LPG灌瓶间雨淋系统与水喷雾系统的设计

赵向荣, 李 媛, 朱亚元

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司合肥分公司，安徽合肥230000)

1 概述

在进行液化石油气储配站灌瓶间的消防设计过程中发现，相关的消防设计规范规定不统一。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(以下简称《建规》)第8.3.7条第4款规定，日装瓶数量大于3 000瓶的液化石油气储配站的灌瓶间应设雨淋自动喷水灭火系统(以下简称雨淋系统)，该规定为强制性条文，必须严格执行。

雨淋系统是自动喷水灭火系统之一，主要用于扑灭燃烧猛烈、蔓延快的大面积火灾，《建规》规定应设置雨淋系统的场所均为发生火灾蔓延快、火灾危险性大、着火后燃烧速度快或可能发生爆炸性燃烧的厂房或部位，是需尽快控制的高火灾危险场所。液化石油气储配站的灌瓶间设计雨淋自动喷水灭火系统时，应执行GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》(以下简称《喷规》)。在同为国家标准的GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》第3.1.2条中，虽然没有明确液化石油气灌瓶间、瓶库应设水喷雾系统，但直接规定了当保护对象为液化石油气灌瓶间、瓶库时，以防护冷却为目的的水喷雾系统的供给强度、持续供给时间和响应时间。两个规范都对液化石油气灌瓶间的设计作出了相应规定，但规定大相径庭，一个以灭火为目的，一个以防护冷却为目的。按照不同规范设计的系统差别很大，两个系统的参数、布置方式完全不同。GB 51142—2015《液化石油气供应工程设计规范》只规定了有关储罐的消防设计内容，对于灌瓶间和瓶库的消防设计没有要求。

2 相关规范简介

目前有关液化石油气厂站的设计规范只有GB 51142—2015《液化石油气供应工程设计规范》，涉及到的规范有GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》、GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》。其中，GB 50016—2014《建筑设计防火规范》是一项综合性的防火技术标准，政策性和技术性强，详细规定了各种灭火系统的设置场所和适用范围，具有一定的指导意义，是设计应遵循的基本规范，笔者认为应优先执行该规范。

3 雨淋系统和水喷雾系统

① 雨淋系统

按照GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》的定义，所谓雨淋系统，就是由火灾自动报警系统或传动管控制，自动开启雨淋阀和启动供水泵后，向开式洒水喷头供水的自动喷水灭火系统，亦称开式系统。根据GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》第5.0.1条规定，灌瓶间火灾危险等级为严重危险级Ⅱ级，因此系统设计喷水强度不应低于16 L/(min·m2)，作用面积不应小于260 m2；第5.0.16条规定，自动喷水灭火系统的持续喷水时间，应按火灾延续时间不小于1 h确定。

② 水喷雾系统

水喷雾系统是指由水源、供水设备、管道、雨淋阀(或电动控制阀、气动控制阀)、过滤器和水雾喷头等组成，向保护对象喷射水雾进行灭火或防护冷却的系统。GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》第3.1.2条规定，当保护对象为液化石油气灌瓶间、瓶库时，以防护冷却为目的的水喷雾系统供给强度不应小于9 L/(min·m2)，火灾延续时间6 h，响应时间不应大于60 s。

③ 雨淋系统和水喷雾系统的主要区别

雨淋系统和水喷雾系统的主要区别是雨淋系统不管保护对象面积多大，只按规范规定的“作用面积不小于260 m2”计算，而水喷雾系统是按保护对象的全面积计算。另外火灾延续时间不同，雨淋系统是1 h，水喷雾系统是6 h，因此水量差别很大。此外系统组成不同，系统参数、工作压力不同，喷水强度、喷头形式也不同，雨淋系统采用的是开式喷头，水喷雾系统采用的是水雾喷头。

下面以一个长48 m、宽30 m，面积为1 440 m2的灌瓶间为例对以上2个系统分别进行探讨。

4 雨淋系统

按照《喷规》规定，雨淋系统中每个雨淋阀控制的喷水面积不宜大于规范规定的作用面积，因此将灌瓶间划分为6个面积≤260 m2的区域(将48 m长边均分成6段，每段长8 m)，每个区域由一个雨淋阀控制，每个雨淋阀喷水面积240 m2。考虑到最不利情况的发生是在相邻的两个雨淋阀的喷水面积交汇处，此时火灾发生，则两个相邻的雨淋阀均动作，这时系统作用面积480 m2。雨淋系统使用的是开式喷头，其正方形布置的喷头间距应≤3.0 m，矩形布置的长边喷头间距应≤3.6 m，最小间距是1.8 m，喷头与端墙的最大距离为1.5 m。依据这个原则进行喷头布置，见图1。图1中，数据单位为mm；DN100表示该管段的公称直径是100 mm，依此类推；1～15是节点编号。各节点标高相同。

