消防給水系統(tǒng)中旋流防止器的應(yīng)用分析

汪 波,金藝蓓,范永歡

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310028)

旋流防止器是安裝在管道前端,避免管道輸送液體過(guò)程中產(chǎn)生旋流并防止空氣進(jìn)入管道的一種特殊管件。其主要功能是保證管道的輸送流量,避免后續(xù)水泵發(fā)生氣蝕,同時(shí)使得容器的有效容積得到最大化利用。旋流防止器可用于化工、能源及給排水工程等領(lǐng)域,特別在消防給水系統(tǒng)中,作為一個(gè)重要管件,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(GB 50974—2014》(以下簡(jiǎn)稱《水消規(guī)》)明確提出了消防水池及高位消防水箱內(nèi)需設(shè)置旋流防止器的要求,并對(duì)其淹沒深度等作出了規(guī)定。因國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范及圖集等對(duì)旋流防止器的規(guī)定及介紹較少,部分設(shè)計(jì)人員對(duì)其工作原理及設(shè)置的要求等缺乏認(rèn)識(shí)和了解,故通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的比較,可以幫助廣大設(shè)計(jì)人員更好地應(yīng)用旋流防止器。

1 工作原理

旋流產(chǎn)生的原因是管道吸水液面逐漸下降過(guò)程中,靠近管口處流速較遠(yuǎn)處的流速大,導(dǎo)致管口處產(chǎn)生負(fù)壓,由于水流動(dòng)的連續(xù)性,周圍水流快速補(bǔ)充負(fù)壓區(qū)域,從而形成了旋流。在這一過(guò)程中,由于管口流速過(guò)快,一方面補(bǔ)充的水流會(huì)攜帶少量空氣進(jìn)入管道；另一方面由于管道內(nèi)負(fù)壓的原因,原來(lái)溶解于水中的空氣也會(huì)部分析出從而混入管道內(nèi),這樣不僅減小了管道的輸水量,同時(shí)混入的空氣也會(huì)造成后續(xù)水泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

而旋流防止器的工作原理在于,其傘形的構(gòu)造大大增加了管道吸水口的面積,不僅減小了進(jìn)入管口處的水流速度,其導(dǎo)流葉片同時(shí)起到了均勻水流的作用,避免空氣的進(jìn)入,并且可以使水面均勻下降,從而有效避免了旋流的產(chǎn)生。

2 中外規(guī)范中旋流防止器的相關(guān)規(guī)定

國(guó)家規(guī)范《水消規(guī)》中涉及旋流防止器的條款共2條,分別為第5.1.13條第4款：離心式消防水泵吸水管、出水管和閥門等,應(yīng)符合下列規(guī)定：……4 消防水泵吸水口的淹沒深度應(yīng)滿足消防水泵在最低水位運(yùn)行安全的要求,吸水管喇叭口在消防水池最低有效水位下的淹沒深度應(yīng)根據(jù)吸水喇叭口的水流速度和水力條件確定,但不應(yīng)小于600 mm,當(dāng)采用旋流防止器時(shí),淹沒深度不應(yīng)小于200 mm[1]。以及第5.2.6條第2款：高位消防水箱應(yīng)符合下列規(guī)定：……2 高位消防水箱的最低有效水位應(yīng)根據(jù)出水管喇叭口和防止旋流器的淹沒深度確定,當(dāng)采用出水管喇叭口時(shí),應(yīng)符合本規(guī)范第5.1.13條第4款的規(guī)定；當(dāng)采用防止旋流器時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品確定,且不應(yīng)小于150 mm的保護(hù)高度[1]。國(guó)標(biāo)圖集《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(15S909)》對(duì)上述條款進(jìn)行了說(shuō)明,即最低有效水位均從旋流防止器上沿水平以上起算,最小凈距不應(yīng)小于200 mm及150 mm,見圖1、圖2。此外,在國(guó)標(biāo)圖集《高位消防貯水箱選用及安裝(16S211)》中,也提供了旋流防止器的安裝尺寸要求及管件的尺寸表,特別是旋流防止器邊緣距水箱壁的安裝間距,圖集中注明應(yīng)不小于0.3倍的吸水管管徑。

圖1 消防水泵吸水口設(shè)置

圖2 高位水箱最低水位設(shè)置

國(guó)外規(guī)范中對(duì)于旋流防止器則有更為詳細(xì)的介紹和規(guī)定,例如美國(guó)消防規(guī)范NFPA 22—2018[2]中規(guī)定,作為消防泵取水水源的消防水箱(池)內(nèi),其吸水口需安裝防止旋流的裝置。該裝置由一塊安裝在水箱(池)吸水彎管上的水平鋼板組成,水平鋼板直徑應(yīng)不小于吸水管直徑的2倍,高出箱(池)底距離不小于吸水管直徑的1/2且不小于6英寸(152 mm),見圖3、圖4。以水管管徑DN200為例,則防止旋流裝置高出水箱(池)底部的凈距不小于152 mm。

