大流量远程灭火系统的制作方法

本实用新型涉及石油石化的大型灭火技术。

背景技术：

大型石油化工企业，大型、成片区域密布的贮油库，一旦这些区域发生火灾，就有可能形成过火面积大、燃烧温度高，并伴随有爆炸可能。要在短时间内扑救的这类型的恶性火灾，光靠企业自身用于自救的储水罐或常规消防部队的现有装备都不能有效、快速扑灭灾害。根据国外的成功的扑灭这类火灾经验，就必须采用可远程供水的大流量（25,000~50,000L/min）灭火炮。

用于消防的远程灭火系统，目前全世界的设计原理上基本都是相同的：主要是由液压浮艇潜水泵模块和加压泵模块组合而成，该组合可实现持续向远距离的灭火现场的消防车提供水源。但如果直接实施大流量（25,000~50,000L/min）的水炮灭火（组成远程供水的大流量灭火炮），还需增加二次加压泵模块（或设置加压泵与水炮一体机）。

由于浮艇潜水泵受运输体积与吊装重量的限制而叶轮直径较小，因而扬程相对比较低，所以只能设计用于低位取水。另外浮艇潜水泵的流量最大不超过6,000L/min，而大流量（通常指≥25,000L/min）远程供水系统就要适配多台浮艇泵并联供水。离心泵的流量大而且扬程可以做到比较高，但没有自吸能力，虽然可以通过辅助排空吸纳低位水，但汽蚀余量的限制导致吸程偏低。所以目前应用的消防远程供水系统均采用多台浮艇潜水泵和离心加压泵组合而成。

传统的大流量远程灭火系统的二次加压泵须与远程供水的一次加压泵串联运行，而远程供水的一次加压泵还要与多台并联运行的潜水泵串联供水。所以传统的大流量远程灭火系统既有并联，还有串联的多台泵组的组合而成（见附图1）。

众所周知，多台水泵并联存在流量不稳与分配不均的问题（见附图2），图2是相同特性的离心泵并联，在装置特性曲线不变时，扬程和流量都增加，其增加程度又和装置特性曲线有关。并联流量小于两台单泵运行时流量之和。离心泵并联时，管路布置应对称或保证阻力相等，使工况点相同，才能保证扬程、流量都相同（实际上非常难实现）。特别注意的是多台低扬程的泵组并联，如果没有安装逆止阀，很容易会造成其中的水泵反转。

而水泵串联运行时：图3是相同特性的离心泵串联，在装置特性曲线不变时，扬程和流量都增加，其增加程度又和装置特性有关，但小于单独运行的两倍。一般情况下不同特性离心泵串联，运行状态不合理，可能发生汽蚀现象和效率下降。还有，常规研究水泵串联的文献与工程规范都是假设一、二级水泵是直接串在一起。但如果一、二级水泵通过软管远距离串联的话，由于工况的不稳定，水泵串联的曲线就变得具有不确定性。在灭火的动态过程时，加压泵的进口压力过低将出现流量不足甚至发生负压汽蚀、当加压泵的进口压力过高（输送距离短或有落差的重力）又会发生超载的危险（使其拖动的动力设备过载而发生故障）。而经过一次加压泵、二次加压泵的多次加压，更使水泵的运行工况点更难以保证。离心泵间隔（特别是远距离）串联运行，除了防止吸入压力过低产生汽蚀（当离心泵中最低压力降低到吸入水温的饱和压力时，泵内即发生汽蚀现象），还要预防吸入压力过高而导致系统超压或设备过载。

由图4的离心泵的汽蚀曲线可以看出，装置汽蚀余量NPSHa随着流量增加而下降，而必须汽蚀余量NPSHr随着流量增加而上升。与NPSHa-Q曲线相交于0点，该流量Q₀的左边为无汽蚀区，右边为汽蚀区。只要装置汽蚀余量小于必须汽蚀余量，即NPSHa＜NPSHr就会发生汽蚀。

