CHI水泥廠電纜夾層的噴淋消防設(shè)計

陶金成，張靜，熊忠良

拉法基集團是世界上技術(shù)領(lǐng)先的水泥生產(chǎn)商之一，它對水泥廠的建設(shè)有許多獨特的要求。本文將通過對印度CHI項目的噴淋消防設(shè)計，介紹拉法基對電纜夾層的消防設(shè)計要求。雖然目前有關(guān)消防的國家標準（GB）對此沒有具體規(guī)定，但拉法基集團對該部分有明確的要求。為了更好地滿足國外業(yè)主對水泥廠的消防設(shè)計要求，同時為國內(nèi)水泥廠的設(shè)計工作提供借鑒作用，進行電纜夾層的消防設(shè)計研究非常必要。

1 項目簡介

CHI項目位于印度拉賈斯坦邦，為5000 t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，廠區(qū)氣候和地質(zhì)條件良好。全廠的消防系統(tǒng)設(shè)計，完全遵從拉法基集團基于NFPA制定的消防標準。通過該項目的消防設(shè)計，有助于我們加深對NFPA的認識，為其他國外項目的消防設(shè)計提供參考。拉法基集團所轄的水泥廠曾發(fā)生過電纜夾層火災(zāi)事故，而且當(dāng)電氣功率較大時，在特定氣候條件下，電纜存在因散熱不良而發(fā)生火災(zāi)的可能，所以在電纜夾層采取消防措施十分必要。

2 消防系統(tǒng)

水泥廠的電纜夾層一般位于電力室的下層，用于布置連接電氣控制柜的電纜。CHI項目的電力室包括煤粉制備、水泥包裝、水泥粉磨等16個電力室，每處的電纜夾層均需進行消防設(shè)計。按照拉法基的消防要求，在電纜夾層中需采用自動噴淋系統(tǒng)。若各電力室的自噴供水系統(tǒng)均設(shè)計為獨立加壓系統(tǒng)，不僅控制系統(tǒng)復(fù)雜，而且設(shè)備和基建成本高，所以本項目采用常高壓消防管網(wǎng)供水，同時該管網(wǎng)還為室外消火栓和其他車間的消防系統(tǒng)提供消防用水。這種混合消防管網(wǎng)系統(tǒng)符合NFPA的要求，因為NFPA對自噴系統(tǒng)與消火栓系統(tǒng)根據(jù)建筑物類別和危險等級的劃分采用統(tǒng)一規(guī)定。消防泵站處于這種混合系統(tǒng)的核心地位，在選擇水泵時，要考慮滿足各消防系統(tǒng)的要求。

3 預(yù)作用自噴系統(tǒng)及參數(shù)的選擇

考慮到帶電設(shè)備的防露和防誤噴問題，自噴系統(tǒng)選定為單互鎖感溫預(yù)作用系統(tǒng)，作用原理見圖1。該系統(tǒng)包括火災(zāi)報警控制器、雨淋閥組、溫感火災(zāi)探測器、閉式噴頭等部分。報警控制器用于控制各組件的啟閉，當(dāng)感溫探測器動作時，雨淋閥因電力互鎖而開啟，壓力水進入自噴系統(tǒng)，但僅當(dāng)噴頭因溫度過高而破裂時，系統(tǒng)才會噴水。如噴頭因誤操作而損壞時，雨淋閥不會動作，即系統(tǒng)不會噴水。感溫探頭和閉式噴頭形成了雙保險，確保只有在火災(zāi)發(fā)生時，系統(tǒng)才會噴水滅火，杜絕了因誤噴對電力室造成的損害。

拉法基要求將電纜夾層歸為嚴重危險1級區(qū)域，參考NFPA13相關(guān)計算圖表，同時考慮到便于計算，規(guī)定最小噴水強度為10L/min·m2，最大作用面積為280m2，平衡系數(shù)為0.15，持續(xù)噴水時間90min，單個噴頭的最大防護面積為9.3m2。

