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对新消火栓消防规范的探讨

摘要:长达十年修改的新《消防给水及消火栓系统技术规范》GB5094-2014已在我国执行,其中有一些条文在应用时,应值得商榷。值得有关生产企业跟进,需要设计人员认真思考。本文主要就消防选泵问题、室外消火栓压力问题、消防泵防淹没校核等问题进行探讨。
关键词:水泵的选择原则曲线水泵性能曲线水头损失
  一、消防水泵问题
  在所有消防设施中,最重的莫过于消防供水设备,而消防水泵又是消防供水设备中最重要的,它的性能优劣直接影响到灭火的效果,影响到人的生命和财产的安全,故此,规范GB5094-2014[1]条文规定:
  5.1.6-4流量扬程性能曲线应为无驼峰、无拐点的光滑曲线,零流量时的压力不应大于设计工作压力的140%,且宜大于设计工作压力的120%;
  5.1.6-5当出流量为设计流量的150%时,其出口压力不应低于设计工作压力的65%。
  依上述两条件,参考规范条文说明,可以绘出满足规范要求的消防泵泵谱曲线,如下图中红线所示,此泵谱曲线就是选择消防供水水泵的选择原则曲线。可以这样理解:只有按此曲线生产的消防泵才是符合我国法定条件的消防泵,才能在我国应用,才能被设计人员选用,否则均视为不宜用于消防的泵。  
对新消火栓消防规范的探讨插图
水泵的选择原则曲线
  依常规思考,在规范全面执行时,我国按此水泵泵谱生产的厂家已完成消防水泵技术改造,同时已能满足我国消防工程需求,相应的规程、消防图集等也已修改到位,满足消防工程需求。然而,情非所愿,只能梦里寻他千百度,望断天崖路。
  我国消防规范中此曲线及相应的技术参数从何而来,规范修改人员是非常明白的,如果依先进的外国生产厂家或国外消防条款为依据,寻求更高的消防技术,提高我国消防技术水平,无可厚非,用心良苦,值得尊敬。但更要充分了解我国消防设施的生产能力,更要了解我国的消防水平,不能用外国人的鞋套中国人的脚,应该用实事求是的,贴合实际的,符合国情的态度修改我国消防大法,使我国的消防事业得以正常发展。
对新消火栓消防规范的探讨插图1
  以我国的消防设备安装图集为例,以新消防规范的选泵原则来选取消防泵。
  图集04S204[2]中的XBD-HY系列卧式恒压切线消防泵性能曲线形状为基本水平,而且出现了驼峰,明显不满足新规范的曲线要求;同样的XBD-SLH系列立式恒压切线消防泵曲线形状前部水平,后面出现拐点,也不满足要求;XBD(HW)系列经计算可知出现流量减小扬程下降的情况,即出现了驼峰,也不满足要求;XBD-(HL)、XBD-(SHY)系列为立式恒压泵,扬程不跟随流量改变而改变,且末端出现了拐点,必然不能满足规范要求;而只有XBD卧式、立式消防泵,XBD-SS立式、卧式单级双吸泵系列与规范相似,
对新消火栓消防规范的探讨插图2
  但是经曲线校核,在接近于零流量时曲线过于平缓不能满足“大于设计流量120%的要求"。故此,消防泵图集上所列泵均不能满足规范要求。
  笔者查阅我国水泵手册以及许多水泵生产厂家提供的技术资料,按消防规范提供的水泵泵谱曲线生产的消防泵几乎不存在(因资料有限,未能收集全面,见谅)。不是出现驼峰,就是出现拐点,或者是曲线过于平缓。
  若消防按两台泵串联或并联工作,工况分析如下:
  消防按两台泵并联工作,按扬程不变流量叠加的办法合成供水曲线,曲线只会变的更加平坦,在消防设计点上(在联合曲线上)是不满足规范要求的,不满足规范“零流量时的压力不应大于设计工作压力的140%,且宜大于设计工作压力的120%;当出流量为设计流量的150%时,其出口压力不应低于设计工作压力的65%"的要求。故消防泵不能采用并联供水方式。
    消防按两台泵串联工作,按流量不变扬程叠加的办法合成供水曲线,曲线变的更陡,在消防设计点上(在联合曲线上)有可能满足规范“零流量时的压力不应大于设计工作压力的140%,且宜大于设计工作压力的120%"的要求,但不满足“当出流量为设计流量的150%时,其出口压力不应低于设计工作压力的65%"的要求。单泵曲线不能满足“零流量时的压力不应大于设计工作压力的140%,且宜大于设计工作压力的120%"的要求,故消防泵不能采用串联供水方式。
  综上所述,消防泵不能采用串并联供水方式。
  二、消防泵房防淹没措施
