油品液體化工碼頭消防水泵復核與設計選型

王洋

摘 要：消防水泵作為消防給水系統中最常用的設備，其布設選型是否合理將對消防給水產生較大的影響。某油品液體化工碼頭因發展需求，需要靠泊100000噸級油船，通過結合相關現行設計規范對現有消防水泵的供水能力和布設進行復核，驗證其是否能繼續被利用，若不能，需要重新設計選型。消防水泵若需重新設計選型，在選型后通過對消防水泵并聯運行曲線和汽蝕現象是否會發生進行分析與判斷，驗證經重新設計選型的消防水泵在布設和供水能力方面能否滿足消防給水系統改建后的要求，同時提出了滅火第二階段消防水泵的操作方法。

關鍵詞：水泵;復核;設計選型;運行曲線;汽蝕現象;操作方法

中圖分類號：U656.1? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0071-03

某油品液體化工碼頭現狀可靠泊最大船型為50000噸級，隨著市場對石化產品需求不斷增加，該碼頭需通過改建擴大作業能力，實現靠泊100000噸級油船。

項目已按照預留100000噸級油船的可能對消防給水系統進行了設計，只是設計之時主要參考《裝卸油品碼頭防火設計規范》JTJ 237-99，如今該規范已被《油氣化工碼頭設計防火規范》[1]替代，通過對比發現兩者內容差異較大，部分條文規定《油氣化工碼頭設計防火規范》[1]要嚴于《裝卸油品碼頭防火設計規范》JTJ 237-99，這就使得碼頭已建消防給水系統不能滿足現行設計規范要求。

基于上述原因，碼頭已建消防給水系統需重新設計，以滿足現行設計規范要求。本文以該油品液體化工碼頭改建設計工作為基礎，結合現行設計規范和項目現狀，著重對現有消防水泵的布設和供水能力進行復核，以驗證其能否在改建后的消防給水系統中被繼續利用。若不能，則需重新布設與設計選型。

1 工程概況

項目位于北方某港區北部岸線的液體化工及油品泊位岸線區段，碼頭泊位長度298m，碼頭寬26m，碼頭與陸域之間設1座引橋，作為管廊及碼頭與岸聯系的通道，引橋寬度18m，長度70m。可同時靠泊2艘5000噸級化學品船，最小兼顧1000噸級化學品船，最大靠泊50000噸級油輪。

碼頭布置采用連片式+系纜墩結構。泊位中部可靠泊10000～50000噸級船舶，泊位東側與西側可靠泊較小船型。

碼頭現有消防設施包括：消防塔架、固定式消防水炮、固定式消防泡沫炮、固定式干粉炮、移動炮、水幕、消火栓、滅火器、消防水管道和泡沫混合液管道等。

陸域現有消防設施包括：消防水泵、平衡式泡沫比例混合裝置、泡沫液罐、消防水池、消防水管道和泡沫混合液管道等。

2 消防給水系統改建

2.1消防給水系統調整

碼頭消防系統包括消防給水系統和泡沫滅火系統，前者用于設計船型著火艙周圍一定范圍內的甲板冷卻，后者用于設計船型液貨艙滅火。

根據《油氣化工碼頭設計防火規范》[1]相關要求，已建消防給水系統面臨的最大問題是消防泵房現有消防水泵組最大給水流量不能滿足改建后消防給水系統和泡沫滅火系統所需最大用水流量之和的要求。根據項目現狀綜合考慮，將兩套系統相互獨立設置，消防水由已建消防泵房供給，泡沫水由新建泡沫消防泵房供給，其他更改按照《油氣化工碼頭設計防火規范》[1]相關要求執行。

2.2改建后消防給水系統設計參數

現狀消防水最大流量為401L/s，改建后消防水與泡沫水最大流量為533L/s，其中消防水流量385L/s，所需壓力1.7MPa，根據滅火需求，消防水流量和用水設施見表1。

3 消防水泵復核

消防泵房內現有4臺消防電動泵，3用1備，單泵流量140L/s，揚程180m，供水能力滿足改建后消防給水系統用水要求，但結合《油氣化工碼頭設計防火規范》[1]、《石油化工企業設計防火標準》[2]和《消防給水及消火栓系統技術規范》[3]相關要求對消防水泵布設現狀進行復核，發現以下問題：

（1）備用泵未采用柴油機拖動，且未達到具備100%備用能力要求;

（2）若主泵不變，備用泵采用柴油機泵，3用1備運行，則備用泵出水流量不符合規范要求，且1臺主泵發生故障時就需啟動備用泵代替3臺主泵工作，運行模式合理性較差。

因此，消防水泵需重新布設和設計選型。

4 消防水泵設計選型

4.1消防水泵特性曲線

根據改建后消防給水系統所需流量、供水壓力、運行模式合理性以及消防泵房空間等因素綜合分析，主泵采用電動泵，備用泵采用柴油機泵，2用2備，單泵流量200L/s，揚程170m，額定功率515kW，NPSHr（必需汽蝕余量）5.2m，消防水泵特性曲線如圖1所示。

