本實(shí)用新型涉及石油石化的大型滅火技術(shù)。

背景技術(shù)：

大型石油化工企業(yè)，大型、成片區(qū)域密布的貯油庫(kù)，一旦這些區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，就有可能形成過(guò)火面積大、燃燒溫度高，并伴隨有爆炸可能。要在短時(shí)間內(nèi)撲救的這類(lèi)型的惡性火災(zāi)，光靠企業(yè)自身用于自救的儲(chǔ)水罐或常規(guī)消防部隊(duì)的現(xiàn)有裝備都不能有效、快速撲滅災(zāi)害。根據(jù)國(guó)外的成功的撲滅這類(lèi)火災(zāi)經(jīng)驗(yàn)，就必須采用可遠(yuǎn)程供水的大流量（25,000~50,000L/min）滅火炮。

用于消防的遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)，目前全世界的設(shè)計(jì)原理上基本都是相同的：主要是由液壓浮艇潛水泵模塊和加壓泵模塊組合而成，該組合可實(shí)現(xiàn)持續(xù)向遠(yuǎn)距離的滅火現(xiàn)場(chǎng)的消防車(chē)提供水源。但如果直接實(shí)施大流量（25,000~50,000L/min）的水炮滅火（組成遠(yuǎn)程供水的大流量滅火炮），還需增加二次加壓泵模塊（或設(shè)置加壓泵與水炮一體機(jī)）。

由于浮艇潛水泵受運(yùn)輸體積與吊裝重量的限制而葉輪直徑較小，因而揚(yáng)程相對(duì)比較低，所以只能設(shè)計(jì)用于低位取水。另外浮艇潛水泵的流量最大不超過(guò)6,000L/min，而大流量（通常指≥25,000L/min）遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)就要適配多臺(tái)浮艇泵并聯(lián)供水。離心泵的流量大而且揚(yáng)程可以做到比較高，但沒(méi)有自吸能力，雖然可以通過(guò)輔助排空吸納低位水，但汽蝕余量的限制導(dǎo)致吸程偏低。所以目前應(yīng)用的消防遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)均采用多臺(tái)浮艇潛水泵和離心加壓泵組合而成。

傳統(tǒng)的大流量遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)的二次加壓泵須與遠(yuǎn)程供水的一次加壓泵串聯(lián)運(yùn)行，而遠(yuǎn)程供水的一次加壓泵還要與多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的潛水泵串聯(lián)供水。所以傳統(tǒng)的大流量遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)既有并聯(lián)，還有串聯(lián)的多臺(tái)泵組的組合而成（見(jiàn)附圖1）。

眾所周知，多臺(tái)水泵并聯(lián)存在流量不穩(wěn)與分配不均的問(wèn)題（見(jiàn)附圖2），圖2是相同特性的離心泵并聯(lián)，在裝置特性曲線不變時(shí)，揚(yáng)程和流量都增加，其增加程度又和裝置特性曲線有關(guān)。并聯(lián)流量小于兩臺(tái)單泵運(yùn)行時(shí)流量之和。離心泵并聯(lián)時(shí)，管路布置應(yīng)對(duì)稱(chēng)或保證阻力相等，使工況點(diǎn)相同，才能保證揚(yáng)程、流量都相同（實(shí)際上非常難實(shí)現(xiàn)）。特別注意的是多臺(tái)低揚(yáng)程的泵組并聯(lián)，如果沒(méi)有安裝逆止閥，很容易會(huì)造成其中的水泵反轉(zhuǎn)。

而水泵串聯(lián)運(yùn)行時(shí)：圖3是相同特性的離心泵串聯(lián)，在裝置特性曲線不變時(shí)，揚(yáng)程和流量都增加，其增加程度又和裝置特性有關(guān)，但小于單獨(dú)運(yùn)行的兩倍。一般情況下不同特性離心泵串聯(lián)，運(yùn)行狀態(tài)不合理，可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象和效率下降。還有，常規(guī)研究水泵串聯(lián)的文獻(xiàn)與工程規(guī)范都是假設(shè)一、二級(jí)水泵是直接串在一起。但如果一、二級(jí)水泵通過(guò)軟管遠(yuǎn)距離串聯(lián)的話，由于工況的不穩(wěn)定，水泵串聯(lián)的曲線就變得具有不確定性。在滅火的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，加壓泵的進(jìn)口壓力過(guò)低將出現(xiàn)流量不足甚至發(fā)生負(fù)壓汽蝕、當(dāng)加壓泵的進(jìn)口壓力過(guò)高（輸送距離短或有落差的重力）又會(huì)發(fā)生超載的危險(xiǎn)（使其拖動(dòng)的動(dòng)力設(shè)備過(guò)載而發(fā)生故障）。而經(jīng)過(guò)一次加壓泵、二次加壓泵的多次加壓，更使水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)更難以保證。離心泵間隔（特別是遠(yuǎn)距離）串聯(lián)運(yùn)行，除了防止吸入壓力過(guò)低產(chǎn)生汽蝕（當(dāng)離心泵中最低壓力降低到吸入水溫的飽和壓力時(shí)，泵內(nèi)即發(fā)生汽蝕現(xiàn)象），還要預(yù)防吸入壓力過(guò)高而導(dǎo)致系統(tǒng)超壓或設(shè)備過(guò)載。

