油库消防给水系统消防工况的计算与分析.pdf

吴凤 山等： 油库消 防给水 系统 消防工况的汁算与分 析 1 O 5 油库消 防给水 系统 消防工况 的计算 与分 析 吴凤山 ， 曹慧哲 ( 1 辽河石油勘探局油 田建设工 程一公 司 。 辽宁 盘锦 1 2 4 1 2 0； 2 哈尔滨Tlk 大学市政环境工程学院。哈尔滨 1 5 0 0 9 0) 【 摘要】 消防给水系统是油库安全运行的重要保障， 将其设计成环状管网可以保证消防供水的可靠性。 环状管网具有复杂的拓扑关系， 可充分发挥图论的优势对其进行各种工况下的水力计算。根据图论中的回路法 可得到采用链支流量矩阵进行稳态管线水力计算的解析表达式， 用以计算不同消防工况下管线各水力要素的变 化情况， 使得其定量计算大为简化 ， 为火灾等突发事故下的制定预警方案和扑火措施提供详细可靠的基础资料。 【 关键词】 给水管线； 消防工况； 回路法； 工况分析 【 中图分类号】 T U 9 9 1 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 0 0 1 0 5 0 3 环状管网其干线彼此相通， 水源四通八达， 畅通无阻， 可以保证消防供水安全 。故 油库 消防 给水系 统通 常布置成 环状管网， 以确保消防用水的可靠性。给水管道采用环 状铺设后 ， 整个配水 网络具有 多连通 性质 ， 其 拓扑关 系非 常 复杂 J ， 特别是在一些典型消防工况下， 需要校核管线中消 防最不利点水压和原有水泵扬程是否满足要求 ， 这就使得 水力计算工作量大为增加 J 。油 库系统 消防 用水量 已有 明 确规定 ， 水消防 系统 的设计 和消 防水 泵 的设置 等 问 题也有专题论述， 但管线消防工况的水力计算常采用传统 的 H a r d y C r o s s 法 J ， 而图论作为网络分析的主要工具非常 适合求解拓扑关系复杂的管线水力计算问题， 特别是图论 中回路法 的收敛速度和计 算精 度明显 高于 H a r d y C r o s s 法 ， 如果图论用于消防工况的研究将会大幅度简化计算， 故文中应用图论中的回路法对 油库 系统 消防给水 算例 管线 的消防工况进行模拟分析。 1 回路法的基本 方程及求解 对 于具有 t 1 +1 个节 点 、 b根 管段 的单定 压节 点给水 管 线 ， 其回路法基本方程为： A G =Q ( 1 ) B A H =0 ( 2 ) 式 ( 1 )根据节点 连续 性方程得 到 ， 式 中管段流 量 G为 b 阶列 向量 ， 节 点流 量 Q为 ， t 阶列 向量 。 基本 关联 矩 阵 A = ( a ) ， 当支 路与节点 不关联时 a =0 、 关联 时根据流 向离 开或指向节点。 =1 。 式( 2 ) 根据环路能量方程得到， 式中 基本回路矩阵B：( b 4 ) m ， 当支路不在所论基本回路中 时 b =0 ； 在所论基本回路中时， 根据支路与该回路取向相 同或相反 b =1 。 管段压降列 向量 日为 b阶列 向量 ， 若 无水泵 等水力 附 件存在时为管段的水头损失 。 日 =S l G l G ( 3 ) 式中， 阻抗系数阵S和管段流量绝对值阵 I GI 均为 b X b阶对角阵 ， 其 对角元素为各 管段 的 阻抗 ( S 2 m )和流量 的 绝对值 。 在图论理论中， 管线 中所有管段可分为树支管段和链 支管段， 相关矩阵分块表示后， 可用链支流量 G 作为求解向 量表示所有管段流量 G 。 G =B G L+A 0 Q ( 4 ) 式 中 ,C t 为 6 一 n 阶 管 段 链 支 流 量 ， 。 = (： ) ，其 中 。 为( bn )X n阶零阵。 