高海拔地區(qū)消防設(shè)施適應(yīng)性研究

豆寧龍

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 前言

在建筑給排水工程設(shè)計(jì)中，消防設(shè)計(jì)是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，消防水泵、消防水池和消防取水口等都是主要的消防設(shè)施，科學(xué)地配備消防泵對火災(zāi)防控和開展火災(zāi)撲救工作具有重要的意義。在實(shí)際工程應(yīng)用和各類科研測試中，低壓及常壓下的消防水泵各種參數(shù)性能研究比較多，但對高海拔低壓環(huán)境下消防水泵性能參數(shù)的研究很少，這就使高海拔地區(qū)的工程在消防泵選型中出現(xiàn)一定的困難，如果選擇不當(dāng)，會給滅火工作帶來隱患。

消防水池是人工建造的供消防水泵吸水的儲水設(shè)施，《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB 50974—2014（以下簡稱《消規(guī)》）的相關(guān)條款消防水池取水口吸水高度不應(yīng)大于6.0 m。在實(shí)際工程中，由于條件限制，因此取水口設(shè)置高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足小于6.0 m 的要求。同時，各個消防水泵廠家的樣本中都有允許吸上高度這個參數(shù)，除自身參數(shù)外，還與海拔、水溫、泵與水位的相對高度等因素有關(guān)。在高海拔地區(qū)，海拔高程越高，水泵吸程就越小，所以需要根據(jù)實(shí)際的吸水條件對水泵吸水高度進(jìn)行修正。

1 海拔對消防水泵吸入性能的影響

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

該試驗(yàn)裝置采用某高校水泵性能及氣蝕試驗(yàn)裝置，離心泵進(jìn)出口管線通過DN50 的鋼管與真空罐連接形成1 個封閉的循環(huán)系統(tǒng)，通過閥門控制管路互通，試驗(yàn)時，通過真空泵對真空罐抽真空，用真空罐上的真空表數(shù)值確定罐內(nèi)氣壓值，用真空罐的真空度模擬不同海拔高度及安裝高度。

試驗(yàn)用泵采用某水泵廠生產(chǎn)的IS50-32-125A 型離心式清水泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程17.5 m、設(shè)計(jì)流量11.5 m3/h，轉(zhuǎn)速2900 r/min，效率56.6%。

水泵進(jìn)出口壓力采用U 型水銀壓力計(jì)讀取測算，流量用電子顯示的渦輪流量計(jì)讀取，真空罐內(nèi)壓力采用另外1 組水銀壓力計(jì)測定。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)確定

1.2.1 不同海拔大氣壓確定

目前，雖然大氣壓與海拔的關(guān)系有理論公式，但是理論公式是將地球表面附近的大氣密度看作常數(shù)處理的，所以在實(shí)際應(yīng)用時，往往誤差較大。筆者收集了目前幾個常用的公式，進(jìn)行相互比較印證，最終確定采用王麗莉[1]給出的一個比較準(zhǔn)確的計(jì)算公式：

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理計(jì)算并對比印證，得到以下修正表格（見表1）：與設(shè)計(jì)手冊中的表格相比，大氣壓力值在低海拔時誤差很小，但是在高海拔時出現(xiàn)一定的誤差。

1.2.2 水銀密度確定

中國氣象局大氣探測技術(shù)中心李建英[2]給出水銀的熱膨脹性系數(shù)為0.0001818（1/K），通過計(jì)算25 ℃時水銀的密度采用13 534 kg/m3。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理計(jì)算并對比印證，得到以下修正表格（見表2）：與設(shè)計(jì)手冊中的表格相比，飽和蒸汽壓力值無論在低海拔還是高海拔，誤差均較小。

表2 不同水溫時的飽和蒸汽壓力修正值

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

在海拔高度為1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m 的條件下，分別記錄真空罐內(nèi)的壓力、離心泵最大流量范圍內(nèi)6 組不同流量工況下的流量和水銀壓差計(jì)讀數(shù)（計(jì)算揚(yáng)程、氣蝕余量等）。

