超高層建筑高壓消防泵供水測試應(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，通過試驗測試超高壓消防泵在超高層建筑的實際應(yīng)用，獲得壓力、流量等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。試驗結(jié)果表明，供水高度303m，水泵最高壓力7.5MPa，供水流量26.9L/s，最大流量達到44.4L/s，理論供水高度可超600m，滿足實際滅火需求。該系統(tǒng)具有壓力高、流量大、可靠性高等優(yōu)點，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個方面指出高層建筑消防供水存在的問題。張元祥提出了在火場供水應(yīng)按照“固定為主,固移結(jié)合,移動為輔”的原則，保證火場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)歸納了常見的消防供水方式（固定式、固定和移動相結(jié)合式、移動式）及相關(guān)供水車輛和水帶等器材裝備的性能參數(shù)。張慶利結(jié)合火場救援方法和火災(zāi)撲救技術(shù)為有效發(fā)揮移動裝備的滅火劑供給提出思路。李川通過總結(jié)不同供水方式的優(yōu)缺點，從水帶鋪設(shè)方式、移動供水裝備選用和消防演練等方面提出改進建議。張建平提出采用高位水箱為超高層建筑供水，當高層建筑的高度小于169m時，穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)經(jīng)濟合理，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，但水壓力波動問題仍需進一步研究。劉彥海提出在高層建筑增設(shè)獨立干式消防供水豎管，豎管設(shè)計上流量不低于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，開展超高層建筑供水裝備測試對于超高層建筑火災(zāi)撲救關(guān)鍵技術(shù)研究是非常必要的。筆者通過實測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，對于推進超300m高層建筑消防裝備的研發(fā)具有借鑒意義。
1試驗裝置
圖1為超高層建筑消防供水試驗裝置示意圖，包括供水消防車、超高壓供水泵組（2臺）、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、DN65消防水帶、秒表。供水消防車帶有大容量的儲水罐，用于測試供水。超高壓供水泵（單泵）外形尺寸（長×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，電磁流量計獲得泵送管道內(nèi)供水流量數(shù)據(jù)。試驗測試場地為某一在建超高層建筑，供水測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，通過高壓供水泵組將供水車提供的水泵送至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)，通過水帶將水導(dǎo)入建筑內(nèi)部的消防蓄水池。
2試驗結(jié)果分析
流體在管路中流動有阻力損失，通過截止閥過程中有閥門損失，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時間段內(nèi)隨時間變化曲線，閥前壓力與時間基本呈正相關(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時間段內(nèi)閥前壓力和閥后壓力隨時間變化曲線，閥前壓力呈穩(wěn)定上升的趨勢，閥后壓力基本穩(wěn)定在0.27~0.31MPa之間。消防供水過程中除供水高度和供水泵的出口壓力密切相關(guān)以外，對水帶、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到1.5MPa左右，根據(jù)文獻供水測試數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計，供水高度和消防泵出口壓力可認為滿足式（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到3.5MPa左右。試驗數(shù)據(jù)表明，在303m高度時閥前壓力依然能超過3MPa，地面高壓消防泵壓力能達到7.5MPa，理論供水高度可到600m以上。高壓供水對水帶、供水管道等的設(shè)計參數(shù)提出了更高的要求。日常滅火作業(yè)中使用16型水帶，超高層建筑供水時常采用25型聚氨酯水帶。為防止壓力過大導(dǎo)致水帶爆裂和接口脫落，常使用水帶加固件，供水時緩慢均勻加壓，加固后的水帶可承壓至2.2MPa，供水高度達到150m。試驗擬供水高度超過300m，當前沒有水帶能滿足試驗供水壓力需求，DN150混凝土泵送管道可滿足試驗測試要求。現(xiàn)有國外進口超高壓消防車采用離心式高低壓泵，泵送壓力可達3.5MPa，將水泵送至300m高度后水流量可達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），可同時使用4支水槍。圖3為155~205s時間區(qū)間出水口流量變化曲線，該時間區(qū)間內(nèi)最大流量達到30.1L/s，最小流量26.9L/s。GB50084-2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，消防水泵接合器數(shù)量應(yīng)按系統(tǒng)的設(shè)計流量確定，單個水泵接合器的流量宜在10～15L/s。《建筑高度大于250米民用建筑防火設(shè)計加強性技術(shù)要求》對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，閥后壓力高于0.7MPa不利于消防隊員展開滅火作業(yè)。圖4為207~239s時間區(qū)間內(nèi)的壓力變化曲線，當閥前壓力穩(wěn)定過程中，閥后壓力仍存在較小的波動，原因是柱塞式高壓消防供水泵工作過程中油路方向控制閥切換啟閉和進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)計流量40L/s，同時使用消防水槍數(shù)8支，每根豎管最小流量15L/s。圖5為260~430s時間區(qū)間內(nèi)出水流量變化曲線，流量峰值達到44.4L/s，根據(jù)豎管供水能力計算見式（2）。式中，Q為通過供水管道的流量,m3/s；D為供水管道內(nèi)徑,m；v為通過供水管道的流速,m/s。供水管道直徑150mm，根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定供水管道的流速可取2.5m/s，由式（2）計算得通過供水管道的流量為44.156L/s，與試驗測試結(jié)果吻合。
3.應(yīng)用分析
在實際撲救建筑火災(zāi)時，消防隊員到達火場后常出2支口徑19mm的水槍進行滅火救援作業(yè)，每支水槍的平均出水量為7.5L/s。保證消防車能長期正常運轉(zhuǎn)且能發(fā)揮較大效能時的出水流量一般為10～15L/s，這也符合GB50084-2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中對水泵接合器的流量規(guī)定，試驗測試結(jié)果表明，303m高度供水流量超過26.9L/s，最大流量達到44.4L/s，均超過2支消防水槍或單個水泵結(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，具有較大的推動難度；二是管道預(yù)留機制不健全，筆者調(diào)研結(jié)果表明，目前預(yù)留供水干管的建筑較少，國外已著手實施高壓供水管道預(yù)留機制。筆者建議：完善成套供水解決方案，開發(fā)移動式超高壓供水裝備及供水方案。推動管道預(yù)留機制，推進相應(yīng)法規(guī)補充修訂及完善，應(yīng)急供水配套管閥件在超高層建筑改建、擴建、新建過程的提前配置，促使該應(yīng)急供水方案融入建筑消防設(shè)計中，能夠獲得市場認可，實現(xiàn)其社會價值，推動消防泵、水帶、管道、閥、水泵接合器等相關(guān)設(shè)備的研發(fā)、檢測和認證。
4結(jié)語
通過303m高度消防供水試驗測試，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)，試驗結(jié)果表明，供水高度303m，水泵最大壓力7.5MPa，供水流量超過26.9L/s，最大流量達到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直接將水輸送至超高層建筑相應(yīng)樓層。實際應(yīng)用需進一步完善技術(shù)及裝備解決方案，開展相應(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