消防给水系统中旋流防止器的应用分析

汪 波,金艺蓓,范永欢

(浙江大学建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310028)

旋流防止器是安装在管道前端,避免管道输送液体过程中产生旋流并防止空气进入管道的一种特殊管件。其主要功能是保证管道的输送流量,避免后续水泵发生气蚀,同时使得容器的有效容积得到最大化利用。旋流防止器可用于化工、能源及给排水工程等领域,特别在消防给水系统中,作为一个重要管件,国家标准《消防给水及消火栓系统技术规范(GB 50974—2014》(以下简称《水消规》)明确提出了消防水池及高位消防水箱内需设置旋流防止器的要求,并对其淹没深度等作出了规定。因国内相关规范及图集等对旋流防止器的规定及介绍较少,部分设计人员对其工作原理及设置的要求等缺乏认识和了解,故通过国内外相关规范的比较,可以帮助广大设计人员更好地应用旋流防止器。

1 工作原理

旋流产生的原因是管道吸水液面逐渐下降过程中,靠近管口处流速较远处的流速大,导致管口处产生负压,由于水流动的连续性,周围水流快速补充负压区域,从而形成了旋流。在这一过程中,由于管口流速过快,一方面补充的水流会携带少量空气进入管道；另一方面由于管道内负压的原因,原来溶解于水中的空气也会部分析出从而混入管道内,这样不仅减小了管道的输水量,同时混入的空气也会造成后续水泵气蚀现象的发生。

而旋流防止器的工作原理在于,其伞形的构造大大增加了管道吸水口的面积,不仅减小了进入管口处的水流速度,其导流叶片同时起到了均匀水流的作用,避免空气的进入,并且可以使水面均匀下降,从而有效避免了旋流的产生。

2 中外规范中旋流防止器的相关规定

国家规范《水消规》中涉及旋流防止器的条款共2条,分别为第5.1.13条第4款：离心式消防水泵吸水管、出水管和阀门等,应符合下列规定：……4 消防水泵吸水口的淹没深度应满足消防水泵在最低水位运行安全的要求,吸水管喇叭口在消防水池最低有效水位下的淹没深度应根据吸水喇叭口的水流速度和水力条件确定,但不应小于600 mm,当采用旋流防止器时,淹没深度不应小于200 mm[1]。以及第5.2.6条第2款：高位消防水箱应符合下列规定：……2 高位消防水箱的最低有效水位应根据出水管喇叭口和防止旋流器的淹没深度确定,当采用出水管喇叭口时,应符合本规范第5.1.13条第4款的规定；当采用防止旋流器时应根据产品确定,且不应小于150 mm的保护高度[1]。国标图集《消防给水及消火栓系统技术规范(15S909)》对上述条款进行了说明,即最低有效水位均从旋流防止器上沿水平以上起算,最小净距不应小于200 mm及150 mm,见图1、图2。此外,在国标图集《高位消防贮水箱选用及安装(16S211)》中,也提供了旋流防止器的安装尺寸要求及管件的尺寸表,特别是旋流防止器边缘距水箱壁的安装间距,图集中注明应不小于0.3倍的吸水管管径。

图1 消防水泵吸水口设置

图2 高位水箱最低水位设置

国外规范中对于旋流防止器则有更为详细的介绍和规定,例如美国消防规范NFPA 22—2018[2]中规定,作为消防泵取水水源的消防水箱(池)内,其吸水口需安装防止旋流的装置。该装置由一块安装在水箱(池)吸水弯管上的水平钢板组成,水平钢板直径应不小于吸水管直径的2倍,高出箱(池)底距离不小于吸水管直径的1/2且不小于6英寸(152 mm),见图3、图4。以水管管径DN200为例,则防止旋流装置高出水箱(池)底部的净距不小于152 mm。

