LPG灌瓶間雨淋系統(tǒng)與水噴霧系統(tǒng)的設計

趙向榮, 李 媛, 朱亞元

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司合肥分公司，安徽合肥230000)

1 概述

在進行液化石油氣儲配站灌瓶間的消防設計過程中發(fā)現，相關的消防設計規(guī)范規(guī)定不統(tǒng)一。GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》(以下簡稱《建規(guī)》)第8.3.7條第4款規(guī)定，日裝瓶數量大于3 000瓶的液化石油氣儲配站的灌瓶間應設雨淋自動噴水滅火系統(tǒng)(以下簡稱雨淋系統(tǒng))，該規(guī)定為強制性條文，必須嚴格執(zhí)行。

雨淋系統(tǒng)是自動噴水滅火系統(tǒng)之一，主要用于撲滅燃燒猛烈、蔓延快的大面積火災，《建規(guī)》規(guī)定應設置雨淋系統(tǒng)的場所均為發(fā)生火災蔓延快、火災危險性大、著火后燃燒速度快或可能發(fā)生爆炸性燃燒的廠房或部位，是需盡快控制的高火災危險場所。液化石油氣儲配站的灌瓶間設計雨淋自動噴水滅火系統(tǒng)時，應執(zhí)行GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》(以下簡稱《噴規(guī)》)。在同為國家標準的GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》第3.1.2條中，雖然沒有明確液化石油氣灌瓶間、瓶庫應設水噴霧系統(tǒng)，但直接規(guī)定了當保護對象為液化石油氣灌瓶間、瓶庫時，以防護冷卻為目的的水噴霧系統(tǒng)的供給強度、持續(xù)供給時間和響應時間。兩個規(guī)范都對液化石油氣灌瓶間的設計作出了相應規(guī)定，但規(guī)定大相徑庭，一個以滅火為目的，一個以防護冷卻為目的。按照不同規(guī)范設計的系統(tǒng)差別很大，兩個系統(tǒng)的參數、布置方式完全不同。GB 51142—2015《液化石油氣供應工程設計規(guī)范》只規(guī)定了有關儲罐的消防設計內容，對于灌瓶間和瓶庫的消防設計沒有要求。

2 相關規(guī)范簡介

目前有關液化石油氣廠站的設計規(guī)范只有GB 51142—2015《液化石油氣供應工程設計規(guī)范》，涉及到的規(guī)范有GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》、GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》、GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》。其中，GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》是一項綜合性的防火技術標準，政策性和技術性強，詳細規(guī)定了各種滅火系統(tǒng)的設置場所和適用范圍，具有一定的指導意義，是設計應遵循的基本規(guī)范，筆者認為應優(yōu)先執(zhí)行該規(guī)范。

3 雨淋系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)

① 雨淋系統(tǒng)

按照GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》的定義，所謂雨淋系統(tǒng)，就是由火災自動報警系統(tǒng)或傳動管控制，自動開啟雨淋閥和啟動供水泵后，向開式灑水噴頭供水的自動噴水滅火系統(tǒng)，亦稱開式系統(tǒng)。根據GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》第5.0.1條規(guī)定，灌瓶間火災危險等級為嚴重危險級Ⅱ級，因此系統(tǒng)設計噴水強度不應低于16 L/(min·m2)，作用面積不應小于260 m2；第5.0.16條規(guī)定，自動噴水滅火系統(tǒng)的持續(xù)噴水時間，應按火災延續(xù)時間不小于1 h確定。

② 水噴霧系統(tǒng)

水噴霧系統(tǒng)是指由水源、供水設備、管道、雨淋閥(或電動控制閥、氣動控制閥)、過濾器和水霧噴頭等組成，向保護對象噴射水霧進行滅火或防護冷卻的系統(tǒng)。GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》第3.1.2條規(guī)定，當保護對象為液化石油氣灌瓶間、瓶庫時，以防護冷卻為目的的水噴霧系統(tǒng)供給強度不應小于9 L/(min·m2)，火災延續(xù)時間6 h，響應時間不應大于60 s。

