柴油机消防泵组的设计

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唐仕龙 1

1.东洋工程（上海）有限公司，上海

摘要：自《消防给水及消火栓系统技术规范》（下称《水消规》），以及《石油化工企业设计防火标准（2018年版）》（下称《石化规》）分别于2014年10月1日和2019年4月1日开始实施以来，柴油机驱动消防泵在石化行业的新建、改扩建项目中的使用日趋增多。2006年12月1日实施的《GB6245消防泵》对柴油机驱动消防泵有相关概念性描述，以及2020年12月1日施行的《T/CECS718柴油机消防泵组技术规程》（下称《技术规程》）中相对详细的描述。除此以外，国内鲜有关于柴油机驱动消防泵的设计、施工方面的规范。本文根据作者参与过的项目，以及新实施的CECS技术规程，对柴油机驱动消防泵的在工程实施过程中的设计、施工加以浅述。

关键词：柴油机；消防；泵组；设计

一般规定

《水消规》在本质上统一规定了消防水泵的使用原则，科学地指出水泵的性能要求，特别是早期国内使用的恒压泵已不再被提及。除消防泵的一般规定外，柴油机驱动消防泵仍有其独具的要求。

1.1 柴油机（驱动器）类型

柴油机驱动消防泵应采用压缩式点火型柴油机。

目前内燃机的点火形式普遍使用的有两种，一是火花（塞）点燃式，一是压燃式。火花（塞）点燃方式，主要用在奥拓循环（Otto Cycle）引擎中。普遍使用于汽油引擎中，主要是因为汽油的高挥发特性（低点燃温度要求），借助微弱的火花便可轻易点燃。因空气-燃油混合物在引擎压缩腔内一并压缩，若被压缩混合物在遇火花前就达到闪点并引爆，那么等遇到火花后，其腔内温度会进一步上升进而发生事故，故而火花（塞）点燃方式在作为消防用引擎时不适用。国外的NFPA规范，认证机构以及财损保险机构均禁止使用火花（塞）点燃方式的内燃机作为消防泵驱动引擎。

压燃式，跟火花（塞）点燃式相比，最主要的区别就是没有火花塞。压燃式点火方式，主要用在迪塞尔循环（Diesel Cycle）引擎中。柴油引擎，因柴油自身挥发性较低（点燃温度相对高），因而压燃式普遍使用于柴油引擎中。理论上来说，（如在四冲程）空气在燃烧室内被压缩加热，在压缩冲程的末期向燃烧室内注入柴油，此时柴油遇热空气后被点燃。这个简单压缩过程中，实验证明，每7 KPa（1 Psi）可使燃烧室内的空气增加1 ℃左右，故而这种压缩点燃的方式非常可靠，适合使用于消防泵的驱动装置。

图1：火花（塞）点燃式

图2：压缩点燃式

柴油机

2.1 柴油机功率要求

在《技术规程》中，要求柴油机的输出功率应根据实际使用工况进行修正。柴油机的额定功率（或称“标定功率”）是指在标准工作环境下的实验值（一般指国际汽车工程师协会认证值），工作地点的海拔高度以及环境温度会影响空气中的氧的含量，均会影响内燃机的输出功率，所以内燃机必须进行修正。一般来说，这种修正应该由柴油机驱动消防水泵供应商按照柴油机生产厂商的说明，根据其实际使用环境来进行，使其输出功率满足消防水泵性能曲线上任一点的功率要求。

在工程运用中，柴油机功率的修正，会很大程度上影响实际的选泵。比如笔者参与设计的西宁某项目中，柴油机消防水泵供应商提供的海拔修正系数和温度修正系数分别为0.80及0.97（2100 m ~ 2200 m海拔，40.5 ℃环境温度），300 匹马力（约223 kW）的柴油机经修正后仅能输出230匹马力（约171 kW）。

此外，当使用立式透平泵时，柴油机的功率还需要考虑立式透平泵与柴油机之间涡轮驱动的功率损失。

2.2 速度控制

根据水泵运行规律，水泵的流量、扬程均与水泵的转速成正向比例。因此，我们的柴油机必须配置用以调整柴油机转速的调速器，调整幅度不大于10%，调整范围为搅动运行与满载运行（即达到水泵额定负荷运行）之间。柴油机运行调速的过程可以形象地类比为，我们日常驾驶汽车时，为了得到更大的输出功率，即增加行驶速度，我们通过踩下踏板来实现，此时如果我们细心观察，会发现仪表盘上的转速表也会向上摆动出去，汽车的油门踏板其实就是一个调速器。柴油机的调速器实际亦为一个“加油门”/“减油门”的过程。

