水喷雾灭火系统的计算方法及适用范围.pdf

给水排水 Vol134No13200889水 喷 雾 灭 火 系 统 的 计 算 方 法 及 适 用 范 围林 功 波(福州市规划设计研究院,福州 350003)摘要 分析对比了水喷雾灭火系统的两种计算方法 完全喷雾强度法和平均喷雾强度法,对采用不同设计喷雾强度及不同雾化角喷头的水喷雾灭火系统的适用情况进行了比较,提出了关于喷雾强度和雾化角的选择与喷头布置的要点,并对节点流量公式进行了简化推导。关键词 水喷雾灭火系统 设计喷雾强度 雾化角 节点流量公式 水喷雾灭火系统以其所特有的灭火机理,不仅在扑灭固体火灾中具有良好的灭火效果,同时由于高速细水雾所具有的不会造成液体火飞溅、电气绝缘性好等特点,在扑灭(闪点 60)可燃液体火灾和(油浸式)电气设备火灾中也得到广泛的应用,扩大了水灭火系统应用的范围。本文对水喷雾灭火系统两种计算方法 完全喷雾强度法和平均喷雾强度法进行了对比,并根据不同情况提出了两种计算方法的适用范围和特点,供读者参考。1 基本设计参数的确定以高层建筑内的柴油发电机房水喷雾灭火系统的设计为例,民用建筑内的柴油发电机大多用0号柴油,闪点温度为65,其火灾属于闪点60120 的可燃液体火灾。而柴油发电机房的可燃点为油箱间、输油管和发电机,所以应设计以灭火为主要目的、同时控火和暴露防护冷却的水喷雾灭火系统。根据 水喷雾灭火系统设计规范(GB 5021995,以下简称“雾规”),确定其设计喷雾强度为20 L/(minm2)、持续喷雾时间为0.5 h、水雾喷头工作压力 0.35MPa、系统响应时间 45 s。为了确保系统对响应时间的要求,本系统的雨淋阀组应设在所保护的柴油发电机房的附近,并应有保护措施。2 水雾喷头的选型与流量水雾喷头按其进口最低水压,可分为中速水雾喷头和高速水雾喷头。中速喷头的压力为0.150.5 MPa,水滴粒径为0.40.8 mm,一般用于暴露防护冷却;高速喷头的压力为0.250.8 MPa,水滴粒径为0.30.4 mm,一般用于灭火和控火。柴油发电机房应选用高速水雾喷头,一般选用ZSTG10/114型高速喷射器(黄铜材质,带铜滤器,K=43.8,正常工作压力P=0.280.5 MPa,P=0.35 MPa时雾化角的取值由其生产厂家提供)。水雾喷头的流量应按下式计算:q=K10P(1)式中q 水雾喷头的流量,L/min;P 水雾喷头的工作压力,MPa;K 水雾喷头的流量系数。本例中Pmin=0.35 MPa,K=43.8,则最不利点喷头的流量为q=43.8100.3581.94(L/min)。3 设计喷雾强度和雾化角的选择与喷头布置水雾喷头的布置与数量应根据设计喷雾强度、设计喷头流量和保护对象的受保护面积,经计算确定;水雾喷头的位置根据喷头的雾化角、有效射程,按满足水喷雾直接喷射并完全覆盖保护对象的表面来设置。当计算确定的布置数量不能满足上述要求时,应适当增设喷头直至水喷雾能够满足直接喷射并完全覆盖保护对象表面的要求。水喷雾灭火系统的设计喷雾强度是保证灭火或防护冷却效果的关键。通常在设计中对设计喷雾强度的要求有两种不同的理解:一种是最不利点水雾喷头的喷雾强度应满足设计喷雾强度的要求,即Wi(i=1n)W(完全喷雾强度法);另一种是系统保护面积内的平均喷雾强度应满足设计喷雾强度的要求,即ni=1Wi/nW(平均喷雾强度法)。下面将根据这两种方法分别进行理论计算和比较。水雾喷头的计算数量N应按下式计算:90给水排水 Vol134No132008N=S W/q(2)式中N 保护对象的水雾喷头的计算数量,只;S 保护对象的保护面积,m2;W 保护对象的设计喷雾强度,L/(minm2)。本例中:设计喷雾强度W=20 L/(minm2),为了便于比较,在下面的计算中设保护面积为S(m2)、雾化角为()。有关计算如下。311 按完全喷雾强度法计算按最不利点水雾喷头的喷雾强度W0=W=20 L/(minm2),当最不利点水雾喷头的喷雾强度满足设计喷雾强度时,最不利点喷头的最大保护面积S1为:S1=q/W=81.94/20=4.1(m2)最不利点喷头的最大水雾锥底圆半径R1为:R1=q/(W)=81.94/(3.1420)=1.14(m)而“雾规”中水雾锥底圆半径R按下式计算:R=Btan(/2)(3)式中R 水雾锥底圆半径,m;B 水雾喷头的喷口与保护对象之间的距离,m;水雾喷头的雾化角,的取值范围为30、45、60、90、120。