石油化工企業穩高壓消防水系統中穩壓設施的設置探討

錢嬋娟

（安徽實華工程技術股份有限公司上海分公司，上海200136）

近年來大型石油化工企業相繼建成投產，工藝裝置、儲罐也向大型化發展，相應增加了固定式的消防設備，如消防水炮、水噴淋等。強制性國家標準《石油化工企業設計防火規范》（GB50160-2008，簡稱規范）要求：大型石油化工企業的工藝裝置區、罐區等，應設獨立的穩高壓消防給水系統，其壓力宜為0.7～1.2MPa，但該穩壓設施的設置，規范沒有給出明確規定或說明。目前，石油化工企業的穩高壓消防給水系統的穩壓方式常見的有兩種：一種為變頻穩壓泵穩壓，由穩壓泵及變頻器組成，通過穩壓泵變頻調節控制管網壓力；另一種為氣壓罐穩壓，由氣壓罐及穩壓泵（即補水泵）組成，平常由氣壓罐維持管網壓力?，F就這兩種穩壓設施的適用場合及氣壓罐穩壓選型計算做如下分析。

1 穩壓設施適用場所分析

根據“規范”8.5.1條，穩壓泵的設計水量要考慮消防水管網系統泄漏量和一只水槍出水量（5L/s）。根據Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防部分規定，消防穩壓泵其出水量原則上按系統的滲漏量計算。對于全廠性的穩高壓給水系統，也可按系統容量的大小考慮，一般可取5.0～15.0L/s計算。綜上，石油化工企業消防穩壓泵的設計水量至少選用5.0L/s。

對于新建穩高壓消防水管網而言，其管網泄漏量相當小，計算可參照《給水排水管道工程施工及驗收規范》（GB50268-2008）中壓力管道水壓試驗的允許滲水量。以某石油庫穩高壓消防水管道更新項目為例，估算更新后穩高壓消防水管網泄漏量，見表1。

表1 穩高壓消防水管網泄漏量

由表1可見，穩高壓消防水管網泄漏量為5.032L/min，即0.084L/s，因此管網泄漏量是相當小的。此時應采用氣壓罐方式穩壓，平常管網的消防水泄漏量由氣壓罐補給，當氣壓罐內的壓力降低到系統設定的最低壓力時，啟動穩壓泵，由穩壓泵向氣壓罐補水，當氣壓罐的壓力達到系統設定的最高壓力時，穩壓泵停止運行。

若采用穩壓泵變頻調節，當管網泄漏量相當小時，穩壓泵變頻后將達不到管網壓力需求。具體分析如下：變頻調節即調節泵的轉速，泵的流量與轉速成正比，揚程與轉速的二次方成正比，當通過變頻調節降低泵的流量時，揚程相應也要降低，流量太小時，揚程將不能滿足穩高壓消防水管網的壓力要求（0.7～1.2MPa）；另外，穩壓泵一般采用普通電機，當變頻調節時，頻率不宜低于30Hz，否則電機容易燒壞。因此當管網泄漏量較小時，不應采用穩壓泵變頻調節。

對于某些石油化工企業，其穩高壓消防水管道建成投用至今已有十多年，甚至更久，管道及閥門密封處等滲漏量較大，若仍采用氣壓罐穩壓，穩壓泵將頻繁啟動，容易損壞，此時可將原有的氣壓罐穩壓方式改造成穩壓泵變頻調節穩壓。

2 氣壓罐穩壓的選型計算

2.1 氣壓罐選型

關于氣壓罐穩壓系統，目前常用的為隔膜式氣壓罐，其結構示意圖見圖1。

圖中：P1—最低工作壓力；P2—消防主泵啟動壓力；PS1—穩壓泵啟動壓力；PS2—穩壓泵停止壓力；VX—貯水容積；VP—緩沖水容積；VS—穩壓水容積；VO—壓力為PS2時的氣體容積。

氣壓罐的總容積按下式計算：

式中：V—穩壓罐總容積；VXf—消防水總容積，VXf=VX+VP+VS；β—氣壓罐的容積系數，隔膜式氣壓罐取1.05；a—工作壓力比，宜在0.5～0.9范圍內取值。

計算最低工作壓力P1時，計算管道系統沿程和局部損失所采用的流量，按火災初期消防給水量確定，對于穩高壓消防水系統，火災初期消防給水量按兩股室外消火栓流量計算，即2×15L/s=30L/s。由于穩高壓消防水管網總管管徑較大，按其計算出的管道系統沿程和局部損失較小。以某石油庫穩高壓消防水管道為例，其總管管徑為DN400，最不利點消火栓至消防泵房管道最長約為2000m，其總水頭損失不足1m，可忽略不計。即最低工作壓力P1按穩高壓消防水系統的最低壓力取值0.7MPa。貯水容積VX按火災初期30s儲水量計算，即Vx=30L/s×30s=900L=0.9m3。

根據Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防部分規定，消防穩壓泵的停止壓力值PS2和啟動壓力值PS1之間的差值宜為0.05～0.1MPa，穩壓泵的啟動壓力值PS1和消防主泵的啟動壓力值P2之間的差值宜為0.05～0.1MPa。

實際運行中P2、PS1、PS2之間的差值可在控制系統中根據需要調整。一般管網投用初期，管網泄漏量較小，穩壓泵的啟停壓力PS1、PS2差值可取較小值0.05MPa，以減小管網運行壓力。隨著運行時間的增加，管網的泄漏量將會增大，可適當增大穩壓泵的啟停壓力PS1、PS2差值，以減少穩壓泵的啟動頻率。