如前述，在柴油机完成压缩冲程以及开始动力冲程时，其内部由电控模块控制喷油泵向燃烧室内进行喷油燃烧。此电控模块，须配置备用电控模块，主、备电控模块之间的切换方式在《技术规程》和NFPA20中的要求稍有不一。《技术规程》中规定，当电控模块位于自动状态时，主、备电控模块的切换应该能“自动切换”，“如果自动切换失灵，应可手动进行切换”；而在NFPA20中规定，位于自动状态时，应能“自动切换”，位于手动状态时，应能“手动切换”，即在NFPA中不强调“如果自动失灵”的情况，主、备电控模块的设置已经是一种100%备用的状态。

因其构造复杂以及维修成本较高，柴油机超速运行必须得到控制。位于柴油机飞轮室处设置的磁力拾速装置将速度信号传给速度开关，当其超速至设定值时（通常不超过额定转速的10%~20%），柴油机自动控制单元将直接停机。

2.3 仪表及其控制

在《技术规程》中未曾提及，而在国外规范中强制要求的，须将柴油机驱动消防水泵的驱动器（即柴油机引擎）的仪表盘安装于引擎撬块内，此仪表盘应显示柴油机转速、油压（燃油）、主备电瓶电压、水温（水冷型），以及自手动模式、超速复位等开关。下图是一张典型的水冷柴油机的引擎仪表盘：

图3 ：典型柴油机引擎仪表盘

这块仪表上监控的数据，均为能够影响柴油机作为消防水泵驱动设备的性能的主要参数。每一款柴油机的电控模块均能够将其内各项构件的运行状态信号进行输出，工程中通常根据需要，将如喷油故障、低油压或其他一些主要探测探测器的故障信号等输出至控制中心以及控制柜显示。

笔者在2010年时曾拜访某日资企业的消防泵房，曾见到该企业消防水泵采用一台未经消防认证的柴油机来驱动消防水泵，此柴油机有多处不合规设计，比如其冷却水接自水泵出水口经柴油机冷却器后又接回水泵的吸水口，这时柴油机电控模块检测到冷却水进水温度过高而自动停机。这是绝对不能出现的， 因为柴油机消防泵组作为火灾时唯一能为消防系统供水设施，它是万万不能自动停机的。

2.4 启动系统

在《技术规程》中规定，“柴油机消防泵组应至少具备一种自动启动装置，启动装置应具备运行状态检测功能和手动启动功能”。规程编写时，可以留出空间，考虑了不是所有环境下都能够用电启动作为自动启动装置，所以这里没有作如彼要求。理论上来说，柴油机的启动方式主要有，电启动，液压启动，压缩空气启动，以及弹簧启动等方式。弹簧启动方式，因其对柴油机的排量有不宜大于46L的要求，所以在国内外均较少采用，在NFPA20中，已经不再将其列入认证的启动方式。

因其维护成本低，可靠性高，采用电瓶储存电能驱动电机的启动方式，是最常用的启动方式，在国内外柴油机消防泵组中被普遍使用作为自动启动装置。电动启动装置设有两组蓄电池组，独立供电的两组电池组均能够为柴油机提供两倍的启动功率。笔者在以往的工程设计中，常常忽略环境温度对柴油机蓄电池的影响，像大多数项目中一样，消防泵房内往往不作防冻措施要求，以致某些消防泵房内在冬季时接近室外温度，常常能达到零下的低温。然而殊不知，如果环境温度到达零下10℃时，一般的铅酸蓄电池组即使在满冲时，其输出启动能力会降至30%～40%。在NFPA20中，规定了蓄电池的能力要求，要求蓄电池应能在4℃时，能够满足至少6次，每次15秒的启动过程。通常情况下，柴油机配一只启动电机，两组蓄电池独立供电，一主一备，并于每组蓄电池组与该启动电机之间连接电缆上分别安装直流接触器。