由圖4的離心泵的汽蝕曲線可以看出，裝置汽蝕余量NPSHa隨著流量增加而下降，而必須汽蝕余量NPSHr隨著流量增加而上升。與NPSHa-Q曲線相交于0點(diǎn)，該流量Q₀的左邊為無(wú)汽蝕區(qū)，右邊為汽蝕區(qū)。只要裝置汽蝕余量小于必須汽蝕余量，即NPSHa＜NPSHr就會(huì)發(fā)生汽蝕。

如圖1所示，在遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)中，潛水泵B₁(B₁₁+B₁₂+B₁₃并聯(lián)組合)與離心加壓泵B₂與水炮驅(qū)動(dòng)的離心泵B₃串聯(lián)運(yùn)行，B₁泵下潛在水中，只要設(shè)計(jì)與施工合理，其汽蝕余量受現(xiàn)場(chǎng)的影響不大，運(yùn)行相對(duì)比較安全。但B₁潛水泵的揚(yáng)程不高，出口經(jīng)過(guò)低位水提升h₁至B₂泵入口的管道阻力∑H₂將直接影響P_2S , 所以滅火現(xiàn)場(chǎng)從低位取水的高度超標(biāo)或管道敷設(shè)不合理，將會(huì)導(dǎo)致離心泵B₂的裝置汽蝕余量NPSHa下降并小于NPSHr而發(fā)生汽蝕。另外，更難控制的是：B₂泵出口可能經(jīng)過(guò)復(fù)雜地形的高度提升h₂及遠(yuǎn)程輸送至B₃泵入口的管道阻力∑H₃將嚴(yán)重影響P_3S，詳見(jiàn)圖5、6、7。

B₁泵工作出口壓力為P_1d，B₂泵的出口壓力為P_2d，B₃泵的出口壓力為P_3d；

B₂泵的裝置汽蝕余量為：

NPSHa₂=P_1d /ρ.g -∑H₂-h₂-Pv /ρ.g

B₃泵的裝置汽蝕余量為：

NPSHa₃=P_2d /ρ.g -∑H₃-h₃-Pv /ρ.g

P_1d受B₁₁、B₁₂、B₁₃的多臺(tái)泵組并聯(lián)而流量不均的影響，可能導(dǎo)致P_1d波動(dòng)并使Q超流量或欠流量。

如圖1所示的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨幾個(gè)難以克服的問(wèn)題：汽蝕、超載與水壓（流量）不穩(wěn)。下面對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的系統(tǒng)存在的幾大難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析：

（1）汽蝕：為了保證不發(fā)生汽蝕，離心泵運(yùn)行時(shí)NPSHa必須考慮留有富余量，并應(yīng)該滿(mǎn)足NPSHa—NPSHr≥1m左右。但傳統(tǒng)遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為多臺(tái)泵組泵的并聯(lián)、串聯(lián)工作。其中多泵并聯(lián)取水泵的流量Q容易偏離且不穩(wěn)定（特別是浮艇泵放置的水面有風(fēng)浪），另外h₂與h₃均隨地形、地勢(shì)而變，與∑H₂與∑H₃的輸送距離（∑H₃往往是幾十米到幾千米的變化）以及與管材、管件、敷設(shè)工藝有關(guān)，如圖5所示。所以設(shè)計(jì)必須加大并聯(lián)泵組B₁的總給水余量及提高B₂泵的揚(yáng)程（滿(mǎn)足遠(yuǎn)程給水能力）對(duì)NPSHa進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）超載：上述的汽蝕解決了，又可能出現(xiàn)另一個(gè)問(wèn)題。流量過(guò)補(bǔ)償使Q超過(guò)額定流量工況，B₂泵的吸入壓力P_2S過(guò)高導(dǎo)致B₂泵超載運(yùn)行，如圖7所示。同樣：B₃泵的工況受到遠(yuǎn)程輸送距離（P_2d至P_3S）從幾十米到幾千米的∑H₃變化及地勢(shì)h₃落差的綜合影響，所以為了確保B₂、B₃泵組的安全，唯有增加B₂及B₃泵的驅(qū)動(dòng)功率余量。

