自动喷水灭火系统的水力计算研究

1、自动喷水灭火系统的水力计算研究 摘 要：根据国外自动喷水灭火系统水力计算的发展，国内普遍采用“矩形面积-逐点法”进行水力计算。但是，在大量的实际工程项目中，最不利作用面积内的喷头布置呈不规则形状。针对此，笔者采用“精确计算法”，研究最不利作用面积呈不规则形状时，以验证“矩形面积-逐点法”进行水力计算能否满足设计要求。 关键词：自动喷水灭火系统 水力计算 不规则形状The hydraulic calculation of the sprinkler systemWang Zong-wei(Jiangsu province architectural design and research ins

2、titute co., LTD, Nanjing, 210019)Abstract: According to the development of the automatic sprinkler system hydraulic calculation abroad, domestic widely used the "rectangular area-point by point" for hydraulic calculation. But, the nozzle arrangement of the most unfavorable effect area had

3、showed irregular shape in a lot of practical engineering project. For this, the author studies the irregular shape of the most unfavorable effect area by "precise calculation method", to verify that the "rectangular area-point by point" in the hydraulic calculation can meet the d

4、esign requirements.Keywords: automatic sprinkler system；hydraulic calculation；irregular shape 自动喷水灭火系统设计规范GB 50084-2001中8.0.5条规定：管道的管径应经水力计算确定。水力计算是自动喷水灭火系统设计的核心部分，正确、合理的水力计算对保证系统正常运行、确保系统具有最佳的经济性和适用性有着重要作用1。1 国内外水力计算现状1.1 国外的水力计算方法英国自动喷水灭火系统安装规则BS5306-Part2-19902规定：应由水力计算确定系统最不利点处作用面积的位置，且配水管计算应保证最

5、不利点处作用面积内的最小喷水强度符合规定；美国自动喷水灭火系统安装标准NFPA133规定：对于所有按水力计算要求确定的设计面积应是矩形面积，且要求作用面积内每只喷头在工作压力下的流量，应能保证不小于最小喷水强度与1个喷头保护面积的乘积；德国喷水装置规范（1980年版）规定：首先确定作用面积的位置，然后求出作用面积内的喷头数，且要求各单独喷头的保护面积与作用面积所有喷头的平均保护面积的误差不超过20%4。1.2 国内的水力计算方法目前，国内的自动喷水灭火系统管道的水力计算法有作用面积法和特性系数法两种计算方法。作用面积法考虑到实际火灾发生时一般只是开启少数几个喷头，此时系统的出水量远远小于设计流

6、量，系统水头损失较小，喷头处实际水压和流量满足要求。而特性系数法进行水力计算时，系统中除最不利点外的任意一个喷头的喷水量或任意相邻四个喷头处平均出水量，均超过设计流量。2 水力计算分析与研究2.1 水力计算分析 蓝为平等5通过对自喷系统水力计算实例进行分析，比较特性系数法和作用面积法计算得到的系统设计流量，认为自喷系统水力计算应该采用特性系数法。然而，中国电力安全管理网中的中危险级自喷系统的管网设计计算曾提到：实际发生火灾时，一般都是火源点成辐射状向四周蔓延，只有失火区上方的喷头才会动作，而特性系数法是按喷头逐个动作计算，不符合火灾发生的规律。因此，我国现行规范GB 50084-2001(20

7、05版)要求采用“矩形面积-逐点法”进行水力计算。此方法科学严谨，符合火灾实际情形，也是欧美等国家的通行算法，更加合理和安全。但是，若在自动喷水灭火系统设计时，最不利作用面不呈矩形，作用面积内的喷头布置呈树状分布，直接套用“矩形面积-逐点法”进行水力计算是否会引起较大误差。针对此，笔者采用樊建军等6提出的喷头呈不规则布置自动喷水灭火系统水力计算方法，即“精确计算法”进行严密计算，研究最不利作用面积内喷头不规则布置时，若采用“矩形面积-逐点法”对自动喷水灭火系统水力计算结果的影响。笔者选取青岛“东海路9号”行政商务酒店塔楼最不利作用面积内的喷头作为研究对象，因其内的喷头完全呈不规则布置，很具有代

8、表性。2.2 水力计算研究2.2.1 喷头呈不规则布置的水力计算公式（1）喷头处流量 式（1） 式中：q 喷头处流量，L/s； K喷头流量系数，玻璃球喷头K=1.33； P喷头出水压力，MPa。 （2）同一配水支管上喷头的流量关系 式（2）式中：q n n点处喷头流量，L/s； An-1n-1点到n点之间的管段比阻，s2/L2，个管径的比阻详见表1； ln-1n-1点到n点之间的包含局部阻力折合的当量长度在内的管段计算长度，m； n n点处喷头流量与1点处喷头流量之间的转换系数。表1 热浸镀锌钢管管道比阻A值管径DN25DN32DN40DN50流量q(L·s-1)0.0043670.

