消防水泵自灌式启泵水位设置探析

章建玲

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

0 引言

目前,我国的发电厂处于高速发展的阶段,其设备的装机容量越来越大，并且发电厂生产工艺过程复杂,火灾隐患相对较大,一旦发生火灾,若不能及时扑救，就会造成严重经济损失。

在发电厂灭火系统设计中，消火栓系统是扑救、控制建筑物初期火灾最为基础的灭火系统。另外，对电厂的电缆夹层、主厂房内的油设备及油管道以及变压器等主要建（构）筑物和设备均需采用自动喷水/水喷雾/水幕等水灭火系统，因此,整个电厂水消防系统设计的可靠性至关重要。

发电厂的消防水源通常采用消防水池，消防水泵是消火栓给水系统或自动喷水灭火系统等消防水系统的重要组成,消防水泵能否正常启动,对扑灭火灾具有极其重要的影响。

1 发电厂消防给水系统设计现状

发电厂消防水系统通常采用临时高压消防给水系统，采用消防水池作为消防水源，采用消防水泵升压供水。文献[1]规定,为保证消防水泵随时可以启动，并且能可靠供水，消防水泵应采取自灌式吸水，并且为强制性条文，设计时必须严格执行。基于自灌式吸水的要求，目前有两种不同的观点，由此产生两种不同的设计方案。

1.1 消防水池最高水位符合自灌式吸水要求

发电厂消防水泵一般采用卧式离心泵。通常情况下,消防用水与工业用水合用水池，称为工业消防水池，布置在消防水泵房旁边。消防水泵房为地下或半地下式,如图1所示。工业消防水池的池底标高和消防水泵房底板的地坪标高相同,消防用水容积在消防最高水位（-1.5 m）和最低水位(-3.0 m)之间，消防水泵泵轴中心线设于消防最高水位以下较高部位。

图1 发电厂消防泵房及水池高程图（一）

正常情况下，工业消防水池的水位高于或等于消防要求的最高水位，消防水泵处于自灌式启泵吸水状态。同时，吸水管喇叭口淹没于消防水池最低有效水位（-3.0 m）以下至少600 mm，满足消防水池的有效储水量或有效水容积能被全部利用，并满足消防水泵在水池最低有效水位时能安全运行[1]。

1.2 消防水池最低有效水位符合自灌式吸水要求

目前有些设计人员认为，上述布置方式仅满足消防水泵在正常情况下初始自灌式启泵的要求，以下两种情况将会导致消防水泵不能自灌式启泵。

（1）因为工业消防合用水池，火灾发生时，工业消防水池的水可能被工业水泵抽走，其水位本身就可能低于消防水泵自灌式启泵要求水位以下。

（2）发电厂消防给水系统都设有备用消防水泵。火灾发生初期，第一台消防水泵从伺应状态进入工作状态，此时工业消防水池的水位是处于消防最高水位，消防水泵处于自灌式吸水启动位置。但在灭火的过程中，启动第一台消防水泵灭火一定时间后，由于机械或供电方面的原因，需要启动备用消防水泵供水灭火时，消防水池的水位可能已经降至消防水泵自灌式吸水启动水位以下，此时便不能保证备用消防水泵随时启动供水，将会延误火灾扑救时间。

基于上述分析，在目前发电厂消防给水系统的设计中，消防水池的最低有效水位应该高于消防水泵的自灌式吸水水位，只有这样才能满足文献[1]规定的消防水泵自灌式吸水的要求。鉴于此，消防水泵房底板高程将低于消防水池池底约0.7～1.2 m。如果工业消防水池池底标高和消防水泵房的底板标高仍然相同,那么会使消防水池池底有1 m左右的水深没有被有效使用。如图2所示布置，某装机容量为2×660 MW的火力电厂消防水泵房的地面低于消防水池池底高程1.15 m。由此，大大增加了消防系统的土建工程量，进而增加了消防系统的投资。

图2 发电厂消防泵房及水池高程图（二）

2 消防水泵自灌式吸水水位的分析

首先，我们分析一下消防水泵自灌式吸水的水位设置情况，关于消防水泵在何种情况下被认为是自灌式吸水，有两种不同的观点：

（1）依据文献[2][3]，根据消防水泵所采用的泵型不同，对满足消防水泵自灌式吸水的水池水位要求分3种不同情况进行了分析，其中对于卧式消防水泵，要使水泵属于自灌式吸水，水池的水位需要高于泵壳顶部放气孔，此时水泵泵壳及其吸水管路是充满水的，如图3所示。

