EPAnet是由美国国家环境保护局 (EPA) 开发, 可以执行有压管网水力和水质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], 也用于自动喷水灭火系统等的设计。

　　 目前, 炼油厂消防水系统设计和优化多采用“经验法”, 虽然满足《石油化工企业设计防火规范》 (GB50160-2008, 以下简称“石化规”) 要求, 但设计参数的选取偏于保守, 如消防泵扬程和管径等。本文将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EP-Anet建立模型, 根据软件模拟结果对系统进行优化, 降低了消防水系统的工程投资。

　　 山东某炼油厂占地约85hm², 根据“石化规”, 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罐区, 其消防用水量为1 908m³/h, 设计火灾延续供水时间为6h, 一次消防水用水量为11 448m³。厂区消防水系统工作压力不低于0.8 MPa (g) 。

　　 厂区采用独立的稳高压消防水系统, 设置消防水泵站1座, 设计规模为2 000m³/h, 设计消防水储量为12 000m³。泵站内配置电动消防水泵1台和柴油机消防水泵2台 (1用1备) , 单泵额定流量为1 000m³/h, 额定扬程为120 m;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100m;配置新鲜水及消防水储罐共2座, 总有效容积为20 000m³ (含新鲜水储量) 。根据管道流量和敷设区域重要性, 对厂区消防水管道的管径进行了初步确定, 消防水泵站和液化石油气罐区周围管道管径采用DN450, 工艺装置和其他罐区采用DN300, 辅助生产设施采用DN200。厂区消防水系统布置情况 (各单元引入管、消火栓、消防水炮和切断阀等已作简化处理) 见图1。

　　 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进行赋值, 如节点赋值流量, 管段赋值管径和长度等, 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]。本工程采用HazenWilliams公式, 管壁粗糙系数C_h取100^[3]。厂区消防水系统模型如图2所示。

　　 厂区消防用水量最大处为液化石油气罐区, 消防用水量为1 908m³/h (530L/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, 同时考虑一处环段发生事故, 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罐区附近节点15和节点18为火灾用水点, 用水量分别为954m³/h (265L/s) , 节点16处于发生事故的环段, 所连接的管段8、管段9、管段38和管段39均无过流量, 采用EPAnet对模型进行分析, 结果如图3所示。

　　 从图3和分析结果可知, 最不利工况时, 火灾点消防用水量为530L/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, 满足“石化规“要求。

　　 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3.5m/s, 说明消防水系统还有较大的优化和调整空间。

　　 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4。从图4可知, 消防水系统各节点工作压力为1.07~1.21 MPa (g) , 设计最低工作压力为0.8MPa (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2 000m³/h, 扬程为95m的水泵即可满足系统工作压力大于0.8 MPa (g) 的要求。

　　 该炼油厂消防水系统在最不利工况时各管段流速详见图5。

　　 从图5可知, 消防水系统各管段流速较大的管道分别为管道3 (2.36m/s) 、管道16 (2.16m/s) 和管道21 (2.41m/s) , 称为“控制管段”。将管道3和管道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 (2.64m/s) 、管道16 (2.73m/s) 和管道21 (2.99m/s) , 最不利节点处压力1.04 MPa (g) , 表明目前设计方案与规范和工程要求的流速≤3.5 m/s、工作压力≤0.80MPa (g) 之间仍有一定调整空间。

　　 管网投资在消防水系统总投资中占有很高的比例。本工程消防水管道均采用20#无缝钢管, 分别对采用“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“经验法”, 通过软件模拟优化, 至少可以将大约2 215mDN450的管道减小为DN300的管道, 优化效果显著。

　　 通过EPAnet软件对炼油厂消防水系统的模拟和优化, 校核了系统最不利运行工况, 降低了消防水管网工程量, 并通过节点工作压力、管段设计流速等运行参数的分析, 提出了优化设计的方向和途径, 可供今后新建或改建、扩建的各类企业厂区消防水系统校核管网工作压力、流速及流量, 确定消防管道直径。消防水泵的参数和更换方案时参考。