（3）水壓不穩(wěn)：加大了B₁并聯(lián)泵組的給水流量、加大B₂泵組的揚(yáng)程、加大B₂及B₃泵組的驅(qū)動(dòng)功率，原則上避免了汽蝕與過(guò)載事故的發(fā)生，但可能導(dǎo)致了P_1d、P_2d偏高并且不穩(wěn)定，最后末端水炮驅(qū)動(dòng)的P_3d難免出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)而最終嚴(yán)重影響滅火性能。

所以傳統(tǒng)的大流量遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、其操作與調(diào)整（每次投入運(yùn)行須重新整定加壓泵的出口壓力）更是異常困難。因而該系統(tǒng)一直得不到推廣，現(xiàn)有的技術(shù)與產(chǎn)品廣泛受到質(zhì)疑，而導(dǎo)致我國(guó)多次發(fā)生的石化、油庫(kù)的大型火災(zāi)只能用冷卻的方式防止燃燒的管道、油罐爆炸及火勢(shì)蔓延，并讓罐內(nèi)的燃油燒完為止。不少的案例：從火災(zāi)的控制到最后的撲滅，往往需要幾十、幾百小時(shí)的持續(xù)時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種運(yùn)行穩(wěn)定的大流量滅火系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

大流量遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)，其特征在于包括轉(zhuǎn)子取水泵組和離心加壓泵組，轉(zhuǎn)子取水泵組的入水口通過(guò)轉(zhuǎn)子泵取水管連至浮筒取水口，轉(zhuǎn)子取水泵組的出水口通過(guò)遠(yuǎn)程輸水管連至離心加壓泵組的入水口，離心加壓泵組的出水口通過(guò)加壓泵出水管連至水炮的入水口。

進(jìn)一步的，轉(zhuǎn)子取水泵組由恒速運(yùn)行的柴油機(jī)與恒流量運(yùn)行的轉(zhuǎn)子泵組成。

進(jìn)一步的，離心加壓泵組由數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)與恒壓控制的離心泵組成。

進(jìn)一步的，水炮的入口設(shè)置有壓力變送器，壓力變送器反饋水炮的實(shí)時(shí)工作壓力作為數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)閉環(huán)調(diào)速的控制信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用一套全新的解決方案，由兩臺(tái)不同運(yùn)行特性的轉(zhuǎn)子容積泵與離心泵串聯(lián)運(yùn)行。本實(shí)用新型直接采用單臺(tái)大流量（25,000L/min以上），高揚(yáng)程的自吸柴油機(jī)轉(zhuǎn)子泵與柴油機(jī)離心泵串聯(lián)對(duì)大流量的滅火水炮供水。轉(zhuǎn)子泵在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，揚(yáng)程對(duì)流量影響不大（隨著工作壓力的升高，因轉(zhuǎn)子的間隙泄漏，流量會(huì)相對(duì)稍微減少一些）。由于轉(zhuǎn)子泵具有較強(qiáng)的自吸能力（吸程最大可達(dá)9m），轉(zhuǎn)子泵獨(dú)立完成低位取水及遠(yuǎn)程輸送的作業(yè)。轉(zhuǎn)子泵屬于容積泵，只要采用恒速控制，其流量就相對(duì)穩(wěn)定。而且容積泵自適應(yīng)管道阻力特性，自動(dòng)調(diào)節(jié)出口壓力。只要適配足夠的軸功率（輸送距離越遠(yuǎn)，軸功率就越大）并恒速運(yùn)行的柴油機(jī)，輸送距離遠(yuǎn)近、地勢(shì)高低都不會(huì)大幅度影響水泵的流量。大流量的滅火水炮采用數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)水泵（離心泵）驅(qū)動(dòng)。離心泵入口用軟管連接轉(zhuǎn)子泵的出口，相同流量的轉(zhuǎn)子泵與離心泵串聯(lián)作業(yè)。由于現(xiàn)場(chǎng)地形變化和接管數(shù)量的不確定因素，離心泵的流量仍會(huì)隨裝置揚(yáng)程發(fā)生變化而改變。所以離心泵采用數(shù)字定壓柴油機(jī)水泵，控制系統(tǒng)準(zhǔn)確數(shù)字鎖定滅火水炮入口壓力在最佳的工況點(diǎn)，從而保證滅火炮的流量與射程滿(mǎn)足要求。數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)加壓泵以水炮的進(jìn)口壓力作為柴油機(jī)閉環(huán)調(diào)速的控制信號(hào)，數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)水泵不管水泵入口的壓力P_2S高/低偏離，可始終維持水炮的入口壓力不變。所以本實(shí)用新型的大流量遠(yuǎn)程滅火炮系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)欠流、欠壓、超壓、超負(fù)載等問(wèn)題。而且整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與操作都非常簡(jiǎn)單，可廣泛進(jìn)行推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有的大流量滅火系統(tǒng)的示意圖。

