PIPENET軟件用于海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)的水力分析

閻貴文，安明泉

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引言

海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保消防泵的性能和管網(wǎng)的性能同時(shí)滿足各種用戶在各種工況下的工作需求，設(shè)計(jì)的合理性對(duì)工程投資和今后的運(yùn)行管理都會(huì)產(chǎn)生較大影響。水力計(jì)算分析是消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，正確、合理的水力分析對(duì)確保系統(tǒng)正常運(yùn)行、最佳的經(jīng)濟(jì)性和適用性具有重要作用。PIPENET是目前主流的管網(wǎng)流體計(jì)算與分析軟件，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、造船、化工以及電力工業(yè)等領(lǐng)域，用于管網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算和優(yōu)化。采用PIPENET軟件研究這一問(wèn)題具有巨大的實(shí)際價(jià)值。

1 海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)

海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)由消防泵、管網(wǎng)、雨淋閥、軟管站、消防栓、消防炮、噴頭等幾部分組成。消防水系統(tǒng)是海上生產(chǎn)設(shè)施中非常復(fù)雜的一個(gè)系統(tǒng)，它涉及的用戶多、工況復(fù)雜。通常為了提高消防管路的安全性，將主管路設(shè)計(jì)成環(huán)狀網(wǎng)路并且利用閥門(mén)分成多段，一旦主管網(wǎng)某段發(fā)生故障，可以及時(shí)截?cái)喙收瞎苈范渌苈防^續(xù)供水，從而保證整個(gè)消防系統(tǒng)的供水不受影響。由于環(huán)狀管網(wǎng)各管段互相連接，使得節(jié)點(diǎn)較多，管路水流方向不定，加之各種運(yùn)行工況的存在，使得環(huán)狀管網(wǎng)的分析計(jì)算變得相當(dāng)復(fù)雜、繁瑣[1]。因此有必要對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行水力分析，保證管徑、消防泵等配置經(jīng)濟(jì)合理。針對(duì)消防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)際工程一般利用PIPENET軟件進(jìn)行水力學(xué)分析，通常把消防水系統(tǒng)分成消防主環(huán)網(wǎng)和雨淋閥后噴淋系統(tǒng)兩部分分別進(jìn)行建模分析[2]。

2 PIPENET軟件簡(jiǎn)介

PIPENET軟件的Spray/Sprinkler模塊，可用于消防管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的數(shù)值計(jì)算及模擬仿真，遵循國(guó)際公認(rèn)和常用的各種消防規(guī)范 （如NFPA、FOC、GB等），并符合上述規(guī)范對(duì)各行業(yè)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嚴(yán)格而特殊的各種強(qiáng)制性計(jì)算和布置要求。

PIPENET的Spray/Sprinkler模塊還可以為消防系統(tǒng)等在靜態(tài)工況下工作的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)設(shè)備選型，使設(shè)備的型號(hào)更準(zhǔn)確、更安全、更經(jīng)濟(jì)。對(duì)于介質(zhì)為水的情況，消防水系統(tǒng)的計(jì)算核心是采用海澄—威廉 （Hazen-Williams）公式[3]。

式中Pfric——摩擦及管件造成的壓力損失/×0.1MPa；

L——管道長(zhǎng)度/m；

Le——管件的當(dāng)量長(zhǎng)度/m；

Q——體積流量/（L/min）；

D——管徑/mm；

C——海澄—威廉系數(shù) （或叫C系數(shù)）。

3 海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)的PIPENET水力分析

3.1 項(xiàng)目消防水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文結(jié)合某一海上無(wú)人駐守平臺(tái)，利用PIPENET軟件進(jìn)行消防水系統(tǒng)的水力計(jì)算分析。該平臺(tái)共四層甲板，擁有井口和簡(jiǎn)單生產(chǎn)設(shè)施。其消防水系統(tǒng)為干式環(huán)狀系統(tǒng)且沒(méi)有設(shè)置消防泵，平時(shí)管網(wǎng)中無(wú)消防水，在上層甲板處設(shè)置有直徑355 mm的管路接口，環(huán)路為直徑305 mm的管路，環(huán)路至4個(gè)雨淋閥是直徑203 mm的管路。此系統(tǒng)主要有井口和生產(chǎn)設(shè)備兩大噴淋區(qū)，兩個(gè)遠(yuǎn)離的雨淋閥同時(shí)向一個(gè)噴淋區(qū)供水，消防噴淋水量共880 m3/h，入口壓力0.8 MPa，見(jiàn)圖1。當(dāng)鉆修井時(shí)，鉆井平臺(tái)的消防供水管路與直徑355 mm的管路連接，發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)直接提供消防水進(jìn)行消防。

