摘要：本文主要针对220kV变电站消防给水系统设置的实例展开了分析，详细阐述了变电站消防给水系统的设置依据，提出了问题，并结合具体的实例作了探讨，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：变电站；消防给水；系统
0 概述
消防给水系统作为变电站消防设施的关键设施，对于变电站的稳定运行有着极大的帮助。因此，我们需要重视变电站消防给水系统的安装设置工作，以加强变电站的消防功能。基于此，本文就220kV变电站消防给水系统设置的实例进行了分析，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 变电站消防给水系统的设置依据
（1）规范规定单台容量在125MW及以上的独立变电所可燃油油浸电力变压器应设置水喷雾灭火系统。
（2）根据《火力发电厂与变电所设计防火规范》（以下简称《火规》），当主控制楼不采取防止电缆着火后延燃的措施时，火灾危险性为丙类；当采取防止电缆着火后延燃的措施时，火灾危险性为戊类。
（3）根据《建筑设计防火规范》（以下简称《建规》）第8.1.1条，仅当主控制楼为体积不超过3000m3的戊类厂房时可不设消防给水。根据《建规》第8.4.2条，当主建筑为体积不超过5000m3的戊类厂房或主建筑被看作可燃物较少的戊类厂房时可不设室内消防给水。
（4）室外水消防系统设置遵守原则：设置水喷雾灭火系统时同时设置室外水消防系统；未设置水喷雾灭火系统时可不设室外水消防系统（主控制楼火灾危险性为丙类除外），但有条件时最好设置供消防车取水的消防水池。
2 问题提出
鉴于以上原则，在220kV以上变电站工程设计中，当既要设置水喷雾灭火系统又必须设置主建筑室内消火栓时，消防给水包括主变压器消防的水喷雾系统、主建筑的室外消火栓和主建筑室内消火栓。
水喷雾系统要求消防泵水压在80m左右，流量约100L/s；而室内消火栓应满足《建规》第8.6.2条“室内消火栓栓口的静水压力应不超过80m水柱，消火栓栓口处的出水压力超过50m水柱时应有减压设施”的要求。两个系统的水量、水压差别很大，因此通常需要设置两组消防水泵来满足两个系统各自的水量、水压要求。但是设置两组消防水泵，稳压泵组和气压罐都应为两组，同时泵房面积加大，投资增加很多。所以考虑仅选用一组消防泵使其参数满足水喷雾系统的大流量、高扬程工况，同时这一泵组也用于消火栓系统，通过在消火栓后加装合理孔径的孔板减压、节流使消火栓出水压力在合适的范围之内。
3 工程实例
3.1 消防给水系统
一变电站的消防给水系统如图1所示。主建筑设两支室内消火栓，消火栓为DN65型，配25m长的维尼龙帆布水带和19mm水枪。
图1 消防给水系统.png)
3.2 水泵选择
水泵参数的选择应兼顾水喷雾与消火栓系统的要求。水喷雾系统要求水泵的压力最低要在80m水柱左右，为满足室内消火栓栓口的静水压力不超过80m水柱，水泵的最大压力就不能超过80m水柱，所以选择水泵扬程应略低于80m水柱为好。水泵的流量根据水喷雾系统的用水量与消火栓的用水量之和选择。系统的最小用水量为只有一只水枪投入使用，系统的最大用水量为多只水枪与一台变压器水喷雾同时投入使用，因此系统的流量变化很大。为保证流量变化大的情况下系统压力变化不大，水泵在消火栓系统的流量范围内水泵的P-Q曲线必须平坦。综合以上条件选择水泵三台，两运一备。水泵的P-Q曲线见图2。
图2 水泵的P-Q曲线.png)
3.3 水力计算
3.3.1 计算思路
当消防给水系统中只有一只水枪投入使用时，由于干管中的水流量最小，管路的阻力最小，消火栓的压力最大。因此孔板孔径应能满足只用一只消火栓时的出水压力不超允许值。
将管路阻力分解为4部分：
（1）从水池的吸水口到消火栓的管道阻力；