圖2是相同特性曲線的離心泵并聯(lián)特性曲線。

圖3是相同特性曲線的離心泵串聯(lián)特性曲線。

圖4是離心泵的汽蝕曲線圖。

圖5是圖1所示的離心泵B₂與離心泵B₃遠(yuǎn)距離串聯(lián)運(yùn)行的特性曲線。

圖6是圖1所示的離心泵B₂與離心泵B₃理想距離串聯(lián)運(yùn)行的特性曲線。

圖7是圖1所示的離心泵B₂與離心泵B₃短距離串聯(lián)運(yùn)行的特性曲線。

圖8是本實(shí)用新型的大流量滅火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖9是本實(shí)用新型的大流量滅火系統(tǒng)的給水系統(tǒng)圖。

圖10是轉(zhuǎn)子泵的工作壓力與流量的關(guān)系圖。

圖11 轉(zhuǎn)子泵的特性曲線。

圖12是離心泵的特性曲線。

圖13是轉(zhuǎn)子泵的裝置特性。

圖14是轉(zhuǎn)子泵與離心泵串聯(lián)的特性曲線。

圖15是轉(zhuǎn)子泵與離心泵串聯(lián)運(yùn)行的特性曲線。

圖16是轉(zhuǎn)子泵轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系圖。

圖17是轉(zhuǎn)子泵工作壓力與軸功率的關(guān)系。

圖中示出，1：轉(zhuǎn)子取水泵組；2：離心加壓泵組；3：轉(zhuǎn)子泵取水管；4：浮筒取水口；5：遠(yuǎn)程輸水管；6：加壓泵出水管；7：水炮；11：恒速運(yùn)行的柴油機(jī)；12：轉(zhuǎn)子泵；21：數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)；22：離心泵；71：壓力變送器。

具體實(shí)施方式

如圖8所示，大流量遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子取水泵組1、離心加壓泵組2、轉(zhuǎn)子泵取水管3、浮筒取水口4、遠(yuǎn)程輸水管5、加壓泵出水管6、水炮7等。轉(zhuǎn)子取水泵組1由恒速運(yùn)行的柴油機(jī)11與恒流量運(yùn)行的轉(zhuǎn)子泵12組成。離心加壓泵組2由數(shù)字定壓（變速）控制的柴油機(jī)21與恒壓控制的離心泵22組成。圖9為圖8的系統(tǒng)圖。圖10是轉(zhuǎn)子泵的工作壓力與流量的關(guān)系圖。圖11是轉(zhuǎn)子泵的特性曲線，轉(zhuǎn)子泵在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，揚(yáng)程對(duì)流量影響不大（隨著工作壓力的升高，流量會(huì)相對(duì)稍微減少一些）。圖12是離心泵特性曲線。圖13是轉(zhuǎn)子泵的裝置特性，圖中，H₂＞H₁，Q₁≈Q₂。圖14、圖15是轉(zhuǎn)子泵與離心泵串聯(lián)的特性曲線，轉(zhuǎn)子泵為第一級(jí)，離心泵是后面的第二級(jí)。由于轉(zhuǎn)子泵在裝置特性曲線確定后，流量為恒定值。當(dāng)與相同流量的離心泵串聯(lián)工作時(shí)，相當(dāng)于離心泵的輸入正水頭為轉(zhuǎn)子泵的揚(yáng)程H_A，離心泵的特性曲線往上平移H_A，裝置揚(yáng)程H₃=H_A+H_B。裝置揚(yáng)程H₃為兩臺(tái)水泵揚(yáng)程相加。

