港口工程消防系統升級改造

毛小方，鐘良生，王波，劉川

(1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州 510230；2.武漢東川自來水科技開發有限公司，武漢 430014)

0 引 言

巴基斯坦卡西姆港內某碼頭項目是中方承建的EPC工程.根據業主標書要求，該項目中的海水消防系統流量為100 m3/h, 最遠處環狀管網壓強不小于1.0 MPa.實際設計及施工后水泵流量為140 m3/h，揚程為38 m，遠小于業主要求，業主拒絕驗收，要求系統升級.后通過與業主及咨工溝通，業主、咨工及承包方均同意按照美標NFPA 14-2010第7.10.1.1.1條款[1]要求：“For classⅠand classⅢ systems, the minimum flow rate for the hydraulically most remote standpipe shall be 500 GPM(113.6 m3/h) ”, 將消防系統最遠處消火栓的2個DN65出口的總流量確定為113.6 m3/h；按照其7.8.1條款要求：“ Hydraulically designed standpipe systems shall be designed to provide the water flow rate required by Section 7.10 at a minimum residual pressure of 100 psi(0.69 MPa) at the outlet of the hydraulically most remote 21/2 in. (65 mm) hose connection and 65 psi (0.45 MPa) at the outlet of the hydraulically most remote 11/2 in. (40 mm) hose station”，確認最遠處消火栓的出口剩余壓強不小于0.69 MPa.根據上述要求，中方對原有系統進行升級改造后系統通過驗收.

1 原有消防系統

1.1 泵房

本項目采用海水作為消防水源.原有泵房位于碼頭端部，占地7.0 m×5.5 m，內部設置2臺海水立式長軸渦流泵[2]，一用一備，單臺流量140 m3/h，揚程38 m.長軸泵冷卻水來源于生活供水泵房水池，系統采用人工控制.將長軸泵冷卻水供水管及消防主泵出水管埋設在碼頭結構內，在泵房內引出接管點，原有泵房見圖1.

圖1 原有泵房

該泵房存在的主要問題：(1)水泵揚程不夠；(2)系統為人工運行，發生火災時需要人工啟動，容易貽誤戰機；(3)長軸泵冷卻水來自生活供水泵站生活水池內的淡水.由于當地嚴重缺水，只能通過水罐車運水來滿足生活用水，水池經常處于缺水狀態，如果發生火災時無冷卻水，主泵無法運行，將帶來極其嚴重的后果.

1.2 管網系統

(1)原有主管網系統采用DN200的HDPE管，管道壓強等級為1.0 MPa，管網采用環狀敷設，消火栓按照美標NFPA 307-2011[3]要求，間距小于90 m.

(2)受原有管網壓強等級的限制，不能滿足最遠處消火栓剩余壓強為1.0 MPa的要求.

(3)根據業主要求，生活供水管網系統需與消防管網系統的防污止回閥和閘閥連通，由生活供水系統提供消防系統穩壓用水。但是，當消防系統運行時，防污止回閥達不到使用要求[4]，仍有部分海水返流入生活供水管道系統，生活用水被污染,有明顯咸味.

2 系統升級原則、目標及主要計算

2.1 系統升級原則與目標

在減少設計及施工難度、減少施工周期、減少投資、滿足業主要求及相關規范的前提下，基于原有消防系統開展設計及施工工作，升級后的系統應滿足以下要求：

(1)最遠處消火栓DN65的出口剩余壓強不小于0.69 MPa，且該消火栓2個DN65出口總流量達到113.6 m3/h，水泵出口壓強在0.84 MPa左右；(2)系統能自動運行；(3)增加一路海水水源作為長軸泵應急冷卻用水.

2.2 主要計算

本次系統升級采用試算、圖表及反推計算法等方法選取管中泵參數.

2.2.1 主要計算原則

先以設計消火栓出口壓強及流量(0.69 MPa,56.8 m3/h)為切入點，初步核算水帶水損，求得水槍基本參數(0.48 MPa, 56.8 m3/h)，選定水槍;再以最遠處消火栓出口為入手點，假定消火栓出口剩余壓強為0.72 MPa(預留0.03 MPa安全富余量)，向下游計算得到水槍噴口水量，核算出口流量是否滿足設計流量要求，如果滿足，則向上流反算管中泵出口壓強，結合海水長軸泵參數及海水液面高度等參數，計算管中泵參數，選定管中泵.

本系統高程為相對于卡西姆港海圖基準面(CD).

2.2.2 計算過程

(1)水帶水損

h1=A×L×q2/100

式中：h1為DN65襯膠水帶水損，MPa；A為摩擦損失因數，為0.001 7；L為水帶長度,取30 m;q為水槍流量，L/s.