4 噴頭的選擇和布置

圖1 預(yù)作用自噴系統(tǒng)原理圖

根據(jù)拉法基要求，噴頭采用閉式感溫直立型或邊墻型噴頭，額定溫度為93℃，流量系數(shù)為80。噴頭的布置根據(jù)空間高度的不同分為兩種情況。當(dāng)電纜夾層的高度大于80cm時，采用直立型噴頭，噴頭最大間距為3.7m，最小間距為1.8m，與墻間距最大為1.85m，最小為1.2m。當(dāng)電纜夾層的高度小于80cm時，采用邊墻型噴頭，水平方向安裝，噴頭布置的距離要求與直立型噴頭相同。在全廠的16座電力室中，電纜夾層的高度幾乎全部大于80cm，只有原料破碎及輸送電力室例外，在設(shè)計過程中需特殊考慮。

5 系統(tǒng)計算公式

噴頭流量的計算公式：

式中：

q——噴頭流量，L/min

K——流量系數(shù)，80

P——工作壓力，MPa

系統(tǒng)最不利點處噴頭的工作壓力應(yīng)由計算確定。依據(jù)NFPA13，最不利點處噴頭的最低工作壓力不應(yīng)低于0.05MPa，同時作用面積內(nèi)每只噴頭在工作壓力下的流量應(yīng)能保證不小于最小噴水強度與一個噴頭保護面積的乘積，可得出式（2）：

式中：

S——噴頭保護面積，m2

F——噴水強度，L/min·m2

根據(jù)式（2），可計算出最低工作壓力P為0.14MPa。

管道水頭損失的計算采用海曾威廉公式，見式（3）：

式中：

H—水頭損失，m

Q—管道流量，L/min

d—管道計算內(nèi)徑，mm

C—摩阻系數(shù)，120

L—管段長度，m

6 自噴系統(tǒng)設(shè)計實例

雖然水泥廠的電力室很多，但規(guī)格和布局大多類似。本文選取公用2號電力室作為典型實例，進行電纜夾層的噴頭布置及系統(tǒng)計算。

目前對于噴淋系統(tǒng)的管道水力計算，普遍采用設(shè)計軟件進行輔助計算，這有助于提高計算精度和設(shè)計效率。國內(nèi)針對國家標準（GB）已開發(fā)出多款軟件，包括天正、鴻業(yè)、浩辰等，而基于NFPA的噴淋計算軟件則很少。在CHI項目的設(shè)計過程中，采用了兆龍軟件公司開發(fā)的消防工程CAD V6.2，因為該軟件已經(jīng)獲得了FM認證，且被國內(nèi)多家單位成功用于國外工程的消防設(shè)計。

兆龍消防軟件可依據(jù)NFPA，對消防系統(tǒng)進行管網(wǎng)布置、智能預(yù)估管徑和自動繪制出系統(tǒng)圖。圖2和圖3分別為該軟件生成的噴頭布置簡圖與系統(tǒng)節(jié)點圖。從圖上看，不僅噴頭布置符合NFPA的要求，而且圖面信息完整，減少了繪圖工作量，體現(xiàn)了軟件給設(shè)計工作帶來的便捷性。

該軟件還可基于NFPA進行高精度管網(wǎng)計算，生成詳細的中文或英文計算書。表1為軟件生成的管段水力計算表，與圖3相對應(yīng)，構(gòu)成了計算書的主要內(nèi)容。表2為該案例的重點項目檢查結(jié)果表，由表可知，該系統(tǒng)的噴水強度為11.83L/min·m2，滿足規(guī)范要求，另外系統(tǒng)所需的揚程為22.51m，進水流量為13.6L/s。為了比較NFPA13與GB50084—2001的管道水力計算差別，在參數(shù)相同的條件下，利用該軟件進行了基于GB50084—2001的系統(tǒng)計算（表2）。從表2可以看出，揚程的結(jié)果相差14.5m，而其他項則相差較小。在我國自噴規(guī)范的條文說明中，比較了各國水頭損失計算公式的差別，得出的結(jié)論為：按我國公式計算出的水頭損失最高，所以以上數(shù)據(jù)同規(guī)范的結(jié)論相符。

