直線型油品碼頭固定消防炮選型

蘇洪濤

(湖北省交通規劃設計院，湖北武漢 430030)

在油品化工碼頭的眾多消防設備中，直接滅火的泡沫消防炮及起冷卻作用的消防水炮是其中重要的組成部分，其選型直接影響其他部件的設計。如何快速地計算選型是該類碼頭消防設計的一個難點。

1 相關規范的理解及參數的確定

1.1 消防炮設計流量的確定

1)消防水炮設計流量的確定。裝卸油品化工碼頭消防冷卻水量的公式如下:Q1=0.06×F×ql。其中，Q1為冷卻水流量，L/s;F為冷卻范圍，m2，由船型資料定;ql為冷卻水供給強度，其值為2.5L/(min·m2)［1］。根據《裝卸油品碼頭防火設計規范》，“冷卻水可以由水上和陸上消防設備共同提供，但陸上消防設備所提供的冷卻水量不應小于全部冷卻水量的50%”，所以，在有水上消防船的條件下，由固定式消防炮提供的冷卻水量其最低值為Q1min=0.5×Q1，在無水上消防的情況下Q1min=Q1。另外，規范限定裝卸甲類油品的一級碼頭，“至少應有一艘消防船或拖消兩用船進行監護”，所以在此類碼頭中可以默認該工程中固定式消防水炮的最小設計流量為Q1min=0.5×Q1。2)消防泡沫炮設計流量的確定。裝卸油品化工碼頭泡沫混合液最小供給量的公式如下:Qp=fmax×qp。其中，Qp為冷卻水流量，L/s;f max為設計船型最大油艙面積，m2，由船型資料定;qp為泡沫混合液供給強度，其值不小于8L/(min·m2)［1］。

1.2 消防炮與油船之間的關系

消防炮與油船的相對位置關系是通過消防炮的覆蓋范圍來確定的。《裝卸油品碼頭防火設計規范》6.5.2條規定，當有水上消防設施監護時，可由消防炮及水上消防設施聯合滿足泡沫炮射程覆蓋設計船型油艙、水炮射程覆蓋設計船型的要求，然而在《固定消防炮滅火系統設計規范》4.2.4條要求“泡沫炮的射程應滿足覆蓋設計船型的油氣艙范圍，水炮的射程應滿足覆蓋設計船型的全船范圍”，并不考慮水上消防設施的影響。考慮到《固定消防炮滅火系統設計規范》4.2.4條為國家標準中的強制性條款，加之油品化工碼頭的安全性需求，筆者認為消防炮與油船的相對位置以滿足《固定消防炮滅火系統設計規范》為準繩，在圖紙上可直觀地理解為以各消防水炮為圓心、射程為半徑做圓，各圓的半徑能覆蓋設計船型，同樣的，泡沫炮應滿足以各泡沫炮為圓心、射程為半徑做圓能夠覆蓋油艙。由于消防炮的射程和流量及壓力的方根均成正比關系，對于選定了消防炮個數及型號的工程，最經濟的布置方式就是使消防炮的射程剛好能夠覆蓋其規定的范圍，這樣對后方的壓力和水量的要求都剛好合適，沒有浪費。在圖面上就要求首尾的兩臺炮其保護范圍圓落在油船的邊角上，中間的消防炮的保護范圍圓相交，且其交點落在保護范圍的邊線上。在理想狀態下，以四臺炮為例，消防水炮、泡沫炮與化學品船的位置關系分別如圖1，圖2所示。

圖1 消防水炮與油品船的位置關系

圖2 泡沫炮與油品船的位置關系

從圖1和圖2中可以看到，由于保護范圍的不同，在理想狀態下，泡沫炮和水炮數目相同的時候，其布置位置是不同的。在炮數不同的情況下更是如此。而實際情況是，油品碼頭上的裝卸設備、電氣設備及其他設施都較多，如果將消防水炮和泡沫炮分開設置，必然要在碼頭上設置較多的炮塔，給碼頭的布置帶來不便。同時，泡沫混合液受到平時必須空管且要在水泵啟動后5min之內送至最遠著火點的限制，其往往和消防冷卻水共用水源。如果消防水炮和泡沫炮的個數不同，炮數少的系統因其保護范圍擴大其炮口所需壓力也將增大，而這個增大的壓力對于炮數多的系統不必要，造成了相對浪費，故而也無需考慮消防炮個數的不同的情況。有鑒于此，消防炮和水炮一般是個數相同且位置一致，市場上的雙層炮塔即是為此專門設置。以各系統選用四門炮為例，消防炮塔的設置見圖3，其設置以消防水炮設置最優為基準，消防泡沫炮的保護范圍則稍微擴大。

圖3 消防炮與油品船的位置關系

2 數學模型的建立及求解

經過上述分析，可以得到以下幾點:

1)對于給定外部條件的油品化工碼頭，消防水炮、泡沫炮都有一個設計最小流量，這里分別記為Q1min及Qpmin;

