港口工程消防系统升级改造

毛小方，钟良生，王波，刘川

(1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230；2.武汉东川自来水科技开发有限公司，武汉 430014)

0 引 言

巴基斯坦卡西姆港内某码头项目是中方承建的EPC工程.根据业主标书要求，该项目中的海水消防系统流量为100 m3/h, 最远处环状管网压强不小于1.0 MPa.实际设计及施工后水泵流量为140 m3/h，扬程为38 m，远小于业主要求，业主拒绝验收，要求系统升级.后通过与业主及咨工沟通，业主、咨工及承包方均同意按照美标NFPA 14-2010第7.10.1.1.1条款[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) ”, 将消防系统最远处消火栓的2个DN65出口的总流量确定为113.6 m3/h；按照其7.8.1条款要求：“ 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”，确认最远处消火栓的出口剩余压强不小于0.69 MPa.根据上述要求，中方对原有系统进行升级改造后系统通过验收.

1 原有消防系统

1.1 泵房

本项目采用海水作为消防水源.原有泵房位于码头端部，占地7.0 m×5.5 m，内部设置2台海水立式长轴涡流泵[2]，一用一备，单台流量140 m3/h，扬程38 m.长轴泵冷却水来源于生活供水泵房水池，系统采用人工控制.将长轴泵冷却水供水管及消防主泵出水管埋设在码头结构内，在泵房内引出接管点，原有泵房见图1.

图1 原有泵房

该泵房存在的主要问题：(1)水泵扬程不够；(2)系统为人工运行，发生火灾时需要人工启动，容易贻误战机；(3)长轴泵冷却水来自生活供水泵站生活水池内的淡水.由于当地严重缺水，只能通过水罐车运水来满足生活用水，水池经常处于缺水状态，如果发生火灾时无冷却水，主泵无法运行，将带来极其严重的后果.

1.2 管网系统

(1)原有主管网系统采用DN200的HDPE管，管道压强等级为1.0 MPa，管网采用环状敷设，消火栓按照美标NFPA 307-2011[3]要求，间距小于90 m.

(2)受原有管网压强等级的限制，不能满足最远处消火栓剩余压强为1.0 MPa的要求.

(3)根据业主要求，生活供水管网系统需与消防管网系统的防污止回阀和闸阀连通，由生活供水系统提供消防系统稳压用水。但是，当消防系统运行时，防污止回阀达不到使用要求[4]，仍有部分海水返流入生活供水管道系统，生活用水被污染,有明显咸味.

2 系统升级原则、目标及主要计算

2.1 系统升级原则与目标

在减少设计及施工难度、减少施工周期、减少投资、满足业主要求及相关规范的前提下，基于原有消防系统开展设计及施工工作，升级后的系统应满足以下要求：

(1)最远处消火栓DN65的出口剩余压强不小于0.69 MPa，且该消火栓2个DN65出口总流量达到113.6 m3/h，水泵出口压强在0.84 MPa左右；(2)系统能自动运行；(3)增加一路海水水源作为长轴泵应急冷却用水.

2.2 主要计算

本次系统升级采用试算、图表及反推计算法等方法选取管中泵参数.

2.2.1 主要计算原则

先以设计消火栓出口压强及流量(0.69 MPa,56.8 m3/h)为切入点，初步核算水带水损，求得水枪基本参数(0.48 MPa, 56.8 m3/h)，选定水枪;再以最远处消火栓出口为入手点，假定消火栓出口剩余压强为0.72 MPa(预留0.03 MPa安全富余量)，向下游计算得到水枪喷口水量，核算出口流量是否满足设计流量要求，如果满足，则向上流反算管中泵出口压强，结合海水长轴泵参数及海水液面高度等参数，计算管中泵参数，选定管中泵.

本系统高程为相对于卡西姆港海图基准面(CD).

2.2.2 计算过程

(1)水带水损

h1=A×L×q2/100

式中：h1为DN65衬胶水带水损，MPa；A为摩擦损失因数，为0.001 7；L为水带长度,取30 m;q为水枪流量，L/s.

(2)水枪入口压强

h2=0.72-h1-0.012

式中：0.012为水枪出口与消火栓出口的高差，MPa.