在流量G已知的情况下， 管线中各节点的相关参数也可 采用矩阵形式进行计算， 其中节点水头阵HI =( ) 的表 达 式为 ： ： h c ， +( A ； ) ( 5 ) 式 中， h 。 为参考节点的节点水头， ， 为 n阶单位列向量， A 为 nn阶树支关联矩阵， 为n阶管段树支管段压降列 向量。 由于在上述推导过程中采用链支流量 G 作为求解向 量 ， 矩阵 的阶数大 幅下降 ， 即方 程组 数 和独立变 量 的数 目由 n个降为 bn个。 例如某管线由3 4条管段构成 ， 共 1 6个节 点 ， 则在迭代过程中独立变量的数 目会由3 4个降为 l 9个， 使得下面迭代求解过程的计算量大幅度减少 】 。 因 中含有 G的平方项， 故式( 2 ) 为非线性方程 ， 需迭 代求解。 在稳态时 Q不变， 由式( 4 )可得 G的第k+1 次修正 值为 ： ” = G “ 一G =B t G ( 6) 用于迭代求解的 G 的第 k+1 次修正值为 ： G =一( |】I ， ) ( 7 ) 式 中， Mk=2 B Si G l 为 b一， I 阶麦克斯韦方 阵 ， 系数 矩阵 = 。 应用 回路法 求解 式 ( 1 ) 、 ( 2 )的基本 步骤 为 ： 给 定链 支 流量的初值 ， 由式( 4 )求得 ， 通过式( 7 )求得 G ， 当 其小于给定精度 时 G= G “ ， 完成 稳态 环状管 线 的平 差 ， 否 则重复迭代 。 2消防工况 的计算和分析 基金项 目】 中 国尊士后科学基金 面上 资助 ( 第 4 6批 2 0 0 9 0 4 6 0 9 1 2 )； 哈尔滨市科技创新人才基 金( 2 o o 9 R F Q x s 0 0 1 ) l O 6 低温建筑技术 2 0 1 0 年第 1 O 期( 总第 1 4 8 期) 油库消防给 水系统 的作 用是 经济 合理 、 安全 可靠 地供 应油罐发生火灾 、 维 修过程 中的消 防用水 。消防用 水只在 火灾时使用， 虽然历时短暂， 但其消防流量在给水管线中所 占比例甚大。由于采用回路法进行管线的水力计算时不必 进行初始流量的分配 J ， 所以在进行消防工况的计算时， 可 将消防流量直接叠加到与着火点对应的节点流量上， 这样 不同消防工况的计算只需变化相应的节点流量即可实现， 迭代次数显著减少。 算例管线如图 1 所示， 节点 1 O为水塔， 其节点水头为 9 4 6 5 m， 相关参数见图中标注。节点 11 O的地面标高依 次 为 5 9 8 0 、 6 1 5 0 、 6 1 8 O 、 6 o 2 0 、6 2 4 0 、 6 3 3 0 、 6 1 1 0 、 6 2 7 0 、 6 3 5 0和 7 3 O O m。水头损失采用曼宁公式进行计算 ， 其粗糙系数 =0 0 1 3 。管线在稳态运行时为正常工况， 此 时的节点流量见图 1 。 根据算例管线的规模讨论了二种消防工况， 消防工况 1 中节点 5的消防流量为 2 5 L s ， 消防工况 2中节点 3和节点 7的消防流量分别为2 5 I J s ， 此时管线的消防流量为正常工 况时总供水量的 2 2 7 。 z l _ 6 2 3 0 l 3 1 l 0 ， Q 柏 ,4 1 o ， 2x4 O 0 7 6 0 ， 1 5 0 8 5 0 ， 2 5 0 图1 油库系统消防给水管线算例简图 选定节点 6为参考节点， 如图 1中细线所示， 链支管段 为 3 、 4 、 8和9 。生成基本关联矩阵 A的节点顺序为 1 、 2 , 3 、 4、 5 、 7 、 8和 9 ， 管段顺序为 1 、 2 、 5 、 6 、 7 、 1 0 、 1 1 、 1 2 3 4 8和9 。 采用回路法进行稳态平差， 不同工况下管段流量的迭代结 果见表 I 。 表 1 不同消防工况下的管段流量L s 根据表 1中的数据可以求出各管段流速。