全自动柴油机消防泵优选设计

全自动柴油机消防泵优选设计

杨炜

上海中经工业设备有限公司 201802

摘要：柴油机无离合器连接消防泵，因为少一个设备的安装，消防泵的运行更为可靠，更有多方面要求可以满足：可以实现发生火警自动运行柴油机消防泵；消防设备运行需要简单易行，学会在消防控制室远程操作以及在消防泵房直接按下启动按钮即可；设备的生产、维护保养简单易行，不需要检修离合器，提升了水泵与柴油机中线的对准精度，运行时的噪音，振动，以及联轴器磨损都可以有效降低，延长设备的使用寿命；启动消防泵成功供水的时间可以完全符合消防规范要求；

关键词：全自动消防泵  柴油机直连  离合器  轴功率

1、现状

现在我国经济建设中，良好的环境吸引外资企业不断的进入。他们对消防的要求和我们国内现行的标准不太相同，不是他们的要求高，而是现在我们国内用电可靠又便捷，可以用两路供电充分保障消防用电。但也有一些地区做不到真正的两路供电；再有外企是会在其本国购买保险，而保险公司对该企业投保的前提要求是有替代电力驱动的柴油机作为消防泵的动力，在发生火警时会切断所有电源，因为用水灭火水却会导电，还会流动，极易引发其他事故。电机驱动的水泵也有可能失去工作能力。所以有部分外资企业厂区规划设计要求用柴油机驱动的消防泵为主消防泵，与电机驱动的消防泵一用一备，可自动启动，故障自动切换。

因此柴油机消防泵有相当的市场需求。而且多数是生产制造型企业。我在一家消防器材公司就职时担任技术负责人，开发市场需求的产品是我的职责之一，我承担起柴油机消防泵的开发工作，让我所在的公司有和国外柴油机消防泵生产企业竞争的资本。那么我们的设备性价比必须更有优势。

这设备立项时国内没有太多可供借鉴的案例，当时国内只有一家公司生产柴油机消防泵，我向该公司索要了产品资料，在研究后发现该设计有着明显的缺陷，就是水泵与柴油机之间的连接处装有离合器，对于无人值守的固定消防设备来说，消防泵的运行通常自动运行，从发现火情打开消火栓——到消火栓出水，国家标准有严格的时间限制，且消防泵放置地点与消防人员值班地点不会在一处，因为该设备重要，对进出人员有要求，无关人员是不能触碰重要消防器材的，用了离合器后，操作人员在救火这么紧张的时刻能快速有效合上离合器可能成为消防救火成败的关键。

2、柴油机消防泵的设计要点

必须舍弃离合器的设计理念是非常重要的，就是我要设计的柴油机消防泵不能有这么一个看似重要、现实中却会带来诸多不可靠操作的离合器装置。为此我咨询了该生产柴油机泵的厂家，也咨询了柴油机生产厂家，他们的答复是两个完全一致的字“不行”，必须有离合器，否则柴油机会损坏，柴油机运行有几个关键点：

(1)避免冷车满负荷运行；

(2)满负荷运行时润滑油必须润滑充分；

(3)避免带负载启动。

2.1柴油机消防泵要避免柴油机冷车满负荷运行

这就是说柴油机消防泵设计的关键在于设备使用要求与设备自身缺陷之间的矛盾，也是国家消防标准规范在柴油机消防泵这里不能实施，因此很多用户在国内买不到真正意义上的全自动柴油机消防泵，只能到国外购买。所以我设计可以全自动运行的柴油机消防泵的意义非凡。

专业技术人员告诉我：柴油机要快速全负荷运行时必须要有合适的温度，否则柴油机会发生损坏。针对消防设备来说，消防时电源可能会被中断，但平时电源必须不间断，那么最简单的方法就是电加热，安装电加热和温控器，设定好温度的上下限区间，对柴油机的机油和冷却液进行加热，那么就避免了柴油机冷车满负荷运行。这第一关键点的问题便迎刃而解。

2.2柴油机还要在满负荷运行时润滑油必须润滑充分

其次关键点的问题是润滑油要充分润滑有相对运动的机构，如活塞与缸套之间始终要有润滑油充分润滑。我设计加装了预供油油泵，接入了柴油机机油润滑系统，在柴油机不工作时工作，在柴油机运行时关闭该管路，有效保护润滑油系统和预供油系统。

三个关键点相互关联，先解决了两个。

2.3去除离合器最重要是避免带负载启动

现实上不用离合器已成为柴油机是否带负载启动的关键点呢？我参观了某柴油机发电机生产企业，观察到发电机与柴油机是直连的，技术人员解释是：发电机在运行开始阶段不工作发电，所以不存在负荷。

这给我提供了设计思路：只要没有负载，直连方案是可行。所以柴油机消防泵的设计有了第一个良好的前景。

那么启动柴油机时如何去除负载呢？这是最关键的所在，前两个问题的解决再完美，启动不了都是无效的设计。开过手动排挡汽车的人都知道离合器与油门档位的配合有略微的偏差都会使发动机熄火。柴油机厂家的技术人员说的是有一定依据的，而水泵运行的前提不能缺水，如果水泵里缺水，泵轴转动没几分钟就会损坏密封件，还会损坏泵轴、叶轮、口环等零件。在柴油机与水泵直连时，柴油机一旦转动水泵就会产生负载。

