花叶细叶芒:自动喷水灭火系统水源可靠性的研究

http://www.ippr.com.cn 2005/09/26 15:26:10
自动喷水灭火系统水源可靠性的研究
黄晓家  于 洪
提  要  本文通过分析，把常高压定为双水源系统，把临时高压系统定为1.2个水源系统，进一步分析屋顶消防水箱、水泵吸水管的设置和启泵时间等对系统可靠性的贡献，提出解决问题的方法。
一、双水源系统是我国消防规范的宗旨
1．常高压系统不仅不需要消防给水泵，而且是双水源系统
《建规》[1]和《高规》[2]规定室外消防给水管道的布置应符合下列要求：1.室外消防给水管网应布置成环状，但在建设初期或室外消防用水量不超过15L/s时，可布置成枝状；2.环状管网的输水干管及向环状管网输水的输水管均不应少于两条，当其中一条发生故障时，其余的干管应仍能通过消防用水总量。
《建规》和《高规》规定室内消防给水管道应布置成环状给水管网，连接环状给水管网的进水管不应小于2条，当一条发生故障时，其余的管道进水应能满足系统设计流量的要求。
上述的规定可以看出当城市自来水压力足够时，我们采用常高压系统，则应从不同城市给水干管引2根管在报警阀前形成环状管网，这样实际是2个水源给自动喷水系统供水。所以常高压系统为双水源系统。
2．临时高压系统为1.2个水源
《建规》和《高规》规定，如果城市自来水的压力不足时，消防给水系统应采用临时高压系统，临时高压系统应设置消防水池、消防泵和屋顶消防水箱。《建规》和《高规》规定屋顶消防水箱的有效容积为10min的设计消防水量。显然临时高压系统是水池消防泵作为一个消防水源，屋顶消防水箱作为另一个消防水源，但因屋顶消防水箱仅有10min消防水量，所以他又不能作为一个完整的消防水源， 10min消防水量只能是10/60=0.167=0.2个水源，可见临时高压为1.2个水源系统，因此临时高压系统在供水保证率上要低于常高压系统。
从上述常高压系统和临时高压系统分析来看，我国提倡的是双水源系统，但我国《高规》《建规》在消防给水系统的保证率上采取的观点并不一致，常高压系统的供水保证率显然高于临时高压系统，这也是为什么临时高压系统必须设置高位水箱的原因。
二、10min屋顶消防水箱对系统可靠性的影响
屋顶消防水箱10min消防水量的理论基础是消防队员依据理论计算要在10min后才能到达火灾现场而设计的，这是依据消火栓灭火原理而确定，但自动喷水灭火系统是一个自动系统，而消防队员的到来与自动喷水灭火相关性不大，因此10min消防水量对于自动喷水灭火系统来讲是无理论依据的。
水是火的克星，火灾时水是最重要的，因此考虑10min屋顶消防水箱不为过。且对于重要建筑物，国外规范推荐2个水源系统[3]，而我国无论什么建筑，只要是临时高压系统就一律1.2水源系统，显然没有侧重点。
据了解各国的自动喷水系统设计规范中大都无10min屋顶消防水箱的要求，一般各国都规定自动喷水灭火系统应至少有一个自动水源，屋顶消防水箱10min消防水量仅在我国规范中有此规定，这也说明我国重视消防的原因，因此在设计中我们应重视屋顶消防水箱的设置。
10min屋顶消防水箱的可靠性体现在顺利自动启动消防给水泵，和有足够的压力使系统喷水扑灭初期小火灾，其实际是在10min消防水量的前提下是设置高度足够。
《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084的10.3.1条规定采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，应设依靠重力供水的消防水箱，其储水量应符合现行有关国家标准的规定。消防水箱的供水压力，应满足供水不利楼层和部位的喷头最低工作压力和喷水强度。该条在执行过程中理解各不相同，有人认为屋顶水箱按《高规》最不利消火栓静压7m或15m的设计高度即可；有人认为应是满足系统最高层自动喷水系统的设计流量和压力的要求；有人认为应满足3个喷头或5个喷头的流量和压力的要求。但应按照临时高压系统1.2个水源的原理去理解，对于自动喷水系统我们应根据火灾调查求出10min的灭火概率（保证率）和10min内喷头的开启数量，以便确认10min内系统设计流量和压力的大小。