③ 雨淋系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)的主要區(qū)別

雨淋系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)的主要區(qū)別是雨淋系統(tǒng)不管保護對象面積多大，只按規(guī)范規(guī)定的“作用面積不小于260 m2”計算，而水噴霧系統(tǒng)是按保護對象的全面積計算。另外火災延續(xù)時間不同，雨淋系統(tǒng)是1 h，水噴霧系統(tǒng)是6 h，因此水量差別很大。此外系統(tǒng)組成不同，系統(tǒng)參數、工作壓力不同，噴水強度、噴頭形式也不同，雨淋系統(tǒng)采用的是開式噴頭，水噴霧系統(tǒng)采用的是水霧噴頭。

下面以一個長48 m、寬30 m，面積為1 440 m2的灌瓶間為例對以上2個系統(tǒng)分別進行探討。

4 雨淋系統(tǒng)

按照《噴規(guī)》規(guī)定，雨淋系統(tǒng)中每個雨淋閥控制的噴水面積不宜大于規(guī)范規(guī)定的作用面積，因此將灌瓶間劃分為6個面積≤260 m2的區(qū)域(將48 m長邊均分成6段，每段長8 m)，每個區(qū)域由一個雨淋閥控制，每個雨淋閥噴水面積240 m2?？紤]到最不利情況的發(fā)生是在相鄰的兩個雨淋閥的噴水面積交匯處，此時火災發(fā)生，則兩個相鄰的雨淋閥均動作，這時系統(tǒng)作用面積480 m2。雨淋系統(tǒng)使用的是開式噴頭，其正方形布置的噴頭間距應≤3.0 m，矩形布置的長邊噴頭間距應≤3.6 m，最小間距是1.8 m，噴頭與端墻的最大距離為1.5 m。依據這個原則進行噴頭布置，見圖1。圖1中，數據單位為mm；DN100表示該管段的公稱直徑是100 mm，依此類推；1～15是節(jié)點編號。各節(jié)點標高相同。

圖1 單個雨淋閥噴水面積內系統(tǒng)布置

由于噴頭數量越少，單個噴頭流量越大，噴頭的工作壓力也越大，因此噴頭間距不宜過大，單個雨淋閥噴水面積內噴頭共48個，每個噴頭流量計算公式為：

(1)

式中q——每個噴頭的流量，L/min

qs——系統(tǒng)設計噴水強度, L/(min·m2)，為16 L/(min·m2)

A——單個雨淋閥的噴水面積，m2，為240 m2

n——噴頭的數量

由公式(1)得q=80 L/min。

4.1 管段1-2水力計算

① 根據《噴規(guī)》第9.1.1條公式：

(2)

式中q1——節(jié)點1處噴頭流量，L/min

K——噴頭流量系數，取80

p——噴頭工作壓力，MPa

則最不利點節(jié)點1處噴頭的工作壓力為0.10 MPa。

② 根據流速計算公式：

(3)

式中v——管段1-2的流速，m/s

qxh——管段1-2的流量，m3/s

dj——管道的計算內直徑，m，按管道的內直徑減1 mm確定，為0.034 75 m

dj=dn-0.001

(4)

式中dn——管道的內直徑，m

根據公式(3)～(4)求得v=1.4 m/s。

③ 單位長度管道的壓力損失按下式計算：

(5)

式中 Δp——單位長度管道的壓力損失，MPa/m

根據公式(5)求得Δp=0.001 65 MPa/m。

④ 管段1-2沿程壓力損失計算公式：

Δpy=Δpl

(6)

式中 Δpy——沿程壓力損失，MPa

l——管段1-2的長度，m，為2.4 m

根據公式(6)得：Δpy=0.004 MPa。

⑤ 管段1-2局部壓力損失宜采用當量長度法計算：

Δpj=Δpld

(7)

式中 Δpj——管段局部壓力損失，MPa

ld——管段當量長度，m，取1.2 m(詳見《噴規(guī)》附錄C)