计算得

h2=0.71-5.1×10-4×q2

结合选定的水枪工况曲线，采用Excel表绘制管道及水枪工况曲线，得到水枪工况点，见图2.

图2 消火栓出口压强为0.72 MPa时的工况曲线

由图2可知，假定消火栓出口压强为0.72 MPa，水枪工况点为17.45 L/s，0.56 MPa，则系统流量为17.45×2=34.90 L/s=125.6 m3/h>113.6 m3/h，满足设计要求.可以把系统流量125.6 m3/h、消火栓出口剩余压强0.72 MPa作为基准参数，反算管中泵出口压强.

(3)管中泵出口压强h3由消火栓出口压强h4(0.72 MPa)、消火栓出口压强损失h5(取经验值0.03 MPa)、主管网(按支管计算)沿程及局部损失h6、水泵出口与消防水枪高差h7(0.009 MPa)、安全水头h8(取0.02 MPa)等部分组成,即

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

h6+0.009+0.02≈0.78+h6

其中主管网由3部分组成：分别为泵房至陆域管道的DN200不锈钢管，管长19.0 m; 压力等级为1.0 MPa的DN200 HDPE管，管长403.0 m(主环状管网)；压力等级为1.0 MPa的DN150 HDPE管，管长55.0 m(主环状管网至消火栓之间管段).管道水头损失计算采用海澄-威廉公式：

式中：i为管道单位长度水头损失，kPa/m；dj为管道计算内径，m；qg为给水设计流量，m3/s，本系统为3.49×10-2m3/s；Ch为海澄-威廉因数，塑料管为140，不锈钢管为130.

根据上述公式，当系统流量为125.6 m3/h时，管道水损参数见表1.

表1 管道水损参数表

取管道局部损失因数为0.1，则管道沿程及局部损失

h6=(1+0.1)×(1.25+38.69+17.95)=

63.68 kPa≈0.064 MPa

则管中泵出口压力

h3=0.78+h6=0.78+0.064≈0.84 MPa

(4)管中泵参数确定.已知管中泵出口压强为0.84 MPa，系统流量125.6 m3/h,最低天文潮(LAT)为-0.49 m,管中泵出口高程为6.5 m. 根据海水长轴泵工况曲线，在流量为125.6 m3/h时，其扬程为39 m，则管中泵扬程

h9=h3+h10+h11-h12

式中：h3为管中泵出口压强, MPa;h10为泵房内设备及管线局部水损，按经验数据取0.03 MPa；h11为管中泵出口与设计低水位高差，MPa；流量为125.6 m3/h时，海水长轴泵扬程h12为39 m，即0.38 MPa.则

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 管中泵参数的选取

根据以上计算得出在系统流量为125.6 m3/h、最远处消火栓DN65出口剩余压强为0.72 MPa的前提下，管中泵工况点流量为125.6 m3/h，扬程为0.56 MPa, 在供水能力有一定富余时，结合市场上供应的管中泵型号，最终确定管中泵参数：流量为144 m3/h；扬程为68 m；功率为39 kW；电压为380 V.

实际运行时可适当降低频率，维持管中泵出口压强在0.84 MPa左右.

3 采取的主要升级措施

(1)增加一台变频管中泵，进水口从长轴泵总出水管靠西南窗一侧的预留盲板端接入，出口再接入靠门一侧的总出口，通过阀门的启闭使该管中泵串联入原有消防系统[5].管中泵出现故障时，可以通过阀门的启闭使该水泵脱离原系统，而原系统水泵仍能正常使用.

(2)泵房外增加一个20 m3的消防专用清水池，清水池水源来自生活泵房，采用浮球阀进水，该水池平时作为消防系统稳压用水，消防时作为冷却用水.

(3)增加一台稳压泵，作为消防系统平时稳压及消防时供应冷却水使用.

(4)消防总出水管处引一根出水管连接至原海水长轴泵冷却进水管路上，并在管路上设置手动阀门，平时关闭，发生火灾而无淡水冷却水供应时人工开启.

(5)增加压强传感器、电动阀、超声波液位仪、变频控制柜等设备，控制系统自动运行.

4 泵房升级的重点及控制要点

由于泵房面积较小，总出水口已经埋入码头实体结构，没有空间安装需要增加的管道泵、多级泵等类型的水泵，综合考虑决定采用占地较小的管中泵作为二次加压泵.[6]报批咨工的图纸主要部分见图3，系统竣工后的现场照片见图4，系统PID图见图5.