9、00093860.00044530.0001108管径DN70DN80DN100DN150流量q(L·s-1)0.000028930.000011680.0000026740.0000003395 （3）不同配水支管上喷头的流量关系 如支管1-n、B-n和C-n到达节点n处时，n点处的喷头压力为 式（3）式中：P n n点处喷头压力，MPa； 1-n 与K、Ai和li(i=1,2,···,n)有关的常数，(MPa·s2)/L2； 其余符号与式（2）相同。且三段支管起端处喷头的流量关系满足： 式（4）式中：1-n 、1-n 与K、Ai和li(i=

10、2,3,···,n)有关的常数，(MPa·s2)/L2；2.2.2 自动喷水灭火系统精确水力计算 自动喷水灭火系统计算草图（来源于青岛“东海路9号”行政商务酒店塔楼最不利作用面积），见图1。图1 自动喷水灭火系统精确水力计算草图（1）支管1-A的精确水力计算根据式（2）和式（3）计算支管1A、3A、4A和5B的值和值，计算结果见表2。表2 支管1A、3A、4A和5B的值和值管段编号122A3A4A5B管径(mm)DN25DN32DN25DN25DN25管段当量长度(m)3.123.121.321.929.361.111.221.051.071.31(MP

11、a·s2·L-2)0.0830.0620.0650.097 注：管段当量长度取实际长度的120%，即局部水损取沿程水损的20%，下同。比较支管1A、3A、4A的值，取值最大者为最不利配水管。从表1知，支管1A的值最大，即为最不利配水管。根据实际工程经验值，取喷头1处的压力值为0.1MPa，则喷头1处的流量为1.33L/s。根据式（4），则 故q3=1.54L/s，q4=1.50L/s。 （2）主管AB、BC的精确水力计算 管段AB的流量为 取管段AB的管径为DN40，则水头损失 则B点的水压为 根据式（4）可以求出5点处喷头的流量 管段BC的流量和水损为 C点的压强为 （3

12、）点6、7、8和9处喷头的流量计算根据式（2）和（3）计算管6b、8b、9b和bC的值和值，计算结果见表3。表3 支管6b、8b、9b和bC的值和值管段编号677b8b9b管径(mm)DN25DN32DN25DN25管段当量长度(m)3.602.101.441.921.131.201.051.07(MPa·s2·L-2)0.0810.0630.065根据根据式（4）有：故按照自动喷水灭火系统设计规范8.0.7规定：初步取bC段的管径为DN40，则bC段的水头损失为 从而 故q6=1.43L/s，q7=1.62L/s，q8=1.65L/s，q9=1.60L/s。校核：，当bC

13、段的管径选为DN40，其流速为4.96m/s5m/s，满足要求。（4）D点处压强和管段CD的流量计算参照（3）中步骤，求出点10、11处喷头的流量：q10=1.50L/s，q11=1.71L/s。参照管段BC的流量与水损，求出CD的流量与水损，即故D点处压强为（5）点12至点D之间的各点喷头流量计算支管1213、13F、14F、15c、16c、18d和19d的值和值计算结果见表4。表4 支管1213、13F、14F和15c等的值和值管段编号121313F14F15c16c18d19d管径(mm)DN25DN32DN25DN25DN25DN25DN25管段当量长度(m)3.841.681.893

14、.000.812.740.971.141.061.071.111.031.101.04(MPa·s2·L-2)0.0800.0650.0700.0600.0680.061 根据式（4）有： F点处压强： c点处压强： d点处压强：同时，17点、G点、H点、D点处压强满足：代入部分数据，有： 故q12=1.35L/s，其余各点处喷头流量见表5。表5 其余各点处的喷头流量点编号q13q14q15q16q17q18q19流量(L·s-1)1.531.491.591.721.911.641.74（6）系统的设计流量和E点的压强系统的设计流量为 管段DE：选用DN100的内

15、外镀锌钢管，Q=29.93L/s，=3.45m/s,1000i=239.3，管道当量长度L=3.82m，则hD-E=0.913KPa。故2.3 水力计算结果分析 通过“精确计算法”对作用面积内所有喷头的进行水力计算，与“矩形面积-逐点法”的计算结果进行比较分析，其计算结果见表6。 表6 “矩形面积-逐点法”与“精确计算法”的计算结果对比矩形面积-逐点法精确计算法结果对比设计流量（L·s-1）27.6029.93采用“矩形面积-逐点法”，水泵的流量偏小E点处压强（KPa）196.56185.51采用“矩形面积-逐点法”，水泵的扬程偏大 表6结果显示，最不利作用面积内的喷头不呈矩形布置时

16、，采用“矩形面积-逐点法”对自动喷水灭火系统进行水力计算，会产生一定的误差，即作用面积内的平均喷水强度偏小，且水泵的设计扬程偏大。但是，采用“矩形面积-逐点法”进行水力计算时，最不利作用面积内的平均喷水强度能够满足设计要求值。3 结论当自动喷水灭系统的最不利作用面积内的喷头不呈矩形布置时，采用“矩形面积-逐点法”进行水力计算，会有一定的偏差，但在工程允许误差范围内，是完全可以被采纳的水力计算方法。参考文献1 杨丙杰.自动喷水灭火系统水力计算方法比较分析J.给水排水,2010,36(12):80-832 BS 5306-Part.Rules for automatic sprinkler installationS.1990.England3 National Fire Protection Associati