PIPENET軟件用于海上平臺消防水系統的水力分析

閻貴文，安明泉

（中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引言

海上平臺消防水系統設計過程中，必須確保消防泵的性能和管網的性能同時滿足各種用戶在各種工況下的工作需求，設計的合理性對工程投資和今后的運行管理都會產生較大影響。水力計算分析是消防水系統設計的重要組成部分，正確、合理的水力分析對確保系統正常運行、最佳的經濟性和適用性具有重要作用。PIPENET是目前主流的管網流體計算與分析軟件，廣泛應用于石油、天然氣、造船、化工以及電力工業等領域，用于管網系統的計算和優化。采用PIPENET軟件研究這一問題具有巨大的實際價值。

1 海上平臺消防水系統

海上平臺消防水系統由消防泵、管網、雨淋閥、軟管站、消防栓、消防炮、噴頭等幾部分組成。消防水系統是海上生產設施中非常復雜的一個系統，它涉及的用戶多、工況復雜。通常為了提高消防管路的安全性，將主管路設計成環狀網路并且利用閥門分成多段，一旦主管網某段發生故障，可以及時截斷故障管路而其他管路繼續供水，從而保證整個消防系統的供水不受影響。由于環狀管網各管段互相連接，使得節點較多，管路水流方向不定，加之各種運行工況的存在，使得環狀管網的分析計算變得相當復雜、繁瑣[1]。因此有必要對環狀管網進行水力分析，保證管徑、消防泵等配置經濟合理。針對消防水系統設計，實際工程一般利用PIPENET軟件進行水力學分析，通常把消防水系統分成消防主環網和雨淋閥后噴淋系統兩部分分別進行建模分析[2]。

2 PIPENET軟件簡介

PIPENET軟件的Spray/Sprinkler模塊，可用于消防管網穩態設計的數值計算及模擬仿真，遵循國際公認和常用的各種消防規范 （如NFPA、FOC、GB等），并符合上述規范對各行業消防系統設計的嚴格而特殊的各種強制性計算和布置要求。

PIPENET的Spray/Sprinkler模塊還可以為消防系統等在靜態工況下工作的關鍵設備進行靜態設備選型，使設備的型號更準確、更安全、更經濟。對于介質為水的情況，消防水系統的計算核心是采用海澄—威廉 （Hazen-Williams）公式[3]。

式中Pfric——摩擦及管件造成的壓力損失/×0.1MPa；

L——管道長度/m；

Le——管件的當量長度/m；

Q——體積流量/（L/min）；

D——管徑/mm；

C——海澄—威廉系數 （或叫C系數）。

3 海上平臺消防水系統的PIPENET水力分析

3.1 項目消防水系統簡介

本文結合某一海上無人駐守平臺，利用PIPENET軟件進行消防水系統的水力計算分析。該平臺共四層甲板，擁有井口和簡單生產設施。其消防水系統為干式環狀系統且沒有設置消防泵，平時管網中無消防水，在上層甲板處設置有直徑355 mm的管路接口，環路為直徑305 mm的管路，環路至4個雨淋閥是直徑203 mm的管路。此系統主要有井口和生產設備兩大噴淋區，兩個遠離的雨淋閥同時向一個噴淋區供水，消防噴淋水量共880 m3/h，入口壓力0.8 MPa，見圖1。當鉆修井時，鉆井平臺的消防供水管路與直徑355 mm的管路連接，發生火災危險時直接提供消防水進行消防。

圖1 某海上平臺消防水系統示意

3.2 建模

PIPENET軟件的建模依據是消防水系統PI&D、消防管網三維圖、管道詳細參數及設備參數等。首先把項目實際的管材和泵等設備參數輸入模型數據庫，然后根據具體的消防管網走向進行模型構建，建模要保持與三維圖一致，管件等設備與實際數量一致，這樣的模型才能保證接近實際情況，為水力計算分析提供基礎。

本平臺初步設計時缺乏詳細的管網三維圖，未做消防水系統PIPENET水力分析，所以設定的參數缺少可行性及經濟性驗證。針對這種情況，本文主要進行消防水系統主管網的全程靜態水力分析，驗證設計數據的可行性。PIPENET水力分析主要包括以下內容：

（1）正常狀態下，入口輸入100%流量以驗證管徑及泵參數的可行性，水流速最大不超過3 m/s。

（2）故障狀態下，環路隔斷及噴淋區的一路雨淋閥阻塞時，以90%的流量通過，驗證水流速最大不超過4 m/s。

3.3 水力計算分析

在用PIPENET建模時，暫時沒有獲得供水消防泵的曲線，所以分析按照入口壓力為0.8 MPa、流量881.4 m3/h進行模擬計算。本文共模擬兩種狀態，分析管道內的流量、流速及壓力。具體情況見表1。

表1 PIPENET軟件水力分析

3.3.1 正常狀態

正常消防噴淋情況下 （雨淋閥1和2的噴淋1區、雨淋閥3和4的噴淋2區），消防水系統的全部管路水流速都不超過3 m/s，最大的流速是在直徑355 mm的入口管道，分析結果見表1、圖2。

3.3.2 故障狀態

根據經驗，假設故障狀態下直徑355 mm的入口管道壓力為0.8 MPa，90%的流量為793.3 m3/h。消防主環路使用閥門隔斷，消防水只通過一路雨淋閥進行噴淋。

故障狀態1：在主環路隔斷、雨淋閥2和4阻塞情況下，模擬計算結果表明消防水流速并不超過4 m/s。在這種狀態下雨淋閥1的支管路流速最大，流速為3.99 m/s，分析結果見表1、圖3。

圖3 故障狀態1流速分布示意

故障狀態2：在主環路隔斷、雨淋閥1和3阻塞情況下，模擬計算結果表明消防水流速并不超過4 m/s。在這種狀態下雨淋閥2的支管路流速最大，流速為3.99 m/s，分析結果見表1、圖4。

圖4 故障狀態2流速分布示意

分析結果表明，在正常及故障狀態下，消防水系統均滿足設計要求，所以管路355、305、203 mm的設計管徑在目前條件下是合理的。

4 結論與建議

（1）采用PIPENET進行水力分析，可以驗證設計的正確性，并優化實際設計方案，此海上平臺的消防水系統在正常和故障狀態下都滿足設計要求。

（2）本次分析缺少泵曲線參數，建議取得相應的數據再重新模擬計算，使設計更加貼近實際工況。

（3）本次沒有分析雨淋閥后的噴淋系統，獲得相應的管道三維圖后，建議進一步分析閥后的噴淋系統是否滿足設計要求；并且根據閥后的分析可以進一步反推分析入口壓力是否符合實際需求。

（4）PIPENET水力分析軟件能夠較準確模擬出消防系統的水力關系，但前提是系統建模時要保證管道、設備等的參數及管路三維圖的準確性。

[1]劉建續.小型環狀管網水力計算方法研究[J].華北水利水電學院學報，2009，30（6）：62-66.

[2]張克雄，毛偉志，陳好，等.PIPENET水力分析在曹妃甸改造項目中的應用研究[J].化工技術與開發，2011，40（5）：50-52.

[3]楊丙杰.自動噴水滅火系統水力計算方法比較分析[J].給水排水，2010，36（12）：80-83.