環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算方法在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

0引言

《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 給水排水》(2009年版)7.2.15條規(guī)定“嚴(yán)重危險(xiǎn)等級(jí)和倉(cāng)庫(kù)危險(xiǎn)等級(jí)宜采用環(huán)狀管網(wǎng)和格柵狀管網(wǎng)”^[1],但在環(huán)狀管網(wǎng)的實(shí)際工程應(yīng)用中往往只注重了管線布置,而忽視了其水力計(jì)算的準(zhǔn)確性,從而導(dǎo)致環(huán)狀管網(wǎng)在工程實(shí)際應(yīng)用的意義大打折扣o合理正確地使用環(huán)狀管網(wǎng)對(duì)于提高自動(dòng)噴水系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低系統(tǒng)運(yùn)行成本具有重要作用。

1 工程概況

某站臺(tái)物流倉(cāng)庫(kù)(寒冷地區(qū)丙類倉(cāng)庫(kù)),長(zhǎng)80 m,寬20 m,高7 m(平屋面)。 占地面積1 600m²,儲(chǔ)物高度3.5 m。根據(jù)GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)第8.3.2條“每座占地面積大于1 500 m²或總建筑面積大于3 000 m² 的其他單層或多層丙類物品倉(cāng)庫(kù)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng),并宜采用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)”^[2]和GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.3、4.2.4“環(huán)境溫度低于4℃或高于70℃的場(chǎng)所,應(yīng)采用干式系統(tǒng),預(yù)作用系統(tǒng)可替代干式系統(tǒng)”^[3]的規(guī)定,此物流倉(cāng)庫(kù)需要設(shè)置預(yù)作用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。

根據(jù)GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定,此物流倉(cāng)庫(kù)屬于倉(cāng)庫(kù)危險(xiǎn)級(jí) Ⅱ,儲(chǔ) 物高度為3.5 m。可知倉(cāng)庫(kù)噴水強(qiáng)度D=12 L/(min?m²),作用面積200 m²,持續(xù)噴水時(shí)間2.0 h。選用ZSTYZ—15型閉式直立型噴頭,噴頭流量系數(shù)K=80,最低工作壓力P_S≥0.05 Mpa,最不利噴頭接管管徑DN25。

2 水力計(jì)算

2.1 節(jié)點(diǎn)流量水力計(jì)算

考慮到精算法計(jì)算的壓力流量比較準(zhǔn)確,而粗算法計(jì)算有一定誤差,以下水力計(jì)算均采用精算法。均勻布置噴頭,單個(gè)噴頭保護(hù)面積為3.0 m×2.5 m=7.5 m²,得到自噴平面布置如圖1所示, 自噴支管剖面圖如圖2所示。

天正給排水軟件默認(rèn)忽略噴頭短立管對(duì)噴頭出水量的影響,但對(duì)類似于直立型上噴的安裝方式,短立管對(duì)噴頭出水不利,應(yīng)考慮短立管對(duì)噴頭的流量影響。本文把短立管和噴頭一起視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)復(fù)合型噴頭考慮。

根據(jù)式(1)~(9):

式中:D為最小噴水強(qiáng)度,取12.0 L/(min?m²);AS為最不利噴頭保護(hù)面積,取2.5× 3.0=7.5 m² ;K為噴頭流量系數(shù),取80.0;S為管道計(jì)算截面積;D_j為最不利噴頭接管計(jì)算內(nèi)徑;q為最不利噴頭的流量;P_S為最不利噴頭最小工作壓力;V_S為配水流速;i為水力坡降;L_a 為立管長(zhǎng)度,取0.30 m;L_b為當(dāng)量長(zhǎng)度;h_S為最不利噴頭至下一節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的水力損失(等效沿程水力損失);Z_S為立管幾何高差產(chǎn)生的壓力;P_O為節(jié)點(diǎn)工作壓力;K_S為噴頭折算流量系數(shù)。

