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自动喷水灭火系统设计流量算式的探讨

    提 要 分析认为《自动喷水灭火系统设计规范》(GBJ84 - 85) 和(GB50084 - 2001) 中系统设计流量算式存在着不够完善或比较繁琐,且难实际操作的问题。提出以(GB50084 - 2001) 第9.1.4 条规定的喷水强度为基点,计算出系统最大和最小设计流量,再根据实际作用面积内安装的喷头数确定系统设计流量的算法。

    关键词 自动喷水灭火系统 设计流量 算式

    1 自动喷水灭火系统设计流量的计算

    《自动喷水灭火系统设计规范》(GBJ84 - 85) (以下简称“原自规”) 第7.1.1 条:“自动喷水灭火系统设计秒流量,宜按下式计算。”其算式为:

    Qs = 1.15 ～ 1.30Q1 (1)

    式中Qs ———系统设计秒流量,L/ s ;

    Ql ———喷水强度与作用面积的乘积,L/ s。

    由式(1) 可见,系统设计流量是以作用面积内全部喷头的喷水量至少应等于规范规定的喷水强度为基点,再考虑水力计算,是从作用面积内最不利点处算起,其它有利点处喷头工作压力较最不利点处大,因此用1.15～1.30 的系数作流量修正系数。这种算式只能算是一种估算,因为它没有考虑作用面积内安装的喷头数量和实际的喷水不均匀性。

    《自动喷水灭火系统设计规范》( GB50084 -2001) (以下简称“新自规”) 9.1.3 条:“系统的设计流量,应按最不利点处作用面积内喷头同时喷水的总流量确定。”其表达式为

    (2)

    式中Qs ———系统设计流量,L/ s ;

    qi ———最不利点处作用面积内各喷头节点的流量,L/ min ;

    n ———最不利点处作用面积内的喷头数。

    算式(2) 看来比较完善,但实际如何操作,条文没有说明。我们认为首先必须搞清楚,一“最不利点处作用面积”如何界定? 二作用面积内喷头节点流量计算时,起始点喷头工作压力如何设定?

    “最不利点处作用面积”,易误解为:离喷淋水泵供水最高、最远处的作用面积。我们认为:算式所指的“最不利点处的作用面积”显然不是以喷淋水泵供水有利、不利考虑。因为以此考虑,当最高、最远处仅在走道处设置单排喷头的闭式系统,按“新自规”5.0.2 条及其条文说明,其作用面积应按最大疏散距离所对应的走道面积确定。对中危险级I 级采用标准喷头,喷头工作压力为0.05 MPa 时,为达到6L/ (min·m2) 平均喷水强度,喷头间距为3.16 m ,则喷头覆盖全部走道面积时最多开放的喷头数不会超过9 只;如疏散距离短,则开放喷头数更少。因此其喷水的总流量就小,不能满足其它部位作用面积发生火灾时所需的喷水强度要求。“原自规”7.1.1 算式与喷淋泵供水有利、不利也没有关联。因此可以认定算式的“最不利点处作用面积”是指系统设计流量最大的作用面积。实际水力计算时,各喷头节点工作压力大小还取决于计算时起始点喷头设定的工作压力值和配水支管、配水管管径及其长度。起始点喷头设定的工作压力值,规范规定不应低于0.05MPa ,一般设计常用0.05 MPa 。实际上,此压力值的选取要受“新自规”9.1.4 条的制约。“新自规”9.1.4条提到:“最不利点处作用面积内任意4 只喷头围合范围内的平均喷水强度,轻危险级、中危险级不应低于本规范表5.0.1 规定值的85 % ...。”与“新自规”9.1.3 条条文说明中提到的美国标准的规定:“作用面积内每只喷头在工作压力下的流量应能保证不小于最小喷水强度与一个喷头保护面积的乘积”是一致的。因此,可以推导出,喷头的设定工作压力值要符合下式:

    式中q ———起始点喷头在设定的工作压力下的出流 量,L/ min ;

    S ———最小喷水强度,中危险级Ⅰ级为6 ×85 %= 5.1 L/ (min·m2) , Ⅱ级:8 ×85 % = 6.8L/ (min·m2) ;

    F ———一个喷头的保护面积,m2 ;

    K ———喷头流量系数,标准喷头K = 80 ;

    P0 ———起始点喷头设定的工作压力值,MPa 。

    因此设计计算时,作用面积内起始点喷头设定的工作压力值,既要看喷头设置场所火灾的危险等级,又要看喷头布置间距和一个喷头保护的面积大小。不能简单地用“系统最不利点处喷头工作压力,不应低于0.05 MPa”这一条取值0.05 MPa 。