(2)水槍入口壓強

h2=0.72-h1-0.012

式中：0.012為水槍出口與消火栓出口的高差，MPa.

計算得

h2=0.71-5.1×10-4×q2

結合選定的水槍工況曲線，采用Excel表繪制管道及水槍工況曲線，得到水槍工況點，見圖2.

圖2 消火栓出口壓強為0.72 MPa時的工況曲線

由圖2可知，假定消火栓出口壓強為0.72 MPa，水槍工況點為17.45 L/s，0.56 MPa，則系統流量為17.45×2=34.90 L/s=125.6 m3/h>113.6 m3/h，滿足設計要求.可以把系統流量125.6 m3/h、消火栓出口剩余壓強0.72 MPa作為基準參數，反算管中泵出口壓強.

(3)管中泵出口壓強h3由消火栓出口壓強h4(0.72 MPa)、消火栓出口壓強損失h5(取經驗值0.03 MPa)、主管網(按支管計算)沿程及局部損失h6、水泵出口與消防水槍高差h7(0.009 MPa)、安全水頭h8(取0.02 MPa)等部分組成,即

h3=h4+h5+h6+h7+h8=0.72+0.03+

h6+0.009+0.02≈0.78+h6

其中主管網由3部分組成：分別為泵房至陸域管道的DN200不銹鋼管，管長19.0 m; 壓力等級為1.0 MPa的DN200 HDPE管，管長403.0 m(主環狀管網)；壓力等級為1.0 MPa的DN150 HDPE管，管長55.0 m(主環狀管網至消火栓之間管段).管道水頭損失計算采用海澄-威廉公式：

式中：i為管道單位長度水頭損失，kPa/m；dj為管道計算內徑，m；qg為給水設計流量，m3/s，本系統為3.49×10-2m3/s；Ch為海澄-威廉因數，塑料管為140，不銹鋼管為130.

根據上述公式，當系統流量為125.6 m3/h時，管道水損參數見表1.

表1 管道水損參數表

取管道局部損失因數為0.1，則管道沿程及局部損失

h6=(1+0.1)×(1.25+38.69+17.95)=

63.68 kPa≈0.064 MPa

則管中泵出口壓力

h3=0.78+h6=0.78+0.064≈0.84 MPa

(4)管中泵參數確定.已知管中泵出口壓強為0.84 MPa，系統流量125.6 m3/h,最低天文潮(LAT)為-0.49 m,管中泵出口高程為6.5 m. 根據海水長軸泵工況曲線，在流量為125.6 m3/h時，其揚程為39 m，則管中泵揚程

h9=h3+h10+h11-h12

式中：h3為管中泵出口壓強, MPa;h10為泵房內設備及管線局部水損，按經驗數據取0.03 MPa；h11為管中泵出口與設計低水位高差，MPa；流量為125.6 m3/h時，海水長軸泵揚程h12為39 m，即0.38 MPa.則

h9=h3+h10+h11-h12=0.84+0.03+9.8×

10-3×(6.5+0.49)-0.38≈0.56 MPa

2.2.3 管中泵參數的選取

根據以上計算得出在系統流量為125.6 m3/h、最遠處消火栓DN65出口剩余壓強為0.72 MPa的前提下，管中泵工況點流量為125.6 m3/h，揚程為0.56 MPa, 在供水能力有一定富余時，結合市場上供應的管中泵型號，最終確定管中泵參數：流量為144 m3/h；揚程為68 m；功率為39 kW；電壓為380 V.

實際運行時可適當降低頻率，維持管中泵出口壓強在0.84 MPa左右.

3 采取的主要升級措施

(1)增加一臺變頻管中泵，進水口從長軸泵總出水管靠西南窗一側的預留盲板端接入，出口再接入靠門一側的總出口，通過閥門的啟閉使該管中泵串聯入原有消防系統[5].管中泵出現故障時，可以通過閥門的啟閉使該水泵脫離原系統，而原系統水泵仍能正常使用.

(2)泵房外增加一個20 m3的消防專用清水池，清水池水源來自生活泵房，采用浮球閥進水，該水池平時作為消防系統穩壓用水，消防時作為冷卻用水.

(3)增加一臺穩壓泵，作為消防系統平時穩壓及消防時供應冷卻水使用.

(4)消防總出水管處引一根出水管連接至原海水長軸泵冷卻進水管路上，并在管路上設置手動閥門，平時關閉，發生火災而無淡水冷卻水供應時人工開啟.

(5)增加壓強傳感器、電動閥、超聲波液位儀、變頻控制柜等設備，控制系統自動運行.

4 泵房升級的重點及控制要點

由于泵房面積較小，總出水口已經埋入碼頭實體結構，沒有空間安裝需要增加的管道泵、多級泵等類型的水泵，綜合考慮決定采用占地較小的管中泵作為二次加壓泵.[6]報批咨工的圖紙主要部分見圖3，系統竣工后的現場照片見圖4，系統PID圖見圖5.

