基于EPANET的變電站水消防系統數值模擬

歐慶和,尹曉峰,任衛明,牛夢嬌,郭 帥,袁守軍

(1.國網安徽省電力有限公司蚌埠供電公司,安徽 蚌埠 233000;2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

隨著城市化建設的推進,城鎮對電力的需求日益提高,較多城市在市區或近郊建立變電站,以滿足城鎮居民及交通、供水、污水處理等各類市政公用設施的用電需求。由于市區人口稠密、征地困難,變電站的建設通常采用占地少、布置緊湊的戶內變電站(如武漢市三環內均為戶內站)[1]。近年來,隨著市區變電站數量日益增多,其消防安全日益受到關注。

在傳統的變電站水消防系統設計中,通常在變電站內建設1座消防水池,一旦發生火災,變電站的消防系統從消防水池中取水滅火[2]。該消防系統具有安全、可靠的優點;但消防水池占地面積較大,導致部分市區變電站在選址和征地方面面臨較大困難。如何減小市區變電站的建筑面積,并保障變電站消防安全,成為亟待解決的問題。針對此問題,一些研究者提出在土建形式上進行改變,如采用地下式消防水池[3]或全地下變電站消防系統[4],但這些方法都存在一定的弊端,如安裝和檢修較困難、安全隱患較大等。也有研究者提出可以通過不設置消防水池[5],以減少占地面積,但對于此種方法的可行性研究很少。

本文以某市區內110 kV戶內變電站消防系統為例,采用EPANET2.0軟件構建數值模型,研究變電站消防系統從市政管網直接取水的可行性。

建在市區的變電站,電壓等級通常不大于110 kV,如110、35、10 kV等。110 kV變電站的建筑體積超過5 000 m3,依據文獻[6],其配電裝置室屬丙類廠房,耐火等級為一級,應設置消火栓給水系統,包括室內消火栓系統和室外消火栓系統。在傳統110 kV變電站的水消防系統中,站內通常會建造1座占地近300 m2的消防水池,以保障消火栓系統的供水安全。

根據文獻[7],具備條件的城市變電站的消防設施可從市政管網中取水,用于變電站內的消防給水。近年來,隨著城市化建設推進,城鎮供水設施得到進一步完善。北京、上海、廣州等城市的新建戶內變電站取消了消防水池,其變電站消防用水直接從市政管網中取水。這種從市政管網直接取水的消防設計方案,存在以下2個關鍵問題值得深入研究:在城鎮居民用水高峰期間,變電站消火栓系統是否能從管網中取用到足夠的消防用水?變電站發生消防用水時,對市政管網中各用水節點的壓力與流量的影響如何,是否會嚴重影響周圍居民的用水需求?

由于消防設施的觸發及啟動頻次極低,變電站消防取水過程僅在突發火災時才發生,目前該類滅火系統的實際運行數據非常缺乏,相關文獻報道很少。因此,構建城市市政管網水力模型,開展變電站消防工況下的數值模擬研究與分析,對保障變電站消防安全、完善消防設計及運行數據具有重要意義。

1 數值模擬原理與方法

在有壓管網系統水力計算中,通常將管網系統中參與水流輸配的各個物理實體抽象簡化為節點和管段,利用能量平衡與質量守恒原理,分別建立連續性方程和能量守恒方程,將其聯立可得到相應的方程組。其中,依據克契霍夫第一定律,可列出節點的連續性方程,即

∑qij+Qi=0

(1)

其中:i、j為在基環k中的相鄰節點;qij為連接節點i、j的管段流量;Qi為節點i的流量。而管網系統中,各節點水壓與水頭損失的關系可采用管段的水頭壓降公式描述,即

(2)

其中:Hi為節點i的水壓高程;hij為從節點i到節點j的管段水頭損失;sij為管段的摩阻;n為流量指數,一般取值為1.852～2.000。

對于供水管網系統,可依據克契霍夫第二定律,列出閉合環的能量平衡方程,即

∑hij-ΔHk=0

(3)

其中,ΔHk為基環k環路中的增壓或減壓裝置產生的水頭差。

對于未連接成環的枝狀管網系統,只需聯立求解(1)式、(2)式,而對于閉合的環狀管網系統,還必須求解環方程(3)式。環方程的求解工作量巨大,通常需借助軟件進行計算。