系统控制是本项目升级的要点:共设置4个电动阀、4套电接点压强变送器、1套水池液位传感器，新增1台稳压泵、1套控制柜.下面对各设备单元的功能及自动控制要点进行描述.

4.1 电动阀

(1)冷却水系统电动阀的控制.发生火灾时，冷却水泵正常工作，开启2台长轴泵的进水阀⑦和⑧，待其中一台海水长轴主泵(①或②)工作正常后，再自动关闭备用泵的冷却进水电动阀(①工作，关⑦，②工作，关⑧)，冷却进水总管上配备电接点压强变送器(编号)，可以判断系统是否能正常供应冷却水[7].消防完毕后，冷却水电动进水阀自动关闭，系统进入一般稳压状态.

(2)冷却水及稳压水切换阀门的控制.系统设置冷却水及稳压水的切换阀门，阀门编号，该阀门平时为开启状态，稳压泵可以向系统提供稳压水，消防时自动关闭，稳压泵转为向海水长轴泵提供冷却用水；消防完毕后，切换阀门再次自动打开，系统进入一般稳压状态.

(a)消防泵房平面布置(1∶25)

(b)A-A剖面(1∶25)

图4 竣工照片

(3)空气联通阀的控制.系统设置空气联通电动阀，阀门编号，主要功能及控制要求如下：

图5 消防系统PID图

发生火灾后，当系统运行到海水长轴泵正常开启时，自动开启该阀门10 s左右再关闭，然后系统再启动管中泵，以进一步排除管中泵(设备编号③)中可能存在的空气，保护管中泵.

消防完毕人工关闭系统时，该阀门自动开启，卸掉管网中压强，此时稳压泵及主泵(1台海水长轴泵及管中泵)一直开启，管网压强慢慢下降.然后先关闭管中泵，延时20 s左右再关闭海水长轴泵(稳压泵不关闭)，此时管网中压强几乎为0.然后再自动关闭该电动阀，系统压强缓慢上升，当压强上升至设定的稳压泵停泵压强后，稳压泵关闭，此时系统可自动转化到一般稳压状态.该停泵过程可以缓慢地、分阶段地降低管网压强，有效防止停泵水锤的产生.

4.2 电接点压强变送器

4.3 稳压泵

新增稳压泵(设备编号为④)平时作为稳压泵使用，消防时作为海水长轴泵冷却供水使用.

4.4 水池超声波液位仪

主要有探测冷却水水池液位、提供溢流液位报警、低液位报警及关泵保护功能，当系统低液位报警后，应该及时手动开启海水冷却水管道上的阀门，系统转为由海水作为冷却水，确保系统冷却水的安全供应.

4.5 控制柜变频控制

新增管中泵采用变频控制的主要原因及功能如下：

(1)消防验收时港口已经投入使用，由于管网采用1.0 MPa的压强管道，升级后的压强已经接近管道允许使用的最高压强[9]，故采用变频控制.管中泵工作时，可以缓慢提高供电频率和管网压强，有效避免启泵水锤，减少对管网的冲击，减少管道破损后维修带来的交通不便及运营后业主索赔等一系列不利影响.

(2)通过变频运行，可以有效、方便地控制系统运行压强及流量[10]，在验收阶段可以根据实际工况适当调整水泵运行参数，使得在苛刻的消防验收条件下有一定的主动权.

5 系统验收

系统验收工作最终于2012年2月23日进行，参与方为中方代表、业主代表及咨工代表.现场压强采用压强表读数，流量采用消火栓出口串接DN65便携式电磁流量计读数，且压强表及流量计均经过当地相关部门事先标定并出具标定证明.验收时每台海水长轴泵运行4 h，系统总运行时间8 h，实际工况的系统平均流量为128.6 m3/h，最远处消火栓DN65出口剩余压强为0.72 MPa，管中泵出口压强为0.85 MPa，与计算值十分接近.

6 其他问题

(1)管中泵的变频.管中泵采用变频运行，可以调节系统运行压强.关闭消火栓后，变频器可以根据管网压强的反馈缓慢降低频率，最终维持管道压强在0.85 MPa左右，但是该变频调节相对滞后[11]，管道消火栓关闭后，短时间内管网压强还能上升到0.95 MPa左右，但是由于管网中设置有安全阀，该压强的上升基本可以接受.