  规范5.5.14消防水泵房应采取防水淹没的技术措施。
  消防泵房淹没主要是排入水泵房的水量大于水泵房内排水泵的排水能力。从两个方面解决这个问题:
  1、加大水泵房内排水泵的能力,是排入泵站内的水能够及时的排除,这就要加大排水泵的排水量,提高排水泵的排水能力,一方面增大了电负荷,另一方面增大了集水坑的有效容积,以满足最大一台排水泵五分钟排水量的要求。给结构和建筑专业提出了更高的要求。需要加大建筑面积或增加深度。
  2、减少排入水泵房内的水量。将排入消防水泵房内的所有废水全部排出。现在存在一个问题,所有废水指的是什么废水:
  A)消防时产生的废水,此部分是该工程消防水量消防总量还是部分量,部分量是多少,如何计算,如何做到合理,应需认真对待。
  B)进入消防水池的市政进水管因浮球阀失灵而造成大量水通过溢流管而进入消防泵房。此部分进水量可按V=1.5m/s流速计,依管径大小确定其进水量。
  C)上述两部分消防废水量,是需整个地下室所有排水设施排除还是只靠消防泵房排水设施呢?很明显,要按整个地下室排水设施负担,那么消防泵站防水淹的排水量只能考虑排入泵站内的所有废水量。具体应按具体工程、具体问题,具体分析,做出合理设计。
  三、室外消火栓压力要求校核
  规范7.2.2市政消火栓宜采用直接DN150的室外消火栓。设置室外消火栓的主要目的是提供火灾时消防车取水,提供室外消防救援用水并参与消防灭火,故规范7.2.8,当市政给水管网设有市政消火栓时,其平时运行工作压力不应小于0.14MPa,火灾时水力最不利市政消火栓的出流量不应小于15L/s,且供水压力从地面算起不应小于0.10MPa。
  消防车长度一般为7.2m,按进水水头按2米计算,室外消火栓以一条水带长度能满足到达消防水罐给消防车供水要求:采用直径D=65mm、L=25m麻织水带,则有
对新消火栓消防规范的探讨插图3
水带阻力系数
  水带水头损失为按下式计算:,得ha=0.00430*25*21=2.26m,局部损失不计时,则需要栓口压力7.2+2+2.26=11.46m,再考虑到其他损失市政共室外消防用水水压应在0.14Mpa以上。
  在其他条件不变的情况下,如按消防规范要求室外消火栓以最长六条水带长度计算,且能满足到达消防水罐给消防车供水,采用直径D=65mm、L=20mx6=120m麻织水带,则得ha=0.00430x120x21=10.85m,局部损失不计时,则需要栓口压力7.2+2+10.85=20.05m,再考虑到其他损失市政共室外消防用水水压应在0.25Mpa以上,也符合规范7.4.12条“消火栓栓口动压不应小于0.25MPa"的规定。
  四、室内消火栓压力校核
  新的《建筑设计防火规范》GB50016-2014合并了原《建规》和《高规》,成为一部真正意义上的建筑消防法规,是我国消防法规的基本大法,是其他法规的基础。解决了设置消防设施的原则、部位。具体设计参数要依相应灭火系统参见相应的技术规范。其中对于消火栓系统参见《消防给水及消火栓系统技术规范》GB5094-2014,其中:
  7.4.12室内消火栓栓口压力和消防水枪充实水柱,应符合下列规定:
  1.消火栓栓口动压不应大于0.50MPa,当大于0.70MPa时必须设置减压装置。
  2.高层建筑、厂房、库房和室内净空高度超过8m的民用建筑等场所,消火栓栓口动压不应小于0.35MPa,且消防水枪充实水柱应按13m计算;其他场所消火栓栓口动压不应小于0.25MPa,且消防水枪充实水柱应按l0m计算。
  5.2.2高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施且最低有效水位应满足水灭火设施最不利点处的静水压力要求,并应按下列规定确定:
  1.一类高层公共建筑,不应低于0.10Mpa,但当建筑高度超过100m时不应低于0.15Mpa;
  2.高层住宅、二类高层公共建筑、多层公共建筑,不应低于0.07Mpa,多层住宅不宜低于0.07Mpa;
  3.工业建筑不应低于0.10Mpa,当建筑体积小于20000㎡时,不宜低于0.07Mpa;
  消火栓消防分区供水的原则按规范6.2.1--1系统工作压力大于2.40Mpa;6.2.1--2.消火栓栓口静压大于1.0Mpa;
  从上述数据分析:
  A).消火栓栓口动压最低为0.25MPa,高层建筑、厂房、库房和室内净空高度超过8m的民用建筑等场所,消火栓栓口动压最低为0.35MPa,压力在0.25Mpa~0.35Mpa~0.50Mpa可不设减压阀。0.50Mpa~0.70Mpa间可设可不设,大于0.70MPa时必须设置减压装置。
  B).消火栓减压是按动压减压的,如何确定动压是消火栓减压的关键性问题。而分区又是按工作压力,又按消火栓栓口静压,一动一静,又是工作压力。工作压力和动压的关系是什么?依工作压力能否减压。
  C).按动压值减压后,用静压值复核时,不能满足消防水枪充实水柱的要求。如何办。
  D).减压阀依规范6.2.4,在150%设计流量时,减压阀的出口动压不应小于设计值的65%;此条与消防水泵的选择规范5.1.6-5相同。说明真是按动压减压的。上述存在的两个问题就需工程技术人员解决:
  动压如何计算;按按动压值减压后,用静压值复核时,不能满足消防水枪充实水柱时,动压减压是否合适的问题。
  动压关键在消防水泵,水泵的设计工况是消防的核心问题。规范5.1.6-4条对消防水泵做出以下要求:“流量扬程性能曲线应为无驼峰、无拐点的光滑曲线,零流量时的压力不应大于设计工作压力的140%,且宜大于设计工作压力的120%";很明显,消防水泵在设计工况点到零流量区间的变化曲线斜率必须在1.20~1.40之间变化,动压在(1.20~1.40)H之间变化,如何减压?如果按分区工作压力2.40Mpa为设计水泵工况点,动压变化在2.40~2.88~3.36Mpa,压力相差0.48Mpa。如何减压。
  在最不利消火栓处,高位水箱的设置高度只要满足规范5.2.2条要求,就认为是合理的设计,是满足消防的,而静压的要求为三档0.07Mpa,0.10Mpa,0.15Mpa,与最低动压0.25Mpa最小相差0.10Mpa。即动压和静压相差0.10Mpa,此时在减压阀设计计算时就相差0.10Mpa,在工程设计时,应首先考虑静压能否满足消防要求,再考虑动压问题,不能搞错,否则火灾初期时,仅靠高位水箱供水时,消防压力不够,影响灭火效果。
  当高位消防水箱不能满足最不利点的消防静压要求时,应设稳压泵。稳压泵的设计参数规范给了以下规定:
  A.稳压泵流量要求:
  规范5.3.2稳压泵的设计流量应符合下列规定:
  1稳压泵的设计流量不应小于消防给水系统管网的正常泄漏量和系统自动启动流量;
  2消防给水系统管网的正常泄漏量应根据管道材质、接口形式等确定,当没有管网泄漏量数据时,稳压泵的设计流量宜按消防给水设计流量的1%~3%计,且不宜小于lL/s;
  3消防给水系统所采用报警阀压力开关等自动启动流量应根据产品确定。
  依上述要求可以认为:在一般设计人员无法确定管网正常泄漏量的前提下,按消防给水设计流量的1%~3%,且不宜小于lL/s计算是可靠的,此时消防设计流量的确定就是关键。大的工程,特别是大型演艺中心、歌剧院的舞台雨淋系统,其消防流量可超过100L/S以上,稳压泵流量的流量在1~5L/S之间。结合以往《建规》《高规》的设计经验,参考具体工程做法,建议稳压泵流量的流量采用5L/S。
  B.稳压泵压力要求:
  5.3.3稳压泵的设计压力应符合下列要求:
  1稳压泵的设计压力应满足系统自动启动和管网充满水的要求;
  2稳压泵的设计压力应保持系统自动启泵压力设置点处的压力在准工作状态时大于系统设置自动启泵压力值,且增加值宜为0.07MPa~0.l00MPa;
  3稳压泵的设计压力应保持系统最不利点处水灭火设施在准工作状态时的静水压力应大于0.15MPa。
  依上述要求可以认为:稳压泵压力在0.22(0.15+0.07)MPa~0.25(0.15+0.10)MPa,此值与按自喷均衡理论计算下的最小压力0.234MPa相吻合;但消火栓系统要求最低压力为0.25MPa,故稳压泵确保系统的最低压力值应为0.25MPa,稳压泵的扬程应按稳压泵所设置的位置来确定,位于高位水箱处时,应减去水箱到最不利点的几何高差;位于地下室时应加上最不利点到地下室的几何高差。
  五、消防水泵吸水口淹没深度
  消防水泵吸水口淹没深度的规定,是确保消防水泵正常运行的关键技术措施之一。为此,规范5.1.13-4已强条的形式规定:消防水泵吸水口的淹没深度应满足消防水泵在最低水位运行安全的要求,吸水管喇叭口在消防水池最低有效水位下的淹没深度应根据吸水管喇叭口的水流速度和水力条件确定,但不应小于600mm,当采用旋流防止器时,淹没深度不应小于200mm;