2)消防炮的保護范圍內保證單股水流到達任何一點;

3)消防水炮和泡沫炮設置在一座炮塔上，炮塔的設置位置按消防水炮布置最優來考慮，泡沫炮根據消防水炮的位置進行反算選型。另外，在實際情況下，各消防炮之間由于間距的問題，炮口壓力必然不同，然而考慮到壓力差別較小，為計算方便假設各消防炮的炮口壓力均和最不利處消防炮相同，這樣各消防炮的射程范圍就一樣了，其中消防水炮和泡沫炮的射程分別記為Ds，Dp。另設油船邊線至消防炮塔距離為a，油船寬度為b，油船總長為L，其中a由設計定，L，b則是油船的自身尺寸。則在n個消防水炮保護油船的情況下，最經濟的布置方式如圖4所示。

圖4 n個消防水炮保護油船示意圖

圖4中，h為油船中心線至炮塔的距離，h=a+0.5b;h為油船外邊線至炮塔的距離，H=a+b。

對于直線型碼頭，由前文的假設條件，根據勾股定理不難得到以下兩式:

于是得到:

其中，L，H，h對于一個給定的碼頭，其值為定值或可以由設計人員根據相關規范取值確定，故該式是僅關于消防炮個數n及消防炮射程Ds的方程。

如前文所述，給定的油品化工碼頭，其提供的消防冷卻水有個最小值Q1min，根據式(2):

可以求出各消防炮對應于Q1min的壓力p1min。

其中，qs0為水炮在額定工作壓力時的流量，m，由消防炮型號確定;p0為水炮的額定工作壓力，MPa，由消防炮型號確定;pe為水炮的設計工作壓力，MPa。

《固定消防炮滅火系統設計規范》規定消防炮“設計工作壓力與產品額定工作壓力不同時，應在產品規定的工作壓力范圍內選用”，即pe∈［pmin′，pmax］，其中，pmin′，pmax分別為消防水炮工作壓力下限和上限，均由廠家提供其參數，結合受到流量限定的最小壓力p1min，可知只能選擇消防炮最大工作壓力大于p1min者。對于可以選用的消防炮，依據其額定工作壓力，自小向大依次計算。對于X型消防炮，先選擇 p min′及p1min中的大者設定為pmin，得到pe∈［pmin，pmax］。通過式(3)即可以求出相應型號消防炮Ds的取值范圍［Dmin，Dmax］。

其中，Ds0為水炮在額定工作壓力時的射程，m，由消防炮型號確定。

由于消防炮的射程D越大，所需的某型消防炮個數n也就越少，所以將Dmin，Dmax分別代入式(1)中，可得到 n的取值范圍［nmin，nmax］，基于n必然是自然數，也即對X型消防水炮而言，其可能的消防炮的個數是［nmin，nmax］之間的正整數。按照自小向大的順序，依次將n值代入式(1)，則式(1)為關于Ds的一次方程，通過牛頓迭代求出消防炮的射程Ds，繼而由式(4)，式(5)計算得到此時的炮口壓力及設計流量。

如此反復，即可計算出所有滿足規范要求的各型消防水炮，及其在最低要求條件下的工作壓力、流量及射程參數。

由圖3可以得到泡沫炮與水炮的差別僅為射程范圍線的交點在油艙的邊線上而不是油船的邊線，同樣地，由勾股定理可以得到式(6):

其中，b為油船邊艙寬度，為油船自身尺寸，無數據時可參照《河港工程總體設計規范》附錄B取值;Dp為消防炮設計射程。

計算出Dp后由式(4)，式(5)計算得到此時的炮口壓力及設計流量，區別僅是將水炮的額定參數改為泡沫炮額定參數。

經過計算，即可得到所有滿足規范的消防炮組合。

3 消防炮設計參數的調整

由于《固定消防炮滅火系統設計規范》規定室外配置的水炮、泡沫炮的額定流量最小值分別不宜小于30L/s和48L/s，故當經過計算選得的消防炮小于該定值后，在條件允許的情況下，以滿足規范為準，直接選擇額定流量滿足該條文的消防炮。一般來說，10000t及以下的油輪，均可以直接采用規范規定的最小值選炮，只有在室外條件確實不允許且得到消防單位許可的情況下，方可采用依據計算得到的消防炮。

4 結語

本文所述計算過程可以將直線型直立式油品化工碼頭所可能選用的消防炮做一個較為準確、完整的計算及選型。如果進一步將該計算過程編譯為程序語言制作一個小工具，通過該工具只需輸入油船中心線至炮塔的距離h、油船外邊線至炮塔距離H及油船停靠區域總長L等3個參數即可完成計算。這樣不僅可以提高該領域的設計人員、校核人員的工作效率，同時也可作為相關企業單位、消防主管部門的一個參考工具。

［1］JTJ 237-99，裝卸油品碼頭防火設計規范［S］.

［2］GB 50338-2003，固定消防炮滅火系統設計規范［S］.