某水路油库消防给水系统存在的问题及改进措施

陶克军

〔中国石化安徽石油分公司 安徽合肥 230009〕

水路石油库建设时,为了节约投资,石油库码头、罐区、办公楼等区域消防冷却水由库区内同一泵组供水。由于相关规范标准对三个区域的供水压力要求不同,如二级石油库罐区、码头消防冷却水为临时高压、办公楼消防冷却水为低压供水,但是码头消防冷却水的工作压力、流量更是远大于油罐区的供应强度,这就需要大功率消防水泵来完成。电动消防离心泵具有流量均匀、结构简单、运转可靠、维修方便等诸多优点,所以大部分石油库消防给水系统中消防水泵的主泵基本为电动离心泵,备用泵为柴油引擎泵[1],从而保证消防给水系统能高效地满足灭火要求。

1 某水路石油库消防系统试运行存在的问题

1.1 消防给水系统现状

某水路石油库消防给水系统设计为临时高压系统,码头与库区消防系统由两个不同设计院设计,于2022年10月开始试运行。消防冷却水泵组二备二用,其两台主泵为电动离心泵,参数为XBD12/100G-C,额定扬程120 m,额定流量100 L/s,功率200 kW;备用泵为柴油引擎泵,参数为XBDX12/220,额定扬程120 m,额定流量100 L/s,功率220 kW。码头消防水工作压力大于等于1.0 MPa,流量不小于198 L/s;罐区消防工作压力为0.8 MPa,流量为82 L/s;办公楼消防设计工作压力为0.15 MPa,流量为40 L/s。消防系统供电由一路市电、一路发电机供电,其中市电变压器额定容量为630 kVA。

1.2 试运行存在的问题

(1)电动消防离心泵过载跳闸。模拟实际运行工况,P3/P4消防电动泵均设置为自动启动状态,打开油罐喷淋、消火栓时,管网压力持续泄压低于0.4 MPa,时间15 s,管道压力0.3 MPa以下,P3泵启动,泵出口多功能控制阀打开,泵的出口压力降低0.5 MPa左右,流量加大,电机电流逐渐升高,瞬间操作柱电流显示1 500 A以上,石油库总配电发生过流保护跳闸,多次试运行造成电动消防泵的自藕变压器烧毁。

(2)罐区消火栓出口压力超压。石油库临时高压消防水系统的日常稳压设置为0.45±0.5 MPa,罐区打开一组消防栓后,罐区最远端消防栓出口表压达1.5 MPa,超设计工作压力1.2 MPa,严重超出消防栓口压力不大于0.7 MPa标准。

(3)码头消防管道抱箍漏水、滑脱。码头与库区消防系统由两个不同设计院设计,其中罐区消防管道为无缝钢管材质,采取焊接,与阀门连接处为法兰连接;码头消防管道为热镀锌无缝钢管材质,采用抱箍方式连接,与阀门连接处为法兰连接。码头消防管道在试压运行过程中管道抱箍连接处多处出现漏渗、滑脱现象。

2 原因分析

2.1 电机过流现象原因分析

针对消防水泵试运行发生的过流、跳闸现象,对照厂家所提供的泵组性能实验报告,该离心泵偏离的额定工况点在扬程120 m、流量360 m3/h附近,此工况点对应试验报告的电功率为200 kW。当泵的出口压力降低至1.14 MPa时,流量399.6 m3/h;当泵的出口压力降低至1.01 MPa时,流量460.8 m3/h;当泵的出口压力降低至0.95 MPa时,流量475.2 m3/h。现场测试,当泵的出口零流量时,泵的出口压力为1.6 MPa,随后缓慢手动开启泵的检修碟阀,泵的出口压力维持1.0 MPa,未出现跳闸现象。

结合离心泵特性,分析得出:离心泵扬程偏离额定工况下的功率,当偏离较大时,电机功率就远大于其在泵额定工况下的功率。由于电动消防泵处自动状态,在缺少保护措施或人为控制的条件下,离心泵扬程在偏离额定工况点以下运行会造成电机过流、甚至保护跳闸[2]。

对为何总配电发生过流保护跳闸,而电动消防泵控制柜未跳闸原因,主要是电动消防泵控制柜短路保护设定值为电动消防泵额定电流的10倍,即3 520 A,远大于供电部门给出总配电的过流保护设定值956 A,从而造成了总配电首先发生跳闸现象。

