某水路油庫消防給水系統存在的問題及改進措施

陶克軍

〔中國石化安徽石油分公司 安徽合肥 230009〕

水路石油庫建設時,為了節約投資,石油庫碼頭、罐區、辦公樓等區域消防冷卻水由庫區內同一泵組供水。由于相關規范標準對三個區域的供水壓力要求不同,如二級石油庫罐區、碼頭消防冷卻水為臨時高壓、辦公樓消防冷卻水為低壓供水,但是碼頭消防冷卻水的工作壓力、流量更是遠大于油罐區的供應強度,這就需要大功率消防水泵來完成。電動消防離心泵具有流量均勻、結構簡單、運轉可靠、維修方便等諸多優點,所以大部分石油庫消防給水系統中消防水泵的主泵基本為電動離心泵,備用泵為柴油引擎泵[1],從而保證消防給水系統能高效地滿足滅火要求。

1 某水路石油庫消防系統試運行存在的問題

1.1 消防給水系統現狀

某水路石油庫消防給水系統設計為臨時高壓系統,碼頭與庫區消防系統由兩個不同設計院設計,于2022年10月開始試運行。消防冷卻水泵組二備二用,其兩臺主泵為電動離心泵,參數為XBD12/100G-C,額定揚程120 m,額定流量100 L/s,功率200 kW;備用泵為柴油引擎泵,參數為XBDX12/220,額定揚程120 m,額定流量100 L/s,功率220 kW。碼頭消防水工作壓力大于等于1.0 MPa,流量不小于198 L/s;罐區消防工作壓力為0.8 MPa,流量為82 L/s;辦公樓消防設計工作壓力為0.15 MPa,流量為40 L/s。消防系統供電由一路市電、一路發電機供電,其中市電變壓器額定容量為630 kVA。

1.2 試運行存在的問題

(1)電動消防離心泵過載跳閘。模擬實際運行工況,P3/P4消防電動泵均設置為自動啟動狀態,打開油罐噴淋、消火栓時,管網壓力持續泄壓低于0.4 MPa,時間15 s,管道壓力0.3 MPa以下,P3泵啟動,泵出口多功能控制閥打開,泵的出口壓力降低0.5 MPa左右,流量加大,電機電流逐漸升高,瞬間操作柱電流顯示1 500 A以上,石油庫總配電發生過流保護跳閘,多次試運行造成電動消防泵的自藕變壓器燒毀。

(2)罐區消火栓出口壓力超壓。石油庫臨時高壓消防水系統的日常穩壓設置為0.45±0.5 MPa,罐區打開一組消防栓后,罐區最遠端消防栓出口表壓達1.5 MPa,超設計工作壓力1.2 MPa,嚴重超出消防栓口壓力不大于0.7 MPa標準。

(3)碼頭消防管道抱箍漏水、滑脫。碼頭與庫區消防系統由兩個不同設計院設計,其中罐區消防管道為無縫鋼管材質,采取焊接,與閥門連接處為法蘭連接;碼頭消防管道為熱鍍鋅無縫鋼管材質,采用抱箍方式連接,與閥門連接處為法蘭連接。碼頭消防管道在試壓運行過程中管道抱箍連接處多處出現漏滲、滑脫現象。

2 原因分析

2.1 電機過流現象原因分析

針對消防水泵試運行發生的過流、跳閘現象,對照廠家所提供的泵組性能實驗報告,該離心泵偏離的額定工況點在揚程120 m、流量360 m3/h附近,此工況點對應試驗報告的電功率為200 kW。當泵的出口壓力降低至1.14 MPa時,流量399.6 m3/h;當泵的出口壓力降低至1.01 MPa時,流量460.8 m3/h;當泵的出口壓力降低至0.95 MPa時,流量475.2 m3/h?，F場測試,當泵的出口零流量時,泵的出口壓力為1.6 MPa,隨后緩慢手動開啟泵的檢修碟閥,泵的出口壓力維持1.0 MPa,未出現跳閘現象。

結合離心泵特性,分析得出:離心泵揚程偏離額定工況下的功率,當偏離較大時,電機功率就遠大于其在泵額定工況下的功率。由于電動消防泵處自動狀態,在缺少保護措施或人為控制的條件下,離心泵揚程在偏離額定工況點以下運行會造成電機過流、甚至保護跳閘[2]。