在消防工况 1中， 随着节点 5处消防流量的增加， 管段4和管段 9的管 内流速由正变负， 即流动方向发生了改变， 表明消防工况下 两管段由原来的由节点 5供水变为向节点 5供水。由式 ( 3 ) 可计算得到各管段的压降， 如图2 。此时随着消防流量 的增加， 原来为节点5供水的管段 7压降变化较大， 此时与 节点5相连的管段4 、 6和9的压降增加幅度并不多。 在消防工况 2中， 随着节点 3 、 7处消防流量的增加， 为 环状管网末端与节点 7相连的管段 8 、 1 I的流量显著增加， 相应的管段压降也增加较多； 而节点 3处于环状管网的始 端， 故与其相连的管段2、 5流量的变化不大， 压降的增加也 不明显， 详见图2 。 蜘 l 4 蓁 1 0 避 6 器 ： 扭 一2 一 正常工况一 1 个消防点一 _ 2 个消防点 一 ， 一 、 ， 一 a A ， ， ， ， ， 、 - ，一 一 一 、一 一 、 ， 4 5 6 7 8 9】 D 1 1趁 节点编号 不同消防工况下的管段压降 消防时的管线 核算 除了应 保证 消防流 量 ， 还应保 证消 防水枪 的充实水柱不小 于 1 5 m水柱 ， 此时 由式 ( 5 ) 可 以计 算得到各节点的节点水头， 见表 2 。自由水压可由其节点水 头减去相应的地面标高得到 ， 如图 3 。在消 防工况 2时节点 7的自由水压为 1 1 8 1 m水柱不能满足要求。 表 2 不同消防工况下的节点水头 节点编号 l 2 3 4 5 7 8 9 正常工况 8 5 o 9 8 8 2 7 9 2 o 0 8 5 7 4 8 B 3 4 8 8 3 3 9 2 1 9 9 3 5 l 工况 1 8 2 7 5 8 6 1 0 9 1 0 9 8 3 3 4 8 5 8 4 8 2 7 8 8 6 2 4 9 1 3 4 工况 2 7 9 8 9 8 4 8 3 8 9 0 2 8 O 1 3 8 4 9 l 7 2 9 1 8 4 8 7 9 o 5 2 * * 宙 * 3 O 3 5 2 0 1 5 0 ( ) 8 五 6 一 3 2 图 2 l 汤仁和等 ： 浅谈工程项 目全生命周 期造 价管理 1 0 7 浅谈 工程项 目全 生命 周期造价管理 汤仁和 ， 胡季英 ( 1 苏州市中诚 T程建 设造价事务所有限公司 ， 江苏苏州2 1 5 0 1 1 ； 2 苏 州科技学院土木 工程学院 ， 江苏苏州2 1 5 0 1 1 】 【 摘要】 分析了工程项 目 进行全寿命周期造价管理的必要性 ， 阐述了工程项 目全生命周期各阶段造价管 理的内容及要点， 为控制工程造价提供了参考依据。 【 关键词】 工程项 目； 全生命周期； 造价管理 【 中图分类号】 T U 7 2 3 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 0 0 1 0 7 0 2 全生命周期造价管理， 就是从工程项 目全生命周 期( 包括建设前期、 建设期、 使用期和翻新与拆除期等 阶段 ) 出发去考虑造价 和成本 问题 ， 运 用多 学科知识 ， 采用综合集成方法， 重视投资成本、 效益分析与评价 ， 运用工程经济学、 数学模型方法 ， 强调对工程项 目建设 前期 、 建设期 、 使 用维护期等各 阶段总造价最 小的一种 管理理论和方法 。这种管理模式 的根本是在建设项 目 设计和决策阶段要从建设项 目全生命周期出发去考 虑项目的成本和价值问题， 人们需要努力通过建设项 目的设计和计划安排去寻求和做到项 目全生命周期 总造价的最小化和总价值 的最 大化。 1 工程项 目全生命周期造价 管理的必要性 自2 0世 纪 8 0年代 中期 开始 ， 我 国工 程造价 管理 领域的理论工作者和实际工作者 中就有一批人先后 提 出了对工程项 目进行全过程造价管理 的思想。