計(jì)算得到:P_O=0.140 8 Mpa,K_S=75.965,即節(jié)點(diǎn)1處的壓力為0.1408 Mpa,流量系數(shù)為75.965,節(jié)點(diǎn)流量水力計(jì)算如表1所示。

2.2 支管流量水力計(jì)算

通過(guò)采用節(jié)點(diǎn)1工作壓力、噴頭折算流量系數(shù)相同的方法可以計(jì)算出支管圖中各節(jié)點(diǎn)的工作壓力、流量和支管流量折算系數(shù),支管流量水力計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

2.3作用面積流量水力計(jì)算

由圖1與表1可知,單根配水支管保護(hù)面積S_z=10×3=30m²,噴頭最小作用面積為200 m²。取任意相鄰的7根配水支管,作用面積210 m²,如圖3所示。將作用面積內(nèi)的噴頭視為一個(gè)復(fù)合噴頭,定義為作用面積噴頭。采用計(jì)算支管流量的算法計(jì)算出作用面積復(fù)合噴頭的工作流量,作用面積流量水力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

2.4環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算

采用理論計(jì)算時(shí),可以把系統(tǒng)管網(wǎng)簡(jiǎn)化成環(huán)狀管網(wǎng),如圖4所示。節(jié)點(diǎn)A為環(huán)狀管網(wǎng)入口端,假設(shè)節(jié)點(diǎn)B為作用面積復(fù)合噴頭滅火點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)壓力的唯一性,可知管段L₁的水頭損失應(yīng)與管段L2的水頭損失相等,滿足下列公式:

式中:Q為自噴管網(wǎng)入口流量;Q₁為通過(guò)管段L₁到達(dá)節(jié)點(diǎn)B的流量;Q₂為通過(guò)管段L₂到達(dá)節(jié)點(diǎn)B的流量。

公式(10)(11)聯(lián)立公式(3)(4)(5)可以推導(dǎo)出下列公式:

式中:D₁為管段L₁計(jì)算內(nèi)徑;D₂為管段L₂計(jì)算內(nèi)徑。由D₁=D₂可得:

3 最不利區(qū)域判斷

在系統(tǒng)靠近入口、系統(tǒng)中段、系統(tǒng)末端選擇I、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域(每個(gè)區(qū)域面積都為210 m²,與一個(gè)復(fù)合面積噴頭流量相等),如圖5所示,分別計(jì)算這三個(gè)區(qū)域的系統(tǒng)入口壓力,根據(jù)計(jì)算判定系統(tǒng)入口壓力最大的區(qū)域即為最不利區(qū)域。

3.1假設(shè)區(qū)域I為最不利區(qū)域

如圖6所示,假設(shè)節(jié)點(diǎn)9為壓力平衡點(diǎn),則:環(huán)路A(9—10—11—12—1)管道總長(zhǎng)度為168m,含側(cè)三通1個(gè),90°彎頭3個(gè),則:L₁=168十1 × 7.6十3 ×3.7=186.7 m。

環(huán)路B(9—8—7—6—5—4—3—2—1)管道總長(zhǎng)度為28 m,含側(cè)三通1個(gè),90°彎頭1個(gè),則:L₂=28十1×7.6十1×3.7=39.3 m。

由公式(13)(14)可算出通過(guò)環(huán)路A、環(huán)路B在節(jié) 點(diǎn)9的流量如表4所示。

由表4可知環(huán)路A經(jīng)過(guò)流量Q₁大于2根支管流量,已知單根支管流量為定值,說(shuō)明環(huán)路A至少能輸送至滿足節(jié)點(diǎn)8的支管流量需求,如圖5所示,故節(jié)點(diǎn)9為壓力平衡點(diǎn)不成立。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)7為壓力平衡點(diǎn),則:

環(huán)路A (7—8—9—10—11—12—13—1)管道總長(zhǎng)度為174 m,含側(cè)三通1個(gè),90°彎頭3個(gè),則:L₁=174+ 1×7.6+3×3.7=192.7 m。

