采修一體化平臺消防水系統(tǒng)分析驗證及設(shè)備選型應(yīng)用

魏頌珂,梅耀丹,劉 琳,閻貴文,安明泉,陳 聰

中國石油集團海洋工程有限公司,北京 100028

海上平臺消防水設(shè)計的合理性對平臺運行的安全性和工程投資都會產(chǎn)生較大影響，必須確保管網(wǎng)的性能適用于所有用戶在不同場景下的工作需求。水力計算分析是消防水系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，正確合理的水力分析可以確保消防水系統(tǒng)符合設(shè)計要求、最佳經(jīng)濟性和適用性[1]。目前最流行的消防管網(wǎng)流體計算與分析軟件是PIPENET，其內(nèi)嵌NFPA、FOC以及我國國家標準等消防規(guī)范中的計算要求，用于消防管網(wǎng)的仿真計算和系統(tǒng)優(yōu)化、設(shè)備的選型以及事故工況下的水力分析[2]。本文以埕海區(qū)塊某采修一體化平臺詳細設(shè)計項目為例，開展消防水系統(tǒng)分析驗證及設(shè)備選型應(yīng)用。

1 海上平臺消防水系統(tǒng)

海上平臺消防水系統(tǒng)由消防泵、管網(wǎng)、雨淋閥、軟管站、消防栓、消防炮、噴頭等組成。海上生產(chǎn)設(shè)施中，消防水系統(tǒng)涉及的用戶多，工況復(fù)雜，通常為了提高消防管路的安全性，將主管路設(shè)計成環(huán)形管網(wǎng)并且利用閥門分成多段[3]。由于環(huán)狀管網(wǎng)各管段連接節(jié)點多、管路水流方向不定，運行工況復(fù)雜，使得環(huán)狀管網(wǎng)的手動水力分析計算工程量龐大，需借助軟件對管網(wǎng)進行水力分析，保證消防泵、管徑、孔板等配置經(jīng)濟合理[4]。

2 海上平臺消防水系統(tǒng)的PIPENET水力分析

2.1 某海上平臺消防水系統(tǒng)簡介

該平臺消防水系統(tǒng)為濕式消防系統(tǒng)，用于保護平臺組塊的工藝區(qū)和井口區(qū)，并為生活樓消火栓、消防炮和修井機軟管站提供消防水源。消防水系統(tǒng)通過生產(chǎn)淡水泵穩(wěn)壓在500 kPa，系統(tǒng)利用一臺主電動消防泵和一臺備用柴油消防泵為消防系統(tǒng)供水。此平臺設(shè)置2個噴淋區(qū)域，分別為中層甲板的井口區(qū)、油氣設(shè)備區(qū)以及下層甲板油氣設(shè)備區(qū)，如圖1所示。本平臺最大消防用水量為中層甲板，最大消防水用量為543 m3/h。

圖1 消防水系統(tǒng)PFD示意

2.2 系統(tǒng)建模

軟件中消防水系統(tǒng)的計算采用海澄-威廉(Hazen-Williams)公式，利用公式中海澄系數(shù)的調(diào)整，可適用于多種粗糙系數(shù)管道的水力計算。

式中：Pfric為摩擦及管件造成的壓力損失，bar（1bar=0.1MPa）；L為管道長度，m；Le為管件的當量長度，m；Q為體積流量，L/min；D為管徑，mm；C為海澄-威廉系數(shù)（或是C系數(shù)）。

PIPENET建模需依據(jù)消防水系統(tǒng)PI&D、消防管網(wǎng)三維圖、管道詳細參數(shù)及設(shè)備參數(shù)等[5]。首先將設(shè)計的管材和泵等設(shè)備參數(shù)輸入模型數(shù)據(jù)庫，沿具體的消防管網(wǎng)走向進行模型構(gòu)建，建模要保持與三維圖一致，管件等設(shè)備與實際數(shù)量一致，消防管網(wǎng)模型如圖2所示。

圖2 消防管網(wǎng)模型（以下層甲板為例）

本文主要進行消防水系統(tǒng)主管網(wǎng)的全程穩(wěn)態(tài)水力分析，以達到以下目的。

（1）驗證消防水系統(tǒng)管徑、消防泵性能參數(shù)。

（2）確定不同消防水用戶的壓力、流量滿足設(shè)計要求。

（3）確定管道和噴頭布置滿足水力平衡要求。

2.3 消防水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)水力分析及系統(tǒng)驗證

通過模擬三種消防工況，驗證消防水用量最大工況及壓力最大工況的水量和流速。

（1）工況1：中層甲板噴淋區(qū)+兩個泡沫/消防水軟管站水力計算。

（2）工況2：下層甲板噴淋區(qū)+兩個泡沫/消防水軟管站水力計算。

（3）工況3：生活樓直升機甲板消防水/泡沫炮+兩個消防水軟管站水力計算。

輸入?yún)?shù)：本PIPENET模型消防泵參數(shù)使用選定的柴油消防泵額定數(shù)據(jù)（額定流量為550 m3/h，額定揚程為135 m）。輸入管件長度、高程、三通、90°彎頭、45°彎頭、管座、噴頭等數(shù)據(jù)，平臺消防水系統(tǒng)最大用水量為中層甲板噴淋區(qū)，最大壓力為生活樓直升機甲板消防水/泡沫炮。將選用的消防泵輸入模型中，校核最不利點的流量和壓力。當壓力過高時，可使用孔板來降低壓力。