液压启动，压缩空气启动等其他启动方式通常作为一种手动应急启动方式，一般将此手动应急启动装置安装于柴油机消防水泵的控制柜面板上。

2.5 冷却系统

现代柴油机引擎的冷却系统非常复杂，它不仅带走引擎内部的热量，还可以比如带走冷却液内析出的空气，带走一部分膨胀的冷却液等，因此每一部柴油机都会配置冷却系统。消防水泵的柴油机引擎冷却系统，传统采用热交换器型，即自消防水泵的出水口侧取一股水，经过引擎自带的换热器带走引擎冷却液的热量；也可以采用散热器型的冷却系统，柴油机工作时自带的风扇将引擎的散热器的热量带走。

需要注意的是，传统型热交换器型冷却系统中的冷却水的去处。国内柴油机生产厂商提供的冷却水需求量（按1400 kW大小的柴油机举例）在8 L/s左右，若冷却水的温度达到27℃时，其需求量甚至达到15 L/s左右。通常情况下，这股冷却水是被排走的，这就需要在消防水池或消防水罐内多储存这部分用水。当然，这股冷却水的出水是允许回收的，它几乎是一股无压高温流，国外柴油机生产厂商不推荐其长度大于4.5 m或者高出换热器1.2 m。如此一来，只有在使用立式长轴泵和地下水池的情况下方可回收利用这股冷却水。

正如前述，当采用热交换器型冷却系统时，最不推荐的做法，就是把冷却水的排水接回消防水泵的吸水管（侧）。柴油机引擎在制造设计时，通常需要维持其在49℃温度下运行，其冷却水的出水温度可能会达到80 ℃~90 ℃。若将此高温出水接回消防水泵进水侧，虽不致影响水泵的运行，但当其再次进入冷却水系统时则可能引起引擎高温保护而停机。

柴油机消防泵房及其他

除《水消规》中规定的有关柴油机消防泵房的设计要点外，还有一些其他注意要点。

3.1 通风

消防泵房的通风系统的主要作用是控制泵房内维持在49摄氏度以下，并为柴油机工作提供合适的新风同时带走泵房内的有害气体。

柴油机消防泵组的环境发热量，应由供应商提供准确数据。在常规的通风设计过程中，往往以每小时换气6次为标准。此常规的房间通风换气的风机，其电源往往为非消防电源，当发生火灾时，非消防电源被切断，这就很难保证柴油机消防泵组的通风需求。故而，消防泵房的通风系统的风机的电源须接自消防电源。

随着柴油机消防泵组的强制使用要求，消防泵房的设计过程中对暖通专业的要求越来越高。当柴油机的冷却系统采用热交换器型时，消防泵房的进、排风换气系统须采用电机驱动的风阀，并跟柴油机工作进行联动；当柴油机消防泵组采用散热器型冷却系统时，消防泵房的进、排风换气系统则选用重力开关的风阀即可，但是须将柴油机的风扇通过风管将柴油机的热量送至室外，这部分风管一般由承包商完成，所以暖通专业需要在接受供应商资料后，将其要求反应在相应的设计文件中。

3.2 供油系统及其布置

在《技术规程》中，基本规定了柴油机消防泵组的供油系统的详细要求，如供、回油管路的材质及其上安装的部件，以及保护措施要求等。其中需要注意的是，在NFPA20中规定，供油箱的最小容积应不小于1 加仑每匹（大约5.07 L／kW）；在《水消规》中规定，宜按照不小于1.5 L／kW来计算；《技术规程》规定宜按照不小于2.5 L／kW来计算。在《技术规程》中解释，采用2.5 L／kW是考虑了回油散热的因素，所以才加大油箱容积，并指出此值远小于NFPA20中规定的5.07 L／kW。笔者查阅了NFPA官方对此5.07的解释是，此值实为引擎以0.634 L／kW运行8小时的耗油量；在《石化规》中规定，柴油机消防泵组的储油量应满足运行6小时计算，笔者认为这应该是《技术规程》规定的储油量小于NFPA规定值的原因。

笔者身处石化工程行业，日后的每一个新建项目中，都会使用柴油机消防泵组，所以谨以此文作为后续工作参考。因笔者经验尚浅，寥寥数笔，误点难免，恳望阅者斧正。

参考文献：

[1]《T/CECS718柴油机消防泵组技术规程》

[2] NFPA官方网站资料，Caterpillar、Clarke、John Deer以及重庆康明斯等公司印发的关于柴油机培训手册

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