1.3.1 海拔高度對離心泵吸水和壓水揚(yáng)程的影響

從圖1 可以看出，當(dāng)海拔高度相同時，隨著流量增大，水泵吸水揚(yáng)程增大；當(dāng)流量相同時，海拔增高，水泵吸水揚(yáng)程增大。海拔從4500 m~5000 m 在小流量時吸水揚(yáng)程較大幅度地被動升高。

圖1 不同海拔下吸水揚(yáng)程—流量關(guān)系曲線

由圖2 可以看出同一海拔高度，隨著流量增大，水泵壓水揚(yáng)程減少；同一流量下，海拔增高，水泵壓水揚(yáng)程減少。

圖2 不同海拔下壓水揚(yáng)程—流量關(guān)系曲線

1.3.2 海拔高度對離心泵總揚(yáng)程和氣蝕余量的影響

由圖3 可以看出，不同海拔高度的總揚(yáng)程變化不大；海拔不變，流量增大，揚(yáng)程減少。由圖4 可以看出，隨著海拔和流量增大，氣蝕余量越來越小。

圖3 不同海拔下總揚(yáng)程—流量關(guān)系曲線

圖4 不同海拔下氣蝕余量—流量關(guān)系曲線

由于試驗(yàn)條件限制，該試驗(yàn)處于倒灌運(yùn)行的狀態(tài)，因此泵的揚(yáng)程隨著海拔變化不大，如果泵軸高于液面，在上述幾個工況下，離心泵就肯定停止運(yùn)行，吸不上水，應(yīng)特別注意。

1.4 離心泵最大吸水高度其他影響因素的定性分析

離心泵最大吸水高度主要是指當(dāng)泵在正常運(yùn)行工作時，泵內(nèi)不出現(xiàn)氣蝕空化的情況下，泵的最大吸水高度，主要表現(xiàn)為泵的安裝高度的高低。

離心泵產(chǎn)生汽蝕的原因是多方面的，對設(shè)計(jì)使用來說，要考慮的是水泵裝置的吸入特性，其主要影響因素有泵的安裝高度、吸液管路的阻力、輸送液體的溫度和以及吸水池液面壓力。

對高海拔地區(qū)來說，在前三個因素確定的條件下，海拔高度對吸水池水面的壓力影響最大，因此，對水泵的吸水性能和氣蝕發(fā)生有重要的決定性因素。這次試驗(yàn)主要目的就是研究海拔高度分別為1500 m、2000 m、2500 m、3000 m、3500 m、4000 m 條件下的離心泵最大吸水高度。

2 低壓對消防水泵相關(guān)問題的影響

2.1 低壓對消防水泵安裝高度的影響

水泵的吸水條件與海拔高度、水溫、水泵允許吸上高度、吸水管路損失等有關(guān)。海拔高度越高，大氣壓力越低；水溫越高，飽和蒸汽壓力越高。水泵廠家樣本中的允許吸上高度值Hs是指水泵在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（氣壓為10.33 m H2O；水溫為20 ℃）的允許吸上高度，其值與所提升水的溫度及當(dāng)?shù)卮髿鈮毫τ嘘P(guān)，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫εc當(dāng)?shù)氐暮０胃叨扔嘘P(guān)。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，對水泵允許吸上高度值Hs的修正如公式（2）所示。

式中：Hs'為修正后采用的水泵允許最大吸上真空高度（m）；Hs為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，水泵允許的最大吸上真空高度（m）；Hg為水泵安裝地點(diǎn)的大氣壓，其值見表1；Hz為水泵安裝地點(diǎn)的飽和蒸汽壓力，其值見表2。

水泵允許吸上真空高度Hs用來反映離心泵的吸水性能，Hs越大，水泵抗氣蝕性能就越好。真空吸上高度Hs'≤水泵允許吸上真空高度Hs，否則在實(shí)際運(yùn)行中會發(fā)生氣蝕[3]，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：Zs為水泵安裝高度；V1為水泵吸入口流速，m/s。

綜上所述，如果大氣壓降低，對應(yīng)的消防水泵吸程就會減少，泵的安裝高度降低，當(dāng)外界環(huán)境的大氣壓發(fā)生變化時，就要適當(dāng)調(diào)整消防水泵的安裝高度。