由圖1可知，消防水泵高效區為60%～66%，對應的流量和揚程分別為120L/s～250L/s和195m～137m。

4.2消防水泵并聯特性曲線

消防水泵并聯運行時，其工作點由泵與其所隸屬的管道系統一同確定，即水泵特性曲線與管道系統特性曲線共同確定工作點。將管道水頭損失視為零的情況下，根據圖1內容按照《泵與泵站》[4]給出的步驟繪制水泵并聯特性曲線，如圖2所示。

（1）在同一坐標圖上繪制并聯各泵的（Q-H）特性曲線;

（2）把對應同一H值的各流量相加;

（3）用平滑曲線將流量疊加后的坐標點連接，得到水泵并聯后的總和（Q-H）特性曲線。

4.3管道特性曲線

根據管道系統特性方程繪制管道系統特性曲線，管道系統特性方程如下。

根據公式1、2和圖2繪制消防水泵并聯運行曲線，如圖3所示。

4.4消防水泵選型分析

4.4.1流量、揚程、功率、NPSHr、效率

由圖3可知，滅火第一階段，消防給水流量最大，該階段2臺消防水泵并聯運行，此時A點為消防水泵并聯特性曲線與管道系統特性曲線交匯點，B點為2臺消防水泵并聯運行時單臺消防水泵工況點，O點為設計工況點。消防水泵并聯運行時各工況點參數見表2。

結合圖1和表2可知，A點流量和揚程滿足O點要求，此時消防水泵效率處于高效區內。此種工況下消防水泵供水能力滿足用水需求，各項運行參數合理高效。

滅火第二階段，消防給水流量最小，該階段1臺消防水泵運行，此時消防水泵特性曲線與管道系統特性曲線交匯于C點。單泵運行時各工況點參數見表3。

結合圖1和表3可知，C點除揚程不滿足設計工況點要求外，消防水泵功率升高至580kW遠大于其額定功率515kW，NPSHr（必需汽蝕余量）升高至6.6m大于其額定流量對應的5.2m，效率降低至52%脫離了高效區，此時若不采取措施，消防水泵會出現驅動電機過載燒毀，還有可能發生汽蝕現象。

由于受到項目建設方對投資的硬性要求以及已建消防泵房結構尺寸不得改動的雙重制約，滅火第二階段通過調節閥門節流，加大管道系統水頭損失，管道系統特性曲線將變陡，使交匯點C向左移動至設計工況點附近，達到消防水泵正常高效運行以滿足用水需求的目的。因Q-N為上升曲線，調節閥門節流，減小流量，消防水泵軸功率也隨著減小，驅動電機不會出現過載危害，而且通過調節閥門節流方便易行，因此，在泵站實際運行中是一種常見的操作方法。

4.4.2汽蝕現象

泵中最低壓力如果降到被抽送液體工作溫度下的汽化壓力時，泵殼內會發生汽蝕現象。汽蝕現象初期表現為泵外部輕微噪聲、振動和H、N下降，嚴重時泵的H、N、η急劇下降，最后停止出水。為防止汽蝕現象發生，應確保NPSHa（有效汽蝕余量）>NPSHr（必需汽蝕余量）。但為了安全起見，在工程中，通常采用NPSHa（有效汽蝕余量）>NPSHr（必需汽蝕余量）+0.6，以保證水泵吸水性良好。NPSHa可由公式3確定。

式中：NPSHa—有效汽蝕余量（mH2O）;Pa—消防水池表面氣壓（mH2O）;△H—吸入幾何高度（m）;∑h—吸水管水頭損失之和（mH2O）;Pv—汽化壓力（mH2O）;ρ—輸送介質密度（kg/m3）;g—重力加速度（m/s2）。

根據公式3計算并結合圖1和圖3，消防水泵并聯運行和單獨運行時的NPSHa和NPSHr關系見表4。

由表4可知，消防水泵并聯運行和單獨運行時不會發生汽蝕現象。

5 結語

與民用類項目相比，油品液體化工碼頭消防備用泵應按照《石油化工企業設計防火標準》[2]中的“備用泵應采用柴油機泵，且應按100%備用能力設置”要求布設選型。

由于受到建設方和項目現狀制約的影響，滅火第二階段采用調節閥門節流，使各項參數合理運行，以滿足用水需求的操作方法。此方法雖然常用卻消耗大，對閥門磨損大，一般情況下，不宜使用此方法。

由于忽略了管道系統特性曲線對消防水泵并聯運行的影響，往往錯誤地認為消防水泵并聯數量增加一倍，流量也增加一倍，根據這種錯覺布設消防水泵是不可靠的，應通過并聯工況分析計算后確定消防水泵型號和數量為宜。

該項目消防水泵在進行常規設計選型之后，又通過繪制并聯運行曲線進行并聯工況分析計算和汽蝕現象判斷，驗證了消防水泵的適用性。此設計方法不僅具有提高設備選型結果可靠性的優點，更重要的是提升了消防水泵并聯工況分析計算和汽蝕現象判斷的能力，也為其他類似項目提供了參考。

參考文獻：

[1]JTS 158-2019，油氣化工碼頭設計防火規范 [S].

[2]GB 50160-2008（2018年版），石油化工企業設計防火標準 [S].

[3]GB 50974-2014，消防給水及消火栓系統技術規范 [S].

[4]姜乃昌.泵與泵站（第五版） [M]. 北京：中國建筑工業出版社，2007：27-85.