图3 卧式消防水泵自灌式启泵水位

（2）依据文献[1]要求，认为消防水池的水位高于离心水泵出水管中心线即属于自灌式吸水。此时水泵及其吸水管路的只有下半部分是充水的，管道内会存有空气。水泵是否满足自灌式吸水条件，在于其吸水管路内和水泵泵壳内是否充满水[3-6]，因此，上述第一种观点：将水池的水位高于水泵泵壳顶部放气孔作为判断消防水泵是否满足自灌式吸水条件的要求，是比较合理的。

3 发电厂消防水泵自灌式启泵的问题分析

基于上述分析，消防水泵自灌式吸水满足的条件已经明确，以下我们论证一下仅消防水池最高水位符合自灌式吸水的设计是如何满足消防水泵自灌式吸水条件的。

3.1 消防水池的水位状态

针对目前业内认为工业消防水池正常情况下的水位本身就可能低于消防水泵自灌式启泵要求水位以下的观点，首先，消防用水与其他用水共用水池时，都采取了保证消防用水不被他用的工程技术措施。其次，根据GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》第4.3.9条要求，消防水池都设置了就地水位显示装置，并且在消防值班室等有人值守的位置设置显示消防水池水位的装置，有最高水位报警和最低水位报警。消防控制室24 h有人值班，值班人员不少于2人，水池的水位总是处于监视下的。最后，对消防水泵的运行维护管理要求中，文献[1]要求消防水泵在准工作状态下的自动巡检采用变频运行,巡检周期不大于7 d。即使没有设计自动巡检，文献[1]也要求，每周模拟消防水泵自动控制的条件自动启动消防水泵运转一次，且自动记录运转情况。

因此，在正常情况下，消防水池的水位是保持在设计最高消防水位的，且高于消防水泵泵壳顶部放气孔。消防水泵初次启动时，消防水泵(包括备用水泵) 吸水管路及泵壳内是充满水的，图1所示布置能满足消防水泵自灌式启泵的要求。

3.2 水泵吸水管及泵壳的充水状态

针对业内认为消防水泵不能满足自灌式启泵的第二种观点，在火灾期间，工作消防水泵运行一段时间后发生故障，需要启动备用消防泵，而此时碰巧水池水位降到水泵放气孔以下，如图4所示[7，8]，离心水泵最大安装高程度计算公式为：

式中Zs——水泵安装高度，m；

Hg——水泵安装地点液面的大气压力，m；

Hz——水泵安装地点饱和蒸汽压力，m；

∑hs——吸水管路的全部水头损失，m；

NPSH——水泵总气蚀余量，m。

只要水泵的安装高程满足公式（1）要求，那么根据托里拆利实验原理，吸水管内是充满水的，其内部的水不会漏出来，备用消防水泵吸水管路和泵壳内也是保持处于充满水状态[9]，此时如启动备用消防水泵，备用消防水泵也是满足自灌式启泵的要求。

图4 离心水泵安装高程计算图

发电厂火灾延续时间一般按2 h考虑，依据文献[1]要求，消防给水管网安装完毕后，应对其进行强度试验、冲洗和严密性试验。试验压力为1.5倍的系统工作压力，并且不小于1.4 MPa,稳压24 h，管网应无泄漏。因此，备用消防水泵吸水管及泵壳内的水不可能在火灾延续时间内漏光而使吸水管内充满空气[10]。同时文献[1]还要求，水泵吸水管喇叭口淹没于消防水池最低有效水位以下的深度不小于600 mm，这也是保证火灾延续时间内水泵吸水管路及泵壳内不至于通过水面进气，从而保证吸水管路内充满水,使消防水泵能及时启动。因而没有必要如图2所示的布置，将消防水池最低有效水位设计为高于离心消防水泵泵壳放气孔。

文献[11]通过模拟消防系统搭建试验平台，检测消防水泵自灌式吸水及运行的全过程，从实践角度验证自灌式水位、最低有效水位及消防水泵启泵和切换之间的关系，证明消防水池的有效容积应从最低有效水位算起，而最低有效水位与是否高于消防泵吸水管无关。