對為何總配電發生過流保護跳閘,而電動消防泵控制柜未跳閘原因,主要是電動消防泵控制柜短路保護設定值為電動消防泵額定電流的10倍,即3 520 A,遠大于供電部門給出總配電的過流保護設定值956 A,從而造成了總配電首先發生跳閘現象。

2.2 消防栓出口壓力超壓現象原因分析

石油庫消防泵房內的消防泵組集水管分別引出兩條DN300出水管道與碼頭、罐區、辦公樓消防管網連通,同時在消防泵房內每條DN300出水管道起點控制閥處設置DN200旁路,旁路設置1組減壓閥以及減壓閥前后各設置1組碟閥,參數為閥前壓力1.2 MPa,閥后壓力0.85 MPa。根據設計要求,當碼頭發生火災時,應手動關閉旁路碟閥;當罐區、辦公樓發生火災時,應手動關閉常開的DN300控制閥,消防冷卻水由旁路減壓后進入管網,罐區、辦公樓管網上安裝消火栓均為普通型。當發生火警時,消防泵自動啟動,泵出口管道壓力較大,DN300手動控制閥無法及時關閉(每個控制閥關閉需要1 min,2個控制閥共需2 min),期間罐區或辦公樓消火栓表壓將達到1.5 MPa,明顯超過消火栓出口水壓若大于0.7 MPa,按照消防規范要求必須采取減壓措施。

相關試驗表明:DN65消火栓口水壓0.5 MPa時,水槍反作用力為220 N;水壓0.7 MPa時,水槍反作用力為350 N。當水槍反作用力超過200 N,一名消防員難以握住;大于350 N,兩名消防員將難以握住,極易造成甩帶傷人[3]。

原因分析:消防初步設計將罐區及辦公樓消火栓均設計為普通型消火栓,后期審核后變更為減壓穩壓型消火栓,但變更后未進行設計交底,從而造成罐區、辦公樓消火栓采購安裝的為普通型消防火栓。

2.3 卡箍連接漏水、滑脫原因分析

通過現場試壓,使用消防泵將管道充滿水,排凈空氣。當壓力升至1.6 MPa時,管道卡箍連接處發生漏水、滑脫現象。

原因分析:碼頭消防管道采用熱鍍鋅無縫鋼管,卡箍連接,設計壓力為1.6 MPa,工作壓力大于等于1.0 MPa,日常穩壓在0.45±0.05 MPa,使用卡箍連接管件最大工作壓力1.6 MPa,但設計安裝時均未考慮到臨時高壓系統。當碼頭消防炮出水口未打開時,管道壓力會在短時間迅速上升,超過設計壓力和管件最大工作壓力,從而造成管道卡箍連接件漏水、滑脫。

3 改進措施

3.1 電機過流改進措施

針對電機過流原因,提出解決電機過流措施,同時提出選擇最佳解決措施。

措施一:現有變壓器擴容。對目前安裝的630 kVA變壓器(額定電流956 A)進行擴容,理論計算至少需要擴容為1 200 kVA變壓器(額定電流1 823 A),才能承載低壓大功率200 kW電動消防泵啟動瞬間3～5倍額定電流。擴容措施投資較大,僅為保證泵的啟動,正常運行石油庫根本不需要如此大功率的變壓器,明顯存在資源浪費,同時還需協調電力部門重新取得許可。

措施二:將泵出口多功能控制更換為持壓/泄壓閥。這一解決措施需要將2臺電動泵的出口多功能控制閥更換成持壓/泄壓閥。但存在持壓/泄壓閥起不到防止和減弱水泵啟閉時管線的水錘水擊、防止水倒流保護水泵、維護管路安全作用。

措施三:將泵出口檢修碟閥更換為電動閘閥。通過與消防控制系統聯鎖的電動執行機構,緩慢控制閥門開啟度,從而保證電動消防泵啟動階段出口處的壓力不發生過載。電動閘閥開啟時間、開啟度需要根據現場實際進行調試設定。方案所需工程費用約為11萬元。

措施四:將泵出口檢修碟閥更換為持壓/泄壓閥。泵組供給的消防水先經過多功能控制閥,到持壓/泄壓閥后再進入消防管網?；亓鞴艿腊踩箟洪y開啟壓力設置為1.4 MPa,持壓/泄壓閥開啟壓力設定為0.6 MPa,降低多功能水力控制閥進出口的壓差,以達到讓多功能水力控制閥緩慢開啟的作用。消防電動泵自動啟動時,泵出口壓力維持在持壓/泄壓閥設定壓力,后端壓力根據消防需水量在一個壓力區間波動;滅火完畢,消防管網后端閥門全部關時,管網壓力升高,泵出口壓力上升。當管道壓力超過回流安全泄壓閥設定壓力后,消防水通過回流管道安全泄壓閥回到消防水罐。方案所需工程費用約為1.6萬元。

