超高層建筑高壓消防泵供水測(cè)試應(yīng)用
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摘要：消防供水是超高層建筑火災(zāi)撲救的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試超高壓消防泵在超高層建筑的實(shí)際應(yīng)用，獲得壓力、流量等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，供水高度303m，水泵最高壓力7.5MPa，供水流量26.9L/s，最大流量達(dá)到44.4L/s，理論供水高度可超600m，滿足實(shí)際滅火需求。該系統(tǒng)具有壓力高、流量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能有效解決超高層建筑消防供水難題。
關(guān)鍵詞：超高層建筑；消防供水；壓力
消防供水是超高層建筑火災(zāi)撲救的關(guān)鍵因素之一，超高層建筑消防設(shè)施管路復(fù)雜，其消防供水采用分區(qū)接力方式，一旦電力中斷或室內(nèi)消防泵故障，系統(tǒng)供水可靠性也難以保證，造成火災(zāi)失控蔓延，給群眾的生命和財(cái)產(chǎn)造成不可挽回的損失。為保證超高層建筑火災(zāi)的消防供水，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量的研究。劉東波梳理不同條件下高層建筑火災(zāi)的供水方法，從固定消防設(shè)施、消防裝備效能、供水線路鋪設(shè)方法3個(gè)方面指出高層建筑消防供水存在的問(wèn)題。張?jiān)樘岢隽嗽诨饒?chǎng)供水應(yīng)按照“固定為主,固移結(jié)合,移動(dòng)為輔”的原則，保證火場(chǎng)的不間斷供水是有效撲救高層建筑火災(zāi)的關(guān)鍵。陶其剛等總結(jié)歸納了常見(jiàn)的消防供水方式（固定式、固定和移動(dòng)相結(jié)合式、移動(dòng)式）及相關(guān)供水車(chē)輛和水帶等器材裝備的性能參數(shù)。張慶利結(jié)合火場(chǎng)救援方法和火災(zāi)撲救技術(shù)為有效發(fā)揮移動(dòng)裝備的滅火劑供給提出思路。李川通過(guò)總結(jié)不同供水方式的優(yōu)缺點(diǎn)，從水帶鋪設(shè)方式、移動(dòng)供水裝備選用和消防演練等方面提出改進(jìn)建議。張建平提出采用高位水箱為超高層建筑供水，當(dāng)高層建筑的高度小于169m時(shí)，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理，能夠解決超高層建筑消防給水系統(tǒng)存在的相關(guān)問(wèn)題。石祥等介紹了一種柱塞式水泵系統(tǒng)，其輸出壓力和流量大小可滿足消防供水需求，但水壓力波動(dòng)問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。劉彥海提出在高層建筑增設(shè)獨(dú)立干式消防供水豎管，豎管設(shè)計(jì)上流量不低于15L/s，直徑不低于100mm，并且根據(jù)建筑高度保證豎管及安全閥的承壓能力。綜上所述，開(kāi)展超高層建筑供水裝備測(cè)試對(duì)于超高層建筑火災(zāi)撲救關(guān)鍵技術(shù)研究是非常必要的。筆者通過(guò)實(shí)測(cè)高壓供水泵組將水送至303m高度樓層（69層），獲得壓力和流量等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，為有效保障超高層建筑火災(zāi)供水提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于推進(jìn)超300m高層建筑消防裝備的研發(fā)具有借鑒意義。
1試驗(yàn)裝置
