 600η1。

其中，g=9.81；η1為泵效率，取0.75～0.85。

計算N軸=5×3.6×9.81×91/(3 600×0.75)=5.89 kW。

電機功率N=N軸/η2,η2為電機效率，取0.75～0.85。

計算N=5.89/0.75=7.85 kW。

根據GB 50974—2014消防給水及消火栓系統技術規范[1]條文規定消防給水系統管網的正常泄漏量應根據管道材質、接口形式等確定，當沒有管網泄漏量數據時，穩壓泵的設計流量宜按消防給水設計流量的1%～3%計，且不宜小于1 L/s。

綜上所述，穩壓泵的選型為：Q=1 L/s;H=91 m；N=11 kW，415 V。

2.8 壓力控制系統說明

根據GB 50974—2014消防給水及消火栓系統技術規范[1]8.2.3規定采用穩壓泵穩壓的臨時高壓消防給水系統的系統工作壓力應取消防水泵零流量時的壓力、消防水泵吸水口最大靜壓二者之和與穩壓泵維持系統壓力時兩者其中的較大值。

本工程中，穩壓泵維持系統的壓力的最大值為1.31 MPa，即臨時高壓消防給水系統的系統工作壓力為1.31 MPa。主泵、穩壓泵、壓力信號、消火栓啟泵信號關系如下：系統壓力降到1.29 MPa時，穩壓泵自動啟動；系統壓力升到1.31 MPa時，穩壓泵自動停止；系統壓力降到1.27 MPa時，控制箱發出火災報警信號，消防主泵啟動，穩壓泵停止運行；當系統壓力降到1.20 MPa傳遞啟動信號給柴油機消防泵，柴油機泵啟動。消火栓箱內有啟動主泵的按鈕，一旦按鈕被按下，消防主泵應立即啟動，消防主泵啟動后5 s～10 s自動切斷穩壓泵控制電源，穩壓泵控制系統退出工作，消防主泵啟動后便不受管網水壓的自動控制，一直運轉至火災工作結束后，手動按下消防主泵停泵按鈕，關閉消防主泵[4]。

3 結語

印度Sunflag高爐噴煤項目臨時高壓系統的配置情況為：消防泵兩臺，一用一備，水泵選型參數為Q=25 L/s;H=60 m；N=30 kW，415 V；穩壓泵兩臺，一用一備，穩壓泵參數為：Q=1 L/s;H=91 m；N=11 kW，415 V；穩壓罐兩個，單罐總容積為18 m3，消防水容積6 m3，壓力等級為1.6 MPa；為保證系統的安全穩定，配置應急柴油泵一臺，柴油泵參數為Q=25 L/s，H=60 m。