图1 单个雨淋阀喷水面积内系统布置

由于喷头数量越少，单个喷头流量越大，喷头的工作压力也越大，因此喷头间距不宜过大，单个雨淋阀喷水面积内喷头共48个，每个喷头流量计算公式为：

(1)

式中q——每个喷头的流量，L/min

qs——系统设计喷水强度, L/(min·m2)，为16 L/(min·m2)

A——单个雨淋阀的喷水面积，m2，为240 m2

n——喷头的数量

由公式(1)得q=80 L/min。

4.1 管段1-2水力计算

① 根据《喷规》第9.1.1条公式：

(2)

式中q1——节点1处喷头流量，L/min

K——喷头流量系数，取80

p——喷头工作压力，MPa

则最不利点节点1处喷头的工作压力为0.10 MPa。

② 根据流速计算公式：

(3)

式中v——管段1-2的流速，m/s

qxh——管段1-2的流量，m3/s

dj——管道的计算内直径，m，按管道的内直径减1 mm确定，为0.034 75 m

dj=dn-0.001

(4)

式中dn——管道的内直径，m

根据公式(3)～(4)求得v=1.4 m/s。

③ 单位长度管道的压力损失按下式计算：

(5)

式中 Δp——单位长度管道的压力损失，MPa/m

根据公式(5)求得Δp=0.001 65 MPa/m。

④ 管段1-2沿程压力损失计算公式：

Δpy=Δpl

(6)

式中 Δpy——沿程压力损失，MPa

l——管段1-2的长度，m，为2.4 m

根据公式(6)得：Δpy=0.004 MPa。

⑤ 管段1-2局部压力损失宜采用当量长度法计算：

Δpj=Δpld

(7)

式中 Δpj——管段局部压力损失，MPa

ld——管段当量长度，m，取1.2 m(详见《喷规》附录C)

通过公式(7)计算得到：Δpj=0.002 MPa。

⑥ 管段1-2总压力损失计算公式：

Δpz=Δpj+Δpy

(8)

式中 Δpz——管段1-2的总压力损失，MPa

通过公式(8)计算得到总压力损失为0.006 MPa。

⑦ 点2处压力计算公式：

p2=p1+Δpz

(9)

式中p2——点2处压力，MPa

p1——点1处喷头的压力，MPa，为0.1 MPa

根据公式(9)计算得到p2=0.106 MPa。依此类推，其他管段的计算结果见表1。管段1-2的起点为节点1，终点为节点2，依此类推。

表1 雨淋系统水力计算结果

4.2 雨淋系统计算结果

① 单个雨淋阀喷水面积240 m2的流量为82.53 L/s，系统设计流量为165.06 L/s。

② 平均喷水强度计算公式为:

(10)

式中qp——喷水面积内的平均喷水强度，L/(min·m2)

qg——喷水面积的入口管道流量，L/s，为82.53 L/s

根据公式(10)计算得出qp=20.63 L/(min·m2)。

③ 喷水面积的入口压力为0.33 MPa。

4.3 雨淋系统配水管道充水时间

① 将表1中各管段管长除以流速后的结果相加，即是室内配水管道充水时间t1=12.89 s。

② 灌瓶间距离雨淋阀室150 m，室外管道公称管径为200 mm，水的流速为2.68 m/s，压力损失为0.123 1 MPa。室外配水管道充水时间计算公式：

(11)

式中t2——室外配水管道充水时间，s

l1——灌瓶间与雨淋阀室之间的管道长度，m

v1——灌瓶间与雨淋阀室之间管道内水的平均流速，m/s

由公式(11)计算得t2=55.97 s。

③ 雨淋阀组到最不利点处喷头的配水管道充水时间为t1与t2之和，为68.86 s。《喷规》第8.0.11条规定，雨淋系统的配水管道充水时间不宜大于2 min，满足规范要求。

4.4 雨淋泵压头

雨淋泵压头计算式为：

pb=p1+p2+p3+p4

(12)

式中pb——雨淋泵压头，MPa

p1——灌瓶间入口所需压力，MPa

p2——灌瓶间入口与雨淋泵水平中心线的高差所产生的压差，MPa

p3——雨淋泵房至雨淋阀室的压力损失，MPa

p4——灌瓶间至雨淋阀室的压力损失，MPa

已知p1=0.33 MPa，p2=0.08 MPa。雨淋泵房至雨淋阀室距离400 m，设计流量165.06 L/s，供水管道管径DN 300 mm，流速2.26 m/s，计算得p3=0.133 MPa。p4=0.123 1 MPa。则根据公式(12)计算得到雨淋泵压头为0.666 1 MPa，取0.67 MPa。

