水消防计算及利用宏命令平衡水消防系统

1.上海海事大学 船舶设计部 上海 200135 2.上海船舶运输科学研究所 上海 200135

水消防系统的作用是在船舶发生火灾意外时有效地提供消防水，确保船舶安全。各船级社对消防栓出口压力均有要求，SOLAS公约也有明确规定。为保证设计合格的消防水系统，保证消防栓出口处消防水的压力满足要求，就需要进行水消防系统计算。

1 计算原理

液体沿管路流动时会发生阻力损失，而管段形状的变化以及阀件等更会加剧这种阻力损失；此外，消防栓与消防泵的出口之间存在一定的高度差，又造成静压损失。这两部分压头损失的代数和就是泵的压头所需要克服的阻力损失。根据流体力学原理，总的压头损失Htotal为[2]：

Htotal=Hf+Hm+∑He

(1)

式中：Hf——系统总的沿程阻力损失；

Hm——系统总的局部阻力损失；

∑He——系统总的静压损失；

λ——摩擦阻力系数；

ζ——沿程阻力系数；

L——管段长度；

d——管子直径；

v——管路中液体的流速；

g——重力加速度；

ρ——液体密度；

h——液体与泵出口之间的高度差。

流量Q方程为：

(2)

故有

(3)

流体在某一节点分流时，其稳定后流量的分配并不是完全由支路口径的大小来决定，而是取决于分配稳定后，各支路的阻力损失是否相等。这样可以利用宏命令，借助计算机来自动平衡整个水消防系统，进而得知是否满足规范的相关要求。

2 系统阻力计算

结合实例介绍系统自动平衡整个水消防系统阻力计算。

2.1 绘制水消防系统简图

所谓系统简图就是根据设计好的水消防系统，绘制一个大概的走向图。根据简图选取局部阻力系数，故简图应尽可能反映已设计好的水消防系统的整体走向。

图1 某船的水消防系统简

2.2 水消防系统阻力计算

事实上，仅仅只需要计算最高的两只消防栓以及最远的两只消防栓，对于装载危险品的船舶，就需要计算最远的4只消防栓。因为它们的压力损失最大，如果它们的出口压力都可以满足要求，其它的应该没问题。

由式(3)可知：只要知道了λ和ξ(而管段的长度、管段的口径以及其相对高度都可以从水消防系统图中获取)，就可以假定所需计算的最远或最高的消防栓的出口流量，然后根据流体的不可压缩性，进而求得整个系统的流速以及压力损失分布。然而，此时的系统几乎不可能是平衡的，因为所假定的流量是随意的。这时借助宏命令来自动平衡整个水消防系统。所以首先必须知道λ和ξ。

2.2.1 摩擦阻力系数

λ的大小因流动状况而异，应根据雷诺数和管子粗糙度来计算[2]。

(4)

式中：μ——动力粘度。

通常，Re>2 300时，流动为紊流；Re<2 300时，流动为层流。船舶水消防计算中几乎全部是紊流。对于一般工艺管，Re≥59.5ε-1.143时(实际几乎都满足该条件)：

λ≥0.093ε0.25

(5)

式中：ε——相对几何粗糙度。

(6)

式中：e0——绝对几何粗糙度，对使用后的钢管常取e0=0.2；

r——管子内半径。

从公式(4)、(5)、(6)可以看出，只要假定了相应的流量，借助Excel，将相应的公式进行编辑，就可以求出各个管段的摩擦阻力系数λ，详见表1。

2.2.2 局部阻力系数ζ

局部阻力系数ζ可以查表求得[1]。

表1中，流量是假定的，且前面所提及的公式，均通过Excel编辑到相应的表格中了。例如：行6雷诺数计算，该行表中的数据均是根据公式栏中的公式，利用对应列中的数据计算所得。此外，表中管段1～2表示从节点1到节点2，其它依次类推，节点编号详见图1。

2.2.3 利用宏命令自动平衡消防系统

表1显示了假定消防栓出口流量的情况下整个水消防系统的分布情况。由于消防栓的出口流量是任意假定的，此时整个系统极有可能不平衡，这就需要用宏命令来自动平衡整个系统。

表1 假定流量情况下的水消防系统分布

消防栓的出口压力H与出口流量G存在如下关系[2]：

(7)

以出口管段7～8为例，从表1可知假定的消防栓出口流量Q1=50 m3/h。而从消防泵出口到该消防栓出口的管路总的阻力损失可以从表1得到，只要用该消防栓出口压力减去其管路总的阻力损失就得到消防栓的计算出口压力H，把H代入(7)，可得出口流量Q2=22.37 m3/h，比较Q1与Q2不难发现，两者并不相等。也就是说整个系统处于非平衡状态。利用宏，在EXCEL中，打开Visual Basic编辑器，输入下述宏：

Sub 最高2个()

100 While Abs(Range(“k26”).Value-Range(“k27”).Value) > 0.0001

Range(“k10”).Value = Range(“k28”).Value

Wend

200 While Abs(Range(“p26”).Value-Range(“p27”).Value) > 0.0001

Range(“p10”).Value = Range(“p28”).Value

Wend

If Abs(Range(“k26”).Value-Range(“k27”).Value) > 0.0001 Then GoTo 100

If Abs(Range(“p26”).Value-Range(“p26”).Value) > 0.0001 Then GoTo 200

End Sub

表2 平衡后的水消防系统分布

运行上述宏命令后，很快就可以实现整个系统的平衡。平衡后的水消防系统见表2，尤其是对装载危险品的货船，根据规范要求相应的货舱应设置4只消防栓，只需要将上述程序加以改进，就可以在几秒钟内使整个系统平衡。

3 结束语

水消防系统计算是很有必要的和意义的，它不仅可以为船检检验全船消防系统提供依据，同时也可以避免船舶建造后，水消防系统的许多不必要的返工。利用传统的计算方法，需要投入大量的时间和精力去计算才能达到整个系统的平衡，即满足有关规定的相关要求。这显然无法满足船东对船舶设计和建造周期越来越短的要求，利用宏命令在很短的时间内就可以平衡整个水消防系统，大大提高了工作效率。

[1] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册(轮机分册)[M]. 北京：国防工业出版社，1999：593-611.

[2] 船舶设计实用手册编委会.船舶设计实用手册(动力装置)[M]. 北京：国防工业出版社，1964：445-470.