圖2 噴頭布置圖

圖3 系統(tǒng)計算節(jié)點圖

表1 管段水力計算表

表2 重點項目檢查結(jié)果表

7 消防水泵的選用

消防水泵的流量包括自噴系統(tǒng)和消火栓系統(tǒng)的最大流量。根據(jù)拉法基要求，自噴系統(tǒng)最大流量的計算公式為：

式中：

Sm——噴頭最大保護面積，取280m2

Fn——最小噴水強度，取10L/min.m2

f——平衡系數(shù)，0.15

經(jīng)計算Q自噴為3220L/min。另外消火栓系統(tǒng)的最大流量為1900L/min，兩者的總流量為5120L/min，考慮10%的安全系數(shù)，水泵的流量近似取340m3/h。如需計算水池容積，用總流量與消防持續(xù)供水時間相乘即可。

水泵的揚程應(yīng)包括室外管網(wǎng)的水頭損失和管網(wǎng)末端的消防用水需求。拉法基集團要求，室外管網(wǎng)的壓力損失不應(yīng)超過30m。相比于消火栓系統(tǒng)，自噴系數(shù)的進水壓力明顯偏高。經(jīng)計算可知，全廠的電纜夾層中進水壓力最大不超過60m，所以水泵的揚程應(yīng)約為90m。由于水泵揚程較大，要求消防管網(wǎng)的管材、管件、附件等均需選擇公稱壓力為1.6MPa的規(guī)格。另外，消防管網(wǎng)支管的管徑計算需要特別注意，這是因為室內(nèi)外消防管道的流速要求不同，管網(wǎng)支管管徑不能直接采用自噴系統(tǒng)的入戶管徑，特別是某些支管長度為幾百米，如果管徑不適當(dāng)放大，管道水頭損失可達上百米，無法滿足自噴系統(tǒng)的進戶壓力要求。

8 總結(jié)

（1）根據(jù)NFPA標準，本項目采用自噴系統(tǒng)和消火栓系統(tǒng)合并的混合消防系統(tǒng)，這有別于國內(nèi)的常規(guī)做法。該系統(tǒng)僅需一組水泵和管網(wǎng)，便可同時滿足各消防系統(tǒng)的用水需求，有助于降低成本，簡化控制系統(tǒng)。

（2）單互鎖感溫預(yù)作用自噴系統(tǒng)能有效地防止系統(tǒng)誤噴，感溫探測裝置和閉式噴頭組成了雙保險。

（3）根據(jù)電纜夾層的空間高度不同，將分別采用閉式感溫直立型或邊墻型噴頭，但噴頭布置的距離要求是相同的。

（4）NFPA要求作用面積內(nèi)每只噴頭在工作壓力下的流量應(yīng)不小于最小噴水強度與一個噴頭保護面積的乘積，由此可得出噴頭最低工作壓力的計算公式，本項目的計算結(jié)果為0.14MPa。

（5）兆龍消防軟件可基于NFPA進行設(shè)計計算，自動生成系統(tǒng)圖和計算書，極大地提高了設(shè)計效率。通過比較NFPA與GB50084—2001的水力計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)GB50084—2001的水頭損失計算公式偏于保守。

（6）消防水泵的流量近似取為340m3/h，包括自噴系統(tǒng)和消火栓系統(tǒng)所需流量，并考慮了10%的安全系數(shù)。水泵的揚程約為90m，其中室外管網(wǎng)的最大壓力損失取為30m，自噴系統(tǒng)的最大進水壓力為60m。由于水泵揚程較大，管網(wǎng)部件應(yīng)考慮耐壓要求。

（7）由于自噴系統(tǒng)的流量較大，且局部的消防管網(wǎng)支管距離較長，所以支管管徑需要適當(dāng)放大，否則可能無法滿足自噴系統(tǒng)的進水壓力要求。

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