1．自动启泵有效性高度的确定
《高规》当建筑高度低于100m时，最不利消火栓栓口的静压不应小于7m水柱，当建筑高度大于100m时，最不利消火栓栓口的静压不应小于15m水柱。《建规》没有规定屋顶消防水箱的设置高度。在实际工程中往往执行《高规》的上述规定，但对于建筑高度低于100m的建筑物，屋顶水箱的设置高度不能满足自动喷水系统自动启动的要求，因此有时还应设置气压给水装置。
关于自动喷水系统自动启动的最低压力，目前国内外规范均没有明确规定，但都规定喷头最不利工作压力，见表一[3][4][5]。标准喷头最不利工作压力是喷头启动的必须条件，是系统屋顶消防水箱设置高度的基础数据。
表一  各国规范规定的最不利喷头工作压力           单位：MPa
轻危险等级
中危险等级
严重危险等级
中国规范
0.050
美国规范
0.034
0.040～0.050
0.060～0.070
英国规范
0.070
0.035
0.050
注：美国规范的数值是根据喷头最小保护面积1.8x1.8m2，以及各危险等级的喷头强度求出的，其他为规范规定。
自动喷水系统的主要部件的灵敏性能和水力阻力对系统屋顶消防水箱的设置高度有着影响作用：国家水流指示器产品标准[6]规定其动作流量为15～37.5L/min，而报警阀的产品标准规定，当报警阀处的压力为0.14MPa时，系统出流量为15L/min时，报警阀不应动作；当报警阀处的压力为0.70MPa时，系统出流量为60L/min时，报警阀必须动作；当报警阀处的压力为1.20MPa时，系统出流量为170L/min时，报警阀必须动作。各生产厂家的产品性能不同，即其报警阀的灵敏性能就不同，一般一个喷头动作，报警阀应动作，若一个喷头动作，系统报警阀不动作，说明系统是失败的，原因有2 ，一则是报警阀产品性能有问题，二则是系统设计有问题——即系统最不利喷头处压力过低，或其他原因，但压力过低是最重要原因。
据了解，目前报警阀一般在20～60L/min之间动作，为此喷头的最不利工作压力应考虑报警阀的动作流量，喷头在最不利动作压力为0.05MPa时，其标准喷头的出流量为56.56L/min，其保证率可认为是56.56/60=94.26%。鉴于我国的产品标准以及考虑工程实施等因素，我国规范规定的最不利喷头的最低工作压力0.05MPa，同时规定报警阀和水流指示器的局部水头损失为.02MP[4]，如果管道的沿程阻力损失按0.01MPa考虑，则系统的最低工作压力为0.05+0.02+0.02+0.01=0.10MPa。
美国规范NFPA13关于估算法中规定轻中危险等级场所的剩余水头，分别为0.103MPa和0.138MPa[5]，而英国规范规定轻危险等级场所为(0.22+0.01S)MPa，而中危险等级是(0.07～0.20+0.01S)MPa[3]，即英美2国的系统最不利工作压力为0.07～0.22MPa。
鉴于上述的分析，在工程实践中，对于中轻危险等级的自动喷水灭火系统采用屋顶消防水箱稳压，推荐屋顶消防水箱的最低有效消防水位到系统最高层喷头的最小高度为10m。
2．灭火有效性高度的确定
我们知道喷头的开启与喷头自身热敏元件的热敏感性能——即RTI值的大小、以及可燃物的燃烧速度热稀放率和空间几何等因素有关，一般RTI值小，喷头开启速度快，灭火开启喷头的数量少；可燃物的燃烧速度快，热稀放率大，灭火开启喷头的数量就多；随着空间高度的增加，因烟羽流的扩散，热积聚愈分散，可能开启的喷头数愈多；灭火时随着火灾的发展喷头依次开启。所以对于10min喷头开启的数量也是因工程不同而异，并应根据上述原理就具体工程进行分析，提出10 min内喷头的开启数量。
