CHI水泥廠電纜夾層的噴淋消防設計

陶金成，張靜，熊忠良

拉法基集團是世界上技術領先的水泥生產商之一，它對水泥廠的建設有許多獨特的要求。本文將通過對印度CHI項目的噴淋消防設計，介紹拉法基對電纜夾層的消防設計要求。雖然目前有關消防的國家標準（GB）對此沒有具體規定，但拉法基集團對該部分有明確的要求。為了更好地滿足國外業主對水泥廠的消防設計要求，同時為國內水泥廠的設計工作提供借鑒作用，進行電纜夾層的消防設計研究非常必要。

1 項目簡介

CHI項目位于印度拉賈斯坦邦，為5000 t/d新型干法水泥熟料生產線，廠區氣候和地質條件良好。全廠的消防系統設計，完全遵從拉法基集團基于NFPA制定的消防標準。通過該項目的消防設計，有助于我們加深對NFPA的認識，為其他國外項目的消防設計提供參考。拉法基集團所轄的水泥廠曾發生過電纜夾層火災事故，而且當電氣功率較大時，在特定氣候條件下，電纜存在因散熱不良而發生火災的可能，所以在電纜夾層采取消防措施十分必要。

2 消防系統

水泥廠的電纜夾層一般位于電力室的下層，用于布置連接電氣控制柜的電纜。CHI項目的電力室包括煤粉制備、水泥包裝、水泥粉磨等16個電力室，每處的電纜夾層均需進行消防設計。按照拉法基的消防要求，在電纜夾層中需采用自動噴淋系統。若各電力室的自噴供水系統均設計為獨立加壓系統，不僅控制系統復雜，而且設備和基建成本高，所以本項目采用常高壓消防管網供水，同時該管網還為室外消火栓和其他車間的消防系統提供消防用水。這種混合消防管網系統符合NFPA的要求，因為NFPA對自噴系統與消火栓系統根據建筑物類別和危險等級的劃分采用統一規定。消防泵站處于這種混合系統的核心地位，在選擇水泵時，要考慮滿足各消防系統的要求。

3 預作用自噴系統及參數的選擇

考慮到帶電設備的防露和防誤噴問題，自噴系統選定為單互鎖感溫預作用系統，作用原理見圖1。該系統包括火災報警控制器、雨淋閥組、溫感火災探測器、閉式噴頭等部分。報警控制器用于控制各組件的啟閉，當感溫探測器動作時，雨淋閥因電力互鎖而開啟，壓力水進入自噴系統，但僅當噴頭因溫度過高而破裂時，系統才會噴水。如噴頭因誤操作而損壞時，雨淋閥不會動作，即系統不會噴水。感溫探頭和閉式噴頭形成了雙保險，確保只有在火災發生時，系統才會噴水滅火，杜絕了因誤噴對電力室造成的損害。

拉法基要求將電纜夾層歸為嚴重危險1級區域，參考NFPA13相關計算圖表，同時考慮到便于計算，規定最小噴水強度為10L/min·m2，最大作用面積為280m2，平衡系數為0.15，持續噴水時間90min，單個噴頭的最大防護面積為9.3m2。

4 噴頭的選擇和布置

圖1 預作用自噴系統原理圖

根據拉法基要求，噴頭采用閉式感溫直立型或邊墻型噴頭，額定溫度為93℃，流量系數為80。噴頭的布置根據空間高度的不同分為兩種情況。當電纜夾層的高度大于80cm時，采用直立型噴頭，噴頭最大間距為3.7m，最小間距為1.8m，與墻間距最大為1.85m，最小為1.2m。當電纜夾層的高度小于80cm時，采用邊墻型噴頭，水平方向安裝，噴頭布置的距離要求與直立型噴頭相同。在全廠的16座電力室中，電纜夾層的高度幾乎全部大于80cm，只有原料破碎及輸送電力室例外，在設計過程中需特殊考慮。

5 系統計算公式

噴頭流量的計算公式：

式中：

q——噴頭流量，L/min

K——流量系數，80

P——工作壓力，MPa

系統最不利點處噴頭的工作壓力應由計算確定。依據NFPA13，最不利點處噴頭的最低工作壓力不應低于0.05MPa，同時作用面積內每只噴頭在工作壓力下的流量應能保證不小于最小噴水強度與一個噴頭保護面積的乘積，可得出式（2）：