2.2 低壓對水泵內(nèi)電機(jī)功率的影響

在低壓環(huán)境下，因?yàn)榭諝赓|(zhì)量相對較少，所以空氣流通性能就會比較差，帶走的熱量少，發(fā)熱量大，水泵內(nèi)電機(jī)的散熱及其他性能也隨之降低，因此效率降低。當(dāng)確定電機(jī)功率時，電機(jī)使用的參考條件為海拔高度不超過1000 m，相對濕度不超過95%，同時環(huán)境溫度不超過40 ℃，電機(jī)在低壓地區(qū)工作時，通常都是在氣壓低、高寒、缺氧、溫差大、風(fēng)沙大等相對比較惡劣的環(huán)境下[4]。當(dāng)海拔慢慢升高，空氣將變得稀薄，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙導(dǎo)磁能力下降，對電機(jī)輸出的額定功率造成一定的影響[5]。

2.3 低壓對水泵內(nèi)部流體的影響

消防水泵入口附近的壓強(qiáng)會隨著外界的氣壓變化，外界的氣壓無論降低或升高，都會導(dǎo)致水泵內(nèi)流體運(yùn)動規(guī)律變化，但是泵體內(nèi)電機(jī)性能及流體運(yùn)動變化規(guī)律復(fù)雜，精確模擬并計(jì)算存在一定難度，該文僅在此進(jìn)行闡述[6]。

2.4 低壓對水泵質(zhì)量設(shè)計(jì)的影響

當(dāng)海拔高度增加時，空氣稀薄，大氣密度和壓力變小，只有在良好的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)和更高的絕緣水平條件下，消防水泵才能正常運(yùn)行，這就對高海拔地區(qū)消防泵的的質(zhì)量提出更高的要求。

3 設(shè)置高海拔地區(qū)消防車取水口

《消規(guī)》對消防取水口的設(shè)置做了明確的規(guī)定，但是沒有具體規(guī)定不同海拔高度地區(qū)條件下的吸水高度，也沒有明確解釋和具體分析。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，吸水高度包括消防車泵軸距地面高度（1.0 m）和消防取水口地面距離消防水池最低有效水位的高度2 個部分。但是不同海拔高度下的取水口吸水高度有很大差異，最大吸水高度與海拔高度密切相關(guān)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建議按照表3 選取最大吸水高度。

表3 海拔高度與吸水高度的關(guān)系表（實(shí)際修正后）

由表3 可以看出，海拔高度對水泵的吸水高度影響較大，隨著海撥高度上升，消防泵最大吸水高度逐漸減少。在消防設(shè)計(jì)中，儲存室外消防水量的消防水池，不僅要滿足最低有效水位距離室外地面不大于5.0 m 的規(guī)定，還應(yīng)滿足表3 的要求。

該文以設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)項(xiàng)目拉薩飛天國際大酒店為例，酒店位于拉薩市區(qū)，該建筑地下一層為設(shè)備用房，地上為13 層的酒店，總建筑體積為18 萬m3，建筑高度為51.45 m，屬于一類高層公共建筑。該項(xiàng)目一路市政供水，室外消防用水量為40 L/s，室內(nèi)外消防水池及消防水泵房設(shè)置在地下一層。

拉薩當(dāng)?shù)睾０胃叨葹?600 m，根據(jù)表3，采用內(nèi)插法計(jì)算出的最大吸水高度為2.64 m，減去消防車泵軸距離地面的高度1.0 m，可以計(jì)算室外消防水池最低有效水位距離室外地面的高度為1.64 m，這是消防水池設(shè)置高度和消防水泵選型的一個重要控制參數(shù)。

4 結(jié)語

綜上所述，在高海拔地區(qū)對防水泵進(jìn)行選型時，需要考慮低壓環(huán)境對水泵的氣蝕余量、安裝高度及電機(jī)功率的影響，在滿足現(xiàn)行消防規(guī)范要求的前提下，更加準(zhǔn)確地選用消防設(shè)施，優(yōu)化消防設(shè)計(jì)方案。