EPANET軟件是目前有壓管網系統水力建模與分析計算領域中最常用的軟件[8-9]。典型的EPANET模型物理構成如圖1所示。該軟件將有壓管道系統模擬為相互關聯的管段和節點集合,管段上可設置水泵和控制閥門,連接節點代表管段連接點、供水水庫或蓄水池。與傳統的水力計算方法相比,EPANET模型計算精度高,并可實現對火災的動態模擬與演示。本文以某市為例,采用EPANET 2.0構建數值模型,分析不利供水條件下(供水高峰時段),變電站消防系統從市政管網直接取水時消防用水對供水管網的影響,研究管網模型中各節點處的壓力變化特征。

圖1 EPANET模型物理構成示意圖

2 工程實例數值模型構建

該市某區的供水管網模型布置如圖2所示(數字代表節點的編號),中心地段的管網采用環狀布置,區域周邊管網布置成樹狀。管網模型基本信息為:模型共有105個節點,包含2個供水水源點、2個水泵和3個高位水池(編號為1、2、3);區域內共有127根管段,管段總長為66.3 km;在管網末梢區域,有110 kV戶內變電站1座(節點4)。

圖2 工程實例供水管網模型

若模型參數與實際數據不一致,則會影響建模結果的準確性。因此,在建模過程中,水泵的流量揚程曲線、管長、管徑、節點的標高和基本需水量等參數均根據實際情況進行設置,并根據管徑、管材及敷設年代等情況,對管道進行分組,參考經驗值[10],每組使用相同的粗糙系數。

該區域用水量變化曲線如圖3所示。該區域最高日用水量為6.1×104m3/d;用水高峰時段為21:00—22:00,用水量為3 202.24 m3/h。

圖3 工程實例供水管網模型24 h用水量變化曲線

依據文獻[6],110 kV戶內變電站設計消防用水量如下:在火災延續時間為3.0 h下,室內、外消火栓單位時間用水量分別為20、25 L/s,消防總用水量分別為216、270 m3。

按照最不利供水工況開展消防模擬。

假設變電站發生火災的時間段為用水高峰時段,火災持續時間為3 h(19:00—22:00),水力模擬時間步長為1 h,當室內、外消火栓分別開啟時,單位時間消防用水量分別為20、25 L/s,當室內、外消火栓同時開啟時,單位時間消防用水量為45 L/s。

3 數值模擬結果與分析

依據文獻[11],城市配水管網的供水水壓宜滿足用戶接管點處服務水壓28 mH2O的要求。按照此要求,對4種模擬工況下各節點的水壓進行統計分析,結果見表1所列。

表1 用水高峰時段4種模擬工況下管網節點壓力統計結果

21:00—22:00室內消火栓啟動時管網中各節點壓力分布如圖4所示。

圖4 21:00—22:00室內消火栓啟動時管網中各節點壓力分布

3種消防工況條件下,自由水壓小于28 mH2O節點水壓隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 水壓小于28 mH2O節點的24 h壓力變化曲線

3.1 室內或室外消火栓啟動時消防工況分析

由表1可知,當變電站無火災發生時,供水管網系統節點壓力狀況總體良好,僅在用水高峰時段,節點101、103、153處的水壓小于28 mH2O。在市政供水管網設計中,設計人員須進行用水高峰時段水力計算和校核,通過調整管徑、流速等參數,確保供水管網滿足用戶對流量和水壓等指標的需求[12]。由于市政供水情況較為復雜,對于長期運行的市政管網,可能因腐蝕、結垢或流量變化等因素造成部分區域(節點)的水壓損失偏大,出現節點水壓偏低的現象。

當發生初期局部火災時,依據現場實際情況,變電站內的消防系統優先啟動室內或室外消火栓。當僅開啟室內消火栓時,管網模型中變電站所在位置(節點4)發生20 L/s的節點流量;結合表1、圖4、圖5可知,與無火災工況對比,室內消火栓啟動時,管網系統各節點壓力略降低(見表1中的最大和最小節點水壓),新增緊鄰變電站上游的節點253處出現壓力小于28 mH2O的情況。當僅啟動室外消火栓時,節點4流量增至25 L/s,此時管路系統中的水壓進一步降低,變電站處(節點4)出現水壓小于28 mH2O的情況(壓力值為27.99 mH2O)。