綜上分析,消防泵的出口處的檢測碟閥更換為持壓/泄壓閥,既滿足了消防需求水量,又不會造成電機過流。此項措施切實可行,安全可靠,且工程量和投資都比較小,是最佳解決措施。

3.2 消防栓口壓力超壓的改進措施

結合上述原因分析,提出解決罐區、辦公樓消火栓口壓力超壓措施,同時提出最佳解決措施。

措施一:將普通型消火栓更換為減壓型消火栓。將罐區28套、辦公樓12套普通型消火栓直接更換為出口壓力為0.5 MPa減壓型消火栓,工期短、費用小。

措施二:將減壓旁通管路直接與罐區、辦公樓消防管網連通。該措施就是將碼頭、罐區消防管網的各兩路進水管分開設置,保證罐區消防壓力會通過,但該措施涉及重新開挖管溝,埋設消防管道,工期長、費用大等問題。為此,將普通型消火栓更換為減壓型消火栓措施最優。

3.3 消防管道連接的改進措施

針對上述原因分析,指出當前消防管道工程常用的螺紋連接、焊接、法蘭連接、卡箍連接等連接形式優劣,提出最佳改進措施[3]。

3.3.1 螺紋連接優劣

螺紋連接技術比較簡單、應用方便,具有一定可靠性,在管道連接技術發展初期是人們比較推崇的方式。但是,隨著經濟的快速發展,消防給水壓力、流量均大幅增大,這就需要采用口徑較大的消防管道。而大口徑管道采用螺絲接口,施工難度大,當接口處螺紋淺了,會出現連接不牢固,容易漏水;而接口處螺紋深了,會使管壁太薄,難以承受系統的工作壓力。因此,螺紋連接已無法滿足較大消防工程的要求。

3.3.2 焊接和法蘭連接優劣

焊接和法蘭是繼螺紋連接之后較為優秀的消防管道連接方式。它具有安全可靠、牢固、使用時間相對較長等優點,但是成本比較高、工期長。特別是隨著投用時間的推移,暴露的問題越來越多。因為在焊接過程中高溫破壞了管道接口附近的鍍鋅層,鐵和鋅形成電位差而產生電化學腐蝕,縮短了系統的壽命,而管內壁的氧化鐵脫落物在系統運行過程中堵塞管道和噴頭,影響了整個系統的正常使用。因此,國家相關標準要求,當消防給水系統管道采用內外壁熱浸鍍鋅管時,不應采用焊接,采取焊接法蘭時需進行二次鍍鋅。

3.3.3 卡箍連接優劣

隨著科學技術的發展,卡箍式的連接廣泛應用生活供水系統、消防系統、空調系統等。相比于螺紋連接和焊接等傳統的連接方式,卡箍連接主要有安裝簡便 、工期較短、安全性高,使用壽命30年以上、管理維修方便等優點。其橡膠密封圈和卡箍采用特有的可密封的結構設計,使得溝槽連接件具有良好的密封性,并且隨管內流體壓力其密封性相應增強。由于卡箍連接的特點,卡箍連接處的強度低于焊接強度,并且卡箍位置的管道存在兩個游離端,故連接處是管道最薄弱的環節。在施工過程中能否在管道外壁上加工合格的溝槽是卡箍連接關鍵之一,否則可能會造成接口漏水,甚至滑脫事故。

3.3.4 4種連接方式的經濟性比較

4種連接方式的經濟性比較見表1。

表1 4種連接方式的經濟性比較

綜上分析,卡箍連接是消防管道的最佳連接方式。當前碼頭采取卡箍連接方式符合現行規范要求,但應將使用1.6 MPa材質卡箍連接件更換為 2.5 MPa卡箍連接件,同時嚴格按照規范對管道進行重新滾槽。

4 結束語

石油庫的消防設計質量直接影響石油庫的安全。為了抑制石油庫火災事故引發的危害及損失,應采用適宜的設計方法,分別對石油庫消防系統的冷卻水系統、泡沫液系統等構成要素進行設計,以減少火災引發的人員傷亡及經濟損失,提高石油庫運行的安全性。此外,隨著石油庫規模、消防要求等不斷變化,需對消防系統設計進行動態更新,以保障消防系統火災防控功能的可靠性。