轉(zhuǎn)子泵是容積泵，可不用排空而直接抽低位水，吸程可達(dá)9米。根據(jù)圖16所示，恒速運(yùn)行的轉(zhuǎn)子泵，其流量受工作壓力的影響不大，所以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子泵組B₁采用恒速控制的柴油機(jī)E₁驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)附圖9。泵的工作壓力越高（輸送的距離遠(yuǎn)或目的地勢(shì)高，其工作壓力自適應(yīng)升高）水泵的運(yùn)行輸入功率就越大，如圖17所示。所以只要適配足夠并且合理的驅(qū)動(dòng)功率，泵組就能穩(wěn)定工作。無(wú)論是近距離或遠(yuǎn)距離滅火，其供水流量基本不變而更有利于系統(tǒng)操作與節(jié)能（能耗隨管道阻力HR而變）。大流量遠(yuǎn)程滅火系統(tǒng)創(chuàng)新采用單臺(tái)轉(zhuǎn)子泵取水/遠(yuǎn)程供水，代替?zhèn)鹘y(tǒng)多臺(tái)浮艇潛水泵并聯(lián)取水+加壓泵遠(yuǎn)程輸送的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子容積泵雖然與離心泵的運(yùn)行特性完全不相同，但轉(zhuǎn)子泵自適應(yīng)管道阻力的運(yùn)行特性，恰好解決了水源遠(yuǎn)程輸送而管道阻力難以預(yù)料的難題。理論與驗(yàn)證結(jié)果證明該系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且有效解決了汽蝕、超載（超壓）與壓力（流量）不穩(wěn)的難題。

以一臺(tái)SY500轉(zhuǎn)子泵為例，如圖16、圖17所示，轉(zhuǎn)速為500n/min的流量是25,000L/min，當(dāng)水泵恒速運(yùn)行，泵組處于1MPa的工作壓力，25,000L/min流量，水泵的軸功率約為525kW，若泵組處于0.8MPa的工作壓力，軸功率約為500kW、當(dāng)泵組處于0.3MPa的工作壓力，軸功率約為280kW。遠(yuǎn)程消防用水的輸送距離越遠(yuǎn)（圖9的P_1d就越高），功耗就越大，反之功率下降。

另外，由于容積泵自適應(yīng)管道特性，見(jiàn)圖9，所以無(wú)論P_1d的高/低，P_2s一直處于≧0的狀態(tài)，既滿(mǎn)足了NPSHa—NPSHr≥1m的要求，最終使P_2d不會(huì)受到供水管道長(zhǎng)/短及地勢(shì)高/低的影響。

轉(zhuǎn)子泵B₁低位取水并經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程輸送后供給離心泵B₂加壓。離心泵B₂加壓后驅(qū)動(dòng)大流量滅火水炮。

雖然圖9的P_2s狀態(tài)比較穩(wěn)定，但由于現(xiàn)場(chǎng)地形變化和接管數(shù)量、施工質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)敷管工藝等不確定因素，離心泵的流量仍會(huì)隨裝置揚(yáng)程發(fā)生變化而改變，最終還會(huì)影響滅火炮的滅火性能。所以要確保系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及操縱性，其末端水炮的供水壓力仍須提供可靠并且操作簡(jiǎn)單的控制?，F(xiàn)設(shè)計(jì)離心泵組B₂采用數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)E₂驅(qū)動(dòng)，數(shù)字定壓技術(shù)可根據(jù)滅火現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)需求快速、準(zhǔn)確數(shù)字鎖定水炮的進(jìn)口壓力P在最佳的壓力點(diǎn)，從而保證了水炮的射程與流量穩(wěn)定。數(shù)字定壓控制的柴油機(jī)離心加壓泵組以水炮的進(jìn)口壓力P作為柴油機(jī)的閉環(huán)調(diào)速的控制信號(hào)，可始終維持水炮的進(jìn)口壓力P不變。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)既解決了欠壓、超壓、過(guò)載的問(wèn)題，更提供方便的操作與有效的節(jié)能。

附說(shuō)明：

H_A（H_B）是單臺(tái)水泵的特性曲線；

H_C是單兩臺(tái)水泵的串聯(lián)（并聯(lián)）的合成特性曲線；

H_R是裝置特性曲線；

A₁點(diǎn)是單臺(tái)水泵運(yùn)行工況點(diǎn)，A₃點(diǎn)是兩臺(tái)水泵串聯(lián)（并聯(lián)）的工況點(diǎn)。

附相關(guān)術(shù)語(yǔ)與代號(hào)

g重力加速度

h流體處于的高度

p流體所受的壓強(qiáng)

ρ流體的密度

v流動(dòng)速度

P_s吸入壓力

h_s包括沿程阻力之和流經(jīng)彎頭、閥門(mén)、濾器等局部阻力

v_s吸入水泵的流速

H_s允許吸上真空度

P_v所輸送液體對(duì)應(yīng)溫度的汽化壓力

Q水泵流量

n水泵轉(zhuǎn)速

NPSH_a裝置汽蝕余量

NPSH_r必須汽蝕余量