圖1 某海上平臺(tái)消防水系統(tǒng)示意

3.2 建模

PIPENET軟件的建模依據(jù)是消防水系統(tǒng)PI&D、消防管網(wǎng)三維圖、管道詳細(xì)參數(shù)及設(shè)備參數(shù)等。首先把項(xiàng)目實(shí)際的管材和泵等設(shè)備參數(shù)輸入模型數(shù)據(jù)庫(kù)，然后根據(jù)具體的消防管網(wǎng)走向進(jìn)行模型構(gòu)建，建模要保持與三維圖一致，管件等設(shè)備與實(shí)際數(shù)量一致，這樣的模型才能保證接近實(shí)際情況，為水力計(jì)算分析提供基礎(chǔ)。

本平臺(tái)初步設(shè)計(jì)時(shí)缺乏詳細(xì)的管網(wǎng)三維圖，未做消防水系統(tǒng)PIPENET水力分析，所以設(shè)定的參數(shù)缺少可行性及經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證。針對(duì)這種情況，本文主要進(jìn)行消防水系統(tǒng)主管網(wǎng)的全程靜態(tài)水力分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可行性。PIPENET水力分析主要包括以下內(nèi)容：

（1）正常狀態(tài)下，入口輸入100%流量以驗(yàn)證管徑及泵參數(shù)的可行性，水流速最大不超過(guò)3 m/s。

（2）故障狀態(tài)下，環(huán)路隔斷及噴淋區(qū)的一路雨淋閥阻塞時(shí)，以90%的流量通過(guò)，驗(yàn)證水流速最大不超過(guò)4 m/s。

3.3 水力計(jì)算分析

在用PIPENET建模時(shí)，暫時(shí)沒(méi)有獲得供水消防泵的曲線，所以分析按照入口壓力為0.8 MPa、流量881.4 m3/h進(jìn)行模擬計(jì)算。本文共模擬兩種狀態(tài)，分析管道內(nèi)的流量、流速及壓力。具體情況見(jiàn)表1。

表1 PIPENET軟件水力分析

3.3.1 正常狀態(tài)

正常消防噴淋情況下 （雨淋閥1和2的噴淋1區(qū)、雨淋閥3和4的噴淋2區(qū)），消防水系統(tǒng)的全部管路水流速都不超過(guò)3 m/s，最大的流速是在直徑355 mm的入口管道，分析結(jié)果見(jiàn)表1、圖2。

3.3.2 故障狀態(tài)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)故障狀態(tài)下直徑355 mm的入口管道壓力為0.8 MPa，90%的流量為793.3 m3/h。消防主環(huán)路使用閥門(mén)隔斷，消防水只通過(guò)一路雨淋閥進(jìn)行噴淋。

故障狀態(tài)1：在主環(huán)路隔斷、雨淋閥2和4阻塞情況下，模擬計(jì)算結(jié)果表明消防水流速并不超過(guò)4 m/s。在這種狀態(tài)下雨淋閥1的支管路流速最大，流速為3.99 m/s，分析結(jié)果見(jiàn)表1、圖3。

圖3 故障狀態(tài)1流速分布示意

故障狀態(tài)2：在主環(huán)路隔斷、雨淋閥1和3阻塞情況下，模擬計(jì)算結(jié)果表明消防水流速并不超過(guò)4 m/s。在這種狀態(tài)下雨淋閥2的支管路流速最大，流速為3.99 m/s，分析結(jié)果見(jiàn)表1、圖4。

圖4 故障狀態(tài)2流速分布示意

分析結(jié)果表明，在正常及故障狀態(tài)下，消防水系統(tǒng)均滿足設(shè)計(jì)要求，所以管路355、305、203 mm的設(shè)計(jì)管徑在目前條件下是合理的。

4 結(jié)論與建議

（1）采用PIPENET進(jìn)行水力分析，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，并優(yōu)化實(shí)際設(shè)計(jì)方案，此海上平臺(tái)的消防水系統(tǒng)在正常和故障狀態(tài)下都滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）本次分析缺少泵曲線參數(shù)，建議取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)再重新模擬計(jì)算，使設(shè)計(jì)更加貼近實(shí)際工況。

（3）本次沒(méi)有分析雨淋閥后的噴淋系統(tǒng)，獲得相應(yīng)的管道三維圖后，建議進(jìn)一步分析閥后的噴淋系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求；并且根據(jù)閥后的分析可以進(jìn)一步反推分析入口壓力是否符合實(shí)際需求。

（4）PIPENET水力分析軟件能夠較準(zhǔn)確模擬出消防系統(tǒng)的水力關(guān)系，但前提是系統(tǒng)建模時(shí)要保證管道、設(shè)備等的參數(shù)及管路三維圖的準(zhǔn)確性。

[1]劉建續(xù).小型環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算方法研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30（6）：62-66.

[2]張克雄，毛偉志，陳好，等.PIPENET水力分析在曹妃甸改造項(xiàng)目中的應(yīng)用研究[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2011，40（5）：50-52.

[3]楊丙杰.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)水力計(jì)算方法比較分析[J].給水排水，2010，36（12）：80-83.