氣壓罐容積的確定以穩高壓消防水系統壓力范圍在0.7～1.2MPa之間為前提。由表2可知，氣壓罐總容積越大，管網運行壓力越??；當氣壓罐總容積達到6m3時，氣壓罐總容積每增加1m3，管網運行壓力減小量不足0.03MPa，再增大氣壓罐總容積，對管網的運行壓力減小影響較小。綜合考慮管網運行壓力及初期投資，選用總容積為6m3的氣壓罐。

表2 氣壓罐總容積對管網運行壓力的影響

注：由于氣體容積Vo、緩沖水容積Vp對后續穩壓泵選型無指導意義，因而表2中未列出其值。

2.2 穩壓泵選型

根據上述計算結果，下面以選用總容積為6m3的氣壓罐為例，介紹穩壓泵揚程及流量的選擇。

根據表2可知，由于PS2、PS1、P2的差值可在控制系統中調整，當穩壓泵啟動壓力PS1=P2+0.1MPa，穩壓泵停止壓力PS2=PS1+0.1MPa時，穩壓泵停止壓力PS2最高，為1.031MPa，故穩壓泵揚程選用105m。

關于穩壓泵流量的確定，對于某一確定的穩高壓消防水系統而言，穩壓水容積越大，穩壓泵啟動頻率越小。根據表2可知，當穩壓泵啟動壓力PS1=P2+0.05MPa，穩壓泵停止壓力PS2=PS1+0.1MPa時，穩壓水容積Vs最大，其值為0.463m3。故確定穩壓泵流量時，穩壓水容積Vs取0.463m3。

穩壓泵的流量q范圍為5～15L/s，管網泄漏量為x（L/s），穩壓泵一次補水時間為T，T=Vs/（q-x），穩壓泵啟動頻率為n次/h。根據管網1h泄漏量與1h補水量平衡列方程3600x=T·q·n，得n=-3600x2/（q·Vs）+3600x/Vs。

根據《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB50974-2014）5.3.4條要求，穩壓泵啟泵次數不大于15次/h，穩壓泵補水時間參照《消防增壓穩壓設備選用與安裝（隔膜式氣壓罐）》98S205，補水時間不大于3min。

當穩壓泵流量分別為5、10、15L/s時，研究管網泄漏量與穩壓泵啟動頻率n的關系。

當穩壓泵流量為 5L/s，n=-1.555x2+7.775x，T=463/（5-x），其曲線如下：

由圖2可知，管網泄漏量在0～5L/s，穩壓泵的啟動次數均不會大于15次/h。由圖3可知，當管網泄漏量越大，穩壓泵一次補水時間越長，當泄漏量超過2.42L/s時，穩壓泵補水時間將超過3min，當泄漏量接近5L/s時，穩壓泵連續運行將接近1h。即當網管泄漏量達到2.42L/s時，將不適合采用穩壓罐穩壓，此時需將穩壓罐穩壓改造成穩壓泵變頻控制穩壓。

當穩壓泵流量為 10L/s，n=-0.778x2+7.775x，T=463/（10-x），其曲線如下：

由圖4可知，管網泄漏量在0～2.61L/s及7.39～10L/s，穩壓泵的啟動次數均不會大于15次/h。由圖5可知，當泄漏量超過7.43L/s時，穩壓泵補水時間將超過3min，當泄漏量在7.39～7.43L/s之間時，穩壓泵補水時間約為3min，1h補水次數約為15次，此時穩壓泵理論運行情況是運行3min，停1min，實際不可運行。即當網管泄漏量達到2.61L/s時，將不適合采用穩壓罐穩壓。當穩壓泵流量為15L/s，n=-0.518x2+7.775x，T=463/（15-x），其曲線如圖6、圖7。

由圖6可知，管網泄漏量在0～2.27 L/s及12.73～15L/s，穩壓泵的啟動次數均不會大于15次/h。由圖7可知，當泄漏量超過12.43L/s時，穩壓泵補水時間將超過3min。即當網管泄漏量達到2.27L/s時，將不適合采用穩壓罐穩壓。

當穩壓泵的流量q在5～15L/s之間時，采用穩壓罐穩壓，管網允許泄漏量最大值計算結果列于表3。

由表3可知，當穩壓泵流量在5～7L/s時，管網允許泄漏量與穩壓泵流量呈遞增關系；當穩壓泵流量在8～15L/s時，由于受穩壓泵啟動頻率不應大于15次/h限制，管網允許泄漏量與穩壓泵流量呈遞減關系。根據表3數據，穩壓泵流量取7L/s時，管網允許泄漏量最大。故穩壓泵流量選用7L/s。

表3 穩壓罐穩壓下管網允許泄漏量最大值

3 結論

（1）石油化工企業穩高壓消防水系統穩壓設施的設置應根據穩高壓消防水管網的泄漏量來確定。當管網泄漏量較小時，采用氣壓罐穩壓；當管網泄漏量較大時，采用穩壓泵變頻調節穩壓。

（2）氣壓罐總容積越大，管網運行壓力越小，隨著氣壓罐容積的增大，管網運行壓力降低幅度不斷減小。一般根據初期投資及運行費用綜合考慮確定氣壓罐容積。

（3）氣壓罐穩壓時，穩壓泵流量在某一流量范圍內，管網允許泄漏量與穩壓泵流量呈遞增關系；穩壓泵流量超過某一流量時，管網允許泄漏量與穩壓泵流量呈遞減關系。一般以管網允許最大泄漏量考慮穩壓泵流量。

[1]GB50160-2008，石油化工企業設計防火規范[S].

[2]GB50974-2014，消防給水及消火栓系統技術規范[S].

[3]Q/SH0700-2009（E）給水排水與消防，中國石油化工集團公司企業標準[S].

[4]CECS76：95，氣壓給水設計規范[S].□