油庫碼頭消防取水口及反沖洗裝置設計

◎華永福 武漢長江航運規劃設計院有限公司

1.項目背景

為服從國家長江生態保護戰略的需要，服務長江經濟帶“綠色發展”的大局，配合湖北省、宜昌市兩級政府的工作，按照宜昌市政府統籌安排，中長燃宜昌油庫碼頭位于中華鱘自然保護區內，限期2021年底完成遷建并撤除原宜昌油庫碼頭。擬將宜昌油庫遷至枝江姚家港化工園區，油庫碼頭遷至長江枝江羅家河港區。油庫遷建規劃圖如圖1所示。

圖1 油庫遷建規劃圖

2.工程概況

中長燃枝江油庫碼頭工程擬建設5000噸級成品油進出口泊位1個，設計年吞吐量81萬噸/年。配置相應的裝卸設備，配套建設相應的供電照明、通信、環保、給排水、消防等工程以及生產和輔助生產設施。設計通過能力85萬噸/年。

碼頭結構采用浮碼頭型式，碼頭主要由躉船、活動鋼引橋、撐桿及撐桿墩、閥室平臺、縱橫向管廊、消防變電平臺組成。碼頭結構如圖2所示。

圖2 中長燃油庫碼頭效果圖

3.消防取水設計

本碼頭主要裝卸物料包括汽油屬甲B類危險物質和柴油屬乙B類危險物質。根據泊位裝卸物料性質，本工程火災危險性為甲B類，碼頭防火分級按河港一級碼頭確定。由于周邊無滿足碼頭消防需求的城市自來水管網接口，碼頭消防水源采用長軸深井消防泵抽取江水提供。最大一次消防用水量為2581m3（其中碼頭消防泵供水量為1933m3、躉船消防泵供水量為648m3）。

在閥室平臺頂設置消防泵站，設置電動長軸深井消防泵1臺（流量150L/s，揚程1.2MPa，功率315kW/10kV）、柴油機長軸深井消防泵1臺（流量150L/s，揚程1.2MPa，柴油機配套功率452kW，底座自帶油箱，油箱容積750L），1用1備（電動長軸深井消防泵為常用泵、柴油機長軸深井消防泵為備用泵，消防泵由配套電控柜控制，帶自動切換功能）。

閥室平臺下方設置2根鋼質DN1000mm引水管至江側（引水管設置1‰的坡度），2根引水管各設取水頭部1個。碼頭設計低水位為34.43m（保證率98%），三峽建庫后枯水期最低水位33.05m，取水頭部中心標高位于33.05m以下約1.5m，可以滿足《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974-2014）4.4.3條“天然消防水源保證率宜為90～97%”及《油氣化工碼頭設計防火規范》（JTS 158-2019）7.2.3條“天然水源應確保枯水期最低水位取水的可靠性”要求。消防取水設計如圖3所示。

圖3 碼頭消防取水口設計圖

4.取水口泥沙淤積原因

查閱大量有關取水口資料、文獻以及在很多取水口工程實例中，泥沙淤積往往是影響取水效果和維護成本的難題。造成取水口泥沙淤積的主要原因有取水頭部高程低、消防泵泵吸力作用、河勢變化、取水頭部局部渦流作用這四方面：

（1）取水頭部高程低。為確保枯水期最低水位取水的可靠性，取水口引水管進水口靠近江（河）底，河床淤泥地質，水質相對較差，泥沙和小卵石容易伴隨江水帶入引水管道，長期作用易淤積在水平引水管道底部，造成引水管道有效引水截面減小甚至淤塞，影響消防取水效果和水泵運行安全，同時大大增加了維護和清淤成本。

（2）消防泵泵吸力作用。消防泵工作時，泵吸作用將水中泥沙帶入水平引水管道造成淤積。

（3）河勢變化原因。河勢演變主要表現在河床沖淤、洲灘消長和汊道的交替沖淤變化。當取水口處于河道凸型彎道段的下游，取水口頭部水流和泥沙運動發生變化和調整，將造成取水頭部泥沙回淤。

本工程河段在三峽水庫蓄水運用后，總體河勢將繼續維持目前的格局不變，河道兩岸岸線基本穩定，但局部沖刷仍將持續，隨著時間推移，沖刷將逐步減弱，沖刷發展逐步得到抑制。因此河勢演變對本工程影響較小。