2.2 消防栓出口压力超压现象原因分析

石油库消防泵房内的消防泵组集水管分别引出两条DN300出水管道与码头、罐区、办公楼消防管网连通,同时在消防泵房内每条DN300出水管道起点控制阀处设置DN200旁路,旁路设置1组减压阀以及减压阀前后各设置1组碟阀,参数为阀前压力1.2 MPa,阀后压力0.85 MPa。根据设计要求,当码头发生火灾时,应手动关闭旁路碟阀;当罐区、办公楼发生火灾时,应手动关闭常开的DN300控制阀,消防冷却水由旁路减压后进入管网,罐区、办公楼管网上安装消火栓均为普通型。当发生火警时,消防泵自动启动,泵出口管道压力较大,DN300手动控制阀无法及时关闭(每个控制阀关闭需要1 min,2个控制阀共需2 min),期间罐区或办公楼消火栓表压将达到1.5 MPa,明显超过消火栓出口水压若大于0.7 MPa,按照消防规范要求必须采取减压措施。

相关试验表明:DN65消火栓口水压0.5 MPa时,水枪反作用力为220 N;水压0.7 MPa时,水枪反作用力为350 N。当水枪反作用力超过200 N,一名消防员难以握住;大于350 N,两名消防员将难以握住,极易造成甩带伤人[3]。

原因分析:消防初步设计将罐区及办公楼消火栓均设计为普通型消火栓,后期审核后变更为减压稳压型消火栓,但变更后未进行设计交底,从而造成罐区、办公楼消火栓采购安装的为普通型消防火栓。

2.3 卡箍连接漏水、滑脱原因分析

通过现场试压,使用消防泵将管道充满水,排净空气。当压力升至1.6 MPa时,管道卡箍连接处发生漏水、滑脱现象。

原因分析:码头消防管道采用热镀锌无缝钢管,卡箍连接,设计压力为1.6 MPa,工作压力大于等于1.0 MPa,日常稳压在0.45±0.05 MPa,使用卡箍连接管件最大工作压力1.6 MPa,但设计安装时均未考虑到临时高压系统。当码头消防炮出水口未打开时,管道压力会在短时间迅速上升,超过设计压力和管件最大工作压力,从而造成管道卡箍连接件漏水、滑脱。

3 改进措施

3.1 电机过流改进措施

针对电机过流原因,提出解决电机过流措施,同时提出选择最佳解决措施。

措施一:现有变压器扩容。对目前安装的630 kVA变压器(额定电流956 A)进行扩容,理论计算至少需要扩容为1 200 kVA变压器(额定电流1 823 A),才能承载低压大功率200 kW电动消防泵启动瞬间3～5倍额定电流。扩容措施投资较大,仅为保证泵的启动,正常运行石油库根本不需要如此大功率的变压器,明显存在资源浪费,同时还需协调电力部门重新取得许可。

措施二:将泵出口多功能控制更换为持压/泄压阀。这一解决措施需要将2台电动泵的出口多功能控制阀更换成持压/泄压阀。但存在持压/泄压阀起不到防止和减弱水泵启闭时管线的水锤水击、防止水倒流保护水泵、维护管路安全作用。

措施三:将泵出口检修碟阀更换为电动闸阀。通过与消防控制系统联锁的电动执行机构,缓慢控制阀门开启度,从而保证电动消防泵启动阶段出口处的压力不发生过载。电动闸阀开启时间、开启度需要根据现场实际进行调试设定。方案所需工程费用约为11万元。

措施四:将泵出口检修碟阀更换为持压/泄压阀。泵组供给的消防水先经过多功能控制阀,到持压/泄压阀后再进入消防管网。回流管道安全泄压阀开启压力设置为1.4 MPa,持压/泄压阀开启压力设定为0.6 MPa,降低多功能水力控制阀进出口的压差,以达到让多功能水力控制阀缓慢开启的作用。消防电动泵自动启动时,泵出口压力维持在持压/泄压阀设定压力,后端压力根据消防需水量在一个压力区间波动;灭火完毕,消防管网后端阀门全部关时,管网压力升高,泵出口压力上升。当管道压力超过回流安全泄压阀设定压力后,消防水通过回流管道安全泄压阀回到消防水罐。方案所需工程费用约为1.6万元。