通過公式(7)計算得到：Δpj=0.002 MPa。

⑥ 管段1-2總壓力損失計算公式：

Δpz=Δpj+Δpy

(8)

式中 Δpz——管段1-2的總壓力損失，MPa

通過公式(8)計算得到總壓力損失為0.006 MPa。

⑦ 點2處壓力計算公式：

p2=p1+Δpz

(9)

式中p2——點2處壓力，MPa

p1——點1處噴頭的壓力，MPa，為0.1 MPa

根據公式(9)計算得到p2=0.106 MPa。依此類推，其他管段的計算結果見表1。管段1-2的起點為節(jié)點1，終點為節(jié)點2，依此類推。

表1 雨淋系統(tǒng)水力計算結果

4.2 雨淋系統(tǒng)計算結果

① 單個雨淋閥噴水面積240 m2的流量為82.53 L/s，系統(tǒng)設計流量為165.06 L/s。

② 平均噴水強度計算公式為:

(10)

式中qp——噴水面積內的平均噴水強度，L/(min·m2)

qg——噴水面積的入口管道流量，L/s，為82.53 L/s

根據公式(10)計算得出qp=20.63 L/(min·m2)。

③ 噴水面積的入口壓力為0.33 MPa。

4.3 雨淋系統(tǒng)配水管道充水時間

① 將表1中各管段管長除以流速后的結果相加，即是室內配水管道充水時間t1=12.89 s。

② 灌瓶間距離雨淋閥室150 m，室外管道公稱管徑為200 mm，水的流速為2.68 m/s，壓力損失為0.123 1 MPa。室外配水管道充水時間計算公式：

(11)

式中t2——室外配水管道充水時間，s

l1——灌瓶間與雨淋閥室之間的管道長度，m

v1——灌瓶間與雨淋閥室之間管道內水的平均流速，m/s

由公式(11)計算得t2=55.97 s。

③ 雨淋閥組到最不利點處噴頭的配水管道充水時間為t1與t2之和，為68.86 s。《噴規(guī)》第8.0.11條規(guī)定，雨淋系統(tǒng)的配水管道充水時間不宜大于2 min，滿足規(guī)范要求。

4.4 雨淋泵壓頭

雨淋泵壓頭計算式為：

pb=p1+p2+p3+p4

(12)

式中pb——雨淋泵壓頭，MPa

p1——灌瓶間入口所需壓力，MPa

p2——灌瓶間入口與雨淋泵水平中心線的高差所產生的壓差，MPa

p3——雨淋泵房至雨淋閥室的壓力損失，MPa

p4——灌瓶間至雨淋閥室的壓力損失，MPa

已知p1=0.33 MPa，p2=0.08 MPa。雨淋泵房至雨淋閥室距離400 m，設計流量165.06 L/s，供水管道管徑DN 300 mm，流速2.26 m/s，計算得p3=0.133 MPa。p4=0.123 1 MPa。則根據公式(12)計算得到雨淋泵壓頭為0.666 1 MPa，取0.67 MPa。

4.5 雨淋系統(tǒng)用水量

雨淋系統(tǒng)用水量計算公式為：

Vy=3.6qyty

(13)

式中Vy——雨淋系統(tǒng)用水量，m3

qy——雨淋系統(tǒng)設計流量，L/s，為165.06 L/s

ty——雨淋系統(tǒng)火災延續(xù)時間，h，為1 h

由公式(13)計算得到Vy=594 m3。

5 水噴霧系統(tǒng)

GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》第3.1.3條規(guī)定，水霧噴頭的工作壓力，當用于滅火時不應小于0.35 MPa；當用于防護冷卻時不應小于0.2 MPa。水噴霧系統(tǒng)用于灌瓶間時其防護目的是防護冷卻，因此水霧噴頭的工作壓力應不小于0.2 MPa。保護對象所需水霧噴頭數量應根據設計供給強度、保護面積和水霧噴頭特性按規(guī)范計算確定。噴頭的布置應使水霧直接噴向并覆蓋保護對象，且水霧噴頭與保護對象之間的距離不得大于水霧噴頭的有效射程。