系統控制是本項目升級的要點:共設置4個電動閥、4套電接點壓強變送器、1套水池液位傳感器，新增1臺穩壓泵、1套控制柜.下面對各設備單元的功能及自動控制要點進行描述.

4.1 電動閥

(1)冷卻水系統電動閥的控制.發生火災時，冷卻水泵正常工作，開啟2臺長軸泵的進水閥⑦和⑧，待其中一臺海水長軸主泵(①或②)工作正常后，再自動關閉備用泵的冷卻進水電動閥(①工作，關⑦，②工作，關⑧)，冷卻進水總管上配備電接點壓強變送器(編號)，可以判斷系統是否能正常供應冷卻水[7].消防完畢后，冷卻水電動進水閥自動關閉，系統進入一般穩壓狀態.

(2)冷卻水及穩壓水切換閥門的控制.系統設置冷卻水及穩壓水的切換閥門，閥門編號，該閥門平時為開啟狀態，穩壓泵可以向系統提供穩壓水，消防時自動關閉，穩壓泵轉為向海水長軸泵提供冷卻用水；消防完畢后，切換閥門再次自動打開，系統進入一般穩壓狀態.

(a)消防泵房平面布置(1∶25)

(b)A-A剖面(1∶25)

圖4 竣工照片

(3)空氣聯通閥的控制.系統設置空氣聯通電動閥，閥門編號，主要功能及控制要求如下：

圖5 消防系統PID圖

發生火災后，當系統運行到海水長軸泵正常開啟時，自動開啟該閥門10 s左右再關閉，然后系統再啟動管中泵，以進一步排除管中泵(設備編號③)中可能存在的空氣，保護管中泵.

消防完畢人工關閉系統時，該閥門自動開啟，卸掉管網中壓強，此時穩壓泵及主泵(1臺海水長軸泵及管中泵)一直開啟，管網壓強慢慢下降.然后先關閉管中泵，延時20 s左右再關閉海水長軸泵(穩壓泵不關閉)，此時管網中壓強幾乎為0.然后再自動關閉該電動閥，系統壓強緩慢上升，當壓強上升至設定的穩壓泵停泵壓強后，穩壓泵關閉，此時系統可自動轉化到一般穩壓狀態.該停泵過程可以緩慢地、分階段地降低管網壓強，有效防止停泵水錘的產生.

4.2 電接點壓強變送器

4.3 穩壓泵

新增穩壓泵(設備編號為④)平時作為穩壓泵使用，消防時作為海水長軸泵冷卻供水使用.

4.4 水池超聲波液位儀

主要有探測冷卻水水池液位、提供溢流液位報警、低液位報警及關泵保護功能，當系統低液位報警后，應該及時手動開啟海水冷卻水管道上的閥門，系統轉為由海水作為冷卻水，確保系統冷卻水的安全供應.

4.5 控制柜變頻控制

新增管中泵采用變頻控制的主要原因及功能如下：

(1)消防驗收時港口已經投入使用，由于管網采用1.0 MPa的壓強管道，升級后的壓強已經接近管道允許使用的最高壓強[9]，故采用變頻控制.管中泵工作時，可以緩慢提高供電頻率和管網壓強，有效避免啟泵水錘，減少對管網的沖擊，減少管道破損后維修帶來的交通不便及運營后業主索賠等一系列不利影響.

(2)通過變頻運行，可以有效、方便地控制系統運行壓強及流量[10]，在驗收階段可以根據實際工況適當調整水泵運行參數，使得在苛刻的消防驗收條件下有一定的主動權.

5 系統驗收

系統驗收工作最終于2012年2月23日進行，參與方為中方代表、業主代表及咨工代表.現場壓強采用壓強表讀數，流量采用消火栓出口串接DN65便攜式電磁流量計讀數，且壓強表及流量計均經過當地相關部門事先標定并出具標定證明.驗收時每臺海水長軸泵運行4 h，系統總運行時間8 h，實際工況的系統平均流量為128.6 m3/h，最遠處消火栓DN65出口剩余壓強為0.72 MPa，管中泵出口壓強為0.85 MPa，與計算值十分接近.

6 其他問題

(1)管中泵的變頻.管中泵采用變頻運行，可以調節系統運行壓強.關閉消火栓后，變頻器可以根據管網壓強的反饋緩慢降低頻率，最終維持管道壓強在0.85 MPa左右，但是該變頻調節相對滯后[11]，管道消火栓關閉后，短時間內管網壓強還能上升到0.95 MPa左右，但是由于管網中設置有安全閥，該壓強的上升基本可以接受.

