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高层建筑内柴油发电机房水喷雾设计探讨

作 者：陈 芬（福州市建筑设计院总工程师）
提要
本文主要探讨高层建筑内柴油发电机房水喷雾灭火系统的设计，介绍比较二种设计方法，推荐平面布置法。
关键词
水喷雾柴油发电机房 直接喷射 完全覆盖 设计 灭火系统 平面布置法 立体布置法

(一)概述
根据《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95-1997年局部修订条文第7.6.6条“高层建筑内的下列房间应设置水喷雾灭火系统：……7.6.6.4自备发电机房”，现设在高层建筑内的自备发电机房应设计水喷雾灭火系统设计，而以往发电机房则是设计气体灭火系统。目前柴油发电机房水喷雾灭火系统喷头布置一般采用二种方法⑴平面布置方法；⑵立体布置方法。下面就这二种方法进行探讨。
(二)设计内容
以某一16层的办公楼为例，该楼在地下室内设一组YGS-588型470kW自启动柴油发电机组。
1.采用平面布置方法
由于高层建筑物内的自备发电机组高度不大，油箱也不高，可用平面布置方法来设计高层建筑内柴油发电机房水喷雾灭火系统。
⑴确定保护对象的设计喷雾强度：
柴油发电机房火灾定性为液体火灾。柴油发电机组燃油选用原则应使燃油凝固点较气温低10℃，一般选0号柴油。0号柴油的闪点不低于65℃。查《水喷雾灭火系统设计规范》（以下简称《喷雾规范》）表3.1.2，柴油发电机房水喷雾灭火系统防护目的－－属灭火，保护对象－－属闪点60-120℃的液体，设计喷雾强度Ｗ为20L/mim·m2，持续喷雾时间为0.5h。
⑵计算保护面积S：
发电机房的保护面积按机房实际使用面积来计算，计算时应扣除墙、柱的面积，经计算S发电机＝50.15m2。
储油间的保护面积为储油间的实际使用面积，经计算S储油间＝3.20m2。
由于贮油间设在发电机房内，火灾时对发电机组威胁大，且其面积不大，可视其与发电机房为同一保护区，即水雾喷头同时喷雾。
⑶计算水雾喷头的流量q：
要计算水雾喷头的流量q，首先要确定水雾喷头型号。为了节约投资应选雾化角较大的喷头，其在相同的水压下保护面积较大。现发电机房水雾喷头一般选用ZSTG10/114型高速喷射器（黄铜材料）。该喷射器雾化角较大，流量适中，适用于保护闪点66℃以上的易燃液体，K＝43.8。
q＝K·(10·P)0.5，P＝0.35MPa（《喷雾规范》要求的最小灭火压力）
q＝43.8×(10×0.35)0.5≈81.94L/min
⑷计算所需水雾喷头的最小数量N：
N发电机房＝S发·W÷q＝50.15×20÷81.94≈12个
N储油间＝S储·W÷q＝3.20×20÷81.94≈1个
⑸喷头布置：
合理地布置水雾喷头，可以使喷雾均匀地完全覆盖保护对象，确保喷雾强度。《喷雾规范》第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。”第3.2.4条规定“水雾喷头的平面布置方式可为矩形或菱形。当按矩形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.4倍水雾喷头的水雾锥底圆半径；当按菱形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.7倍水雾喷头的水雾锥底圆半径。”应根据喷头有效射程、水雾锥底圆半径来布置喷头，也就是说水雾要直接喷射到保护对象并完全覆盖。根据“上消”厂家介绍水雾喷头用于灭火时，其水平射程宜算到喷头水平喷射曲线上线最高点止，当P＝0.35MPa时，ZSTG10/114型喷头的水平有效射程为1.70m，上线1.71m，下线2.5m；其垂直有效射程为3m。本设计实例按矩形布置喷头，喷头布置平面详附图(一)。喷射曲线可详产品样本。注意喷头离油箱的距离≤0.7m。喷头布置后，应校核喷头间距、水雾覆盖情况。
a.发电机房：
发电机组高度按2m计，喷头安装高度距发电机组1.3m，水雾锥底圆半径R为1.5m。
间距：1.4R＝1.4×1.5＝2.1m（喷头间距）>1.9m（喷头间距）
角a：[(0.95-0.2)2+1.25×1.25]0.5≈1.46m<1.5m(R)
角b：[0.95×0.95＋（1.25-0.5）)2≈1.21m<1.5m(R)
b.储油间：
油箱顶面离地高度按2m计，喷头安装高度距油箱0.7m，水雾锥底圆半径为0.94m。喷头距地2.7m，水雾锥底圆半径R为2.3m。储油间为三角形，油箱安装位置长度需1m，油箱只可放在f-g-h-i-j范围内，可按R=0.94m来校核f、g、h、i、j点的水雾覆盖情况。考虑储油间地面通常设有集油沟，还应按R=2.3m来校核c、d、e水雾覆盖情况。
角f：(0.53×0.53＋0.529×0.529)0.5≈0.75m〈0.94m(R)
角e：(1.53×1.53＋0.529×0.529)0.5≈1.62m〈2.3m(R)
角c：(1.571×1.571＋1.029×1.029)0.5≈188m〈2.3m(R)
角d：(1.83×1.83＋0.829×0.829)0.5≈2.01m<2.3m(R)
⑹水力计算：
水力计算应列管道水力计算表进行计算，此文省略，作法可详《建筑给水排水设计手册》。计算结果详附图（二）。《喷雾规范》第3.1.3条规定“水雾喷头的工作压力，当用于灭火时不应小于0.35MPa”，计算最不利喷头的起始压力应按0.35MPa计，计算公式：q=√BH。由于水喷雾系统采用开式喷头，应根据特性系数法计算系统的实际流量、水头损失等，若用估算法，偏差会较大，可能导致喷出的不是水雾。
计算中应随时校核喷头的设计值是否在其正常值的范围内，ZSTG10/114型高速喷射器正常工作压力为0.28-0.5MPa，相对应正常流量为1.22L/s-1.63L/s。从附图(二)中可以看出每个喷头的流量均在此范围内。计算完毕，还应校核每个管段流速。校核每个管段流速详表1。从表1可以看出各管段流速V均小于5m/s，符合《喷雾规范》规定。

