LPG灌瓶間雨淋系統(tǒng)與水噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙向榮, 李 媛, 朱亞元

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300074；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分公司，安徽合肥230000)

1 概述

在進(jìn)行液化石油氣儲(chǔ)配站灌瓶間的消防設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，相關(guān)的消防設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定不統(tǒng)一。GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《建規(guī)》)第8.3.7條第4款規(guī)定，日裝瓶數(shù)量大于3 000瓶的液化石油氣儲(chǔ)配站的灌瓶間應(yīng)設(shè)雨淋自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱雨淋系統(tǒng))，該規(guī)定為強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行。

雨淋系統(tǒng)是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)之一，主要用于撲滅燃燒猛烈、蔓延快的大面積火災(zāi)，《建規(guī)》規(guī)定應(yīng)設(shè)置雨淋系統(tǒng)的場(chǎng)所均為發(fā)生火災(zāi)蔓延快、火災(zāi)危險(xiǎn)性大、著火后燃燒速度快或可能發(fā)生爆炸性燃燒的廠房或部位，是需盡快控制的高火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所。液化石油氣儲(chǔ)配站的灌瓶間設(shè)計(jì)雨淋自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)執(zhí)行GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《噴規(guī)》)。在同為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第3.1.2條中，雖然沒有明確液化石油氣灌瓶間、瓶庫應(yīng)設(shè)水噴霧系統(tǒng)，但直接規(guī)定了當(dāng)保護(hù)對(duì)象為液化石油氣灌瓶間、瓶庫時(shí)，以防護(hù)冷卻為目的的水噴霧系統(tǒng)的供給強(qiáng)度、持續(xù)供給時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間。兩個(gè)規(guī)范都對(duì)液化石油氣灌瓶間的設(shè)計(jì)作出了相應(yīng)規(guī)定，但規(guī)定大相徑庭，一個(gè)以滅火為目的，一個(gè)以防護(hù)冷卻為目的。按照不同規(guī)范設(shè)計(jì)的系統(tǒng)差別很大，兩個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)、布置方式完全不同。GB 51142—2015《液化石油氣供應(yīng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》只規(guī)定了有關(guān)儲(chǔ)罐的消防設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì)于灌瓶間和瓶庫的消防設(shè)計(jì)沒有要求。

2 相關(guān)規(guī)范簡(jiǎn)介

目前有關(guān)液化石油氣廠站的設(shè)計(jì)規(guī)范只有GB 51142—2015《液化石油氣供應(yīng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，涉及到的規(guī)范有GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。其中，GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》是一項(xiàng)綜合性的防火技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，政策性和技術(shù)性強(qiáng)，詳細(xì)規(guī)定了各種滅火系統(tǒng)的設(shè)置場(chǎng)所和適用范圍，具有一定的指導(dǎo)意義，是設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本規(guī)范，筆者認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先執(zhí)行該規(guī)范。

3 雨淋系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)

① 雨淋系統(tǒng)

按照GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的定義，所謂雨淋系統(tǒng)，就是由火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)或傳動(dòng)管控制，自動(dòng)開啟雨淋閥和啟動(dòng)供水泵后，向開式灑水噴頭供水的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，亦稱開式系統(tǒng)。根據(jù)GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.0.1條規(guī)定，灌瓶間火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)為嚴(yán)重危險(xiǎn)級(jí)Ⅱ級(jí)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度不應(yīng)低于16 L/(min·m2)，作用面積不應(yīng)小于260 m2；第5.0.16條規(guī)定，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的持續(xù)噴水時(shí)間，應(yīng)按火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不小于1 h確定。

② 水噴霧系統(tǒng)

水噴霧系統(tǒng)是指由水源、供水設(shè)備、管道、雨淋閥(或電動(dòng)控制閥、氣動(dòng)控制閥)、過濾器和水霧噴頭等組成，向保護(hù)對(duì)象噴射水霧進(jìn)行滅火或防護(hù)冷卻的系統(tǒng)。GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第3.1.2條規(guī)定，當(dāng)保護(hù)對(duì)象為液化石油氣灌瓶間、瓶庫時(shí)，以防護(hù)冷卻為目的的水噴霧系統(tǒng)供給強(qiáng)度不應(yīng)小于9 L/(min·m2)，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間6 h，響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于60 s。