圖1為超高層建筑消防供水試驗(yàn)裝置示意圖，包括供水消防車(chē)、超高壓供水泵組（2臺(tái)）、DN40高壓軟管、截止閥、DN150混凝土泵送管道、壓力表1（閥前壓力）、壓力表2（閥后壓力）、電磁流量計(jì)、DN65消防水帶、秒表。供水消防車(chē)帶有大容量的儲(chǔ)水罐，用于測(cè)試供水。超高壓供水泵（單泵）外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）5.3m×2.5m×3.0m，最大質(zhì)量9100kg，輸送缸數(shù)目、最大理論泵送高度、額定輸出流量等泵送參數(shù)（雙泵）分別為8、600m、50L/s（8MPa）、67L/s（6MPa）。地面和303m高度處分別安裝截止閥，實(shí)現(xiàn)水流的調(diào)節(jié)，地面截止閥可避免水流因重力作用回落，保障地面人員及設(shè)施的安全。DN150混凝土泵送管道采用耐高壓密封結(jié)構(gòu)可承壓不低于50MPa。壓力表1獲得截止閥前的水流壓力，壓力表2獲得截止閥后的水流壓力，電磁流量計(jì)獲得泵送管道內(nèi)供水流量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地為某一在建超高層建筑，供水測(cè)試前已完成核心筒混凝土泵送管道和結(jié)構(gòu)封頂。按圖1所示連接好管路，通過(guò)高壓供水泵組將供水車(chē)提供的水泵送至69層303m高度，獲得閥前壓力、閥后壓力、水流量等重要數(shù)據(jù)，通過(guò)水帶將水導(dǎo)入建筑內(nèi)部的消防蓄水池。
2試驗(yàn)結(jié)果分析
流體在管路中流動(dòng)有阻力損失，通過(guò)截止閥過(guò)程中有閥門(mén)損失，截止閥前后的流體靜壓力存在差別。圖2（a）為閥前壓力在30~160s時(shí)間段內(nèi)隨時(shí)間變化曲線，閥前壓力與時(shí)間基本呈正相關(guān)，基本符合F=0.035t-1.16（30≤t≤160）的線性關(guān)系。圖2（b）為116~129s時(shí)間段內(nèi)閥前壓力和閥后壓力隨時(shí)間變化曲線，閥前壓力呈穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，閥后壓力基本穩(wěn)定在0.27~0.31MPa之間。消防供水過(guò)程中除供水高度和供水泵的出口壓力密切相關(guān)以外，對(duì)水帶、管道和接口的承壓能力也有很高的要求。一般情況下，供水高度100m需消防泵出口壓力達(dá)到1.5MPa左右，根據(jù)文獻(xiàn)供水測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，供水高度和消防泵出口壓力可認(rèn)為滿足式（1）。式中：H為供水高度，m；F為供水泵壓力，MPa。由式（1）可知，供水300m高度需消防泵出口壓力達(dá)到3.5MPa左右。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在303m高度時(shí)閥前壓力依然能超過(guò)3MPa，地面高壓消防泵壓力能達(dá)到7.5MPa，理論供水高度可到600m以上。高壓供水對(duì)水帶、供水管道等的設(shè)計(jì)參數(shù)提出了更高的要求。日常滅火作業(yè)中使用16型水帶，超高層建筑供水時(shí)常采用25型聚氨酯水帶。為防止壓力過(guò)大導(dǎo)致水帶爆裂和接口脫落，常使用水帶加固件，供水時(shí)緩慢均勻加壓，加固后的水帶可承壓至2.2MPa，供水高度達(dá)到150m。試驗(yàn)擬供水高度超過(guò)300m，當(dāng)前沒(méi)有水帶能滿足試驗(yàn)供水壓力需求，DN150混凝土泵送管道可滿足試驗(yàn)測(cè)試要求?，F(xiàn)有國(guó)外進(jìn)口超高壓消防車(chē)采用離心式高低壓泵，泵送壓力可達(dá)3.5MPa，將水泵送至300m高度后水流量可達(dá)25L/s，根據(jù)N=Q/q槍（式中N為水槍數(shù)，支；Q為滅火用水量，L/s；q槍為水槍的流量，6.5L•s-1），可同時(shí)使用4支水槍。圖3為155~205s時(shí)間區(qū)間出水口流量變化曲線，該時(shí)間區(qū)間內(nèi)最大流量達(dá)到30.1L/s，最小流量26.9L/s。GB50084-2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，消防水泵接合器數(shù)量應(yīng)按系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量確定，單個(gè)水泵接合器的流量宜在10～15L/s?！督ㄖ叨却笥?50米民用建筑防火設(shè)計(jì)加強(qiáng)性技術(shù)要求》對(duì)超高層建筑減壓水箱高差規(guī)定不大于200m，原因是高差較大時(shí)，閥后壓力高于0.7MPa不利于消防隊(duì)員展開(kāi)滅火作業(yè)。圖4為207~239s時(shí)間區(qū)間內(nèi)的壓力變化曲線，當(dāng)閥前壓力穩(wěn)定過(guò)程中，閥后壓力仍存在較小的波動(dòng)，原因是柱塞式高壓消防供水泵工作過(guò)程中油路方向控制閥切換啟閉和進(jìn)出水單向閥的啟閉所導(dǎo)致。