式中：

S——噴頭保護面積，m2

F——噴水強度，L/min·m2

根據式（2），可計算出最低工作壓力P為0.14MPa。

管道水頭損失的計算采用海曾威廉公式，見式（3）：

式中：

H—水頭損失，m

Q—管道流量，L/min

d—管道計算內徑，mm

C—摩阻系數，120

L—管段長度，m

6 自噴系統設計實例

雖然水泥廠的電力室很多，但規格和布局大多類似。本文選取公用2號電力室作為典型實例，進行電纜夾層的噴頭布置及系統計算。

目前對于噴淋系統的管道水力計算，普遍采用設計軟件進行輔助計算，這有助于提高計算精度和設計效率。國內針對國家標準（GB）已開發出多款軟件，包括天正、鴻業、浩辰等，而基于NFPA的噴淋計算軟件則很少。在CHI項目的設計過程中，采用了兆龍軟件公司開發的消防工程CAD V6.2，因為該軟件已經獲得了FM認證，且被國內多家單位成功用于國外工程的消防設計。

兆龍消防軟件可依據NFPA，對消防系統進行管網布置、智能預估管徑和自動繪制出系統圖。圖2和圖3分別為該軟件生成的噴頭布置簡圖與系統節點圖。從圖上看，不僅噴頭布置符合NFPA的要求，而且圖面信息完整，減少了繪圖工作量，體現了軟件給設計工作帶來的便捷性。

該軟件還可基于NFPA進行高精度管網計算，生成詳細的中文或英文計算書。表1為軟件生成的管段水力計算表，與圖3相對應，構成了計算書的主要內容。表2為該案例的重點項目檢查結果表，由表可知，該系統的噴水強度為11.83L/min·m2，滿足規范要求，另外系統所需的揚程為22.51m，進水流量為13.6L/s。為了比較NFPA13與GB50084—2001的管道水力計算差別，在參數相同的條件下，利用該軟件進行了基于GB50084—2001的系統計算（表2）。從表2可以看出，揚程的結果相差14.5m，而其他項則相差較小。在我國自噴規范的條文說明中，比較了各國水頭損失計算公式的差別，得出的結論為：按我國公式計算出的水頭損失最高，所以以上數據同規范的結論相符。

圖2 噴頭布置圖

圖3 系統計算節點圖

表1 管段水力計算表

表2 重點項目檢查結果表

7 消防水泵的選用

消防水泵的流量包括自噴系統和消火栓系統的最大流量。根據拉法基要求，自噴系統最大流量的計算公式為：

式中：

Sm——噴頭最大保護面積，取280m2

Fn——最小噴水強度，取10L/min.m2

f——平衡系數，0.15

經計算Q自噴為3220L/min。另外消火栓系統的最大流量為1900L/min，兩者的總流量為5120L/min，考慮10%的安全系數，水泵的流量近似取340m3/h。如需計算水池容積，用總流量與消防持續供水時間相乘即可。

水泵的揚程應包括室外管網的水頭損失和管網末端的消防用水需求。拉法基集團要求，室外管網的壓力損失不應超過30m。相比于消火栓系統，自噴系數的進水壓力明顯偏高。經計算可知，全廠的電纜夾層中進水壓力最大不超過60m，所以水泵的揚程應約為90m。由于水泵揚程較大，要求消防管網的管材、管件、附件等均需選擇公稱壓力為1.6MPa的規格。另外，消防管網支管的管徑計算需要特別注意，這是因為室內外消防管道的流速要求不同，管網支管管徑不能直接采用自噴系統的入戶管徑，特別是某些支管長度為幾百米，如果管徑不適當放大，管道水頭損失可達上百米，無法滿足自噴系統的進戶壓力要求。

8 總結

（1）根據NFPA標準，本項目采用自噴系統和消火栓系統合并的混合消防系統，這有別于國內的常規做法。該系統僅需一組水泵和管網，便可同時滿足各消防系統的用水需求，有助于降低成本，簡化控制系統。

（2）單互鎖感溫預作用自噴系統能有效地防止系統誤噴，感溫探測裝置和閉式噴頭組成了雙保險。

（3）根據電纜夾層的空間高度不同，將分別采用閉式感溫直立型或邊墻型噴頭，但噴頭布置的距離要求是相同的。

（4）NFPA要求作用面積內每只噴頭在工作壓力下的流量應不小于最小噴水強度與一個噴頭保護面積的乘積，由此可得出噴頭最低工作壓力的計算公式，本項目的計算結果為0.14MPa。

（5）兆龍消防軟件可基于NFPA進行設計計算，自動生成系統圖和計算書，極大地提高了設計效率。通過比較NFPA與GB50084—2001的水力計算結果，發現GB50084—2001的水頭損失計算公式偏于保守。

（6）消防水泵的流量近似取為340m3/h，包括自噴系統和消火栓系統所需流量，并考慮了10%的安全系數。水泵的揚程約為90m，其中室外管網的最大壓力損失取為30m，自噴系統的最大進水壓力為60m。由于水泵揚程較大，管網部件應考慮耐壓要求。

（7）由于自噴系統的流量較大，且局部的消防管網支管距離較長，所以支管管徑需要適當放大，否則可能無法滿足自噴系統的進水壓力要求。

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