水泵的设计一直都以电动机作为动力，如果以柴油机为动力另外设计水泵，不仅设计生产难度大，生产成本也会非常高，其销售、运行、维护、维修都难以进行，所以采用现有的各种卧式水泵是不二之选，成本低、运行数据完整、配件齐全、运行、维护、维修甚至更换都没有问题。

我曾经设计生产过变频供水设备，非常成功的用在上海几个重点工程项目里，这个设计为我积累了非常重要的水泵知识，水泵是可以变速运行，为此，我在水泵的水力模型上重开思路，设计的依据是功率与转速的配比，由于功率与流量扬程有关，流量扬程与功率有关。

水泵方面的计算是比较简单，配比柴油机时遇到了较多困难，因为柴油机厂家提供不了柴油机启动时的功率曲线，只能提供从怠速开始到额定转速间的曲线（即柴油机外特性曲线），如图所示。

这图表仅供配套设备在工况点选择，但要确定启动能否满足是远远不够，设计出现困难，需要用大量的试验来获取数值，然后再反过来推导出理论依据。

3.柴油机与水泵初次选型

我在柴油机从0到额定转速工作点的整个过程设定为两个阶段，以柴油机怠速为分割点，从0启动到怠速作为第一阶段，从怠速到额定转速作为第二阶段，分别计算两个阶段水泵的轴功率。

我将额定转速暂定1500RPM，（水泵通常标定1450/2900RPM两种转速）。

第一个主要的计算二阶段的功率曲线，这是我们对整个建筑消防用水的考量，也是消防泵选用的依据。根据客户要求，找到水泵选型图表，找到额定的流量和扬程，理论上略高于客户要求，根据水泵的参数以及效率得出轴功率，在众多的柴油机中查出柴油机型号，再通过柴油机生产商提供的柴油机外特性曲线查看是否符合要求，还有要求柴油机工作点的功率要比轴功率大20%（安全系数），如果基本符合时，再查到柴油机怠速时的输出功率与转速，用该转速计算轴功率，两者作比较，验证水泵在启动时第二阶段有没有超过柴油机的Ne功率曲线。

以流量40L/s，扬程50m为例（这个参数选择属随机，理论上和常规消火栓用水量接近，通常只考虑一层楼厂房，同时使用8个消火栓水枪，并在500m直径范围实现消防工作），选用：

单级卧式离心泵，型号为IS150-125-400，

水泵性能：流量，扬程1、130m3/h,55m；2、200m3/h,50m；3、250m3/h,45m，最大效率75%，轴功率36.3Kw，配用电机45Kw，转速1450RPM。

按照轴功率在选用柴油机时加了20%保险系数，选用柴油机功率43.6Kw，我在国产的柴油机厂家选用了一款xx4100中低速柴油机，其输出功率44Kw，转速1500RPM。这台柴油机怠速时转速800RPM，从这台柴油机的外特性曲线图上得知在怠速情况下柴油机的输出功率20Kw，，那么我们选用的水泵在800转的情况下功率是多少呐？

有个估算方式是P/P1=(n/n1)3，P是额定轴功率，P1是变速时功率，n是额定转速，n1为要求变化到的转速

P1=P/(n/n1)3=43.6/(1450/800) 3=7.32Kw<20Kw

在有数据可查的情况下，没有因为超出柴油机功率而导致柴油机运行时熄火

的可能。但是单凭该单一数值的例证不足以涵盖所有的柴油机和水泵，除非把大大小小的柴油机和水泵全部做一个演算，形成一个个完全的水泵曲线，工作量太大，而且没有实际意义，设计成本高，何况低速柴油机选用的范围太小，限制了柴油机和水泵的选型，特别是一些要求高扬程的情况，单级卧式离心泵无法满足，选用多级卧式离心泵则大流量选择的余地小，用大型水泵一方面提高了水泵的转动惯量，不利于柴油机启动，另一方面提高了产品制造成本。还有一个情况就是柴油机从0到怠速的启动过程我们还没有理论和实践的数据。所以我对这个选择并不满意。我的设计理论必须涵盖大多数单级卧式泵。

4.柴油机与水泵升级选型

既然水泵可以降速运行，也可以增速运行(前提是不得超过泵轴可承受的扭矩)，如果柴油机选用高速柴油机，转速提升至2000RPM，2400RPM，2800RPM，我们看看水泵用什么型号呢？

4.1转速提升至2000RPM

我们通过水泵曲线查到一款略小规格的IS125-100-315可以满足，这是一款1450/2900RPM的水泵，按照其配用电机达到了110Kw，而轴功率达到了90.8Kw。