GB50974-2014規(guī)定，建筑高度大于50m的一類民用公共建筑消火栓設(shè)計(jì)流量40L/s，同時(shí)使用消防水槍數(shù)8支，每根豎管最小流量15L/s。圖5為260~430s時(shí)間區(qū)間內(nèi)出水流量變化曲線，流量峰值達(dá)到44.4L/s，根據(jù)豎管供水能力計(jì)算見(jiàn)式（2）。式中，Q為通過(guò)供水管道的流量,m3/s；D為供水管道內(nèi)徑,m；v為通過(guò)供水管道的流速,m/s。供水管道直徑150mm，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定供水管道的流速可取2.5m/s，由式（2）計(jì)算得通過(guò)供水管道的流量為44.156L/s，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合。
3.應(yīng)用分析
在實(shí)際撲救建筑火災(zāi)時(shí)，消防隊(duì)員到達(dá)火場(chǎng)后常出2支口徑19mm的水槍進(jìn)行滅火救援作業(yè)，每支水槍的平均出水量為7.5L/s。保證消防車(chē)能長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)且能發(fā)揮較大效能時(shí)的出水流量一般為10～15L/s，這也符合GB50084-2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)水泵接合器的流量規(guī)定，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，303m高度供水流量超過(guò)26.9L/s，最大流量達(dá)到44.4L/s，均超過(guò)2支消防水槍或單個(gè)水泵結(jié)合器流量要求數(shù)值，可以滿足超高層建筑火災(zāi)撲救需要。該超高層建筑消防供水系統(tǒng)可靠性高，不同于傳統(tǒng)消防供水所采用的分區(qū)接力方式，可以直接將水從地面泵至相對(duì)應(yīng)樓層，具有較高的普適性。供水管道材質(zhì)要求具有較高的耐腐蝕性，承壓能力大于消防泵出口壓力。使用獨(dú)立豎向干管與高壓供水泵組結(jié)合的供水方式，是破解超高層建筑火災(zāi)防控及滅火救援供水難題的可行路徑。然而在實(shí)踐中，該供水方案仍受到許多因素制約：一是不滿足現(xiàn)有消防法規(guī)要求，具有較大的推動(dòng)難度；二是管道預(yù)留機(jī)制不健全，筆者調(diào)研結(jié)果表明，目前預(yù)留供水干管的建筑較少，國(guó)外已著手實(shí)施高壓供水管道預(yù)留機(jī)制。筆者建議：完善成套供水解決方案，開(kāi)發(fā)移動(dòng)式超高壓供水裝備及供水方案。推動(dòng)管道預(yù)留機(jī)制，推進(jìn)相應(yīng)法規(guī)補(bǔ)充修訂及完善，應(yīng)急供水配套管閥件在超高層建筑改建、擴(kuò)建、新建過(guò)程的提前配置，促使該應(yīng)急供水方案融入建筑消防設(shè)計(jì)中，能夠獲得市場(chǎng)認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)其社會(huì)價(jià)值，推動(dòng)消防泵、水帶、管道、閥、水泵接合器等相關(guān)設(shè)備的研發(fā)、檢測(cè)和認(rèn)證。
4結(jié)語(yǔ)
通過(guò)303m高度消防供水試驗(yàn)測(cè)試，獲得超高壓消防泵輸水方案的壓力、流量關(guān)鍵特性參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，供水高度303m，水泵最大壓力7.5MPa，供水流量超過(guò)26.9L/s，最大流量達(dá)到44.4L/s，理論供水高度超600m，滿足超高層建筑消防救援需求。采用移動(dòng)消防供水裝備與固定消防供水設(shè)施結(jié)合的方式，預(yù)設(shè)消防干管，使用超高壓消防泵或者超高壓供水車(chē)直接將水輸送至超高層建筑相應(yīng)樓層。實(shí)際應(yīng)用需進(jìn)一步完善技術(shù)及裝備解決方案，開(kāi)展相應(yīng)消防規(guī)范修訂工作，研究可配套的戰(zhàn)術(shù)操法。
作者：張明振 段江忠 況凱騫 陸鐿文 黨杰 單位：深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司