  1.不采用旋流防止器时,吸水口淹没深度的确定
  规范规定:消防水泵吸水管的直径小于DN250时,其流速宜为1.0m/s~1.2m/s;直径大于DN250时,宜为1.2m/s~1.6m/s;
  此条规范是为了避免旋流危害,旋流是在泵站进水时,因地球自转的作用,进水管处水流产生涡流,当涡流大到一定程度时,中心区域会讲空气带入水泵,气体对泵会带来很大的危。通常把这种带入气体的涡流叫贯通式漩涡,这种漩涡会在进水处形成挟气涡流带甚至气囊,对流动产生阻碍,又使得泵部件受力不均,诱发振动,危害很大。对离心泵而言,吸气量为1%时,离心泵抽水效率将下降15%。如图所示
对新消火栓消防规范的探讨插图4
  而避免气体进入的方法之一就是增加吸水口的淹没深度,有关这方面的研究国内外有很多计算方法,而得到的结果也有较大差异。比较符合实际的Gordon[3]公式,它是以实际资料为基础推导出来的,具有既简单又方便的计算特点。按此公式对泵站进水口淹没深度进行验证计算
    Gordon公式: 对新消火栓消防规范的探讨插图5
 其中:h--临界淹没深度(m);D--吸水口直径(m);V--吸水口流速(m/s);
    c--进水系数(侧向进水系数0.73,正向进水系数0.55)
    计算时先不考虑喇叭口对管径的放大,采取吸水管管径进行计算,由公式可知v、D越大h就越大,而当吸水管直径不大于DN250,流速取最大为1.2m/s,D按0.25m选用。则有 对新消火栓消防规范的探讨插图6,即规范0.6m的深度大于计算深度,满足使用条件;若吸水管直径等于DN250时,当流速取到1.6m/s,侧向进水c=0.73,则h=584mm;若吸水管直径等于DN300时,当流速取到1.6m/s,正向进水c=0.55,则h=482mm。
  上述计算未考虑吸水喇叭口放大作用,如考虑到吸水喇叭口的作用,使进水口直径变大流速减小,而流速的减小比直径增大对计算公式的影响更明显,故按设置喇叭口,淹没深度0.6m的规定是可靠的措施,此淹没深度足以避免涡流挟带气体进入泵组。
  2.采用旋流防止器时,吸水口淹没深度的确定
  当淹没深度的设置受到限制,不能满足0.60m时,就得采用旋流防止器(如下图)
对新消火栓消防规范的探讨插图7
  这种旋流防止器能使吸水口的流速减小到到原来的1/6,防止了大漩涡的生成,减小空气进入泵组的风险,从而使喇叭口上部的液位高度降低成为可能。经计算得到管径和最低水位的关系如下图。
对新消火栓消防规范的探讨插图8
  计算可知,当吸水口上淹没深度为200mm以上时,对应的吸水管管径为400mm以上,从而规范的200mm满足要求。
  在计算消防有效容积时,一定要注意此高度,不得将此容积计算在有效消防容积内。
  六、结论
  (1)依规范规定中规定的消防泵特性曲线,目前选到合适的消防水泵是不易的,采用串并联的方式是不可取的,设计时慎之。
  (2)采取消防泵房防淹没措施中,排入消防泵房的水量是关键性问题,只有明确此问题,消防泵房防淹没问题就好解决。
  (3)规范中室外消火栓供水压力是按一条水带长度计算的,按六条水带进行校核时,则不能满足规范要求,设计时宜按六条水带计算且不小于0.25MPa确定。
  (4)室内消火栓工作压力的确定需按动静压压力的不同综合考虑,合理计算。稳压泵是消防稳压增压系统的关键,稳压泵应确保系统的最低压力值不低于0.25MPa,流量不小于5L/s。稳压泵的扬程应按稳压泵所设置的位置来确定,位于高位水箱处时,应减去水箱到最不利点的几何高差;位于地下室时应加上最不利点到地下室的几何高差。
  (5)规范中给出的消防水泵吸水淹没深度0.6米的前提条件是不设旋流防止器及吸水管径不大于DN300;吸水淹没深度为0.2米的前提条件是设旋流防止器及吸水管径不大于DN400,在计算消防有效容积和吸水管设计深度时务必注意,特别注意消防容积。
  参考文献:
  [1]消防给水及消火栓系统技术规范GB50974-2014
  [2]S2-2004消防设备安装
  [3]郑双凌,马吉明,陈浩波等.进水口漩涡特性及临界淹没水深的研究进展[J]南水北调与水利科技  2010,8(5):129-132
  [4]高等流体力学天津工业大学出版社2005.03
龙康给排水设备转发。