基于PIPENET的干式消火栓系统工况模拟分析

王卫东

摘 要：寒冷及严寒地区无采暖的建筑采用干式消火栓系统，利用PIPENET软件对干式消火栓系统进行了工况模拟，通过模拟数据，分析了管网规模、入口压力、排气能力与充水时间的关系。

关键词：干式消火栓系统;PIPENET软件;充水时间;入口压力;排气阀;快速启闭装置

中图分类号：TE88 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0180-02

0 引言

我国北方大部分地区为严寒、寒冷气候区属，其分区指标为采暖度日数HDD18，HDD18≥3800属于严寒气候，2000≤HDD18<3800为寒冷地区，采暖度日数HDD18为一年中，当某天室外日平均温度低于18℃时，将该日平均温度与18℃的差值乘以1d，并将此乘积累加，得到一年的采暖度日数。严寒及寒冷地区的一些建筑无采暖设施，或局部无维护结构并与室外相通，但根据相关防火规范的要求需要设置消火栓给水系统[1]，无防冻措施的湿式消火栓给水系统会因冬季冰冻而无法使用;地下汽车库不采暖，或为了自然排烟而开设洞口，冬季室内温度基本等同于室外温度，为保证消火栓系统正常运行，经常采取的措施为电伴热保温、干式消火栓系统等，电伴热保温消耗能源，因此本文对干式消火栓系统进行研究，并通过工程实例进行模拟工况分析。

1 规范要求

《消防给水及消火栓系统技术规范》GB 50974-2014第7.1.3条规定[2]：室内环境温度低于4℃或高于70℃的场所，宜采用干式消火栓系统。第7.1.6条规定干式消火栓系统的充水时间不应大于5min，并应符合下列规定：在供水干管上宜设干式报警阀、雨淋阀或电磁阀、电动阀等快速启闭装置;当采用电动阀时开启时间不应超过30s;当采用雨淋阀、电磁阀和电动阀时，在消火栓箱处应设置直接开启快速启闭装置的手动按钮;在系统管道的最高处应设置快速排气阀。

干式消火栓系統因为其内充满空气，打开消火栓后先要排气，然后才能出水，因出水滞后而影响灭火，因此充水时间不应大于5min，此充水时间是快速启闭装置开启到系统排气完成所需要的时间。地下汽车库室内消火栓设计流量为10L/s，计算管道最大容积为：10（L/s）×5min×60=3000（L）。

2 模拟软件

PIPENET软件于七十年代起源于剑桥大学，在经历了近三十年的拓展与研发之后，已广泛应用于石油化工、工业循环水以及跨流域输送等行业。该软件不仅是一个高效、简洁、准确的计算工具，更是一个强大的工程设计优化平台;工程管网系统的计算和优化、设备的选型以及事故工况下的水力分析均可在PIPENET平台下实现。PIPENET是目前国际工程界专业消防系统设计计算软件，符合NFPA（美国消防协会）、FOC（英国消防协会）以及GB（国标）等消防规范对消防系统设计的各种强制性计算要求。可满足舰船、海洋平台、石油、化工、电站等行业对消防系统严格且特殊的设计要求。

3 实例介绍

某地下车库干式消火栓系统设计流量为10L/s，两股水柱同时到达各处，消火栓流量为5L/S（300L/min），栓口压力不小于0.25MPa（2.5bar），见图1所示，管道长度及容积见表1所示，此系统管道容积为3955.05L，超出根据规范的计算数值3000L。

以上实例通过PIPENET计算软件模拟，模拟过程见表2所示。

模拟工况1：消火栓1、2呈开启状态，快速启闭装置开启时间10S-35S，开启历时25S，入口压力为0.3MPa;模拟计算结果见图2、图3所示，当105.5S时，也就是快速启闭装置动作95.5S后，最不利点消火栓1流量为5.18L/s（311L/min），压力为0.268MPa（2.68bar），符合消防流量和压力要求;快速启闭装置开启过程中，管段压力和流量发生强烈的震荡变化，最不利点消火栓1瞬间达到2.051MPa（20.51bar）的压力，消火栓的压力变化导致消防员无法握住消防水枪，进行灭火操作。

4 充水时间和管网体积

模拟工况2：消火栓均为关闭状态，快速启闭装置开启时间10S-35S，开启历时25S，电磁阀开启时间10-15S，历时25S，排气阀特征系数K为80，入口压力为0.3MPa;模拟计算结果见图4所示，排气时间106.8S，充水时间96.8S，不超过2min，远远小于5min的要求，而本系统管网容积已接近4000L，可见通过体积除以流量的简易算法是不准确的，不能描述实际的工作状态。

5 排气阀与充水时间

模拟工况2、3、4改变排气阀流量系数，排气阀流量系数K模拟工况2为80，模拟工况3为40，模拟工况4为20。从图4、图5可见，排气时间及充水时间分别为96.8S，98.7S，99.8S，可见虽然流量系数变小，排气能力降低，充水时间延长，但效果不明显，排气能力对充水时间影响较弱。而对于模拟工况1，两个DN65消火栓远大于排气阀排气能力，充水时间为95.5S，比96.8S仅缩短1.3S，印证了上述结论。

6 入口压力与充水时间

模拟工况图3、图4、图5改变入口的工作压力，模拟工况2入口压力为0.3MPa，模拟工况5入口压力为0.6MPa，模拟工况6入口压力为0.9MPa。从图5可见，排气时间及充水时间分别为96.8S，71.3S，60.8S，入口压力增大，排气和充水时间缩短，效果较明显。

7 充水时管网状态

模拟工况2的入口压力为0.3MPa，模拟工况5的入口压力为0.6MPa，其快速启闭装置开启过程中，快速启闭装置前管段压力和流量发生强烈的震荡变化，模拟工况2压力最大振幅为1.593MPa（15.93bar），模拟工况5压力最大振幅为1.349MPa（13.49bar），入口压力增大，最大振幅减小，但最大压力增高。

8 结语

根据以上的模拟数据分析，本文得出以下结论：干式消火栓系统管网规模是决定充水时间的基础;系统压力影响干式消火栓系统的充水时间，压力增大，充水时间减少;排气阀的排气能力对充水时间有一定的影响;从快速启闭装置开启到充水结束这段时间，管网压力曲线呈现强烈的震荡，说明管网同步震动，应注意管道支吊架的牢固和稳定，防止管网受冲击而损坏，同时也可设置消能装置以缓解剧烈的压力变化;以管道容积除以设计流量而求得充水时间的方法不准确，一般会比实际充水时间长，正确的数据应按管网的实际情况通过模拟计算取得。

参考文献

[1] JGJ 26-2010.严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].

[2] GB 50974-2014.消防给水及消火栓系统[S].