CHI水泥厂电缆夹层的喷淋消防设计

陶金成，张静，熊忠良

拉法基集团是世界上技术领先的水泥生产商之一，它对水泥厂的建设有许多独特的要求。本文将通过对印度CHI项目的喷淋消防设计，介绍拉法基对电缆夹层的消防设计要求。虽然目前有关消防的国家标准（GB）对此没有具体规定，但拉法基集团对该部分有明确的要求。为了更好地满足国外业主对水泥厂的消防设计要求，同时为国内水泥厂的设计工作提供借鉴作用，进行电缆夹层的消防设计研究非常必要。

1 项目简介

CHI项目位于印度拉贾斯坦邦，为5000 t/d新型干法水泥熟料生产线，厂区气候和地质条件良好。全厂的消防系统设计，完全遵从拉法基集团基于NFPA制定的消防标准。通过该项目的消防设计，有助于我们加深对NFPA的认识，为其他国外项目的消防设计提供参考。拉法基集团所辖的水泥厂曾发生过电缆夹层火灾事故，而且当电气功率较大时，在特定气候条件下，电缆存在因散热不良而发生火灾的可能，所以在电缆夹层采取消防措施十分必要。

2 消防系统

水泥厂的电缆夹层一般位于电力室的下层，用于布置连接电气控制柜的电缆。CHI项目的电力室包括煤粉制备、水泥包装、水泥粉磨等16个电力室，每处的电缆夹层均需进行消防设计。按照拉法基的消防要求，在电缆夹层中需采用自动喷淋系统。若各电力室的自喷供水系统均设计为独立加压系统，不仅控制系统复杂，而且设备和基建成本高，所以本项目采用常高压消防管网供水，同时该管网还为室外消火栓和其他车间的消防系统提供消防用水。这种混合消防管网系统符合NFPA的要求，因为NFPA对自喷系统与消火栓系统根据建筑物类别和危险等级的划分采用统一规定。消防泵站处于这种混合系统的核心地位，在选择水泵时，要考虑满足各消防系统的要求。

3 预作用自喷系统及参数的选择

考虑到带电设备的防露和防误喷问题，自喷系统选定为单互锁感温预作用系统，作用原理见图1。该系统包括火灾报警控制器、雨淋阀组、温感火灾探测器、闭式喷头等部分。报警控制器用于控制各组件的启闭，当感温探测器动作时，雨淋阀因电力互锁而开启，压力水进入自喷系统，但仅当喷头因温度过高而破裂时，系统才会喷水。如喷头因误操作而损坏时，雨淋阀不会动作，即系统不会喷水。感温探头和闭式喷头形成了双保险，确保只有在火灾发生时，系统才会喷水灭火，杜绝了因误喷对电力室造成的损害。

拉法基要求将电缆夹层归为严重危险1级区域，参考NFPA13相关计算图表，同时考虑到便于计算，规定最小喷水强度为10L/min·m2，最大作用面积为280m2，平衡系数为0.15，持续喷水时间90min，单个喷头的最大防护面积为9.3m2。

4 喷头的选择和布置

图1 预作用自喷系统原理图

根据拉法基要求，喷头采用闭式感温直立型或边墙型喷头，额定温度为93℃，流量系数为80。喷头的布置根据空间高度的不同分为两种情况。当电缆夹层的高度大于80cm时，采用直立型喷头，喷头最大间距为3.7m，最小间距为1.8m，与墙间距最大为1.85m，最小为1.2m。当电缆夹层的高度小于80cm时，采用边墙型喷头，水平方向安装，喷头布置的距离要求与直立型喷头相同。在全厂的16座电力室中，电缆夹层的高度几乎全部大于80cm，只有原料破碎及输送电力室例外，在设计过程中需特殊考虑。

5 系统计算公式

喷头流量的计算公式：

式中：

q——喷头流量，L/min

K——流量系数，80

P——工作压力，MPa

系统最不利点处喷头的工作压力应由计算确定。依据NFPA13，最不利点处喷头的最低工作压力不应低于0.05MPa，同时作用面积内每只喷头在工作压力下的流量应能保证不小于最小喷水强度与一个喷头保护面积的乘积，可得出式（2）：

