基于PIPENET的干式消火栓系統(tǒng)工況模擬分析

王衛(wèi)東

摘 要：寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)無采暖的建筑采用干式消火栓系統(tǒng)，利用PIPENET軟件對干式消火栓系統(tǒng)進(jìn)行了工況模擬，通過模擬數(shù)據(jù)，分析了管網(wǎng)規(guī)模、入口壓力、排氣能力與充水時間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：干式消火栓系統(tǒng);PIPENET軟件;充水時間;入口壓力;排氣閥;快速啟閉裝置

中圖分類號：TE88 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0180-02

0 引言

我國北方大部分地區(qū)為嚴(yán)寒、寒冷氣候區(qū)屬，其分區(qū)指標(biāo)為采暖度日數(shù)HDD18，HDD18≥3800屬于嚴(yán)寒氣候，2000≤HDD18<3800為寒冷地區(qū)，采暖度日數(shù)HDD18為一年中，當(dāng)某天室外日平均溫度低于18℃時，將該日平均溫度與18℃的差值乘以1d，并將此乘積累加，得到一年的采暖度日數(shù)。嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的一些建筑無采暖設(shè)施，或局部無維護(hù)結(jié)構(gòu)并與室外相通，但根據(jù)相關(guān)防火規(guī)范的要求需要設(shè)置消火栓給水系統(tǒng)[1]，無防凍措施的濕式消火栓給水系統(tǒng)會因冬季冰凍而無法使用;地下汽車庫不采暖，或為了自然排煙而開設(shè)洞口，冬季室內(nèi)溫度基本等同于室外溫度，為保證消火栓系統(tǒng)正常運(yùn)行，經(jīng)常采取的措施為電伴熱保溫、干式消火栓系統(tǒng)等，電伴熱保溫消耗能源，因此本文對干式消火栓系統(tǒng)進(jìn)行研究，并通過工程實例進(jìn)行模擬工況分析。

1 規(guī)范要求

《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB 50974-2014第7.1.3條規(guī)定[2]：室內(nèi)環(huán)境溫度低于4℃或高于70℃的場所，宜采用干式消火栓系統(tǒng)。第7.1.6條規(guī)定干式消火栓系統(tǒng)的充水時間不應(yīng)大于5min，并應(yīng)符合下列規(guī)定：在供水干管上宜設(shè)干式報警閥、雨淋閥或電磁閥、電動閥等快速啟閉裝置;當(dāng)采用電動閥時開啟時間不應(yīng)超過30s;當(dāng)采用雨淋閥、電磁閥和電動閥時，在消火栓箱處應(yīng)設(shè)置直接開啟快速啟閉裝置的手動按鈕;在系統(tǒng)管道的最高處應(yīng)設(shè)置快速排氣閥。

干式消火栓系統(tǒng)因為其內(nèi)充滿空氣，打開消火栓后先要排氣，然后才能出水，因出水滯后而影響滅火，因此充水時間不應(yīng)大于5min，此充水時間是快速啟閉裝置開啟到系統(tǒng)排氣完成所需要的時間。地下汽車庫室內(nèi)消火栓設(shè)計流量為10L/s，計算管道最大容積為：10（L/s）×5min×60=3000（L）。

2 模擬軟件

PIPENET軟件于七十年代起源于劍橋大學(xué)，在經(jīng)歷了近三十年的拓展與研發(fā)之后，已廣泛應(yīng)用于石油化工、工業(yè)循環(huán)水以及跨流域輸送等行業(yè)。該軟件不僅是一個高效、簡潔、準(zhǔn)確的計算工具，更是一個強(qiáng)大的工程設(shè)計優(yōu)化平臺;工程管網(wǎng)系統(tǒng)的計算和優(yōu)化、設(shè)備的選型以及事故工況下的水力分析均可在PIPENET平臺下實現(xiàn)。PIPENET是目前國際工程界專業(yè)消防系統(tǒng)設(shè)計計算軟件，符合NFPA（美國消防協(xié)會）、FOC（英國消防協(xié)會）以及GB（國標(biāo)）等消防規(guī)范對消防系統(tǒng)設(shè)計的各種強(qiáng)制性計算要求。可滿足艦船、海洋平臺、石油、化工、電站等行業(yè)對消防系統(tǒng)嚴(yán)格且特殊的設(shè)計要求。