4.5 雨淋系统用水量

雨淋系统用水量计算公式为：

Vy=3.6qyty

(13)

式中Vy——雨淋系统用水量，m3

qy——雨淋系统设计流量，L/s，为165.06 L/s

ty——雨淋系统火灾延续时间，h，为1 h

由公式(13)计算得到Vy=594 m3。

5 水喷雾系统

GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》第3.1.3条规定，水雾喷头的工作压力，当用于灭火时不应小于0.35 MPa；当用于防护冷却时不应小于0.2 MPa。水喷雾系统用于灌瓶间时其防护目的是防护冷却，因此水雾喷头的工作压力应不小于0.2 MPa。保护对象所需水雾喷头数量应根据设计供给强度、保护面积和水雾喷头特性按规范计算确定。喷头的布置应使水雾直接喷向并覆盖保护对象，且水雾喷头与保护对象之间的距离不得大于水雾喷头的有效射程。

水喷雾系统供给强度为9 L/(min·m2)，灌瓶间面积为1 440 m2，喷头数量为360个，计算得到每个喷头流量为36 L/min。根据GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》第7.1.1条公式：

(14)

式中qj，w——喷头处节点流量，L/min

pj，w——喷头工作压力，MPa

Kj，w——喷头流量系数，取21.4

根据公式(14)计算得到最不利点节点1处喷头的工作压力为0.28 MPa。将灌瓶间分为2个喷水面积为720 m2的区域，由2个雨淋阀控制水喷雾系统的开启，消防时同时启动。单个雨淋阀控制区域内喷头布置见图2。图2中，数据的单位为mm；1～22是节点编号。各节点标高相同。

水喷雾系统水力计算步骤同雨淋系统，见表2。表2中节点16-17～21-22管段当量长度为0.00是软件计算并取2位小数的结果。

① 水喷雾系统计算结果

a.单个雨淋阀喷水面积720 m2时的流量为119.46 L/s，系统设计流量为238.92 L/s。

b.平均喷水强度计算方法同雨淋系统，为9.955 L/(min·m2)。

c.喷水面积的入口压力为0.419 MPa。

② 水喷雾系统配水管道充水时间

a.将表2中各管段管长除以流速后的结果相加，即是室内配水管道充水时间,为20.19 s。

b.灌瓶间距离雨淋阀室150 m，室外管道公称管径为DN 200 mm，流速为3.88 m/s，压力损失为0.257 8 MPa，则计算得到室外配水管道充水时间为38.66 s。

图2 单个喷水面积内水喷雾系统布置

续表2

c.雨淋阀组到最不利点处喷头的配水管道充水时间共需58.85 s，满足《喷规》规定的响应时间不大于60 s的要求。

③ 水喷雾系统消防水泵压头

水喷雾系统消防水泵压头计算公式：

pw=pw1+pw2+pw3+pw4

(15)

式中pw——消防水泵压头，MPa

pw1——灌瓶间入口所需压力，MPa

pw2——最不利点处喷头与消防水泵水平中心线的高差所产生的压差，MPa

pw3——消防泵房至雨淋阀室的压力损失，MPa

pw4——灌瓶间至雨淋阀室的压力损失，MPa

计算可得pw1=0.419 MPa，pw2=0.08 MPa。消防泵房至雨淋阀室距离400 m，设计流量238.92 L/s，供水管道公称管径为350 mm，流速2.39 m/s，则计算得pw3=0.120 9 MPa。pw4=0.257 8 MPa。则所需消防水泵压头为0.877 7 MPa，取0.88 MPa。

④ 水喷雾系统用水量

水喷雾系统用水量计算公式为：

Vw=3.6qwtw

(16)

式中Vw——水喷雾系统用水量，m3

qw——水喷雾系统设计流量，L/s，为238.92 L/s

tw——水喷雾系统火灾延续时间，h，为6 h

由公式(16)计算得到Vw=5 160.7 m3。

6 雨淋系统与水喷雾系统的区别

雨淋系统与水喷雾系统的区别见表3。

7 结语

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》与GB 50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》同属国家标准，但有些条款存在冲突，在设计中应具体问题具体分析，按照专项标准要求，或根据雨淋系统和水喷雾灭火系统的特点和系统的相关要求，经技术、经济等多方面比较后确定。不管执行哪个规范，都要认真贯彻该规范的条款要求。