③ 雨淋系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)的主要區(qū)別

雨淋系統(tǒng)和水噴霧系統(tǒng)的主要區(qū)別是雨淋系統(tǒng)不管保護(hù)對(duì)象面積多大，只按規(guī)范規(guī)定的“作用面積不小于260 m2”計(jì)算，而水噴霧系統(tǒng)是按保護(hù)對(duì)象的全面積計(jì)算。另外火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不同，雨淋系統(tǒng)是1 h，水噴霧系統(tǒng)是6 h，因此水量差別很大。此外系統(tǒng)組成不同，系統(tǒng)參數(shù)、工作壓力不同，噴水強(qiáng)度、噴頭形式也不同，雨淋系統(tǒng)采用的是開式噴頭，水噴霧系統(tǒng)采用的是水霧噴頭。

下面以一個(gè)長(zhǎng)48 m、寬30 m，面積為1 440 m2的灌瓶間為例對(duì)以上2個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行探討。

4 雨淋系統(tǒng)

按照《噴規(guī)》規(guī)定，雨淋系統(tǒng)中每個(gè)雨淋閥控制的噴水面積不宜大于規(guī)范規(guī)定的作用面積，因此將灌瓶間劃分為6個(gè)面積≤260 m2的區(qū)域(將48 m長(zhǎng)邊均分成6段，每段長(zhǎng)8 m)，每個(gè)區(qū)域由一個(gè)雨淋閥控制，每個(gè)雨淋閥噴水面積240 m2。考慮到最不利情況的發(fā)生是在相鄰的兩個(gè)雨淋閥的噴水面積交匯處，此時(shí)火災(zāi)發(fā)生，則兩個(gè)相鄰的雨淋閥均動(dòng)作，這時(shí)系統(tǒng)作用面積480 m2。雨淋系統(tǒng)使用的是開式噴頭，其正方形布置的噴頭間距應(yīng)≤3.0 m，矩形布置的長(zhǎng)邊噴頭間距應(yīng)≤3.6 m，最小間距是1.8 m，噴頭與端墻的最大距離為1.5 m。依據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行噴頭布置，見圖1。圖1中，數(shù)據(jù)單位為mm；DN100表示該管段的公稱直徑是100 mm，依此類推；1～15是節(jié)點(diǎn)編號(hào)。各節(jié)點(diǎn)標(biāo)高相同。

圖1 單個(gè)雨淋閥噴水面積內(nèi)系統(tǒng)布置

由于噴頭數(shù)量越少，單個(gè)噴頭流量越大，噴頭的工作壓力也越大，因此噴頭間距不宜過大，單個(gè)雨淋閥噴水面積內(nèi)噴頭共48個(gè)，每個(gè)噴頭流量計(jì)算公式為：

(1)

式中q——每個(gè)噴頭的流量，L/min

qs——系統(tǒng)設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度, L/(min·m2)，為16 L/(min·m2)

A——單個(gè)雨淋閥的噴水面積，m2，為240 m2

n——噴頭的數(shù)量

由公式(1)得q=80 L/min。

4.1 管段1-2水力計(jì)算

① 根據(jù)《噴規(guī)》第9.1.1條公式：

(2)

式中q1——節(jié)點(diǎn)1處噴頭流量，L/min

K——噴頭流量系數(shù)，取80

p——噴頭工作壓力，MPa

則最不利點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1處噴頭的工作壓力為0.10 MPa。

② 根據(jù)流速計(jì)算公式：

(3)

式中v——管段1-2的流速，m/s

qxh——管段1-2的流量，m3/s

dj——管道的計(jì)算內(nèi)直徑，m，按管道的內(nèi)直徑減1 mm確定，為0.034 75 m

dj=dn-0.001

(4)

式中dn——管道的內(nèi)直徑，m

根據(jù)公式(3)～(4)求得v=1.4 m/s。

③ 單位長(zhǎng)度管道的壓力損失按下式計(jì)算：

(5)

式中 Δp——單位長(zhǎng)度管道的壓力損失，MPa/m

根據(jù)公式(5)求得Δp=0.001 65 MPa/m。

④ 管段1-2沿程壓力損失計(jì)算公式：

Δpy=Δpl

(6)

式中 Δpy——沿程壓力損失，MPa

l——管段1-2的長(zhǎng)度，m，為2.4 m

根據(jù)公式(6)得：Δpy=0.004 MPa。

⑤ 管段1-2局部壓力損失宜采用當(dāng)量長(zhǎng)度法計(jì)算：

Δpj=Δpld

(7)

式中 Δpj——管段局部壓力損失，MPa

ld——管段當(dāng)量長(zhǎng)度，m，取1.2 m(詳見《噴規(guī)》附錄C)

通過公式(7)計(jì)算得到：Δpj=0.002 MPa。

⑥ 管段1-2總壓力損失計(jì)算公式：

Δpz=Δpj+Δpy

(8)