以中 国建设工程造 价管 理 协会 为 主提 出的全 过程 工程 造 价管理 ， 作为一种工程项 目造价 确定 与控 制的方法 在 实践 中得到了广泛 的应 用和认 可 ， 但这 种方 法把建 设 期费用管理和运营期 费用管理 割裂 开来 ， 导致 工程 项 目的建设期费用 目标 和运营期 费用 目标发生 冲突。 我国现行 的全过 程 造价 管 理 只考 虑 了建筑 物 的 一 次性建设造价， 而对于未来的运营及维护成本未予 考虑 ， 这就使得 项 目决策 阶段依 据 不合理 。从项 目的 参考文献 1 G B 5 0 0 7 4 2 0 0 2 ， 石油库设计规范 S 2 赵洪宾 给水管线 系统理论 与分析 M 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 3 3 杜志平 多终点 环流管线水头损失 简捷计 算法 J 消防科学 与技术 ， 1 9 8 5 ， ( 1 )： 3 74 | D 4 于华贵 水消 防系统 的设计见 解【 J 工业用水与废水 ， 2 0 0 2， 3 3 ( 5 ) ： 6 0 6 2 5 G B J I 6 8 72 0 0 1 ， 建筑设计 防火规范 S ， 整个生命周期来看 ， 项 目在移交后 的运 营及维 护成 本 要远远大于它的建设造价， 而且先期建设成本的高低 对未来的运营和维护成本的高低会产生很大影响， 工 程项 目的建造 费 用和运 营 与维 护 费用 存在 此 消彼 长 的关系。随着工程项 目功能水平的提高， 项 目的建造 费用增加， 运营与维护费用降低 ； 反之， 工程项 目的功 能水平降低， 其建造费用降低， 但运营与维护费用会增 加。我们现在的做法是控制建设费用， 使其最小化， 但 是忽略了运营维护期 的费用 。因此 ， 在项 目决 策 阶段 引入全生命周期造价管理的思想 ， 均衡两部分费用的 支出， 势必会使我国现行的工程造价管理方法更加科 学实用 。 2 工程项 目全 生命周期各 阶段造价管理 2 1 投资决策阶段 正确 的投资行动来源 于正确 的项 目投 资决策 ， 项 目决策的正确与否 ， 直接关 系到其建设 的成败 ， 关系造 价的高低和投资经济效果的好坏。因此 ， 正确的投资 决策是 合理的确定和控制造价 的前 提条 件。由于投资 估算 的精确度为 3 0 左右 ， 为 了控 制好 项 目的投资 估算 ， 应谨 慎进行决策分 析 ， 编制好 项 目建议 书 ， 不能 出现“ 拍 脑袋 上项 目” 的现象 。同时应 积 极参 与 项 目 决策前的准备工作以及对项 目的各项技术、 经济评价 ， 认真搞好可行性研究， 对拟建项 目的技术、 经济等方面 6 曹慧哲 ， 梁珍 ， 朱蒙生 ， 等 初始流 量对进行 管 网水力计 算 的 影响 J 低温建筑技术， 2 0 0 7 ， ( 6 ) ： 1 2 9 1 3 0 7 H o u c i n e R a h a 1 A c ot r e efl o w s f o r mu l a t i o nf o r s t e a d y s t a t ei nw a - t e r d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s J A d v a n c e s i n E n g i n e e r i n g S o f t w a r e ， 1 9 9 5 ， ( 2 2 ) ：1 6 91 7 8 收稿 日期 】 2 0 1 00 8- 2 3 作者 简介 】 吴凤山( 1 9 6 6一) ， 男 ， 辽宁昌图人 ， 注册一级建造 师 ， 注册安全工程师 ， 现从 事化 工石 油工程 建设 施工管理与技术研究 。