则最不利点喷头的喷口与保护对象之间的最大距离B1为:B1=R1/tan(/2)=q/(W)/tan(/2)(4)“雾规”中规定:当水雾喷头按矩形布置时,水雾喷头之间的距离不应大于1.4倍(21.4)水雾喷头的水雾锥底圆半径,则水雾喷头之间的最大距离X1为:X1=2R1=2q/(W)=1.61(m)每只喷头的平均保护面积S1为:S1=X21=2R21=2q/(W)=281.94/(3.1420)=2.61(m2)水雾喷头的数量N1为:N1=S/S1=SW/(2q)=0.383S(只)系统保护面积内的平均喷雾强度W1为(假设每只喷头的工作压力均为0.35 MPa,下同):W1=N1q/S=W/2=3.1420/2=31.4L/(minm2)系统持续喷雾时间(t=30 min)内,单位面积消防用水量V1为:V1=W1t=31.430=942(L/m2)系统理论设计流量Q1为:Q1=W1S=31.4S(L/min)3.2 按平均喷雾强度法计算按系统保护面积内的平均喷雾强度W2=W=20 L/(minm2),系统保护面积内喷头的平均保护面积S2为:S2=q/W=81.94/20=4.1(m2)水雾喷头的数量N2为:N2=S/S2=S W/q=S20/81.94=0.244S(只)当水雾喷头按矩形布置时,水雾喷头之间的最大距离X2为:X2=S2=q/W=81.94/20=2.02(m)水雾喷头的水雾锥底圆半径R2为:R2=X2/2=q/(2W)=81.94/(220)=1.43(m)水雾喷头的喷口与保护对象之间的最大距离B2为:B2=R2/tan(/2)=q/(2W)/tan(/2)系统持续喷雾时间(t=30 min)内,单位面积消防用水量V2为:V2=W2t=2030=600(L/m2)系统理论设计流量Q2为:Q2=W2S=20S(L/min)3.3 对两种计算方法的比较对上述采用不同设计喷雾强度要求的计算结果进行列表比较见表1。上文及表1中,水雾喷头的雾化角是指:水雾喷头喷出的水雾形成围绕喷头轴心线扩展的圆锥体,其顶角为水雾喷头的雾化角,的取值是喷头在工作压力P=0.35 MPa条件下喷洒时所对应的角度。由于地球引力的影响,喷头的雾化角是随着给水排水 Vol134No13200891表1 两种计算方法结果比较计算参数完全喷雾强度法平均喷雾强度法/Si/m22.614.10.64Wi/L/(minm2)31.4201.57Ni/只0.383S0.244S1.57Xi/m1.612.020.8Ri/m1.141.430.8Bi/m=304.25(3)5.33(3)0.8=452.75(2)3.45(3)0.8=601.97(2)0.8=901.14(2)1.43(2)0.8=1200.65(2)0.82(2)0.8Vi/L/m29426001.57Qi/L/min31.4S20S1.57喷射距离的增大而减小的,而且水平喷射时喷射曲线产生不规则变形;所以上述的计算结果均为理想状态下的值,在具体设计中应该根据计算结果结合生产厂家所提供的水雾喷头喷射曲线及其他参数进行校核。“雾规”3.2.3条规定:“水雾喷头与保护对象之间的距离不得大于水雾喷头的有效射程”。3.2.6条规定:“当保护对象为可燃气体和甲、乙、丙类液体储罐时,水雾喷头与储罐外壁之间的距离不应大于0.7 m”。根据 自动喷水灭火系统设计手册(以下简称“手册1”)及有关厂家的产品样本中所示水雾喷头喷射曲线可知:一般水雾喷头的(水平)有效射程约2 m,而垂直射程为3 m。在水雾喷头的有效射程内,喷雾的粒径小而均匀,灭火和防护冷却的效率高,超出有效射程后喷雾性能明显下降,且可能出现漂移现象。而且水雾喷头的布置要求以规定的喷雾强度完全覆盖保护对象整个物体表面,以达到利用水雾的直接喷射保护对象表面的冲击冷却效果。因此限制水雾喷头与保护对象之间的距离是十分必要的。由表1可知,就水雾喷头喷雾强度的取值而言,当系统保护面积S一定时,如果系统设计喷雾强度的要求(通过Wi表现)和喷头的雾化角已确定,则Si、Ni、Xi、Ri、Bi等设计参数的值也就已确定,即水雾喷头的布置与数量已确定。水雾喷头的布置与数量的确定,应在确保系统安全性的前提下充分考虑系统的经济性。由表1可知,当系统保护面积S一定且喷头布置方式一样时:如果采用“完全喷雾强度法”,由于单只水雾喷头的平均保护面积Si小,系统保护面积内的平均喷雾强度Wi大,则喷头的数量Ni、灭火时间内单位面积内的消防用水量Vi以及系统理论设计流量Qi就大;所以系统的投资大,经济性相对较差,但安全性相对较高。如果采用“平均喷雾强度法”,由于单只水雾喷头的平均保护面积Si大,系统保护面积内的平均喷雾强度Wi小,喷头的数量Ni、灭火时间内单位面积内的消防用水量Vi以及系统理论设计流量Qi相对较小;所以系统的安全性相对较低,但投资较省,经济性相对较好。