式中 Δpz——管段1-2的總壓力損失，MPa

通過公式(8)計(jì)算得到總壓力損失為0.006 MPa。

⑦ 點(diǎn)2處壓力計(jì)算公式：

p2=p1+Δpz

(9)

式中p2——點(diǎn)2處壓力，MPa

p1——點(diǎn)1處噴頭的壓力，MPa，為0.1 MPa

根據(jù)公式(9)計(jì)算得到p2=0.106 MPa。依此類推，其他管段的計(jì)算結(jié)果見表1。管段1-2的起點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1，終點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)2，依此類推。

表1 雨淋系統(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果

4.2 雨淋系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

① 單個(gè)雨淋閥噴水面積240 m2的流量為82.53 L/s，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為165.06 L/s。

② 平均噴水強(qiáng)度計(jì)算公式為:

(10)

式中qp——噴水面積內(nèi)的平均噴水強(qiáng)度，L/(min·m2)

qg——噴水面積的入口管道流量，L/s，為82.53 L/s

根據(jù)公式(10)計(jì)算得出qp=20.63 L/(min·m2)。

③ 噴水面積的入口壓力為0.33 MPa。

4.3 雨淋系統(tǒng)配水管道充水時(shí)間

① 將表1中各管段管長(zhǎng)除以流速后的結(jié)果相加，即是室內(nèi)配水管道充水時(shí)間t1=12.89 s。

② 灌瓶間距離雨淋閥室150 m，室外管道公稱管徑為200 mm，水的流速為2.68 m/s，壓力損失為0.123 1 MPa。室外配水管道充水時(shí)間計(jì)算公式：

(11)

式中t2——室外配水管道充水時(shí)間，s

l1——灌瓶間與雨淋閥室之間的管道長(zhǎng)度，m

v1——灌瓶間與雨淋閥室之間管道內(nèi)水的平均流速，m/s

由公式(11)計(jì)算得t2=55.97 s。

③ 雨淋閥組到最不利點(diǎn)處噴頭的配水管道充水時(shí)間為t1與t2之和，為68.86 s?！秶娨?guī)》第8.0.11條規(guī)定，雨淋系統(tǒng)的配水管道充水時(shí)間不宜大于2 min，滿足規(guī)范要求。

4.4 雨淋泵壓頭

雨淋泵壓頭計(jì)算式為：

pb=p1+p2+p3+p4

(12)

式中pb——雨淋泵壓頭，MPa

p1——灌瓶間入口所需壓力，MPa

p2——灌瓶間入口與雨淋泵水平中心線的高差所產(chǎn)生的壓差，MPa

p3——雨淋泵房至雨淋閥室的壓力損失，MPa

p4——灌瓶間至雨淋閥室的壓力損失，MPa

已知p1=0.33 MPa，p2=0.08 MPa。雨淋泵房至雨淋閥室距離400 m，設(shè)計(jì)流量165.06 L/s，供水管道管徑DN 300 mm，流速2.26 m/s，計(jì)算得p3=0.133 MPa。p4=0.123 1 MPa。則根據(jù)公式(12)計(jì)算得到雨淋泵壓頭為0.666 1 MPa，取0.67 MPa。

4.5 雨淋系統(tǒng)用水量

雨淋系統(tǒng)用水量計(jì)算公式為：

Vy=3.6qyty

(13)

式中Vy——雨淋系統(tǒng)用水量，m3

qy——雨淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，L/s，為165.06 L/s

ty——雨淋系統(tǒng)火災(zāi)延續(xù)時(shí)間，h，為1 h

由公式(13)計(jì)算得到Vy=594 m3。

5 水噴霧系統(tǒng)

GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第3.1.3條規(guī)定，水霧噴頭的工作壓力，當(dāng)用于滅火時(shí)不應(yīng)小于0.35 MPa；當(dāng)用于防護(hù)冷卻時(shí)不應(yīng)小于0.2 MPa。水噴霧系統(tǒng)用于灌瓶間時(shí)其防護(hù)目的是防護(hù)冷卻，因此水霧噴頭的工作壓力應(yīng)不小于0.2 MPa。保護(hù)對(duì)象所需水霧噴頭數(shù)量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)供給強(qiáng)度、保護(hù)面積和水霧噴頭特性按規(guī)范計(jì)算確定。噴頭的布置應(yīng)使水霧直接噴向并覆蓋保護(hù)對(duì)象，且水霧噴頭與保護(hù)對(duì)象之間的距離不得大于水霧噴頭的有效射程。

