NFPA20規(guī)范對(duì)消防泵選型和安裝的要求

王樹(shù)乾 邱宏宇 梅歡

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司

伴隨著“國(guó)家走出去”發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)工程公司業(yè)務(wù)范圍開(kāi)始涉及海外工程設(shè)計(jì)、施工及工程總承包等業(yè)務(wù)，工程技術(shù)人員逐漸認(rèn)識(shí)到為了滿足建設(shè)項(xiàng)目所在地消防監(jiān)管部門(mén)的審批要求，大部分海外項(xiàng)目的消防泵要求滿足美國(guó)NFPA20消防泵安裝標(biāo)準(zhǔn)[1]。此外國(guó)際公司在中國(guó)投資建廠，其成套供應(yīng)的消防系統(tǒng)配套的消防泵也按NFPA20標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)采購(gòu)供貨。國(guó)標(biāo)GB 6245—2006《消防泵標(biāo)準(zhǔn)》[2]和 GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[3]也采納了NFPA20的部分要求進(jìn)行了修訂。本文結(jié)合近年來(lái)工作中對(duì)NFPA20相關(guān)內(nèi)容的理解和采購(gòu)評(píng)標(biāo)經(jīng)驗(yàn)，介紹了NFPA20規(guī)范對(duì)消防泵設(shè)計(jì)的一些特殊要求。

1 設(shè)計(jì)壓力及泄壓安全閥安裝要求

NFPA20—2003以后版本要求消防泵和出口管線的設(shè)計(jì)壓力不小于泵關(guān)閥點(diǎn)揚(yáng)程加泵的最大吸水靜壓力，禁止采用泄壓安全閥來(lái)降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力[1]。這一要求主要是基于泄壓安全閥的可靠性考慮，安全閥故障時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)超壓。先于2003年版本的NFPA20沒(méi)有嚴(yán)格禁止采用泄壓安全閥來(lái)控制泵小流量下或者出口閥關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)操作壓力超過(guò)設(shè)計(jì)壓力的情況，只是在1999年版本中認(rèn)為泄壓不是一個(gè)好的設(shè)計(jì)[1]。盡管現(xiàn)在仍有許多按舊規(guī)范設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在使用，但由于工程技術(shù)人員經(jīng)常套用以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，容易導(dǎo)致忽略此條款的要求。

規(guī)范的要求在正常操作條件下保證了消防泵系統(tǒng)的工作壓力不超過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。但是對(duì)于柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的消防泵，滿足規(guī)范要求的控制器在轉(zhuǎn)速超速10%時(shí)才會(huì)自動(dòng)停止柴油機(jī)[1]，根據(jù)泵的相似定律此時(shí)泵的關(guān)閥揚(yáng)程最大可達(dá)121%泵的額定轉(zhuǎn)速下的關(guān)閥揚(yáng)程。為了不提高整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力水平，規(guī)范允許柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的消防泵通過(guò)安裝泄壓安全閥的方式降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。這樣的規(guī)定是出于泵的控制系統(tǒng)和安全閥不同時(shí)發(fā)生故障考慮，即獨(dú)立事件的故障不同時(shí)發(fā)生，在故障狀態(tài)下可以保證系統(tǒng)操作壓力不大于設(shè)計(jì)壓力。對(duì)于泄壓安全閥的選型，規(guī)范詳細(xì)解釋了泄壓閥選型的計(jì)算方法，即按泵的性能曲線使消防泵系統(tǒng)在故障時(shí)操作壓力小于設(shè)計(jì)壓力，確定泄放量，然后依據(jù)泄放量和泄放壓力選擇安全閥。為了方便選型，規(guī)范根據(jù)泵的流量范圍提供了泄壓閥尺寸和泄壓管線尺寸。

由于消防泵可能在出口沒(méi)有流量的情況下工作導(dǎo)致泵過(guò)熱，未安裝壓力泄壓閥的系統(tǒng)應(yīng)安裝3/4 in或1 in的熱泄放安全閥[1]。對(duì)于已安裝壓力泄壓閥的系統(tǒng)也應(yīng)使其在起跳壓力設(shè)定上滿足這一要求。壓力泄壓閥和熱泄放安全閥的設(shè)定壓力值應(yīng)小于泵關(guān)閥點(diǎn)揚(yáng)程加泵最小吸水靜壓力。