式中：

S——喷头保护面积，m2

F——喷水强度，L/min·m2

根据式（2），可计算出最低工作压力P为0.14MPa。

管道水头损失的计算采用海曾威廉公式，见式（3）：

式中：

H—水头损失，m

Q—管道流量，L/min

d—管道计算内径，mm

C—摩阻系数，120

L—管段长度，m

6 自喷系统设计实例

虽然水泥厂的电力室很多，但规格和布局大多类似。本文选取公用2号电力室作为典型实例，进行电缆夹层的喷头布置及系统计算。

目前对于喷淋系统的管道水力计算，普遍采用设计软件进行辅助计算，这有助于提高计算精度和设计效率。国内针对国家标准（GB）已开发出多款软件，包括天正、鸿业、浩辰等，而基于NFPA的喷淋计算软件则很少。在CHI项目的设计过程中，采用了兆龙软件公司开发的消防工程CAD V6.2，因为该软件已经获得了FM认证，且被国内多家单位成功用于国外工程的消防设计。

兆龙消防软件可依据NFPA，对消防系统进行管网布置、智能预估管径和自动绘制出系统图。图2和图3分别为该软件生成的喷头布置简图与系统节点图。从图上看，不仅喷头布置符合NFPA的要求，而且图面信息完整，减少了绘图工作量，体现了软件给设计工作带来的便捷性。

该软件还可基于NFPA进行高精度管网计算，生成详细的中文或英文计算书。表1为软件生成的管段水力计算表，与图3相对应，构成了计算书的主要内容。表2为该案例的重点项目检查结果表，由表可知，该系统的喷水强度为11.83L/min·m2，满足规范要求，另外系统所需的扬程为22.51m，进水流量为13.6L/s。为了比较NFPA13与GB50084—2001的管道水力计算差别，在参数相同的条件下，利用该软件进行了基于GB50084—2001的系统计算（表2）。从表2可以看出，扬程的结果相差14.5m，而其他项则相差较小。在我国自喷规范的条文说明中，比较了各国水头损失计算公式的差别，得出的结论为：按我国公式计算出的水头损失最高，所以以上数据同规范的结论相符。

图2 喷头布置图

图3 系统计算节点图

表1 管段水力计算表

表2 重点项目检查结果表

7 消防水泵的选用

消防水泵的流量包括自喷系统和消火栓系统的最大流量。根据拉法基要求，自喷系统最大流量的计算公式为：

式中：

Sm——喷头最大保护面积，取280m2

Fn——最小喷水强度，取10L/min.m2

f——平衡系数，0.15

经计算Q自喷为3220L/min。另外消火栓系统的最大流量为1900L/min，两者的总流量为5120L/min，考虑10%的安全系数，水泵的流量近似取340m3/h。如需计算水池容积，用总流量与消防持续供水时间相乘即可。

水泵的扬程应包括室外管网的水头损失和管网末端的消防用水需求。拉法基集团要求，室外管网的压力损失不应超过30m。相比于消火栓系统，自喷系数的进水压力明显偏高。经计算可知，全厂的电缆夹层中进水压力最大不超过60m，所以水泵的扬程应约为90m。由于水泵扬程较大，要求消防管网的管材、管件、附件等均需选择公称压力为1.6MPa的规格。另外，消防管网支管的管径计算需要特别注意，这是因为室内外消防管道的流速要求不同，管网支管管径不能直接采用自喷系统的入户管径，特别是某些支管长度为几百米，如果管径不适当放大，管道水头损失可达上百米，无法满足自喷系统的进户压力要求。

8 总结

（1）根据NFPA标准，本项目采用自喷系统和消火栓系统合并的混合消防系统，这有别于国内的常规做法。该系统仅需一组水泵和管网，便可同时满足各消防系统的用水需求，有助于降低成本，简化控制系统。

（2）单互锁感温预作用自喷系统能有效地防止系统误喷，感温探测装置和闭式喷头组成了双保险。

（3）根据电缆夹层的空间高度不同，将分别采用闭式感温直立型或边墙型喷头，但喷头布置的距离要求是相同的。

（4）NFPA要求作用面积内每只喷头在工作压力下的流量应不小于最小喷水强度与一个喷头保护面积的乘积，由此可得出喷头最低工作压力的计算公式，本项目的计算结果为0.14MPa。

（5）兆龙消防软件可基于NFPA进行设计计算，自动生成系统图和计算书，极大地提高了设计效率。通过比较NFPA与GB50084—2001的水力计算结果，发现GB50084—2001的水头损失计算公式偏于保守。

（6）消防水泵的流量近似取为340m3/h，包括自喷系统和消火栓系统所需流量，并考虑了10%的安全系数。水泵的扬程约为90m，其中室外管网的最大压力损失取为30m，自喷系统的最大进水压力为60m。由于水泵扬程较大，管网部件应考虑耐压要求。

（7）由于自喷系统的流量较大，且局部的消防管网支管距离较长，所以支管管径需要适当放大，否则可能无法满足自喷系统的进水压力要求。

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