    综上所述,在明确“新自规”9.1.3 条“最不利点处作用面积”含义及影响系统设计流量计算诸因素,就可以用“新自规”9.1.3 条算式计算系统的设计流量。但算式比较繁琐,如一般较大的工程项目都是两阶段设计,后一阶段设计对前阶段设计的系统管道总会有些修改,系统设计流量是否因此要进行二次计算? 再如施工过程中,由于种种原因配水管、配水支管位置,甚至喷头位置、数量调整也是经常发生的,系统设计流量要不要修改? 在实际自动喷水灭火系统设计中,不但存在着上、下层管道系统中水压的不平衡。即使在同一层中,当保护面积较大时,由于设计是按最不利作用面积内的喷头计算,则在系统中的有利作用面积内的喷头压力就大,出流量也大,是否还要计算? 那将不胜其烦,也难实际操作。

    为此提出以“新自规”9.1.4 条规定的喷水强度为基础,简化系统设计流量计算的思路。为了便于说明问题,拟用算例及其分析方法加以阐述。

    2 算例

    2.1 算例的设定

    按“新自规”7.1.2 条及表7.1.2 规定,设定最大、最小两种喷头布置间距。以中危险级I 级为例:最大以矩形布置4 m ×3.12 m ,最小以正方形布置2.4 m ×2.4 m。以中危险级Ⅱ级为例:最大以矩形布置3.6 m ×3.19 m ,最小以正方形布置2.4 m ×2.4m。

    按“新自规”8.0.7 条及表8.0.7 规定,确定配水支管、配水管控制的标准喷头数。选定的最不利点处的作用面积其形状尽可能呈矩形,符合“新自规”9.1.2 条规定。算例图式采用配水管单侧布置配水支管,配水支管上安装喷头数为规范上限值8 只。因为配水管单侧布置配水支管较双侧布置配水支管安装的喷头数量少,因此选用的配水管管径就小,则系统设计流量将随配水管中水头损失的增大而变大。同样配水支管长度会因安装喷头数量的减少而缩短,系统设计流量将随配水支管中水头损失的减少而变小。因此,选此图式对系统设计流量计算是偏大的。为简化计算,算例略计局部水头损失。

    2.2 算法

    首先选定系统中最不利点处作用面积F ,按式(3) 求出起始点喷头设定工作压力值P0 ,当P0 进行修正,然后将作用面积内全部喷头出流量的总和作为整个喷淋系统的设计流量,以后的管段流量不再增加,仅计算沿程和局部的水头损失,一直算到配水管入口。如入口压力大于“新自规”8.0.5 条规定的0.4 MPa 时,宜调整配水支管或配水管管径。

    2.3 计算

    2.3.1 中危险级I 级

    喷头最大布置间距4 m×3.12 m,一个喷头保护面积为12.48 m2 ,最小喷水强度为5.1L/(min·2) ,起始点喷头设定工作压力为: P0 ≥1/ 10 (5.1 ×12.48/ 80) 2 =0.063 ,取0.063 MPa 。计算见图1。

    喷头最小布置间距2.4 m ×2.4 m ,一个喷头保护面积为5.76 m2 , 最小喷水强度为5.1 L/ (min ·m2) ,起始点喷头设定工作压力为: P0 ≥1/ 10 (5.1 ×5.76/ 80) 2 = 0.013 ,因“新自规”表5.0.1 规定系统最不利点处喷头的工作压力,不应低于0.05 MPa ,所以应取规范值0.05 MPa 。计算见图2。

    2.3.2 中危险级Ⅱ级

    喷头最大布置间距3.6 m×3.19 m,一个喷头保护面积为1.148 m2 ,最小喷水强度为6.8 L/ (min·m2) ,起始点喷头设定工作压力为: P0 ≥1/ 10 (6.8 ×1.148/ 80) 2= 0.095 ,取0.095 MPa 。计算见图3。

    喷头最小布置间距2.4 m×2.4 m,一个喷头保护面积为5.76 m2 ,最小喷水强度为6.8 L/ (min·m2) ,起始点喷头设定工作压力为: P0 ≥1/ 10 (6.8 ×5.76/ 80) 2 =0.024 ,因“新自规”表5.0.1 规定系统最不利点处喷头的工作压力,不应低于0.05 MPa ,所以应取规范值0.05 MPa 。计算同图2。