关于10 min内喷头的开启数量的确定，作者认为应按照火灾统计灭火成功率来确认喷头的开启数量，美国纽约的火灾统计数据 5个喷头的灭火成功率高层建筑为96.1%，其他建筑为89.7%[7]；从我国统计的8起上海的火灾案例来看，5个喷头的灭火成功率为100%[8]；但《建规》条文说明8.7.1条提供的灭火成功率不尽相同，湿式系统5个喷头的灭火成功率为74.65%，对于干式系统灭火成功率为62.30%。可见不同年代不同地区因各种原因，喷头开启数量与灭火成功率不一致。上述统计5个喷头的灭火概率的平均值为84.55%，考虑到我国大部分自动喷水系统是80年代以后所建，喷头的性能较高，特别是进入20世纪90年代快速反应喷头的引入，以及φ5mm、φ3mm玻璃球喷头的大面积推广应用，都为提高自动喷水灭火系统的灭火概率提供了基础，由鉴于上述的分析，建议5个喷头的灭火概率为90%，作为我们计算屋顶消防水箱10min消防水量的理论基础。
假如根据系统应在10min内把水完全喷出，则系统必须按照最不利作用面积的压力和流量来设置屋顶消防水箱的高度，对于屋顶水箱来讲高度至少为24-35m，对于ESFR系统可大70m以上，这样太高，在实际工程中又不易现实，而且屋顶水箱仅是临时高压系统的0.2个水源。因此尽管各地区成功灭火保证率与喷头的开启数量不完全一致，但也只能依据这一统计学上的概念作为一个理论支撑点。
《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084，10.3.2条规定高度不超过24m的轻、中危险级建筑中设置的湿式、预作用系统，当确有困难时，可采用气压给水设备替代消防水箱，并应确保5L/s流量的10min初期供水量。其实际是3个喷头的水量。可见当其他建筑时，为保证率高于这一标准，应采用更高的要求，一般可考虑5—10个喷头的供水量和压力的要求，但对于严重危险等级或开式系统应保证设计流量下的压力。
5个喷头的喷水量：对于常高压系统的自动喷水系统，作用面积内喷头全部出水时，和仅有5个喷头出水时的喷头平均出水量是不同的，因管道水头损失的降低，使喷头出水量增大，前者明显小于后者，相差很大，通常我们可以按照作用面积内喷头平均出流量的1.3—1.5倍计算为宜。
对于闭式系统，根据系统灭火保证率和作用喷头数，得出10 min的设计流量，根据水力计算求出系统10min屋顶消防水箱的压力。对于开式系统，如雨淋、开式水幕系统、水喷雾系统等屋顶水箱的设置高度必须满足系统设计流量时的压力要求。当把屋顶消防水箱或气压水罐作为一个完整的水源时，应能保证系统设计流量下的压力。
三、消防水泵吸水方式对系统可靠性的影响
对于临时高压系统消防泵的自吸也影响系统的可靠性，美国FM要求水泵必须自灌，英国BS5306和日本规范则设置吸水罐也可，我国规范规定消防泵必须自灌，但没有强调是否在消防水池任何水位都能自灌。我们通常分为全程自灌和半程自灌2种工况，全程自灌即无吸水底阀消防泵在消防水池任何水位都能自灌自动启动，半程自灌即无吸水底阀消防泵在消防水池水位一半高度以上都能自灌自动启动。显然半程自灌，当一台消防泵在中途因某种原因不能运行，而需另一台泵自动启动时，有可能不能自动启动，这样系统供水的保证率就低。目前我国大部分的民用建筑是消防水泵是半程自灌，显然临时高压系统与常高压系统相比，因水泵自吸不能完全全程自灌，而使临时高压统供水的保证率就更低。
解决临时高压系统因消防泵不能全程自灌而降低保证率的措施是在水泵的吸水管上加
底阀，并从水出水管上接一根ф6～8mm的细管给吸水管补水。
四、消防泵启动时间对系统可靠性的影响
自动喷水灭火系统的稳压装置和自动启泵时间对系统可靠性有一定的影响，系统的稳压装置和启泵试验密切相关，《建筑设计防火规范》规定消防泵应保证在火警后5min内开始工作，《自动喷水灭火系统施工与验收规范》GB50261规定以自动或手动方式启动消防泵时，消防泵应在5min内投入正常运行；以备用电源切换时，消防泵应在1.5min内投入正常运行[9]。美国NFPA20规定消防泵在试验时，应能在5min内达到额定转速[10]。我国《消防泵性能要求和试验方法》GB6245中规定，消防泵的启动时间为20s[11]。这是指消防泵产品在电力等正常的情况下的启动时间，与过去的实验结果基本相似，在过去的试验中一般水泵的启动时间为15～18s之间，因此产品标准定为20s。但在系统中，消防泵的启动受着各种因素的影响，规定5min内启动是有一定道理的，但对于自动喷水灭火系统来讲，可能时间过于太长。
