PIPENET在石油化工项目水喷雾系统计算中的应用

2023-01-18

一、水喷雾系统设计

1. 项目水消防系统简介

本项目为一化工项目, 水消防系统按照FM要求及国标规范设计, 全厂的办公楼、实验楼、公用工程间、厂房和仓库均设置自动喷水灭火系统和消火栓系统。室外设置消火栓、消防炮及泡沫栓/炮系统。3套主装置区均设置水喷雾系统, 水喷雾系统灭火时间2h。喷淋系统和消火栓系统分别设置3台柴油机消防泵及电动稳压泵, 其中喷淋系统与消火栓系统主管网设置连通管及控制阀门。柴油机消防泵额定工况2500GPM@10barg.柴油机消防泵的启动由设置在控制柜内的压力开关按设定值依次启动[1]。消防水罐有效容积6000m3.

2. 水喷雾系统设计

根据FM的要求, 装置区设置全方位主动防护系统, 即水喷雾系统保护, 包括装置内的可燃液体设备、可燃液体输送泵、成组布置主电缆桥架、装置区主梁、主柱等构件以及装置区6.1m范围内的管廊。

由于是FM投保项目, 水喷雾系统按FM及国标设计, 两者不一致时, 取要求严格值。因此水喷雾系统设计参数采用NF-PA15, FMDS4-10N, FMDS7-14, FMDS3-7.装置区可燃液体储罐设计喷雾强度不低于10.2L/min·m2, 泵设计喷雾强度20.4L/min·m2.采用中速水雾喷头, 最不利喷头工作压力2barg[2].

钢结构主梁、柱及管廊立柱等承重钢结构的喷雾强度10.2L/min·m2, 喷头采用ANGUS专用喷头, K=14.喷嘴最小工作压力2.1-2.4barg。梁、柱保护范围为地面以上9.1m范围内。

以酚盐装置为例介绍水喷雾系统的设计及阀组保护区域划分。酚盐装置为三层钢结构框架, 局部四层。该装置雨淋阀组保护范围及区域见图1。

由于上下半区之间设有防火墙隔开, 根据FM要求, 装置水喷雾设计流量为:装置区阀组DV-01-01~04、管廊区阀组DV-01-07~08共6个雨淋阀组同时开启。

其中阀组DV-01-04保护的设备、泵及主梁、柱的流程图见图2

3套装置区分别设置水喷雾系统, 其中酚盐装置共设置8套雨淋阀组, 磺酸盐装置共设置7套雨淋阀组, 胺盐装置共设置3套雨淋阀组。雨淋阀组集中布置。

二、PIPENET简介

英国SUNRISESYSTEMLIMITED研发的PIPENET是一个强大的流体管网分析、计算软件, 具有强大的工程管网系统的数值计算、模拟仿真和系统优化功能。PIPENET具有标准模块、消防模块、瞬态模块三个独立运行的软件[3]。

PIPENET的消防模块是专门为消防系统开发的专业消防软件, 遵循NFPA (美国消防协会) 、FOC (英国国家消防委员会) 、GB (中国标准) 等消防规范, 应用最不利工况算法及用户自定义算法实现对雨淋系统的计算及消防主环网水力计算, 校核各种典型的消防工况, 生成国际公认的消防计算报告。

PIPENET软件瞬态模块可用于模拟消防系统停泵、启泵及雨淋阀动作等引起的水击计算, 计算消防系统响应时间。

PIPENET软件与PDMS、CAESARII软件有接口, 可直接将三维模型读成PIPENET模型。

三、水喷雾系统水力计算

1. 水力计算目的

水喷雾系统水力计算的目的:计算管径并检查管道内流速, 使其控制在规定流速之下;喷淋头达到流动平衡, 即水喷雾系统内流动平衡;优化管网入口的压力和流量。校核消防泵工况。

2. 模拟思路

将整体消防管网分为雨淋阀组系统与消防主环网两级管网进行优化分析, 然后再将雨淋系统与消防主环网连接形成整体消防管网进行工况校核。基本流程如下:

⑴输入项目基本信息, 选择系统类型, 选择适用消防规范, 管道标准, 压力损失计算公式, 最大流速控制、喷头类型等。其中管道材料等级标准ANSIB36.10, A53Gr.B, Schdule40.喷头为TYCOD3型中速水雾喷头, 最不利喷头工作压力0.2MPa.值得注意的是, GB标准对于消防管道压力损失计算公式采用舍维列夫公式, 而NFPA采用海登-威廉公式, 对于镀锌钢管, 管道材质系数C=120.后者比前者计算结果小很多。据美国测试, 自动喷水灭火系统的管道经过20~25年的使用, 其实测水头损失与采用的海登-威廉公式设计计算结果相当[4]。

⑵依照水喷雾系统流程图及管道轴测图, 绘制各个阀组结构图, 输入管道直径、长度、高程及喷头类型及喷头K值、雨淋阀组及控制阀门等参数;优化管径及喷头K系数, 按照最不利工况算法计算每个阀组入口点的压力及流量。

⑶建立消防主环网模型图, 输入消防泵特性参数。模拟两台泵运行或三台泵运行条件下各种典型消防工况 (含最不利工况) 。

⑷将各个雨淋阀组依照工况要求接入主环网, 形成整体管网。模拟及校核两台泵运行或三台泵运行条件下各种典型消防工况 (含最不利工况) 。

3. 雨淋阀组系统计算

计算系统分为三个区, 分别为酚盐01700、磺酸盐02700、胺盐04700。其中01700区域含有8个阀组, 02700区域含有7个阀组, 04700区域含有3个阀组。每个阀组包含有储罐、管廊、泵及梁柱等水喷雾系统。其中02700区域内阀组DV-02-01管网模型见图3所示。

综合考虑管道长度及管道高程影响, PIPENET软件可自动确定最不利喷头位置, 让其达到设计流量, 可计算得到每个雨淋阀组入口节点的压力及流量。如图3所示DV-02-01阀组, 且每个储罐依次排列, 入罐总流量是不均匀的, 距离入口越近其入罐流量越大。因此需要通过调整管径、喷头K值等手段使得管道流速在控制流速之下、每个储罐总流量不超过设计流量的110%, 且满足喷淋强度要求。阀组DV-02-01中优化前后每个储罐流量详见表1:

对上述17个阀组不满足流量要求的储罐进行调整分析后, 应用最不利工况算法计算得到每个阀组入口节点的压力与流量, 见表2。

4. 消防主环网计算

消防主环网的计算目标, 需要校核消防泵能否满足不同运行工况的系统所需流量及压力。模拟消防泵运行工况, 其中消防泵的最大运行流量不超过150%额定流量。模拟主环网某段损坏或阀门检修工况下, 确保系统能够正常工作。本工程要求某一区域失火, 其相关所有阀组内喷头全部启动灭火。模拟计算两台泵或三台泵同时运行。模拟如下工况中所对应阀组全部开启的工况, 计算出消防泵运行参数、消防主管网及各雨淋阀组处流量、压力、及喷头参数。

消防主环网计算工况如下:

不同工况对应着不同的管道参数及边界条件, 由此所形成的管网特性曲线不同, 因此其与泵特性曲线的交点不同, 即在不同工况下, 泵的工作点会发生变化。

本工程中, 由于业主不接受减压孔板、减压阀来调整压力, 因此只能通过调整主管网及阀组连接管管径的方式满足每个阀组经由3.3计算得到的入口参数。

消防主环网结构如图4所示。