如图1所示，在远程灭火系统中，潜水泵B₁(B₁₁+B₁₂+B₁₃并联组合)与离心加压泵B₂与水炮驱动的离心泵B₃串联运行，B₁泵下潜在水中，只要设计与施工合理，其汽蚀余量受现场的影响不大，运行相对比较安全。但B₁潜水泵的扬程不高，出口经过低位水提升h₁至B₂泵入口的管道阻力∑H₂将直接影响P_2S , 所以灭火现场从低位取水的高度超标或管道敷设不合理，将会导致离心泵B₂的装置汽蚀余量NPSHa下降并小于NPSHr而发生汽蚀。另外，更难控制的是：B₂泵出口可能经过复杂地形的高度提升h₂及远程输送至B₃泵入口的管道阻力∑H₃将严重影响P_3S，详见图5、6、7。

B₁泵工作出口压力为P_1d，B₂泵的出口压力为P_2d，B₃泵的出口压力为P_3d；

B₂泵的装置汽蚀余量为：

NPSHa₂=P_1d /ρ.g -∑H₂-h₂-Pv /ρ.g

B₃泵的装置汽蚀余量为：

NPSHa₃=P_2d /ρ.g -∑H₃-h₃-Pv /ρ.g

P_1d受B₁₁、B₁₂、B₁₃的多台泵组并联而流量不均的影响，可能导致P_1d波动并使Q超流量或欠流量。

如图1所示的传统设计面临几个难以克服的问题：汽蚀、超载与水压（流量）不稳。下面对现有设计的系统存在的几大难点问题进行分析：

（1）汽蚀：为了保证不发生汽蚀，离心泵运行时NPSHa必须考虑留有富余量，并应该满足NPSHa—NPSHr≥1m左右。但传统远程灭火系统的设计为多台泵组泵的并联、串联工作。其中多泵并联取水泵的流量Q容易偏离且不稳定（特别是浮艇泵放置的水面有风浪），另外h₂与h₃均随地形、地势而变，与∑H₂与∑H₃的输送距离（∑H₃往往是几十米到几千米的变化）以及与管材、管件、敷设工艺有关，如图5所示。所以设计必须加大并联泵组B₁的总给水余量及提高B₂泵的扬程（满足远程给水能力）对NPSHa进行补偿。

（2）超载：上述的汽蚀解决了，又可能出现另一个问题。流量过补偿使Q超过额定流量工况，B₂泵的吸入压力P_2S过高导致B₂泵超载运行，如图7所示。同样：B₃泵的工况受到远程输送距离（P_2d至P_3S）从几十米到几千米的∑H₃变化及地势h₃落差的综合影响，所以为了确保B₂、B₃泵组的安全，唯有增加B₂及B₃泵的驱动功率余量。

（3）水压不稳：加大了B₁并联泵组的给水流量、加大B₂泵组的扬程、加大B₂及B₃泵组的驱动功率，原则上避免了汽蚀与过载事故的发生，但可能导致了P_1d、P_2d偏高并且不稳定，最后末端水炮驱动的P_3d难免出现大幅度的波动而最终严重影响灭火性能。

所以传统的大流量远程灭火系统不但结构复杂、其操作与调整（每次投入运行须重新整定加压泵的出口压力）更是异常困难。因而该系统一直得不到推广，现有的技术与产品广泛受到质疑，而导致我国多次发生的石化、油库的大型火灾只能用冷却的方式防止燃烧的管道、油罐爆炸及火势蔓延，并让罐内的燃油烧完为止。不少的案例：从火灾的控制到最后的扑灭，往往需要几十、几百小时的持续时间。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种运行稳定的大流量灭火系统。

本实用新型的技术方案如下：

大流量远程灭火系统，其特征在于包括转子取水泵组和离心加压泵组，转子取水泵组的入水口通过转子泵取水管连至浮筒取水口，转子取水泵组的出水口通过远程输水管连至离心加压泵组的入水口，离心加压泵组的出水口通过加压泵出水管连至水炮的入水口。