但我们知道有很多火灾在5min内就可以发展成轰然，酿成大火。因此自动喷水灭火系统消防泵的及时启动对系统灭火的可靠性非常重要，应认真研究。
五、报警阀对系统可靠性的影响
影响自动喷水系统的启泵时间与报警阀的延时器和性能、水泵的动力情况等有关。我们知道湿式系统因系统补水，可能产生压力波动，而在报警阀组设置延时器，可以使系统压力开关的动作时间延后15—90s，通常设置在30—60s之间，这样在加上水泵的启动时间，水泵滞后喷头动作约为6min，可见时间太长，对于灭火不利。而在实际工程中有的报警阀压力开关的动作时间更长，目前根据国内几个地区的调查发现末端试验阀动作20min后，水泵才动作，有的学者认为是报警阀后管道有空气所致，有的认为是报警阀的构造不合理，有的认为是稳压装置的压力不足造成的等等，可能上述因素都存在，如在北京一工程的屋顶水箱的水位高度高于最高层的喷头的高度为8.2m，当采用一家厂家的报警阀时，最高层末端试水装置试水20min，水泵不动作，但当更换厂家时，水泵能在5min内启动。又一工程因屋顶消防水箱不能使消防泵启动时，消防安装公司增加了稳压泵系统，使压力增加0.2MPa，系统顺利启泵。在上海有一43层高的大厦，也是因末端试水装置试水20min，水泵不动作，生产厂商调节报警阀的微调机构，使消防泵顺利启动。从目前的工程调试来看，自动喷水灭火系统的报警阀的动作性能以及延时器的质量和性能影响着系统的可靠性。
这个问题的解决办法是选择优质的报警阀；并在系统主干管上加装低压启动压力开关；系统稳压装置的压力足够，稳压泵的压力应高于消防主泵的压力0.10—0.20MPa为宜，稳压泵的流量宜为1—2L/s；屋顶消防水箱应高于最高层自动喷水喷头10m以上；这样可使系统的可靠性提高。
消防泵的动力情况也影响着泵的启动时间，一般电泵启动时间短，柴油泵等启动时间要长一些。
尽管规定泵的启动时间，在实际工程中应尽可能的缩短消防水泵的启动时间，从而使系统发挥更佳的灭火作用。
六、根据火灾发生概率选择单双水源
欧美自动喷水灭火系统安装规范大都强调自动喷水灭火系统至少应有一个自动供水的水源，通常在火灾发生概率低的建筑物（见表二）[12]，或非重要性的建筑物采用一个水源供水，而重要性建筑物采用双水源供水，英国规范BS5306规定了12种给水系统， 并分为单水源和双水源系统，为提高保证系统供水的可靠性，在有些场所应采用双水源。但对于中轻危险等级的场所，而且性质不重要，为节省投资可采用单水源系统。
《建筑设计防火规范》最初制定时，因我国经济不发达，供电供水的可靠性低，因而考虑双水源常高压系统和1.2个水源临时常高压系统，而目前我国的经济已相当发达，供电供水的可靠性大幅度提高，从而提高了单水源供水的可靠性，因此在有些性质不重要的场所，或者投资不足的地区可考虑采用单水源供水系统，这也符合国际惯例。
七、消防水泵接合器
消防水泵接合器是一种补助水源，在系统设计时不应把他作为一个水源，双水源系统在任何时间都不会断水，供水可靠性100%，所以双水源系统可不设置水泵接合器，但在有条件设置时，应考虑设置；对于单水源系统在任何情况下应考虑设置消防水泵接合器。
表二  各类建筑物火灾发生的总概率
建  筑
年火灾发生概率
工  厂
0．044
仓  储
0．013
办  公
0．0062
公共娱乐场所
0．12
非居住的聚会场所
0．02
医  院
0．3
学  校
0．04
居  住
0．003
八、结论
本文提出了自动喷水灭火系统消防水源可靠性的影响因素，并提出解决方案，供同行任人志士探讨，不对之处请批评指正。