由此可見,這種直接從市政管網取水的消防方案中,單獨開啟室內或室外消火栓系統時,未對市政供水管網造成大面積顯著影響。在模擬案例中,用水高峰時段啟用變電站的室內或室外消火栓時,會額外造成1～2處節點壓力低于28 mH2O,且距離變電站較近的節點受影響較為顯著。

3.2 室內、外消火栓同時啟動時消防工況分析

當室內、外消火栓同時開啟時,變電站的消防用水量達到45 L/s,管網系統中各主要節點的水壓進一步降低。與單獨開啟室外消火栓工況相比,管路系統中低于28 mH2O節點數量雖未增加(5個),但變電站附近節點的水壓降低明顯,特別是變電站所在的節點4,水壓由室外消火栓單獨開啟時的27.99 mH2O降低至26.28 mH2O。

對于管網中節點流量短時內驟增導致附近區域節點水壓降低的問題,可通過優化、調整管網設計方案來解決[13]。隨著城市化建設的發展,各中小城市(鎮)的供水設施得到進一步完善,在市中心及近郊,供水管網大都布置成環狀網形式,供水可靠性較高。依據文獻[7],環狀網節點中的消防敏感區域,如本文模型中的110 kV變電站(節點4),在不建設消防水池時,可采用2路市政給水干管向變電站的消火栓系統供水,從而大大提高消防用水點的供水安全。

結合圖4可知,采用2路供水干管向變電站供水,確實提高了管網的消防用水可靠性。當室內消火栓啟動時,變電站上游節點253的壓力已經低于28 mH2O,而此時,由于變電站可從另一路干管取水,保證了變電站處滿足消防供水壓力的要求,提高了供水可靠性[14]。

3.3 水壓小于28 mH2O的節點水壓變化規律

由圖5可知:節點153為整個模型中的水壓最低點,在非高峰時段及無火災工況條件下,該點的水壓大都低于28 mH2O,因此,需對該節點采取增壓措施;用水高峰時刻(21:00),各節點水壓達到最低值。

由圖5a可知:當室內消火栓開啟時,節點101、103、153、253的水壓低于28 mH2O,與無火災工況相比,變電站上游的節點253為新增降壓點,由此可見,變電站發生火災從管網取水滅火時,緊鄰節點受影響更為顯著;而此時,變電站所在節點4的水壓仍滿足28 mH2O的需求,充分體現出采用2路干管向變電站供水的重要性[9]。

由圖5b可知,當室外消火栓開啟時,變電站節點流量由20 L/s升至25 L/s,由于節點流量增加不大,此時節點4在用水高峰時段的水壓基本仍能滿足28 mH2O的供水要求。

由圖5c可知:在用水高峰時段,當室內、外消火栓同時開啟時,節點4的流量顯著增加,達到45 L/s,此時,變電站處水壓降低至26.28 mH2O;其余節點水壓降低幅度較小,消防用水不會嚴重影響周圍居民用水需求。

4 結 論

本文利用EPANET 2.0構建包含變電站消防用水的城市供水管網水力模型,模擬分析變電站不同消防工況下的管網各節點水壓的變化。在用水高峰時段(21:00—22:00),變電站消火栓系統在從市政管網連續取水的過程中,管網各節點壓力值整體降低,且隨著變電站消火栓系統需水量的增加,管網中不滿足市政管網供水需求的節點數由3個增加至5個,但壓力降低較大點主要集中在變電站附近,其余節點壓力降低幅度較小。

變電站消防供水直接從2路市政供水干管取水具有一定的優勢,在其中一路干管不滿足供水需求時,可以從另一路干管取水,保證變電站處可以最大程度地滿足市政管網供水壓力的要求,提高了供水可靠性。因此,在市政管網可以滿足消防給水要求時,可不設消防水池,直接從2路干管取水。研究結果可為變電站的消防系統設計提供參考。