通过计算得出在2000RPM的转速时：

流量Q1=200/(2900/2000)=137.3m3/h

扬程H1=125/(2900/2000)²=59.4m

轴功率为P1=90.8/(2900/2000)3=29.8Kw，加上20%余量配用功率则为35.7Kw，选择的水泵在我们要求的流量扬程范围内，我们选用了一台高速柴油机，其转速可以到2000RPM，如495型，那么在怠速情况下功率又怎么样呢，该机型怠速状态1000RPM，我们的柴油机选小了，能否可行，以柴油机怠速时功率曲线上查出怠速时功率输出为21Kw，水泵在1000RPM时功率为

P1=90.8/(2900/1000)³=3.72Kw，远远小于21Kw。

从上述的计算得出结论：额定工作点的设定，对于柴油机最好选用高速柴油机，该柴油机在额定转速情况下，功率大，负载大，可相应选用水泵的范围也大，而且转速还可以作一些向下的调整，以确保选用水泵在用户要求的使用工况时，效率高，流量，扬程的精确，并且最有效的利用柴油机的工作效率。这是优选之一。

4.2柴油机与水泵选型扩展

4.2.1如果提升柴油机转速到2400RPM时结果如何

如下是水泵型号IS125-80-250

该水泵在2400RPM时，其流量132 m3/h，扬程54.8m，轴功率25.6Kw，加上20%余量配用功率则为30.7Kw，柴油机标定功率40.4Kw。

4.2.2.如果提升柴油机转速到2800RPM时结果如何

如下是水泵型号有IS125-80-200，该水泵在2800RPM时，其流量154 m3/h，扬程46.7m，轴功率24.5Kw，加上20%余量配用功率则为29.4Kw，柴油机标定功率51.5Kw。

我演算的结果提升转速的确可以减小水泵，但柴油机功率增加了，总成本差距相差不大。但高速柴油机全程高速运行，柴油机运行产生高温对消防泵房降温要求提高，柴油机长时间高速运行也对消防泵使用寿命不利，所以在满足设计性能参数前提下，选用较低转速这是我对柴油机消防泵设计的心得之一。

5.柴油机启动过程环节

接下来最重要的环节就是柴油机启动过程的判断，也就是那一段转速从0到怠速1000RPM时柴油机能否带动水泵（前面划分的第一阶段），因为这一段工作情况柴油机厂家无法给出工况曲线，对我来说就是盲点，水泵功率与转速的相关数据我可以计算出来，没有相应柴油机功率的对应曲线，哪怕柴油机只工作了短短几秒钟，如果带了负载启动就不了的话，后面第二阶段的所有数据匹配都是无效的。

首先需要在理论上可行，然后再用计算来验证，最后进行实验来确认，才能不使设计工作流产。

全面计算时表明，在怠速情况下，水泵实际消耗的功率非常的小，以495型柴油机为例，甚至不到柴油机怠速时产生的功率的1/5，我从0到1000RPM分了四段，495型柴油机有四个缸，从理论上划分495型柴油机每个缸工作的输出功率过程，第一个缸工作时单缸功率输出5.25Kw，水泵在1000RPM时功率为P1为3.72Kw，这期间转速没有达到1000RPM，这四个缸输出的功率值分别是：5.25Kw，10.5Kw，15.75Kw，21Kw。每个功率值完全涵盖1000RPM时的轴功率，而从0到1000RPM时水泵轴功率的增长是3次方级，因此我基于计算出的数据得出结论，启动柴油机的瞬间，柴油机的功率输出远超水泵所需要的功率，不会产生过载而导致熄火。

演算加推理到此，结论就是没有必要加装离合器。

6.结论：柴油机无离合器连接消防泵方案可行

少一个设备的安装，消防泵的运行更为可靠，比如下面几个方面要求可以满足：

6.1可以实现发生火警自动运行柴油机消防泵；

6.2消防设备运行需要简单易行，学会在消防控制室远程操作以及在消防泵房直接按下启动按钮即可；

6.3设备的生产、维护保养简单易行，不需要检修离合器，提升了水泵与柴油机中线的对准精度，运行时的噪音，振动，以及联轴器磨损都可以有效降低；

6.4启动消防泵的时间可以完全符合消防规范要求；

至此，我设计的柴油机消防泵在理论上是切实可行的，并且通过样机的制作，各项数据基本合乎计算值，并通过国家消防设备检测中心的测试，完成产品认证，投放市场。

在多家用户的使用中我发觉了一个现象，我国的消防大多采用湿式消防系统，消防管道内有一定压力，压力下降会导致压力报警阀和其他压力开关的动作，那么水泵在启动时扬程一开始还不能超过管道内部压力时，水泵此时没有输出，所以没有做功。柴油机启动没有额外的功率输出，更有效保障柴油机正常启动。

唯有几个不可疏忽的地方：

1，加热系统时刻保持正常工作，不得停电

2，预供油系统时刻保持正常工作，保证润滑油润滑充分。

参考文献：

[1]曹智焜，吴晗，张树纯等《重型柴油机低温起动及暖机过程的颗粒排放特性》，兵工学报：1-13[2024-02-01]

[2]刘震涛，韩松，尹旭等《发动机冷起动暖机过程改善措施的试验研究》，汽车工程，2012年07期

[3]安徽三联泵业股份有限公司，《应急/消防柴油机水泵机组》，《工程科技II辑》专辑，《机械工业》专题，2009年