2 性能曲線要求

在消防泵性能曲線要求方面，國(guó)標(biāo)GB 6245—2006和GB 50974—2014借鑒了NFPA20規(guī)范，要求消防泵性能曲線平滑且不能具有駝峰，關(guān)閥揚(yáng)程不大于額定流量下?lián)P程的140%，150%額定流量下的揚(yáng)程不小于額定流量下?lián)P程的65%[1-5]。由于實(shí)際滅火時(shí)火場(chǎng)情況的復(fù)雜性，按額定流量選型的消防泵通常不會(huì)和火情相匹配[6]，具有平滑性能曲線的消防泵，流量變化時(shí)壓力變化不明顯，在實(shí)際滅火流量大于額定流量時(shí)可以保證滅火的可靠性，在實(shí)際滅火流量小于額定流量時(shí)可以減少消防水的浪費(fèi)。

NFPA20要求消防泵生產(chǎn)廠商進(jìn)行工廠性能測(cè)試，提供實(shí)測(cè)的性能曲線。性能曲線應(yīng)包括從泵關(guān)閥點(diǎn)到150%額定流量點(diǎn)的范圍，并且能夠反映泵的最大軸功率。泵的最大軸功率通常在額定流量的130%～150%之間[1]，但有時(shí)泵的最大軸功率可能大于130%～150%額定流量的軸功率，則需要測(cè)出泵的最大軸功率。曲線通常包括5個(gè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，關(guān)閥點(diǎn)、額定流量點(diǎn)、150%額定流量點(diǎn)，另外2個(gè)點(diǎn)分別為額定流量點(diǎn)與關(guān)閥點(diǎn)和150%額定流量的中間值[1]。

消防泵在實(shí)際使用過(guò)程中，由于葉輪腐蝕等因素，可導(dǎo)致泵的性能下降，從而不能滿足設(shè)計(jì)的水量和水壓要求。規(guī)范要求對(duì)實(shí)際安裝的消防泵提供流量測(cè)試功能，供監(jiān)管部門(mén)或用戶周期性檢測(cè)消防泵的性能。

選擇合適性能曲線的消防泵通常應(yīng)綜合考慮泵的工作情況和管網(wǎng)的性能曲線。滿足NFPA20規(guī)范的消防泵的性能曲線，在關(guān)閥點(diǎn)壓力可為額定流量下?lián)P程的101%～140%，在150%額定流量點(diǎn)的壓力可以為額定流量下?lián)P程的65%到僅僅略小于額定揚(yáng)程[1]。當(dāng)消防泵并聯(lián)工作時(shí)，對(duì)于性能曲線平坦的消防泵，考慮并聯(lián)后的性能曲線和管網(wǎng)性能曲線，并聯(lián)工作的第2臺(tái)水泵通常流量增加比較小。為了克服這一不利因素，同時(shí)降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力水平，結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)和參考國(guó)外工程石油公司的設(shè)計(jì)規(guī)范，通常要求泵的關(guān)閥點(diǎn)揚(yáng)程不大于額定流量下?lián)P程的125%，當(dāng)泵在并聯(lián)工作時(shí)，應(yīng)使泵的關(guān)閥點(diǎn)揚(yáng)程大于額定流量下?lián)P程的110%。

3 泵密封要求

通常泵的密封包括機(jī)械密封和填料密封兩種形式[5，7]。機(jī)械密封的零件較多，加工復(fù)雜，安裝精度高，沒(méi)有軸套磨損，幾乎不泄漏，密封摩擦消耗功率低，但可靠性比較低。而填料密封相較機(jī)械密封情況正好相反，考慮到消防泵只在滅火和測(cè)試時(shí)開(kāi)啟，NFPA20規(guī)范明確要求消防泵應(yīng)采用填料密封[1，5，8]。