環(huán)路B(7—6—5—4—3—2—1)管道總長(zhǎng)度為22m,含側(cè)三通1個(gè) ,90°彎頭1個(gè),則:L₂=22+1 × 7.6+1 ×3.7=33.3 m。

由表5可知環(huán)路A經(jīng)過(guò)流量Q1大于2根支管流量,小于3根支管流量,說(shuō)明環(huán)路能送至節(jié)點(diǎn)7但不能滿足節(jié)點(diǎn)6的支管流量需求,故節(jié)點(diǎn)7為壓力平衡點(diǎn)成立。

因此,利用公式(1)~(14)可反推通過(guò)環(huán)路A、環(huán)路B可以分別算出節(jié)點(diǎn)1的壓力及流量結(jié)果如表6所示。

由表6可知:通過(guò)環(huán)路A計(jì)算出節(jié)點(diǎn)1處的壓力P_a=0.264Mpa,通過(guò)環(huán)路B計(jì)算出節(jié)點(diǎn)1處的壓力P_b=0.257Mpa,環(huán)路A、B計(jì)算入 口壓力平均值P=(P_a+P_b)/2≈0.261 Mpa,環(huán)路A、B計(jì)算入口壓差ΔP=P_a-P_b=0.007 Mpa,約為平均壓力的2.7%,誤差很小可以忽略不計(jì)。

入口流量Q=Q_a+Q_b=2844.43 L/min≈47.41 L/s。

3.2假設(shè)區(qū)域Ⅱ?yàn)樽畈焕麉^(qū)域

區(qū)域Ⅱ節(jié)點(diǎn)如圖7所示,計(jì)算得到壓力平衡點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)7,環(huán)路A、B計(jì)算入口壓力平均值P=0.276 Mpa,入口壓差ΔP=P_a-P_b=0.005 Mpa,約為平均壓力的1.8%,入口流量Q=2 842.581 L/min≈47.38 L/s。

3.3假設(shè)區(qū)域Ⅲ為最不利區(qū)域

區(qū)域Ⅲ節(jié)點(diǎn)如圖8所示,計(jì)算得到壓力平衡點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)6,環(huán)路A、B計(jì)算入口壓力平均值P=0.283 Mpa,入口壓差ΔP=Pa-Pb=0.001Mpa,約為平均壓力的0.35%,入口流量Q=2 841.91 L/min≈47.37 L/S。

3.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分別假設(shè)區(qū)域 I、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域?yàn)樽畈焕麉^(qū)域 計(jì)算的入口壓力值分別為0.261、0.276、0.283Mpa, 可判定區(qū)域Ⅲ為最不利區(qū)域,由此得到環(huán)狀自噴管網(wǎng)計(jì)算入口壓力P=0.283 Mpa,入口流量Q=47.37 L/S。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)該物流倉(cāng)庫(kù)建筑特點(diǎn)分析,設(shè)置預(yù)作用 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),對(duì)該系統(tǒng)建立了節(jié)點(diǎn)—支管—環(huán)路層層遞進(jìn)的水力計(jì)算方法,并將整個(gè)環(huán)狀管網(wǎng)劃分為三個(gè)不利區(qū)域進(jìn)行計(jì)算,確立最不利區(qū)域,找到壓力平衡點(diǎn),得到該工程自噴滅火系統(tǒng)的供水壓力,為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn)環(huán)狀管網(wǎng)在各個(gè)區(qū)域的壓力都比較均衡,相比較枝狀管網(wǎng)具有更高的可靠性,避免了不同環(huán)路的壓力不平衡,可有效降低消防主泵運(yùn)行壓力,對(duì)消防工程的前期投入和后期運(yùn)行成本具有極大意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施給水排水[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

[2]建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018年版):GB 50016—2014[S].

[3]自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50084—2017[S].

2024年第19期第10篇