水噴霧系統(tǒng)供給強度為9 L/(min·m2)，灌瓶間面積為1 440 m2，噴頭數量為360個，計算得到每個噴頭流量為36 L/min。根據GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》第7.1.1條公式：

(14)

式中qj，w——噴頭處節(jié)點流量，L/min

pj，w——噴頭工作壓力，MPa

Kj，w——噴頭流量系數，取21.4

根據公式(14)計算得到最不利點節(jié)點1處噴頭的工作壓力為0.28 MPa。將灌瓶間分為2個噴水面積為720 m2的區(qū)域，由2個雨淋閥控制水噴霧系統(tǒng)的開啟，消防時同時啟動。單個雨淋閥控制區(qū)域內噴頭布置見圖2。圖2中，數據的單位為mm；1～22是節(jié)點編號。各節(jié)點標高相同。

水噴霧系統(tǒng)水力計算步驟同雨淋系統(tǒng)，見表2。表2中節(jié)點16-17～21-22管段當量長度為0.00是軟件計算并取2位小數的結果。

① 水噴霧系統(tǒng)計算結果

a.單個雨淋閥噴水面積720 m2時的流量為119.46 L/s，系統(tǒng)設計流量為238.92 L/s。

b.平均噴水強度計算方法同雨淋系統(tǒng)，為9.955 L/(min·m2)。

c.噴水面積的入口壓力為0.419 MPa。

② 水噴霧系統(tǒng)配水管道充水時間

a.將表2中各管段管長除以流速后的結果相加，即是室內配水管道充水時間,為20.19 s。

b.灌瓶間距離雨淋閥室150 m，室外管道公稱管徑為DN 200 mm，流速為3.88 m/s，壓力損失為0.257 8 MPa，則計算得到室外配水管道充水時間為38.66 s。

圖2 單個噴水面積內水噴霧系統(tǒng)布置

續(xù)表2

c.雨淋閥組到最不利點處噴頭的配水管道充水時間共需58.85 s，滿足《噴規(guī)》規(guī)定的響應時間不大于60 s的要求。

③ 水噴霧系統(tǒng)消防水泵壓頭

水噴霧系統(tǒng)消防水泵壓頭計算公式：

pw=pw1+pw2+pw3+pw4

(15)

式中pw——消防水泵壓頭，MPa

pw1——灌瓶間入口所需壓力，MPa

pw2——最不利點處噴頭與消防水泵水平中心線的高差所產生的壓差，MPa

pw3——消防泵房至雨淋閥室的壓力損失，MPa

pw4——灌瓶間至雨淋閥室的壓力損失，MPa

計算可得pw1=0.419 MPa，pw2=0.08 MPa。消防泵房至雨淋閥室距離400 m，設計流量238.92 L/s，供水管道公稱管徑為350 mm，流速2.39 m/s，則計算得pw3=0.120 9 MPa。pw4=0.257 8 MPa。則所需消防水泵壓頭為0.877 7 MPa，取0.88 MPa。

④ 水噴霧系統(tǒng)用水量

水噴霧系統(tǒng)用水量計算公式為：

Vw=3.6qwtw

(16)

式中Vw——水噴霧系統(tǒng)用水量，m3

qw——水噴霧系統(tǒng)設計流量，L/s，為238.92 L/s

tw——水噴霧系統(tǒng)火災延續(xù)時間，h，為6 h

由公式(16)計算得到Vw=5 160.7 m3。

6 雨淋系統(tǒng)與水噴霧系統(tǒng)的區(qū)別

雨淋系統(tǒng)與水噴霧系統(tǒng)的區(qū)別見表3。

7 結語

GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》與GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》同屬國家標準，但有些條款存在沖突，在設計中應具體問題具體分析，按照專項標準要求，或根據雨淋系統(tǒng)和水噴霧滅火系統(tǒng)的特點和系統(tǒng)的相關要求，經技術、經濟等多方面比較后確定。不管執(zhí)行哪個規(guī)范，都要認真貫徹該規(guī)范的條款要求。