(2)冷却水的消耗.消防系统运行时，稳压泵开启供给长轴泵冷却淡水，但该泵实际流量为3 L/s左右，压强0.40 MPa，按照一次消防4 h考虑，消耗的淡水量依旧很大，为43.2 m3/次.在巴基斯坦南部缺水区域，难以保证淡水的安全供应.实际验收时，采用手动控制球阀⑤的开启度，减少冷却水消耗量.该系统的优化可以在消防主出水管网上增加一路供水管道至水池，管道上设置电动阀门，连锁超声波液位仪控制该阀门的启闭，当水池液位低于设定值时，自动开启该阀门，到达设定高液位时，自动关闭该阀门，可以保证冷却水的充沛供给.

(3)系统升级设备参数的确定.在设计消防系统升级时，先初步核算、确定试验用水枪的大概参数，再假定消火栓出口压强，用图解计算系统流量，如果计算所得的流量能满足要求，再根据水带水损(按照30 m计算[12])、管网水损、泵房内水损、海水最低潮面、海水长轴泵运行参数等数据，最终确定管中泵流量及扬程[13]，并需留有一定的富余，该计算工作是系统升级的核心及前提.

(4)稳压罐.系统采用的是HDPE管，管道本身具有一定的伸缩性和调压功能，本系统升级时没有采用稳压罐.实际运行时，稳压泵单次启动时间约30 s，管道压强从0.25 MPa升为0.45 MPa，运行良好.其附近的已建码头FOTCO JETTY 1 PROJECT QP-2消防管道为钢管，其消防系统没有使用稳压罐，而是在稳压泵出口管上设置压强控制阀,使部分稳压水回流至屋顶水箱[14].

(5)生活供水系统与消防供水系统的连接.消防系统稳压用水单独设置稳压水池，关闭原生活供水系统与消防供水系统连接管道上的闸阀，即改造后的生活供水系统与消防供水系统间接连通，能有效避免消防供水的倒流，保证水质.

7 结束语

(1)特定条件下的消防系统升级应该结合实际情况，合理选择水泵类型,尽量少占用空间;布局合理，便于使用、操作及管理；(2)合理选择控制方式，通过分批次、变频启泵及开大气联通阀、分批停泵等方式减少启泵及停泵过程中的水锤影响，减少对管网的冲击；(3)采用HDPE管等具有一定伸缩性管道的供水系统，其泵房内可以不设置稳压罐；(4)需要连接不同水质管道时，为保证水质要求，在有条件的情况下应尽量采用间接连接；(5)在充分了解业主意图、熟悉美标消防规范要求的基础上，通过合理的分析计算，采用新增管中泵、稳压泵、冷却水供给系统、控制监测系统等升级原消防系统是可行的，本案例的成功升级对类似供水系统的升级改造具有一定的参考意义.

参考文献：

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

[2] 高华, 张守森. 海上固定平台消防泵的选型设计[J]. 水泵技术, 2011(04): 17-19.

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

[4] 丁再励, 余超. 生活饮用水系统防止倒流污染的几个问题[J]. 给水排水, 2008(04): 120-123.

[5] 包怡斐, 张烨, 徐树宝. 水泵串联技术应用的探讨[J]. 排灌机械, 1996(02): 39-42.

[6] 杨德富. 管中泵在供水设备中的应用[J]. 中国给水排水, 2012(14): 13-14.

[7] 梁勇军. 润滑水监控装置在立式水泵中设置的必要性[J]. 水泵技术, 2012(03): 21-23.

[8] 杨琦, 许明印. 消防泵的主备用切换方法比较[J]. 消防技术与产品信息, 2004(06): 24-26.

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

[10] 林哲华. 变频供水设备的应用与控制措施[J]. 民营科技, 2008, 9(06): 168-141.

[11] 宛路威, 黄书凯, 赵林燕. 关于提高变频器调频速度的研究[J]. 变频器世界, 2007(08): 73-74.

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

[13] 姚青云，刘莉莉. 利用规划求解法确定水泵工况点[J].中国农村水利水电, 2011(09): 149-151.

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