首先模擬中層甲板噴淋區(qū)、下層甲板噴淋區(qū)、生活樓直升機甲板消防水/泡沫炮及軟管站噴淋流量及管道流速，部分設(shè)備水力計算流量與設(shè)計流量進行對比，結(jié)果見表1。

表1 設(shè)備噴淋流量對比

模擬計算結(jié)果顯示水力計算流量均大于設(shè)計流量，表明中層甲板、下層甲板、直升機甲板的設(shè)備噴淋流量滿足設(shè)計要求。

本系統(tǒng)設(shè)計流速要求為：碳鋼內(nèi)（涂環(huán)氧樹脂）管內(nèi)流速≤5 m/s，銅鎳管內(nèi)流速≤6.7 m/s。各層甲板設(shè)備噴淋流速模擬結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明流速均滿足設(shè)計要求。

表2 設(shè)備噴淋流速

本系統(tǒng)模擬結(jié)果的消防泵曲線如圖3所示，柴油消防泵的流量處于440～900 m3/h高效區(qū)范圍內(nèi)，終端設(shè)備滿足壓力和流量的要求。

圖3 消防泵曲線

2.4 消防水系統(tǒng)設(shè)備選型應(yīng)用

PIPENET計算結(jié)果對設(shè)備選型有重要參考作用。

2.4.1 最小流量保護閥

在流量過小時，消防泵密閉運轉(zhuǎn)，易發(fā)熱汽化而發(fā)生氣蝕或憋壓造成損壞，可通過設(shè)置最小流量保護閥（PCV閥）進行消防泵保護。

通過軟件建模進行水力計算可以驗證最小流量保護閥選用是否合理。以直升機甲板噴淋區(qū)為例，通過刪除和保留最小流量保護閥（PCV閥）分別開展消防系統(tǒng)水力計算，觀察泵運行工況及管道承壓情況。在保留PCV閥的工況下，泵運行曲線和圖3一致，在不設(shè)置PCV閥時，模擬計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 未設(shè)置PCV閥時消防泵運行工況

由圖3和圖4對比可知，未設(shè)置PCV閥時雖然系統(tǒng)仍然能夠有效運行，但柴油消防泵的流量已經(jīng)不再處于440～900 m3/h高效區(qū)范圍內(nèi)，會導(dǎo)致消防泵出口管道壓力變大。因而，消防系統(tǒng)為滿足多種工況運行，設(shè)置PCV閥合理可行。結(jié)合廠家情況，選用120 kPa級自力式調(diào)節(jié)閥作為最小流量保護閥。

2.4.2 孔板

在雨淋閥后設(shè)置孔板可以調(diào)節(jié)閥后管道壓力，同時實現(xiàn)對噴頭壓力及流量大小的控制。通過使用PIPENET軟件反復(fù)調(diào)整孔板壓降可使系統(tǒng)與設(shè)計工況更匹配，在提高計算精確度的同時降低了計算的復(fù)雜程度，也為選擇孔板尺寸提供了有力依據(jù)。

以中層甲板噴淋區(qū)為例，不設(shè)置孔板時，最遠端噴頭的壓力達到8.7 bar，遠大于設(shè)計要求的3.5 bar。此時最遠端噴頭壓力過高，管內(nèi)流速過快，與設(shè)計工況偏離較大。通過軟件模擬不同的孔板，中層甲板消防水用量情況如表3所示。考慮系統(tǒng)的各種因素，最終選擇直徑90 mm的孔板。

表3 中層甲板消防水用量情況

3 結(jié)論

通過PIPENET模擬渤海灣埕海區(qū)塊某采修一體化平臺消防水系統(tǒng)，并開展水力計算，結(jié)果表明，消防水環(huán)路、各消防管道和噴淋系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)滿足設(shè)計流量和壓力的需求，并對最小流量保護閥孔板等保護措施的選型也起到準確判斷和優(yōu)化驗證作用。因此，本平臺消防水系統(tǒng)能夠給終端設(shè)備提供設(shè)計要求的壓力和流量，確保消防系統(tǒng)行之有效。為進一步驗證系統(tǒng)可靠性，建議對環(huán)路阻斷、瞬態(tài)水擊等工況開展進一步模擬分析。