进一步的，转子取水泵组由恒速运行的柴油机与恒流量运行的转子泵组成。

进一步的，离心加压泵组由数字定压控制的柴油机与恒压控制的离心泵组成。

进一步的，水炮的入口设置有压力变送器，压力变送器反馈水炮的实时工作压力作为数字定压控制的柴油机闭环调速的控制信号。

与现有技术相比，本实用新型采用一套全新的解决方案，由两台不同运行特性的转子容积泵与离心泵串联运行。本实用新型直接采用单台大流量（25,000L/min以上），高扬程的自吸柴油机转子泵与柴油机离心泵串联对大流量的灭火水炮供水。转子泵在转速恒定的情况下，扬程对流量影响不大（随着工作压力的升高，因转子的间隙泄漏，流量会相对稍微减少一些）。由于转子泵具有较强的自吸能力（吸程最大可达9m），转子泵独立完成低位取水及远程输送的作业。转子泵属于容积泵，只要采用恒速控制，其流量就相对稳定。而且容积泵自适应管道阻力特性，自动调节出口压力。只要适配足够的轴功率（输送距离越远，轴功率就越大）并恒速运行的柴油机，输送距离远近、地势高低都不会大幅度影响水泵的流量。大流量的灭火水炮采用数字定压控制的柴油机水泵（离心泵）驱动。离心泵入口用软管连接转子泵的出口，相同流量的转子泵与离心泵串联作业。由于现场地形变化和接管数量的不确定因素，离心泵的流量仍会随装置扬程发生变化而改变。所以离心泵采用数字定压柴油机水泵，控制系统准确数字锁定灭火水炮入口压力在最佳的工况点，从而保证灭火炮的流量与射程满足要求。数字定压控制的柴油机加压泵以水炮的进口压力作为柴油机闭环调速的控制信号，数字定压控制的柴油机水泵不管水泵入口的压力P_2S高/低偏离，可始终维持水炮的入口压力不变。所以本实用新型的大流量远程灭火炮系统不会出现欠流、欠压、超压、超负载等问题。而且整个系统的结构与操作都非常简单，可广泛进行推广应用。

附图说明

图1是现有的大流量灭火系统的示意图。

图2是相同特性曲线的离心泵并联特性曲线。

图3是相同特性曲线的离心泵串联特性曲线。

图4是离心泵的汽蚀曲线图。

图5是图1所示的离心泵B₂与离心泵B₃远距离串联运行的特性曲线。

图6是图1所示的离心泵B₂与离心泵B₃理想距离串联运行的特性曲线。

图7是图1所示的离心泵B₂与离心泵B₃短距离串联运行的特性曲线。

图8是本实用新型的大流量灭火系统的结构图。

图9是本实用新型的大流量灭火系统的给水系统图。

图10是转子泵的工作压力与流量的关系图。

图11 转子泵的特性曲线。

图12是离心泵的特性曲线。

图13是转子泵的装置特性。

图14是转子泵与离心泵串联的特性曲线。

图15是转子泵与离心泵串联运行的特性曲线。

图16是转子泵转速与流量的关系图。

图17是转子泵工作压力与轴功率的关系。

图中示出，1：转子取水泵组；2：离心加压泵组；3：转子泵取水管；4：浮筒取水口；5：远程输水管；6：加压泵出水管；7：水炮；11：恒速运行的柴油机；12：转子泵；21：数字定压控制的柴油机；22：离心泵；71：压力变送器。

具体实施方式

如图8所示，大流量远程灭火系统包括转子取水泵组1、离心加压泵组2、转子泵取水管3、浮筒取水口4、远程输水管5、加压泵出水管6、水炮7等。转子取水泵组1由恒速运行的柴油机11与恒流量运行的转子泵12组成。离心加压泵组2由数字定压（变速）控制的柴油机21与恒压控制的离心泵22组成。图9为图8的系统图。图10是转子泵的工作压力与流量的关系图。图11是转子泵的特性曲线，转子泵在转速恒定的情况下，扬程对流量影响不大（随着工作压力的升高，流量会相对稍微减少一些）。图12是离心泵特性曲线。图13是转子泵的装置特性，图中，H₂＞H₁，Q₁≈Q₂。图14、图15是转子泵与离心泵串联的特性曲线，转子泵为第一级，离心泵是后面的第二级。由于转子泵在装置特性曲线确定后，流量为恒定值。当与相同流量的离心泵串联工作时，相当于离心泵的输入正水头为转子泵的扬程H_A，离心泵的特性曲线往上平移H_A，装置扬程H₃=H_A+H_B。装置扬程H₃为两台水泵扬程相加。