综上分析,消防泵的出口处的检测碟阀更换为持压/泄压阀,既满足了消防需求水量,又不会造成电机过流。此项措施切实可行,安全可靠,且工程量和投资都比较小,是最佳解决措施。

3.2 消防栓口压力超压的改进措施

结合上述原因分析,提出解决罐区、办公楼消火栓口压力超压措施,同时提出最佳解决措施。

措施一:将普通型消火栓更换为减压型消火栓。将罐区28套、办公楼12套普通型消火栓直接更换为出口压力为0.5 MPa减压型消火栓,工期短、费用小。

措施二:将减压旁通管路直接与罐区、办公楼消防管网连通。该措施就是将码头、罐区消防管网的各两路进水管分开设置,保证罐区消防压力会通过,但该措施涉及重新开挖管沟,埋设消防管道,工期长、费用大等问题。为此,将普通型消火栓更换为减压型消火栓措施最优。

3.3 消防管道连接的改进措施

针对上述原因分析,指出当前消防管道工程常用的螺纹连接、焊接、法兰连接、卡箍连接等连接形式优劣,提出最佳改进措施[3]。

3.3.1 螺纹连接优劣

螺纹连接技术比较简单、应用方便,具有一定可靠性,在管道连接技术发展初期是人们比较推崇的方式。但是,随着经济的快速发展,消防给水压力、流量均大幅增大,这就需要采用口径较大的消防管道。而大口径管道采用螺丝接口,施工难度大,当接口处螺纹浅了,会出现连接不牢固,容易漏水;而接口处螺纹深了,会使管壁太薄,难以承受系统的工作压力。因此,螺纹连接已无法满足较大消防工程的要求。

3.3.2 焊接和法兰连接优劣

焊接和法兰是继螺纹连接之后较为优秀的消防管道连接方式。它具有安全可靠、牢固、使用时间相对较长等优点,但是成本比较高、工期长。特别是随着投用时间的推移,暴露的问题越来越多。因为在焊接过程中高温破坏了管道接口附近的镀锌层,铁和锌形成电位差而产生电化学腐蚀,缩短了系统的寿命,而管内壁的氧化铁脱落物在系统运行过程中堵塞管道和喷头,影响了整个系统的正常使用。因此,国家相关标准要求,当消防给水系统管道采用内外壁热浸镀锌管时,不应采用焊接,采取焊接法兰时需进行二次镀锌。

3.3.3 卡箍连接优劣

随着科学技术的发展,卡箍式的连接广泛应用生活供水系统、消防系统、空调系统等。相比于螺纹连接和焊接等传统的连接方式,卡箍连接主要有安装简便 、工期较短、安全性高,使用寿命30年以上、管理维修方便等优点。其橡胶密封圈和卡箍采用特有的可密封的结构设计,使得沟槽连接件具有良好的密封性,并且随管内流体压力其密封性相应增强。由于卡箍连接的特点,卡箍连接处的强度低于焊接强度,并且卡箍位置的管道存在两个游离端,故连接处是管道最薄弱的环节。在施工过程中能否在管道外壁上加工合格的沟槽是卡箍连接关键之一,否则可能会造成接口漏水,甚至滑脱事故。

3.3.4 4种连接方式的经济性比较

4种连接方式的经济性比较见表1。

表1 4种连接方式的经济性比较

综上分析,卡箍连接是消防管道的最佳连接方式。当前码头采取卡箍连接方式符合现行规范要求,但应将使用1.6 MPa材质卡箍连接件更换为 2.5 MPa卡箍连接件,同时严格按照规范对管道进行重新滚槽。

4 结束语

石油库的消防设计质量直接影响石油库的安全。为了抑制石油库火灾事故引发的危害及损失,应采用适宜的设计方法,分别对石油库消防系统的冷却水系统、泡沫液系统等构成要素进行设计,以减少火灾引发的人员伤亡及经济损失,提高石油库运行的安全性。此外,随着石油库规模、消防要求等不断变化,需对消防系统设计进行动态更新,以保障消防系统火灾防控功能的可靠性。