同时由表1可知,雾化角为30、45 的喷头若要满足有效射程的要求,则单只喷头的平均保护面积Si太小,系统的投资太大、经济性较差,所以不推荐采用。一般厂家只生产雾化角为60、90、120 三种规格的喷头,常用雾化角为90、120 的喷头。雾化角为90、120 的喷头均可用于保护一般保护对象(如柴油发电机房中的输油管和发电机等),以及平面布置法(系统保护面积按设备间使用面积确定)喷头的布置,或立体布置法(系统保护面积按设备外表面积确定)中垂直下喷喷头的布置。其中雾化角为120 的喷头还适用于保护可燃气体和甲、乙、丙类液体储罐(如柴油发电机房中的油箱间等),以及立体布置法中水平侧喷喷头的布置,即要求喷头与保护对象的距离较小时的情况;而雾化角为90 的喷头则适用于当喷头与电气设备带电(裸露)部分的安全净距要求较大(12 m)时喷头的布置,以及立体布置法中垂直上喷喷头的布置,即要求喷头与保护对象的距离较大时的情况。综上所述并根据表1及相应水雾喷头喷射曲线,可得出采用两种不同设计喷雾强度及不同雾化角喷头的水喷雾系统的适用情况如表2所示。表2中的A、B、C、D、E、F、G分别表示下列7种情况(其中前5种情况喷头的布置均应满足“雾规”中有关喷头布置章节的规定):A 一般保护对象(如柴油发电机房中的输油管和发电机等);92给水排水 Vol134No132008表2 采用不同设计喷雾强度及不同雾化角喷头的水喷雾灭火系统的适用情况比较/完全喷雾强度法 平均喷雾强度法30B=4.25 m,属于F、G情况B=5.33 m,属于F、G情况45B=2.75 m,属于F情况,适用于D情况B=3.45 m,属于F、G情况60B=1.97 m,适用于A、D、E情况B=2.47 m,属于F情况,适用于D情况90B=1.14 m,适用于A、D、E情况B=1.43 m,适用于A、D、E情况120B=0.65 m,适用于A、B、C、D情况B=0.82 m,适用于A、C、D情况B 保护对象为可燃气体和甲、乙、丙类液体储罐时(如柴油发电机房中的油箱间等);C 系统的保护面积按设备外表面面积确定时(立体布置法);D 系统的保护面积按设备间使用面积确定时(平面布置法),或立体布置法中垂直下喷喷头的布置;E 喷头与电气设备带电(裸露)部分的安全净距要求较大(12 m)时,或立体布置法中垂直上喷喷头的布置;F 喷头的喷口与保护对象之间的最大距离B超出喷头的有效射程(水平在2 m左右);G 喷头的喷口与保护对象之间的最大距离B超出喷头的垂直射程(3 m)。其中,当保护对象为可燃气体和甲、乙、丙类液体储罐或处于室外敞开空间内时,为减少火焰热气流与风对水雾的影响和水雾的汽化损失,避免出现漂移现象;可采用雾化角为120 的喷头以“完全喷雾强度法”进行设计,以满足水雾喷头与储罐(或其他设备)外壁之间的距离 0.7 m的要求,从而确保系统的安全性,且经济性(与采用雾化角为90 的喷头比)也较好。而一般民用建筑内的柴油发电机房属于封闭空间,四周均有围护结构,水雾受空气流动的影响较少,损失较少且不易扩散和漂移,保护空间内的水雾浓度相对较高;在保证系统管网和喷头布置均匀、合理的情况下,系统保护面积内的喷雾强度相对较均匀,若采用“平均喷雾强度法”进行设计,则系统的经济性好,且可以达到安全灭火的目的。4 系统设计流量与管道水力计算水喷雾灭火系统设计流量与管道水力计算可按“雾规”、“手册1”及 水工业工程设计手册 建筑和小区给水排水(以下简称“手册2”)中的公式、方法进行计算。笔者根据数学归纳法进行推导,由公式q=B H得出系统节点流量计算公式(适用于系统中支管及干管对称布置时支、干管节点流量的计算):q(n+j)=Q(n-1)n1+ji=0H(n+i)/H(n-1)(n2,j2)(5)式中q(n+j)系统配水管道中节点(n+j)处的流量,L/min;Q(n-1)n 系统配水管道中节点(n-1)与节点(n)之间管段的流量,L/min;Hn 系统配水管道中节点(n)处的工作压力,MPa。具体系统计算可根据式(5)及其他有关公式进行。5 结语总而言之,在一般情况下,可根据系统的安全性、经济性的要求,结合保护对象的实际情况(如保护对象的性质、布置形式、所处空间以及电气设备安全净距的要求等),在不同的场所或部位针对不同的对象采用不同的设计喷雾强度(“完全喷雾强度法”或“平均喷雾强度法”)、喷头的雾化角(90 或120)及布置方式(平面布置法或立体布置法)合理地进行组合设计,以寻求较高的系统性价比。通讯处:350003福州市湖东路188号电话:[phone]E2mail:ghybobo 收稿日期:2007211209