1. 引言
EPAnet是由美国国家环境保护局(EPA)开发的有压管网水力特性模拟的计算机程序 [1] ,主要用于区域、城市和乡镇供水管网的规划和设计 [2] [3] ,也用于自动喷淋系统等的设计。
目前,炼油厂消防水系统设计多采用传统经验法,尽管满足《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-2008)要求,但消防水泵扬程及管道管径的选取偏于保守,导致工程投资增加。将EPAnet软件应用于山东某炼油厂消防水系统的设计和优化中,通过初选法确定系统设计参数,用EPAnet建立模型,根据软件模拟结果对系统进行优化。
2. 工程概况
山东某炼油厂占地约85 hm2,根据GB50160-2008,同一时间内火灾按一处厂区消防用水量最大处考虑。经计算,厂区消防用水量最大处为液化石油气球罐区,其消防用水量为1908 m3/h (530 L/s),火灾延续供水时间为6 h,一次设计消防用水量为11,448 m3。
厂区采用独立的稳高压消防水系统。厂区设置1座消防加压泵站,设计规模为2000 m3/h,消防水储量为20,000 m3。站内配置1台电动消防水泵和2台柴油机消防水泵,单泵额定流量为1000 m3/h,额定扬程为120 m正常时一电一柴即可满足炼厂消防供水要求,失电时采用两台柴油机消防泵。配置消防稳压泵2台(1用1备),单泵额定流量为54 m3/h,额定扬程为100 m;配置消防水储罐共2座,总有效容积为20,000 m3。消防水管网平时由稳压泵维持压力不低于08 MPa(g),消防时最不利点的系统工作压力不低于0.8 MPa(g),消防时开启消防水泵,确保消防管网最不利点的压力不低于08 MPa(g)。
根据保护对象的消防用水流量和传统经验法,首先初步确定了厂区消防管网的布置和管径选择初步方案。消防加压泵站和液化石油气球罐区周围消防管道的管径采用DN450,工艺装置和其它罐区采用DN300,辅助生产设施采用DN200。
3. EPAnet的应用
3.1. 模型建立
根据厂区消防水系统初步设计方案,分别建立节点、管段、水泵、储水罐等要素,并依据设计参数对上述要素赋值,如节点赋值流量,管段赋值管径和长度,水泵赋值流量和扬程等。EPAnet中水头损失可采用Hazen-Williams,Darcy-Weisbach或Chezy-Manning公式计算 [1] 。本工程消防水管道选用流体输送用无缝钢管(GB/T8163-2008),材质为20#钢。管道水头损失采用Hazen-Williams公式计算,管壁粗糙系数Ch取100 [4] 。厂区消防水系统模型如图1所示。
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Figure 1. Firefighting water system model in refinery
图1. 厂区消防水系统模型
3.2. 消防水系统最不利运行工况校核
厂区消防用水量最大处为液化石油气球罐区,消防用水量为1908 m3/h (530 L/s),消防时供水压力不低于0.8 MPa(g)。消防水系统的最不利运行工况为液化石油气罐区处发生火灾,同时考虑管网一处管道发生事故停用,由其余环段供给消防用水。消防水系统模型中设置液化石油气球罐区附近节点15和18为火灾用水点,用水量分别为954 m3/h (265 L/s),节点16处于发生事故的环段,所连接的管段8、9、38和39均无过流量,采用EPAnet对模型执行分析,结果如图2所示。
从图2和分析结果可知,最不利工况时,火灾点消防用水量为530 L/s,节点18模拟工作压力最低,为1.07 MPa(g),管段21流速最高,为2.41 m/s。
根据消防水系统初步设计方案的模拟结果,最低工作压力明显大于0.8 MPa(g),最高流速明显小于GB50160-2008要求的不大于3.5 m/s,说明该消防水系统还有较大的优化空间。
3.3. 系统优化
1) 系统工作压力
该炼油厂消防水系统在最不利工况时各节点工作压力详见图3。
从图3可知,消防水系统各节点工作压力为1.07 MPa(g)~1.20 MPa(g),设计最低工作压力为0.80 MPa(g),系统工作压力满足要求,且仍有降低空间。通过调整水泵参数进行多次重新模拟可知,选用总流量为2000 m3/h,扬程为95 m的水泵即可满足系统工作压力大于0.80 MPa(g)的要求。
本方法还可用于扩建或改建工程,当消防水管网已建成或不易改变时,用于校核管网工作压力及流
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Figure 2. Firefighting water system worst running condition
图2. 消防水系统的最不利运行工况
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Figure 3. Point pressure of firefighting water system worst running condition
图3. 消防水系统的最不利运行工况各节点压力
量、确定消防水泵的参数选取和更换方案。
2)管径的选取
在最不利工况时,该炼油厂消防水系统各管段流速详见图4。
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Figure 4. Piping velocity of firefighting water system worst running condition
图4. 最不利运行工况时消防水系统各管段流速
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Table 1. Firefighting water piping material statistics
表1. 消防水管网工程材料统计表
从图4可知,消防水系统各管段流速较大的管道分别为管道3 (2.36 m/s)、管道16 (2.16 m/s)和管道21 (2.41 m/s),称为“控制管段”。将管道3和16的管径由DN300调整为DN250进行重新模拟,各“控制管段”的流速分别为管道3 (2.64 m/s)、管道16 (2.73 m/s)、和管道21 (2.99 m/s),最不利节点处压力1.04 MPa(g),表明设计方案与规范要求的流速≯3.5 m/s、工作压力≮0.80 MPa(g)之间仍有一定调整空间。
本方法适用于新建或扩建工程中核算消防水管道流速,确定管道规格。
4. 工程量对比
管网投资在消防水系统总投资中占有较大比重。本工程消防水管道均采用,分别对采用“传统经验法”和“软件模拟法”设计方案的消防水管网工程量进行统计,详见表1。
从表1可知,采用“软件模拟法”设计方案的消防水管网工程量明显低于“传统经验法”,通过软件模拟优化,DN450管道减少2615 m,可节约钢材98 t,考虑管道施工及防腐材料等费用,可节约工程建投资约78.4万元,优化效果显著。
5. 结论
采用传统经验法确定的消防水泵扬程和消防水管网管径偏大。采用EPAnet软件对炼油厂消防水系统进行模拟和优化,可准确校核系统最不利运行工况时的管网水力状况。同时,通过分析节点工作压力、管段设计流速等运行参数,提出了优化设计的方向和途径,降低了消防水管网工程投资,可供新建、扩建或改建炼油厂消防水系统工况校核和优化设计时参考。