圖3 搭接水箱吸水口安裝防旋流板典型圖示

圖4 法蘭接鋼板水箱吸水口安裝防旋流板典型圖示

歐盟規(guī)范(以英國(guó)規(guī)范為例)BS EN 12845∶2015[3]中規(guī)定了消防水箱(池)的最低有效水位由吸水管至最低有效水位的最小尺寸(A)及吸水管至箱(池)底的最小尺寸(B)確定(圖5、圖6),并列出不同吸水管徑對(duì)應(yīng)的尺寸要求,見表1。從表中可以看出,若吸水管直徑為DN200的話,則水箱(池)的最低有效水位距水箱(池)底的距離為0.77 m(A+B),即距水箱(池)底部0.77 m范圍內(nèi)的儲(chǔ)水容積屬于無(wú)效容積。但規(guī)范同時(shí)規(guī)定,當(dāng)吸水管端部裝設(shè)旋流防止器,且旋流防止器的直徑滿足表1要求時(shí),吸水管至最低有效水位的最小尺寸A可減小至0.1 m,即距水箱(池)底部0.25 m范圍內(nèi)的儲(chǔ)水容積屬于無(wú)效容積。此外,歐盟規(guī)范對(duì)于旋流防止器的安裝間距提出了非常詳細(xì)的要求,距離靠近管道的水池(箱)側(cè)壁的凈距應(yīng)不小于0.3倍的吸水管管徑,同時(shí)遠(yuǎn)離水池(箱)側(cè)壁的凈距應(yīng)不小于5倍的吸水管管徑。

圖5 無(wú)吸水坑水箱(池)有效容積及安裝尺寸圖示

圖6 有吸水坑水箱(池)有效容積及安裝尺寸圖示

表1 安裝尺寸要求

通過(guò)以上對(duì)比可以看出,國(guó)內(nèi)與歐美規(guī)范在旋流防止器設(shè)置方式上基本相同,特別是與歐盟規(guī)范存在許多相似之處,但國(guó)內(nèi)規(guī)范仍存在一些不足,主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1)在旋流防止器的安裝間距方面,歐盟規(guī)范規(guī)定得最為詳細(xì),美國(guó)規(guī)范亦有涉及,而國(guó)內(nèi)規(guī)范無(wú)相關(guān)規(guī)定,僅國(guó)標(biāo)圖集提出了安裝間距要求。

旋流防止器是通過(guò)其構(gòu)造減緩進(jìn)入管道的水流速度,從而避免流速過(guò)快而導(dǎo)致負(fù)壓及旋流的產(chǎn)生。若旋流防止器邊緣距水箱(池)側(cè)壁過(guò)近,勢(shì)必將導(dǎo)致靠近水箱(池)壁處水流流速加大,從而影響其防旋流功能的發(fā)揮。歐盟規(guī)范規(guī)定了旋流防止器距水箱(池)壁的安裝凈距應(yīng)不小于0.3倍吸水管管徑；美國(guó)規(guī)范雖未明確指出凈距要求,但從圖3、圖4中可以看出,安裝旋流防止器后的彎管必須采用大曲率彎管,且彎管的曲率半徑應(yīng)為吸水管直徑的1.5倍,從而可推算出旋流防止器與水箱(池)壁的凈距滿足0.5倍吸水管管徑的要求。綜合國(guó)標(biāo)圖集《高位消防貯水箱選用及安裝(16S211)》中的相關(guān)規(guī)定,得知旋流防止器與水箱(池)壁的凈距應(yīng)滿足不小于0.3倍吸水管管徑的要求。

此外,因消防水泵的吸水管不應(yīng)少于兩條,故旋流防止器往往成組布置,若兩組旋流防止器安裝間距不作限制,則同樣會(huì)因距離過(guò)近導(dǎo)致旋流的產(chǎn)生。參考國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)吸水管喇叭口的安裝要求,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50015—2019)》中規(guī)定吸水管與吸水管之間的間距不宜小于3.5倍吸水管管徑,但若參照該凈距布置消防水泵的吸水管,則會(huì)因距離過(guò)近從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)防止器無(wú)安裝空間。因此,當(dāng)旋流防止器用于消防水泵吸水管上時(shí),為滿足其安裝空間同時(shí)兼顧相互之間吸水的影響,吸水管之間的凈距宜滿足不小于5倍吸水管管徑的要求。

2)旋流防止器與最低有效水位的凈距,美國(guó)、歐盟規(guī)范與國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定分別為0、100、200 mm(高位消防水箱為150 mm)。國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定的凈距最大,也就是說(shuō),按國(guó)內(nèi)規(guī)范設(shè)計(jì)的消防水箱(池)的無(wú)效容積也是最大的。根據(jù)目前提供的產(chǎn)品樣本,大部分國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商是根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)的,即旋流防止器距最低有效水位的凈距最小可不小于100 mm。故建議旋流防止器與最低有效水位的凈距(即淹沒深度)可進(jìn)一步縮小至100 mm,以最大化地利用水箱(池)的有效容積。

3)美國(guó)規(guī)范在滿足其規(guī)定的尺寸要求前提下,旋流防止器可以現(xiàn)場(chǎng)制作安裝,而不必選擇定型產(chǎn)品,而歐盟及國(guó)內(nèi)規(guī)范更傾向于采用定型產(chǎn)品。采用定型產(chǎn)品有助于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化制造與安裝,減少因現(xiàn)場(chǎng)制作而造成的瑕疵,對(duì)規(guī)范消防產(chǎn)品的安裝及后期驗(yàn)收起到重要的促進(jìn)作用,但國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)旋流防止器的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。因此,相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定將是十分必要的。

3 結(jié) 語(yǔ)

作為消防給水系統(tǒng)中的一個(gè)重要管件,國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)旋流防止器的安裝規(guī)定較為簡(jiǎn)單。今通過(guò)與歐美消防規(guī)范的對(duì)比分析,特對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)用提出以下幾點(diǎn)建議,同時(shí)相關(guān)參數(shù)可供規(guī)范參考：

1)旋流防止器在消防水池最低有效水位下的淹沒深度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品確定,但最小淹沒深度不應(yīng)小于100 mm；

2)旋流防止器與水箱(池)壁的凈距應(yīng)不小于0.5倍吸水管管徑；

3)安裝有旋流防止器的水泵吸水管之間的凈距,宜不小于5倍吸水管管徑；

4)須盡快出臺(tái)旋流防止器的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。