直线型油品码头固定消防炮选型

苏洪涛

(湖北省交通规划设计院，湖北武汉 430030)

在油品化工码头的众多消防设备中，直接灭火的泡沫消防炮及起冷却作用的消防水炮是其中重要的组成部分，其选型直接影响其他部件的设计。如何快速地计算选型是该类码头消防设计的一个难点。

1 相关规范的理解及参数的确定

1.1 消防炮设计流量的确定

1)消防水炮设计流量的确定。装卸油品化工码头消防冷却水量的公式如下:Q1=0.06×F×ql。其中，Q1为冷却水流量，L/s;F为冷却范围，m2，由船型资料定;ql为冷却水供给强度，其值为2.5L/(min·m2)［1］。根据《装卸油品码头防火设计规范》，“冷却水可以由水上和陆上消防设备共同提供，但陆上消防设备所提供的冷却水量不应小于全部冷却水量的50%”，所以，在有水上消防船的条件下，由固定式消防炮提供的冷却水量其最低值为Q1min=0.5×Q1，在无水上消防的情况下Q1min=Q1。另外，规范限定装卸甲类油品的一级码头，“至少应有一艘消防船或拖消两用船进行监护”，所以在此类码头中可以默认该工程中固定式消防水炮的最小设计流量为Q1min=0.5×Q1。2)消防泡沫炮设计流量的确定。装卸油品化工码头泡沫混合液最小供给量的公式如下:Qp=fmax×qp。其中，Qp为冷却水流量，L/s;f max为设计船型最大油舱面积，m2，由船型资料定;qp为泡沫混合液供给强度，其值不小于8L/(min·m2)［1］。

1.2 消防炮与油船之间的关系

消防炮与油船的相对位置关系是通过消防炮的覆盖范围来确定的。《装卸油品码头防火设计规范》6.5.2条规定，当有水上消防设施监护时，可由消防炮及水上消防设施联合满足泡沫炮射程覆盖设计船型油舱、水炮射程覆盖设计船型的要求，然而在《固定消防炮灭火系统设计规范》4.2.4条要求“泡沫炮的射程应满足覆盖设计船型的油气舱范围，水炮的射程应满足覆盖设计船型的全船范围”，并不考虑水上消防设施的影响。考虑到《固定消防炮灭火系统设计规范》4.2.4条为国家标准中的强制性条款，加之油品化工码头的安全性需求，笔者认为消防炮与油船的相对位置以满足《固定消防炮灭火系统设计规范》为准绳，在图纸上可直观地理解为以各消防水炮为圆心、射程为半径做圆，各圆的半径能覆盖设计船型，同样的，泡沫炮应满足以各泡沫炮为圆心、射程为半径做圆能够覆盖油舱。由于消防炮的射程和流量及压力的方根均成正比关系，对于选定了消防炮个数及型号的工程，最经济的布置方式就是使消防炮的射程刚好能够覆盖其规定的范围，这样对后方的压力和水量的要求都刚好合适，没有浪费。在图面上就要求首尾的两台炮其保护范围圆落在油船的边角上，中间的消防炮的保护范围圆相交，且其交点落在保护范围的边线上。在理想状态下，以四台炮为例，消防水炮、泡沫炮与化学品船的位置关系分别如图1，图2所示。

图1 消防水炮与油品船的位置关系

图2 泡沫炮与油品船的位置关系

从图1和图2中可以看到，由于保护范围的不同，在理想状态下，泡沫炮和水炮数目相同的时候，其布置位置是不同的。在炮数不同的情况下更是如此。而实际情况是，油品码头上的装卸设备、电气设备及其他设施都较多，如果将消防水炮和泡沫炮分开设置，必然要在码头上设置较多的炮塔，给码头的布置带来不便。同时，泡沫混合液受到平时必须空管且要在水泵启动后5min之内送至最远着火点的限制，其往往和消防冷却水共用水源。如果消防水炮和泡沫炮的个数不同，炮数少的系统因其保护范围扩大其炮口所需压力也将增大，而这个增大的压力对于炮数多的系统不必要，造成了相对浪费，故而也无需考虑消防炮个数的不同的情况。有鉴于此，消防炮和水炮一般是个数相同且位置一致，市场上的双层炮塔即是为此专门设置。以各系统选用四门炮为例，消防炮塔的设置见图3，其设置以消防水炮设置最优为基准，消防泡沫炮的保护范围则稍微扩大。

图3 消防炮与油品船的位置关系

2 数学模型的建立及求解

经过上述分析，可以得到以下几点:

1)对于给定外部条件的油品化工码头，消防水炮、泡沫炮都有一个设计最小流量，这里分别记为Q1min及Qpmin;

2)消防炮的保护范围内保证单股水流到达任何一点;