（4）取水頭部局部渦流作用。取水口引水管伸入河道，河道斷面局部縮小，在取水頭部形成局部渦流，長期作用下也會造成泥沙進入引水管形成淤積。

5.本工程設計解決方案

根據《油氣化工碼頭設計防火規范》第4.2.7條規定：裝卸火災危險性為甲B類、乙類液體的化工碼頭，消防水泵房距離碼頭前沿線防火間距為35m。若采用消防水泵在江側直接抽取，則不滿足規范防火間距要求。

本工程取水口設計思路：利用連通器原理，采用“L”型引水管將江水引至閥室平臺下方，通過安裝在閥室平臺頂的長軸深井消防泵伸入豎直管抽取江水用于碼頭消防。為解決取水口水平引水管泥沙淤積問題，本工程設計采取以下解決方案。碼頭取水口細部構造如圖4所示。

圖4 碼頭取水口細部構造圖

5.1 改善取水頭部地質環境

本工程碼頭設計低水位為34.43m（保證率98%），該江段在三峽建庫后枯水期最低水位33.05m，為確保枯水期最低水位取水的可靠性，設計消防取水口水平引水管取水頭部中心標高位于33.05m以下約1.5m，基本緊貼江底，巖土地層分布為淤泥地質。為避免泥沙淤積，設計采用60m長DN1000mm水平引水管將取水頭部延伸至深水區，且在取水頭部下方進行拋填塊石防護（塊石大小60～100kg）。改善取水頭部環境條件，可有效減輕由于泵吸作用造成泥沙進入管道。

5.2 優化取水頭部朝向

本工程碼頭取水口水平引水管取水頭部焊接90°彎管，彎管水平朝向下游方向，并在彎管頭部焊接帶格柵的喇叭管，格柵采用φ10mm圓鋼焊接，網眼尺寸為20mm×20mm。優化調整取水頭部朝向使其順著水流方向，能有效防止泥沙直接沖入引水管，且格柵對阻隔卵石、漂浮物等雜物也有良好效果。

5.3 反沖洗裝置

上述兩種措施皆為被動防護，雖然能夠有效防止泥沙進入引水管道，但是一旦管道泥沙淤積量大將影響消防取水，需要定期清淤維護，且管道在設計低水位以下3m位置，清淤工作尤為困難。

（1）反沖洗裝置設計。綜合上述問題，本工程碼頭消防取水口在2條DN1000mm水平引水管內分別設置1條DN219mm反沖洗管道，反沖洗管道置于水平引水管內底部間隔3m焊接固定在引水管道上，反沖洗管道兩側間隔開φ25mm沖洗孔、間距2m，左右交替錯開，反沖洗管道末端采用法蘭蓋板封堵，法蘭蓋板底部開φ25mm沖洗孔1個。

通過2個DN1000mm等徑鋼質四通將2條DN1000mm水平引水管道在根部位置相互連通，豎向取水管道通過90°彎管和四通相連形成“L”型引水管道，四通最外側兩個出口采用鋼板焊接封堵，反沖洗管道從鋼質四通兩側鋼板穿出并穿過閥室平臺頂板與長軸深井消防泵通過閥門連接。取水口引水管反沖洗裝置如圖5所示。

圖5 取水口引水管反沖洗裝置圖

（2）反沖洗裝置工作原理。當水平引水管道需要清淤時，關閉消防管道DN300蝶閥、止回閥，打開反沖洗管道DN200蝶閥，開啟電動長軸深井消防泵，水泵自取水口豎向管道中抽水，經過加壓流入反沖洗管道，經反沖洗管道兩側φ25mm沖洗孔噴出高壓水流，帶動水平引水管道底部泥沙往外排出。

（3）注意事項。由于水平引水管道為DN1000mm，而反沖洗管道為DN219mm，直徑相差懸殊，如果淤積嚴重，反沖洗效果不佳。這就要求在碼頭運營期內定期開啟反沖洗裝置進行清淤維護，而不應淤積嚴重時再開啟裝置進行清淤，否則在發生火災時反沖洗裝置因淤塞嚴重失效時造成嚴重后果。

6.結語

綜上所述，通過對宜昌港枝江港區中長燃油庫碼頭工程消防取水口的專項設計，通過改善取水頭部地質環境、優化取水頭部朝向、設置引水管道反沖洗裝置，將取水口泥沙淤積問題從被動解決轉變為日常主動維護，從根本上解決了由于泥沙淤積影響消防取水效果和水下清淤維護成本高的難題，為后續同類工程設計施工提供參考。