转子泵是容积泵，可不用排空而直接抽低位水，吸程可达9米。根据图16所示，恒速运行的转子泵，其流量受工作压力的影响不大，所以设计转子泵组B₁采用恒速控制的柴油机E₁驱动，见附图9。泵的工作压力越高（输送的距离远或目的地势高，其工作压力自适应升高）水泵的运行输入功率就越大，如图17所示。所以只要适配足够并且合理的驱动功率，泵组就能稳定工作。无论是近距离或远距离灭火，其供水流量基本不变而更有利于系统操作与节能（能耗随管道阻力HR而变）。大流量远程灭火系统创新采用单台转子泵取水/远程供水，代替传统多台浮艇潜水泵并联取水+加压泵远程输送的设计。转子容积泵虽然与离心泵的运行特性完全不相同，但转子泵自适应管道阻力的运行特性，恰好解决了水源远程输送而管道阻力难以预料的难题。理论与验证结果证明该系统不但结构简单，而且有效解决了汽蚀、超载（超压）与压力（流量）不稳的难题。

以一台SY500转子泵为例，如图16、图17所示，转速为500n/min的流量是25,000L/min，当水泵恒速运行，泵组处于1MPa的工作压力，25,000L/min流量，水泵的轴功率约为525kW，若泵组处于0.8MPa的工作压力，轴功率约为500kW、当泵组处于0.3MPa的工作压力，轴功率约为280kW。远程消防用水的输送距离越远（图9的P_1d就越高），功耗就越大，反之功率下降。

另外，由于容积泵自适应管道特性，见图9，所以无论P_1d的高/低，P_2s一直处于≧0的状态，既满足了NPSHa—NPSHr≥1m的要求，最终使P_2d不会受到供水管道长/短及地势高/低的影响。

转子泵B₁低位取水并经过远程输送后供给离心泵B₂加压。离心泵B₂加压后驱动大流量灭火水炮。

虽然图9的P_2s状态比较稳定，但由于现场地形变化和接管数量、施工质量、现场敷管工艺等不确定因素，离心泵的流量仍会随装置扬程发生变化而改变，最终还会影响灭火炮的灭火性能。所以要确保系统的技术指标及操纵性，其末端水炮的供水压力仍须提供可靠并且操作简单的控制。现设计离心泵组B₂采用数字定压控制的柴油机E₂驱动，数字定压技术可根据灭火现场的实时需求快速、准确数字锁定水炮的进口压力P在最佳的压力点，从而保证了水炮的射程与流量稳定。数字定压控制的柴油机离心加压泵组以水炮的进口压力P作为柴油机的闭环调速的控制信号，可始终维持水炮的进口压力P不变。创新的设计既解决了欠压、超压、过载的问题，更提供方便的操作与有效的节能。

附说明：

H_A（H_B）是单台水泵的特性曲线；

H_C是单两台水泵的串联（并联）的合成特性曲线；

H_R是装置特性曲线；

A₁点是单台水泵运行工况点，A₃点是两台水泵串联（并联）的工况点。

附相关术语与代号

g重力加速度

h流体处于的高度

p流体所受的压强

ρ流体的密度

v流动速度

P_s吸入压力

h_s包括沿程阻力之和流经弯头、阀门、滤器等局部阻力

v_s吸入水泵的流速

H_s允许吸上真空度

P_v所输送液体对应温度的汽化压力

Q水泵流量

n水泵转速

NPSH_a装置汽蚀余量

NPSH_r必须汽蚀余量