水噴霧系統(tǒng)供給強(qiáng)度為9 L/(min·m2)，灌瓶間面積為1 440 m2，噴頭數(shù)量為360個(gè)，計(jì)算得到每個(gè)噴頭流量為36 L/min。根據(jù)GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第7.1.1條公式：

(14)

式中qj，w——噴頭處節(jié)點(diǎn)流量，L/min

pj，w——噴頭工作壓力，MPa

Kj，w——噴頭流量系數(shù)，取21.4

根據(jù)公式(14)計(jì)算得到最不利點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1處噴頭的工作壓力為0.28 MPa。將灌瓶間分為2個(gè)噴水面積為720 m2的區(qū)域，由2個(gè)雨淋閥控制水噴霧系統(tǒng)的開啟，消防時(shí)同時(shí)啟動(dòng)。單個(gè)雨淋閥控制區(qū)域內(nèi)噴頭布置見圖2。圖2中，數(shù)據(jù)的單位為mm；1～22是節(jié)點(diǎn)編號(hào)。各節(jié)點(diǎn)標(biāo)高相同。

水噴霧系統(tǒng)水力計(jì)算步驟同雨淋系統(tǒng)，見表2。表2中節(jié)點(diǎn)16-17～21-22管段當(dāng)量長(zhǎng)度為0.00是軟件計(jì)算并取2位小數(shù)的結(jié)果。

① 水噴霧系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

a.單個(gè)雨淋閥噴水面積720 m2時(shí)的流量為119.46 L/s，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為238.92 L/s。

b.平均噴水強(qiáng)度計(jì)算方法同雨淋系統(tǒng)，為9.955 L/(min·m2)。

c.噴水面積的入口壓力為0.419 MPa。

② 水噴霧系統(tǒng)配水管道充水時(shí)間

a.將表2中各管段管長(zhǎng)除以流速后的結(jié)果相加，即是室內(nèi)配水管道充水時(shí)間,為20.19 s。

b.灌瓶間距離雨淋閥室150 m，室外管道公稱管徑為DN 200 mm，流速為3.88 m/s，壓力損失為0.257 8 MPa，則計(jì)算得到室外配水管道充水時(shí)間為38.66 s。

圖2 單個(gè)噴水面積內(nèi)水噴霧系統(tǒng)布置

續(xù)表2

c.雨淋閥組到最不利點(diǎn)處噴頭的配水管道充水時(shí)間共需58.85 s，滿足《噴規(guī)》規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間不大于60 s的要求。

③ 水噴霧系統(tǒng)消防水泵壓頭

水噴霧系統(tǒng)消防水泵壓頭計(jì)算公式：

pw=pw1+pw2+pw3+pw4

(15)

式中pw——消防水泵壓頭，MPa

pw1——灌瓶間入口所需壓力，MPa

pw2——最不利點(diǎn)處噴頭與消防水泵水平中心線的高差所產(chǎn)生的壓差，MPa

pw3——消防泵房至雨淋閥室的壓力損失，MPa

pw4——灌瓶間至雨淋閥室的壓力損失，MPa

計(jì)算可得pw1=0.419 MPa，pw2=0.08 MPa。消防泵房至雨淋閥室距離400 m，設(shè)計(jì)流量238.92 L/s，供水管道公稱管徑為350 mm，流速2.39 m/s，則計(jì)算得pw3=0.120 9 MPa。pw4=0.257 8 MPa。則所需消防水泵壓頭為0.877 7 MPa，取0.88 MPa。

④ 水噴霧系統(tǒng)用水量

水噴霧系統(tǒng)用水量計(jì)算公式為：

Vw=3.6qwtw

(16)

式中Vw——水噴霧系統(tǒng)用水量，m3

qw——水噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，L/s，為238.92 L/s

tw——水噴霧系統(tǒng)火災(zāi)延續(xù)時(shí)間，h，為6 h

由公式(16)計(jì)算得到Vw=5 160.7 m3。

6 雨淋系統(tǒng)與水噴霧系統(tǒng)的區(qū)別

雨淋系統(tǒng)與水噴霧系統(tǒng)的區(qū)別見表3。

7 結(jié)語

GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》與GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》同屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但有些條款存在沖突，在設(shè)計(jì)中應(yīng)具體問題具體分析，按照專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求，或根據(jù)雨淋系統(tǒng)和水噴霧滅火系統(tǒng)的特點(diǎn)和系統(tǒng)的相關(guān)要求，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面比較后確定。不管執(zhí)行哪個(gè)規(guī)范，都要認(rèn)真貫徹該規(guī)范的條款要求。