3)消防水炮和泡沫炮设置在一座炮塔上，炮塔的设置位置按消防水炮布置最优来考虑，泡沫炮根据消防水炮的位置进行反算选型。另外，在实际情况下，各消防炮之间由于间距的问题，炮口压力必然不同，然而考虑到压力差别较小，为计算方便假设各消防炮的炮口压力均和最不利处消防炮相同，这样各消防炮的射程范围就一样了，其中消防水炮和泡沫炮的射程分别记为Ds，Dp。另设油船边线至消防炮塔距离为a，油船宽度为b，油船总长为L，其中a由设计定，L，b则是油船的自身尺寸。则在n个消防水炮保护油船的情况下，最经济的布置方式如图4所示。

图4 n个消防水炮保护油船示意图

图4中，h为油船中心线至炮塔的距离，h=a+0.5b;h为油船外边线至炮塔的距离，H=a+b。

对于直线型码头，由前文的假设条件，根据勾股定理不难得到以下两式:

于是得到:

其中，L，H，h对于一个给定的码头，其值为定值或可以由设计人员根据相关规范取值确定，故该式是仅关于消防炮个数n及消防炮射程Ds的方程。

如前文所述，给定的油品化工码头，其提供的消防冷却水有个最小值Q1min，根据式(2):

可以求出各消防炮对应于Q1min的压力p1min。

其中，qs0为水炮在额定工作压力时的流量，m，由消防炮型号确定;p0为水炮的额定工作压力，MPa，由消防炮型号确定;pe为水炮的设计工作压力，MPa。

《固定消防炮灭火系统设计规范》规定消防炮“设计工作压力与产品额定工作压力不同时，应在产品规定的工作压力范围内选用”，即pe∈［pmin′，pmax］，其中，pmin′，pmax分别为消防水炮工作压力下限和上限，均由厂家提供其参数，结合受到流量限定的最小压力p1min，可知只能选择消防炮最大工作压力大于p1min者。对于可以选用的消防炮，依据其额定工作压力，自小向大依次计算。对于X型消防炮，先选择 p min′及p1min中的大者设定为pmin，得到pe∈［pmin，pmax］。通过式(3)即可以求出相应型号消防炮Ds的取值范围［Dmin，Dmax］。

其中，Ds0为水炮在额定工作压力时的射程，m，由消防炮型号确定。

由于消防炮的射程D越大，所需的某型消防炮个数n也就越少，所以将Dmin，Dmax分别代入式(1)中，可得到 n的取值范围［nmin，nmax］，基于n必然是自然数，也即对X型消防水炮而言，其可能的消防炮的个数是［nmin，nmax］之间的正整数。按照自小向大的顺序，依次将n值代入式(1)，则式(1)为关于Ds的一次方程，通过牛顿迭代求出消防炮的射程Ds，继而由式(4)，式(5)计算得到此时的炮口压力及设计流量。

如此反复，即可计算出所有满足规范要求的各型消防水炮，及其在最低要求条件下的工作压力、流量及射程参数。

由图3可以得到泡沫炮与水炮的差别仅为射程范围线的交点在油舱的边线上而不是油船的边线，同样地，由勾股定理可以得到式(6):

其中，b为油船边舱宽度，为油船自身尺寸，无数据时可参照《河港工程总体设计规范》附录B取值;Dp为消防炮设计射程。

计算出Dp后由式(4)，式(5)计算得到此时的炮口压力及设计流量，区别仅是将水炮的额定参数改为泡沫炮额定参数。

经过计算，即可得到所有满足规范的消防炮组合。

3 消防炮设计参数的调整

由于《固定消防炮灭火系统设计规范》规定室外配置的水炮、泡沫炮的额定流量最小值分别不宜小于30L/s和48L/s，故当经过计算选得的消防炮小于该定值后，在条件允许的情况下，以满足规范为准，直接选择额定流量满足该条文的消防炮。一般来说，10000t及以下的油轮，均可以直接采用规范规定的最小值选炮，只有在室外条件确实不允许且得到消防单位许可的情况下，方可采用依据计算得到的消防炮。

4 结语

本文所述计算过程可以将直线型直立式油品化工码头所可能选用的消防炮做一个较为准确、完整的计算及选型。如果进一步将该计算过程编译为程序语言制作一个小工具，通过该工具只需输入油船中心线至炮塔的距离h、油船外边线至炮塔距离H及油船停靠区域总长L等3个参数即可完成计算。这样不仅可以提高该领域的设计人员、校核人员的工作效率，同时也可作为相关企业单位、消防主管部门的一个参考工具。

［1］JTJ 237-99，装卸油品码头防火设计规范［S］.

［2］GB 50338-2003，固定消防炮灭火系统设计规范［S］.