（2）消火栓与减压孔板组合的局部阻力；
（3）水带阻力；
（4）水枪口压力。
分别绘制以上4部分的管路特性曲线，将4部分特性曲线压力值叠加得到整体管路特性曲线。取水泵组的P-Q特性曲线与管路特性曲线的交点得到运行工况点。调整孔板孔径从而调整管路特性曲线，当运行工况点移动到合适范围便得到了孔板的合理孔径，进而求得运行工况点的各个参数。
3.3.2 计算过程
（1）管道阻力计算
沿程阻力计算采用下列公式：
当v＜1.2m/s时，.png)
当v≥1.2m/s时，.png)
式中，
Hf——管道的沿程阻力，MPa；
i——管道单位长度的水头损失，MPa/m；
v——管道内的平均水流速度，m/s；
d——管道计算内经，m；
L——管道长度，m。
局部阻力计算采用公式：.png)
式中，
Hj——管道各局部水头损失之和，MPa；
Σξ——管道局部阻力系数之和；
v——平均水流速度，一般指局部阻力后的平均水流速度，m/s；
g——重力加速度，9.8m/s2。
（2）水带阻力.png)
式中，
Ad——水带的比阻值，（本例中选用65mm维尼龙帆布，其值为0.0430）；
Ld——水带长度，m；
Qxh——消火栓流量，L/s。
（3）水枪压力
水枪的压力、流量、充实水柱长度的对应关系按水枪的特性表查找，参见《建筑给水排水设计手册》第二册表2-20。表中空缺数据用插值法和下面的参考公式计算出。.png)
式中，
Hq——水枪的压力，MPa；
Q——水枪的流量，L/s；
Hc——水枪的出水水头，MPa；
k——水枪的流量特性系数，由表中的已知数据导出。
（4）减压孔板与消火栓组合水头损失.png)
式中，
Hk——减压孔板与消火栓组合的水头损失，104Pa；
d——孔板孔径，mm；
D——消火栓内径，mm。DN50管内径为53mm，DN65管内径为68mm；
v——管内流速，m/s；
g——重力加速度，9.8m/s2。
（5）水枪反推力.png)
式中，
F——水枪的反力，N；
Q——水枪的流量，kg/s；
v——水枪的出水流速，m/s。
将上述公式与管网信息输入计算机，给定孔板的孔径为管道直径，把流量作变量从0～10L/s以0.1L/s为步长进行计算，便得到不设孔板时各个管段的管道特性曲线如图3所示。运行工况点为总阻力与水泵性能曲线的交点。显然，当孔板孔径为管道直径时，栓口的出水压力大于50m水柱，不符合要求，需要调整孔板孔径。
图3 孔板的孔径为管道直径时的管段阻力特性图.png)
从图上能够看出，只有当运行工况点位于栓口的出水压力与50m水柱交点的左侧时，栓口的出水压力才不大于50m水柱。另外，室内消火栓的最低工作压力应按水枪的充实水柱长度不小于7m确定，查水枪的流量、充实水柱长度的对应关系表得知，当水枪流量大于3.8L/s时水枪充实水柱长度大于7m，所以运行工况点必须位于3.8L/s线的右侧。于是，利用二分法将DN65消火栓的孔板孔径可能值输入计算机迭代，很快得到孔径允许值的最大值与最小值。当孔径取最小值15mm时，栓口压力取得最小值11m水柱（图4）。当孔径取最大值26mm时，栓口压力取得最大值50m水柱（图5）。
图4 孔板的孔径为15mm时的管段阻力特性图.png)
图5 孔板的孔径为26mm时的管段阻力特性图.png)
此时，将最大值与最小值取代数平均值为近似最优值，也可以进一步将孔径的允许值利用二分法迭代，得到当流量最接近额定流量5L/s时，孔径取得最优值为18mm（图6），此时水枪充实水柱长度为12.67m，水枪的反力为106N。
图6 孔板的孔径为18mm时的管段阻力特性图.png)
3.4 最不利情况校验