管道流速校核表 表1
管段
管径
流量Ｑ
Ｋc
流速Ｖ
管段
管径
流量Ｑ
Ｋc
流速Ｖ

(mm)
(L/s)

(m/s)

(mm)
(L/s)

(m/s)
1-2
DN25
1.375
1.883
2.59
6-7
DN100
18.17
0.115
2.09
2-3
DN32
2.77
1.05
2.91
11-5
DN25
1.43
1.883
2.69
3-4
DN50
5.54
0.47
2.60

4-5
DN80
11.12
0.204
2.27

5-6
DN80
12.55
0.204
2.56

V=Kc·Q

⑺管道布置：
对于水喷雾灭火系统，管道布置应尽量考虑喷雾管网的均匀性，配水支管宜在配水管两侧均匀分布，这样既便于计算，又利于每个喷头的喷雾流量大小相近。当然也可采用放大配水支管管径的作法来使管网均匀，但这样做要增加投资。

2.采用立体布置方法
此种布置方法是水喷雾灭火系统传统的布置方法。
(1)确定保护对象的设计喷雾强度：
同平面布置法。
(2)计算保护面积S：
根据《喷雾规范》第3.1.5条，保护面积应按保护对象外表面积确定。发电机组最大外形尺寸：长×宽×高=3800×1594×1963（单位mm）。发电机组外表面是不规则的，保护面积应按包容发电机组的最小规则形体的外表面积来计算。
S发电机=(3.8+1.594)×1.963×2+3.8×1.594≈27.3m2
通常在储油间内设储有8h所需柴油的油箱，油箱外形尺寸一般为1m×1m×1m，有的设一个油箱，有的设二个油箱。油箱一般架高1m，以便油靠重力流入发电机组。本设计实例燃油耗量94L/h，贮油量为94×8=752L。柴油比重0.8-0.87，按0.85计，油箱容量=752÷0.85≈885L，故设1m×1m×1m油箱1个。油箱布置图详附图（三）。
S储油=（1+1）×2+1×1=5m2
(3)计算水雾喷头的流量q：
同平面布置法。
(4)计算所需水雾喷头的最小数量N：
N发电机=S发·W÷q=27.3×20÷81.94 ≈7个
N储油间=S储·W÷q=5×20÷81.94 ≈2个
(5)喷头布置：
喷头平面布置详附图（三）。从布置图可以看出，为了达到直接喷射的目的，发电机组设了8个喷头，比计算结果多设了1个喷头。储油间若按油箱每个面设喷头，得设5个喷头，计算保护面积仅为5m2要设5个喷头，显然不合理。由于油箱高度仅为1m，在油箱顶设一个喷头、底设一个喷头，应该也可达到直接喷射的目的。
(6)水力计算：
计算结果详附图四。
(三)两种设计计算方法比较
两种方法对照表

平面布置方法
立体布置方法
设计喷雾强度(L/min.m2)
20
20
保护面积(m2)
53.35
32.3
水雾喷头流量(L/min)

81.94
81.94
喷头数量（个）
13
10
喷头布置
喷头均布，喷头安装高度一致
喷头绕发电机组四周布置，喷头安装高度差别较大
水力计算
简单
复杂
系统设计流量（L/S）
18.17
13.9
系统所需最小压力（MPa）
0.465
0.4519

从表2可以看出，采用平面布置方法比采用传统的立体布置方法更偏安全，系统设计的流量值、压力值及喷头数均比立体布置方法大，对于设在室内的小型发电机组，由于其高度不高，可以达到直喷的效果。且采用平面布置计算方法，发电机房内的发电机组布置可较灵活，不会因为机组挪位或施工临时改机组型号而要改机房内的水喷雾系统。常常设计选用的发电机组厂家与甲方购买的不同，导致发电机组外形尺寸不同，这是设计水喷雾灭火系统采用立体布置法的难处。本设计实例就是这样的,设计时原本采用300kW自启动柴油发电机组，而到施工时由于甲方加大用电负荷，改成了470kW自启动柴油发电机组。采用平面布置法，由于喷头安装高度基本一致，计算简单，施工也不容易弄错。采用立体布置法，配水支管绕着发电机组布置，妨碍日常操作。因此本文推荐建筑物内的自备发电机房水喷雾灭火系统采用平面布置方法来设计。
参考文献:

1.《水喷雾灭火系统设计规范》
2.《高层民用建筑设计防火规范》
3.《建筑给水排水设计手册》

附图如下：