图3 搭接水箱吸水口安装防旋流板典型图示

图4 法兰接钢板水箱吸水口安装防旋流板典型图示

欧盟规范(以英国规范为例)BS EN 12845∶2015[3]中规定了消防水箱(池)的最低有效水位由吸水管至最低有效水位的最小尺寸(A)及吸水管至箱(池)底的最小尺寸(B)确定(图5、图6),并列出不同吸水管径对应的尺寸要求,见表1。从表中可以看出,若吸水管直径为DN200的话,则水箱(池)的最低有效水位距水箱(池)底的距离为0.77 m(A+B),即距水箱(池)底部0.77 m范围内的储水容积属于无效容积。但规范同时规定,当吸水管端部装设旋流防止器,且旋流防止器的直径满足表1要求时,吸水管至最低有效水位的最小尺寸A可减小至0.1 m,即距水箱(池)底部0.25 m范围内的储水容积属于无效容积。此外,欧盟规范对于旋流防止器的安装间距提出了非常详细的要求,距离靠近管道的水池(箱)侧壁的净距应不小于0.3倍的吸水管管径,同时远离水池(箱)侧壁的净距应不小于5倍的吸水管管径。

图5 无吸水坑水箱(池)有效容积及安装尺寸图示

图6 有吸水坑水箱(池)有效容积及安装尺寸图示

表1 安装尺寸要求

通过以上对比可以看出,国内与欧美规范在旋流防止器设置方式上基本相同,特别是与欧盟规范存在许多相似之处,但国内规范仍存在一些不足,主要体现在以下几方面：

1)在旋流防止器的安装间距方面,欧盟规范规定得最为详细,美国规范亦有涉及,而国内规范无相关规定,仅国标图集提出了安装间距要求。

旋流防止器是通过其构造减缓进入管道的水流速度,从而避免流速过快而导致负压及旋流的产生。若旋流防止器边缘距水箱(池)侧壁过近,势必将导致靠近水箱(池)壁处水流流速加大,从而影响其防旋流功能的发挥。欧盟规范规定了旋流防止器距水箱(池)壁的安装净距应不小于0.3倍吸水管管径；美国规范虽未明确指出净距要求,但从图3、图4中可以看出,安装旋流防止器后的弯管必须采用大曲率弯管,且弯管的曲率半径应为吸水管直径的1.5倍,从而可推算出旋流防止器与水箱(池)壁的净距满足0.5倍吸水管管径的要求。综合国标图集《高位消防贮水箱选用及安装(16S211)》中的相关规定,得知旋流防止器与水箱(池)壁的净距应满足不小于0.3倍吸水管管径的要求。

此外,因消防水泵的吸水管不应少于两条,故旋流防止器往往成组布置,若两组旋流防止器安装间距不作限制,则同样会因距离过近导致旋流的产生。参考国内规范对吸水管喇叭口的安装要求,国家标准《建筑给水排水设计标准(GB 50015—2019)》中规定吸水管与吸水管之间的间距不宜小于3.5倍吸水管管径,但若参照该净距布置消防水泵的吸水管,则会因距离过近从而导致旋转防止器无安装空间。因此,当旋流防止器用于消防水泵吸水管上时,为满足其安装空间同时兼顾相互之间吸水的影响,吸水管之间的净距宜满足不小于5倍吸水管管径的要求。

2)旋流防止器与最低有效水位的净距,美国、欧盟规范与国内规范规定分别为0、100、200 mm(高位消防水箱为150 mm)。国内规范规定的净距最大,也就是说,按国内规范设计的消防水箱(池)的无效容积也是最大的。根据目前提供的产品样本,大部分国内生产厂商是根据欧盟标准进行生产的,即旋流防止器距最低有效水位的净距最小可不小于100 mm。故建议旋流防止器与最低有效水位的净距(即淹没深度)可进一步缩小至100 mm,以最大化地利用水箱(池)的有效容积。

3)美国规范在满足其规定的尺寸要求前提下,旋流防止器可以现场制作安装,而不必选择定型产品,而欧盟及国内规范更倾向于采用定型产品。采用定型产品有助于产品的标准化制造与安装,减少因现场制作而造成的瑕疵,对规范消防产品的安装及后期验收起到重要的促进作用,但国内尚未出台旋流防止器的相关产品标准。因此,相关产品标准的制定将是十分必要的。

3 结 语

作为消防给水系统中的一个重要管件,国内规范对旋流防止器的安装规定较为简单。今通过与欧美消防规范的对比分析,特对其设计应用提出以下几点建议,同时相关参数可供规范参考：

1)旋流防止器在消防水池最低有效水位下的淹没深度应根据产品确定,但最小淹没深度不应小于100 mm；

2)旋流防止器与水箱(池)壁的净距应不小于0.5倍吸水管管径；

3)安装有旋流防止器的水泵吸水管之间的净距,宜不小于5倍吸水管管径；

4)须尽快出台旋流防止器的相关产品标准。