(2)冷卻水的消耗.消防系統運行時，穩壓泵開啟供給長軸泵冷卻淡水，但該泵實際流量為3 L/s左右，壓強0.40 MPa，按照一次消防4 h考慮，消耗的淡水量依舊很大，為43.2 m3/次.在巴基斯坦南部缺水區域，難以保證淡水的安全供應.實際驗收時，采用手動控制球閥⑤的開啟度，減少冷卻水消耗量.該系統的優化可以在消防主出水管網上增加一路供水管道至水池，管道上設置電動閥門，連鎖超聲波液位儀控制該閥門的啟閉，當水池液位低于設定值時，自動開啟該閥門，到達設定高液位時，自動關閉該閥門，可以保證冷卻水的充沛供給.

(3)系統升級設備參數的確定.在設計消防系統升級時，先初步核算、確定試驗用水槍的大概參數，再假定消火栓出口壓強，用圖解計算系統流量，如果計算所得的流量能滿足要求，再根據水帶水損(按照30 m計算[12])、管網水損、泵房內水損、海水最低潮面、海水長軸泵運行參數等數據，最終確定管中泵流量及揚程[13]，并需留有一定的富余，該計算工作是系統升級的核心及前提.

(4)穩壓罐.系統采用的是HDPE管，管道本身具有一定的伸縮性和調壓功能，本系統升級時沒有采用穩壓罐.實際運行時，穩壓泵單次啟動時間約30 s，管道壓強從0.25 MPa升為0.45 MPa，運行良好.其附近的已建碼頭FOTCO JETTY 1 PROJECT QP-2消防管道為鋼管，其消防系統沒有使用穩壓罐，而是在穩壓泵出口管上設置壓強控制閥,使部分穩壓水回流至屋頂水箱[14].

(5)生活供水系統與消防供水系統的連接.消防系統穩壓用水單獨設置穩壓水池，關閉原生活供水系統與消防供水系統連接管道上的閘閥，即改造后的生活供水系統與消防供水系統間接連通，能有效避免消防供水的倒流，保證水質.

7 結束語

(1)特定條件下的消防系統升級應該結合實際情況，合理選擇水泵類型,盡量少占用空間;布局合理，便于使用、操作及管理；(2)合理選擇控制方式，通過分批次、變頻啟泵及開大氣聯通閥、分批停泵等方式減少啟泵及停泵過程中的水錘影響，減少對管網的沖擊；(3)采用HDPE管等具有一定伸縮性管道的供水系統，其泵房內可以不設置穩壓罐；(4)需要連接不同水質管道時，為保證水質要求，在有條件的情況下應盡量采用間接連接；(5)在充分了解業主意圖、熟悉美標消防規范要求的基礎上，通過合理的分析計算，采用新增管中泵、穩壓泵、冷卻水供給系統、控制監測系統等升級原消防系統是可行的，本案例的成功升級對類似供水系統的升級改造具有一定的參考意義.

參考文獻：

[1] NFPA14-2010. Standard for the installation of standpipe and hose systems[S]. 2010.

[2] 高華, 張守森. 海上固定平臺消防泵的選型設計[J]. 水泵技術, 2011(04): 17-19.

[3] NFPA307-2011. Standard for the construction and fire protection of marine terminals, piers, and wharves[S]. 2011.

[4] 丁再勵, 余超. 生活飲用水系統防止倒流污染的幾個問題[J]. 給水排水, 2008(04): 120-123.

[5] 包怡斐, 張燁, 徐樹寶. 水泵串聯技術應用的探討[J]. 排灌機械, 1996(02): 39-42.

[6] 楊德富. 管中泵在供水設備中的應用[J]. 中國給水排水, 2012(14): 13-14.

[7] 梁勇軍. 潤滑水監控裝置在立式水泵中設置的必要性[J]. 水泵技術, 2012(03): 21-23.

[8] 楊琦, 許明印. 消防泵的主備用切換方法比較[J]. 消防技術與產品信息, 2004(06): 24-26.

[9] BS EN 12201-1:2003. Plastics piping systems for water supply polyethylene (PE)-Part 1: General[S]. 2003.

[10] 林哲華. 變頻供水設備的應用與控制措施[J]. 民營科技, 2008, 9(06): 168-141.

[11] 宛路威, 黃書凱, 趙林燕. 關于提高變頻器調頻速度的研究[J]. 變頻器世界, 2007(08): 73-74.

[12] NFPA1961-2007. Standard on fire hose[S]. 2007.

[13] 姚青云，劉莉莉. 利用規劃求解法確定水泵工況點[J].中國農村水利水電, 2011(09): 149-151.

[14] Fauji Oil Terminal & Distribution Co Ltd. Construction of QP-2 oil terminal[R]. 2008.