4 驅(qū)動(dòng)機(jī)要求

工程應(yīng)用中消防泵通常采用電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，NFPA20規(guī)范要求消防泵配置的驅(qū)動(dòng)機(jī)需要滿足水泵在任何工況下的要求[1，3，7]。因?yàn)橄辣每赡茉跍缁疬^(guò)程中由于動(dòng)力故障導(dǎo)致備用泵啟動(dòng)，此時(shí)由于滅火設(shè)備已開(kāi)啟，備用泵開(kāi)啟時(shí)出水管道系統(tǒng)已部分或完全泄壓，為了使消防泵開(kāi)啟時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)不過(guò)載，驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率需滿足泵性能曲線上最大功率的要求。

考慮泵的制造在實(shí)際運(yùn)行中與設(shè)計(jì)的偏差，驅(qū)動(dòng)機(jī)功率通常需要考慮10%的功率儲(chǔ)備[7]。對(duì)于滿足NEMA標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)安全因子1.15乘以電動(dòng)機(jī)額定功率需不小于水泵最大軸功率的110%。對(duì)于柴油機(jī)，規(guī)范要求柴油機(jī)的4 h最小功率應(yīng)至少大于柴油機(jī)額定功率的10%[1]，同時(shí)需按照使用場(chǎng)所的環(huán)境溫度和氣象條件對(duì)柴油機(jī)功率折減，然后使柴油機(jī)4 h的最小功率大于水泵最大軸功率的110%。規(guī)范在驅(qū)動(dòng)機(jī)選型時(shí)利用了驅(qū)動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，為了提高消防泵系統(tǒng)的可靠性，一些國(guó)外石油公司標(biāo)準(zhǔn)要求高于NFPA20規(guī)范，要求消防泵配置驅(qū)動(dòng)機(jī)時(shí)需采用驅(qū)動(dòng)機(jī)連續(xù)功率選型。

5 穩(wěn)壓泵選型和壓力控制啟動(dòng)設(shè)定

對(duì)于壓力控制啟動(dòng)的消防泵，消防泵系統(tǒng)需要安裝穩(wěn)壓泵維持管網(wǎng)的壓力。通常為了在火災(zāi)時(shí)快速啟動(dòng)消防泵，穩(wěn)壓泵應(yīng)維持系統(tǒng)壓力大于消防泵操作壓力[7，9]，同時(shí)泵的流量小于消防系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)的流量。對(duì)于只供給噴淋滅火的系統(tǒng)，規(guī)范建議穩(wěn)壓泵流量小于單只噴頭開(kāi)啟的流量[1，5]。目前許多項(xiàng)目消防泵系統(tǒng)穩(wěn)壓泵設(shè)定壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于消防泵系統(tǒng)的正常操作壓力[10-11]，擔(dān)心系統(tǒng)平時(shí)壓力高容易泄漏，反而降低了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

針對(duì)壓力控制的消防泵和穩(wěn)壓泵，系統(tǒng)控制壓力可按如下方式設(shè)定：消防泵啟動(dòng)壓力為系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件下操作壓力，多臺(tái)并聯(lián)工作的消防泵可按時(shí)間間隔和壓力要求開(kāi)啟[8-9]。穩(wěn)壓泵啟動(dòng)壓力為消防泵啟動(dòng)壓力加34 kPa，穩(wěn)壓泵停止壓力為穩(wěn)壓泵啟動(dòng)壓力加68 k Pa，且不超過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。

6 結(jié)束語(yǔ)

NFPA20規(guī)范為美國(guó)消防協(xié)會(huì)消防泵安裝標(biāo)準(zhǔn)，作為國(guó)際項(xiàng)目的通用標(biāo)準(zhǔn)目前已被大部分國(guó)家消防監(jiān)管部門(mén)接受，其涉及的內(nèi)容非常廣泛、詳細(xì)，全面介紹規(guī)范超出本文的范圍，對(duì)于規(guī)范的全面理解認(rèn)識(shí)需要廣大工程技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際應(yīng)用仔細(xì)研讀。本文基于規(guī)范與實(shí)際工作中設(shè)計(jì)選型和采購(gòu)評(píng)標(biāo)遇到的問(wèn)題，對(duì)比我國(guó)消防標(biāo)準(zhǔn)，僅僅就規(guī)范中比較重要的一些問(wèn)題進(jìn)行了解讀，希望能為廣大工程技術(shù)人員在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中提供一定的幫助。