    2.4 分析

    (1) 由图1 可见,中危险级Ⅰ级,喷头最大布置间距计算结果,其系统设计流量为18.13 L/ s ,因此可以认为系统最小设计流量值不会小于18.13 L/ s。同样由图3 可见,中危险级Ⅱ级,喷头最大布置间距计算结果,系统设计流量为25.76 L/ s ,因此可以认为系统最小设计流量不会小于25.76 L/ s。由图2可见,作用面积内安装喷头数多,喷水强度大,这种形式的喷头布置很少见。因此可以认为:系统最大设计流量值不会超过37.33 L/ s。

    (2) 图1 系统设计流量18.13 L/ s ,安装喷头数13 只,每只喷头平均出流量1.39 L/ s ,作用面积内平均喷水强度:18.13 ×60/ 162.24 = 6.70 L/ (min·m2) ,符合规范要求。

    图2 系统设计流量37.33 L/ s ,安装喷头数28 只,每只喷头平均出流量1.33 L/ s ,作用面积内平均喷水强度:37.33 ×60/ 161.28 = 13.89 L/ (min·m2) ,远大于规范要求值。

    图3 系统设计流量25.76 L/ s ,安装喷头数14只,每只喷头平均出流量1.84 L/ s ,作用面积内平均喷水强度:25.76 ×60/ 160.78 = 9.61 L/ (min·m2) ,符合规范要求。

    由此可见:按式(3) 计算起始点喷头设定的工作压力值,既满足最不利点处作用面积内任意4 只喷头围合范围内的最小喷水强度,又符合作用面积内平均喷水强度的规范要求。

    (3) 对图1 和图3 而言,作用面积内喷头数量不可能减少,只有增加。增加意味着喷头间距减小,作用面积内喷水强度增大,对控火灭火有利。如增加的喷头在作用面积内最不利点起始喷头附近,则起始点喷头设定工作压力值还可以减小,有利于系统设计流量减小。如增加的喷头在作用面积内其它部位,系统设计流量将随喷头增设位置不同而异,但其值应是在原计算的系统设计流量基础上的增值。对图2 而言,作用面积内喷头数量不可能增加,而只有减少,减少意味着系统设计流量的减少,其值也因不同喷头布置位置而异。

    由此可见, 中危险级I 级系统设计流量应在18.13～37.33 L/ s 间,中危险级Ⅱ级系统设计流量应在25.76～37.33 L/ s 间。

    3 结语

    由2.4 节分析可见:中危险级Ⅰ, Ⅱ级,最大系统设计流量为37.33L/ s ,最小系统设计流量中危险级I 级为18.13 L/ s , Ⅱ级为25.76 L/ s ,设计时系统设计流量应控制在此范围内。实际设计时,最不利点处作用面积内安装的喷头数应在13～28 只之间。如按“新自规”9.1.3 算式计算将很麻烦,也无此必要。因为作用面积内的平均喷水强度和单个喷头保护面积内的最小喷水强度已符合规范规定,满足控火灭火要求。对最大系统设计流量来说,只有减小,对最小系统设计流量来说,只有在原值上的增大,因此计算可以简化,建议系统设计流量按式(4) 计算:

    Qs = Qm + ( n - a) q (4)

    式中Qs ———系统设计流量,L/ s ;

    Qm ———最小系统设计流量,中危险级Ⅰ级取18 L/ s , Ⅱ级取25 L/ s ;

    n ———作用面积内安装的喷头总数,只;

    a ———作用面积内最小安装喷头数,中危险级Ⅰ级13 , Ⅱ级14 ;

    q ———增加的喷头出流量,L/ s ,中危险级Ⅰ级1.0 L/ s , Ⅱ级0.9 L/ s。

    式(4) 是以中危险Ⅰ级、Ⅱ级最小系统的设计流量加增值表达。增值的取值以喷头数为基点,最大系统设计流量时为28 只,最小系统设计流量时,中危险Ⅰ级为13 只, Ⅱ级为14 只。以最大系统设计流量为上限,我们可以列下式求增值q :

    中危险Ⅰ级q1 :37.33 ≥18 + (28 - 13) q1

    q1 ≤1.29 L/ s

    中危险Ⅱ级q2 :37.33 ≥25 + (28 - 14) q2

    q2 ≤0.88 L/ s

    取q1 = 1.0 L/ s , q2 = 0.9 L/ s。完全满足“新自规”9.1.4 条要求。

    系统设计流量算式(4) ,是基于“新自规”9.1.4条对系统设计流量既要满足作用面积内平均喷水强度要求,又要符合最不利点处作用面积内任意4 只喷头围合范围内的平均喷水强度轻、中危险级不应低于规范表5.0.1 规定值的85 %要求。因此它对喷头位置、数量因设计、施工引起的变化适应性较强,无需再次计算。