上面计算了当仅有一消火栓投入使用其余用水处均不投入使用的情况。若其余用水处也有用水，整个水力工况必将发生改变。假设单台主变压器的水喷雾系统启动，同时消火栓系统所有消火栓全部投入使用，这时由于干管流量增加而导致压降增加。水泵的工作点向右移动，即随着流量增加，水泵的扬程减小，所以消火栓的流量会激剧下降。为了能够准确了解此时消火栓的工作情况，需作该工况下的校验。
图7 水泵运行工况校验图.png)
如图7所示，消火栓系统与水喷雾系统共用水泵组，两个系统从水泵后的出水母管分开。作出水泵组的性能曲线1，然后作出母管到水池吸水口管道特性曲线，水泵组的性能曲线减去母管到水池吸水口管道特性曲线得到母管的出水性能曲线2。假设有4只消火栓使用作出它们的水枪出口至母管的管道特性曲线3，最后作出一变压器水喷雾系统喷头至母管管道特性曲线4。因为母管的出水水量为水喷雾系统的水量与消火栓系统的水量之和，所以系统稳定运行时的工况点为曲线3与曲线4的横向叠加后形成的曲线5与曲线2的交点A。过A点作水平线，则这一水平线为母管的压力线6。线6交曲线3于B点，线6交曲线4于C点。B、C点分别为消火栓与水喷雾的工况点。从图上可以看出，当系统运行稳定时母管约为50m水拄。此时，水喷雾系统的流量约为100L/s，喷头压力大于0.35MPa，符合要求。单只消火栓的流量为4L/s，充实水柱长度为7.5m，符合要求。
4 结论及其它事宜
（1）通过本工程的计算发现，当给水系统既有水喷雾又有室内消火栓时，只选用一组消防水泵为两个消防给水系统工作是可行的。与设置两组消防泵比较，投资节约很多，但是无论是消火栓还是水喷雾，其运行工况都不如设置两组消防泵理想。
（2）关于孔板的孔径，以上事例从流量和充实水柱长度的角度校验是可行的。《建规》第8.6.2条条文说明中有“减压后消火栓处的压力不应小于25m水柱。”按照25m长的DN65水带配19mm水枪计算，当消火栓处的压力为25m水柱时，水枪的流量为6L/s，充实水柱长度为13.5m。显然，“消火栓处的压力不应小于25m水柱”的要求更加苛刻。若要满足这一要求，经计算，在单只水枪使用时孔板的孔径最小值为24mm。前面已经算得孔径可取最大值26mm，这样一来，孔板孔径值的可行区间很小，而且严重偏离额定流量下的最优值。这样的高计算精度要求面对实际工程时通常是难以做到的，所以孔板减压的方法不再实用。
（3）对于变电站的主建筑来说，设置主建筑室内消火栓的消防作用不是很大并且设置的难度较大。因此，在符合规程的情况下尽量避免设置主建筑室内消火栓。在500kV变电站设计中，由于保护下放，主控制楼绝大多数可将体积控制在3000m3以下；而在220kV变电站中，一般保护不下放，主控制楼体积大多超过3000m3，但要尽量控制在5000m3以下。
（4）消防主泵采用变频调速后，可以使系统的压力恒定，消防水泵的选择范围扩大，但投资增加较大。
（5）理论上讲，当只有消火栓投入使用时，应该只启动一台水泵，但这样会使消防备用泵的自动投入控制问题复杂。
5 结语
综上所述，变电站消防给水系统是变电站设施的重要组成部分，在变电站的防火中占有重要地位。因此，工作人员必须对此系统的设置建立起高度的重视，充分考虑各种影响因素，采取有效的措施做好系统的设置工作，以保障变电站的安全稳定运行。
参考文献：
[1]张耀.变电站消防给水系统设计及其问题探讨[J].电力技术.2009（11）.
[2]周志勇、韩本帅、李艳丽、张航、张达、张凡.智能变电站消防蓄水给水智能控制系统研发与应用[J].2013（09）.
论文作者:蔡名辉
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/10/17
标签：消火栓论文; 水枪论文; 孔径论文; 水柱论文; 系统论文; 水泵论文; 变电站论文; 《基层建设》2016年13期论文;