3 實例介紹

某地下車庫干式消火栓系統(tǒng)設(shè)計流量為10L/s，兩股水柱同時到達(dá)各處，消火栓流量為5L/S（300L/min），栓口壓力不小于0.25MPa（2.5bar），見圖1所示，管道長度及容積見表1所示，此系統(tǒng)管道容積為3955.05L，超出根據(jù)規(guī)范的計算數(shù)值3000L。

以上實例通過PIPENET計算軟件模擬，模擬過程見表2所示。

模擬工況1：消火栓1、2呈開啟狀態(tài)，快速啟閉裝置開啟時間10S-35S，開啟歷時25S，入口壓力為0.3MPa;模擬計算結(jié)果見圖2、圖3所示，當(dāng)105.5S時，也就是快速啟閉裝置動作95.5S后，最不利點消火栓1流量為5.18L/s（311L/min），壓力為0.268MPa（2.68bar），符合消防流量和壓力要求;快速啟閉裝置開啟過程中，管段壓力和流量發(fā)生強(qiáng)烈的震蕩變化，最不利點消火栓1瞬間達(dá)到2.051MPa（20.51bar）的壓力，消火栓的壓力變化導(dǎo)致消防員無法握住消防水槍，進(jìn)行滅火操作。

4 充水時間和管網(wǎng)體積

模擬工況2：消火栓均為關(guān)閉狀態(tài)，快速啟閉裝置開啟時間10S-35S，開啟歷時25S，電磁閥開啟時間10-15S，歷時25S，排氣閥特征系數(shù)K為80，入口壓力為0.3MPa;模擬計算結(jié)果見圖4所示，排氣時間106.8S，充水時間96.8S，不超過2min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5min的要求，而本系統(tǒng)管網(wǎng)容積已接近4000L，可見通過體積除以流量的簡易算法是不準(zhǔn)確的，不能描述實際的工作狀態(tài)。

5 排氣閥與充水時間

模擬工況2、3、4改變排氣閥流量系數(shù)，排氣閥流量系數(shù)K模擬工況2為80，模擬工況3為40，模擬工況4為20。從圖4、圖5可見，排氣時間及充水時間分別為96.8S，98.7S，99.8S，可見雖然流量系數(shù)變小，排氣能力降低，充水時間延長，但效果不明顯，排氣能力對充水時間影響較弱。而對于模擬工況1，兩個DN65消火栓遠(yuǎn)大于排氣閥排氣能力，充水時間為95.5S，比96.8S僅縮短1.3S，印證了上述結(jié)論。

6 入口壓力與充水時間

模擬工況圖3、圖4、圖5改變?nèi)肟诘墓ぷ鲏毫ΓM工況2入口壓力為0.3MPa，模擬工況5入口壓力為0.6MPa，模擬工況6入口壓力為0.9MPa。從圖5可見，排氣時間及充水時間分別為96.8S，71.3S，60.8S，入口壓力增大，排氣和充水時間縮短，效果較明顯。

7 充水時管網(wǎng)狀態(tài)

模擬工況2的入口壓力為0.3MPa，模擬工況5的入口壓力為0.6MPa，其快速啟閉裝置開啟過程中，快速啟閉裝置前管段壓力和流量發(fā)生強(qiáng)烈的震蕩變化，模擬工況2壓力最大振幅為1.593MPa（15.93bar），模擬工況5壓力最大振幅為1.349MPa（13.49bar），入口壓力增大，最大振幅減小，但最大壓力增高。

8 結(jié)語

根據(jù)以上的模擬數(shù)據(jù)分析，本文得出以下結(jié)論：干式消火栓系統(tǒng)管網(wǎng)規(guī)模是決定充水時間的基礎(chǔ);系統(tǒng)壓力影響干式消火栓系統(tǒng)的充水時間，壓力增大，充水時間減少;排氣閥的排氣能力對充水時間有一定的影響;從快速啟閉裝置開啟到充水結(jié)束這段時間，管網(wǎng)壓力曲線呈現(xiàn)強(qiáng)烈的震蕩，說明管網(wǎng)同步震動，應(yīng)注意管道支吊架的牢固和穩(wěn)定，防止管網(wǎng)受沖擊而損壞，同時也可設(shè)置消能裝置以緩解劇烈的壓力變化;以管道容積除以設(shè)計流量而求得充水時間的方法不準(zhǔn)確，一般會比實際充水時間長，正確的數(shù)據(jù)應(yīng)按管網(wǎng)的實際情況通過模擬計算取得。

參考文獻(xiàn)

[1] JGJ 26-2010.嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] GB 50974-2014.消防給水及消火栓系統(tǒng)[S].