当然，如果将消防水泵的自灌式启动水位设置在低于消防水池的最低有效水位以下，消防水泵随时启动的可靠性大大提高。但这种消防水泵在任何状态下启动水位都高于自灌式启泵水位的设计，势必会造成消防泵房底板标高的降低或消防水池下部很大一部分容积没有被利用，使工程投资增加。

4 结论与建议

4.1 结论

针对目前对消防水泵自灌式吸水要求的不同理解，本文通过从自灌式吸水需满足的水位要求出发，分析对比了仅消防水池最高水位符合自灌式吸水要求与消防水池最低有效水位符合消防水泵自灌式吸水要求两种情况出发，得出如下观点：

（1）将消防水池的水位高于泵壳顶部放气孔作为满足消防水泵自灌式吸水的条件，是合理的。

（2）发电厂消防给水系统设计时，消防水池的消防最高水位应高于卧式消防泵泵壳顶部放气孔，而消防水池的消防最低有效水位无需高于卧式消防泵泵壳顶部放气孔。

（3）发电厂消防给水系统设计时，消防水池的最低有效水位应高于消防水泵吸水喇叭口以上至少600 mm。当消防水泵吸水管上设置防止旋流器时，最低有效水位可以高于防止旋流器顶部以上至少200 mm[1]。

（4）发电厂消防水池内水位低于离心消防水泵泵壳放气孔高度不能超过依据水泵的汽蚀余量计算的最大安装高程Zs。

（5）若保证消防水泵在消防用水最低有效水位以下自灌式吸水启动，消防给水的可靠性大大提高，但工程造价也将大幅度提高。

（6）在满足消防设计安全要求的前提下，更应注重设计的合理性，不能用过度设计的手段来弥补对使用安全的不明确认知。消防系统的安全一定是以安全管理为前提的，如果不注重系统的日常维护、消防泵的定期巡检，再本质的安全设计也是不安全的。正因为如此，规范从设计、施工、验收、维护管理等各个方面进行了要求，每个环节都应该安装规程规范的要求做好，才能阻止运行过程中意外的发生。

4.2 建议

尽管本文对消防水泵自灌式启泵水位设置进行分析探讨并得出结论，但业内的争论仍然不断,一方面是因为文献[1]本身对自灌式吸水的要求从不同的条文理解存在歧义，另一方面同为国家标准的防火规范，对自灌式引水要求的程度也不尽一致。

（1）文献[1]中5.1.12条规定消防水泵应采用自灌式吸水。对于自灌式吸水，该文献中没有进行专业术语解释，而且自灌式吸水与正压吸水是两个不同的概念，建议规范对自灌式吸水进行明确的专业术语解释。

（2）文献[1]中5.1.17条规定，消防水泵吸水管安装真空表，而且最大量程宜为-10 m，这是一个标准大气压下，对应的水柱的高度。一般理解认为，规范中没有要求水泵吸水管路在灭火过程中为全程正压，而是可以负压上水的。建议规范对灭火过程中是否需要全程正压进水进行统一规定。

（3）文献[5]中对4.3.9条图示中，在左下角明确提示：喇叭口也可在最低有效水位上方出池壁。

（4）同为国标，各个规范对自灌式引水要求的程度不尽一致，有的是“宜”，有的是“应”。如文献[1]中5.1.12条规定：“消防水泵应采取自灌式吸水”，并且为强制性条文。文献[12]中8.8.5条第2款规定：“一组水泵宜采用自灌式引水，当采用负压上水时，每台消防泵应有单独的吸水管”。而文献[13]中8.3.4条规定：“消防水泵应采用自灌式引水方式”。其条文解释为：若采用自灌式引水有困难时，应有可靠迅速的充水设备，如同步排吸式消防水泵。文献[14]中12.2.12条第3款则规定：“消防水泵应采用正压启动或自吸启动，当采用自吸启动时，自吸时间不宜大于45 s”。文献[15]中7.7.2条规定：“每台消防水泵应设置独立的吸水管，并宜采用自灌式吸水”。文献[16]中7.6.3条规定：“水泵应采用自灌式吸水”，但不是强制性条文。

鉴于各设计单位在设计中对消防水泵自灌式吸水的规范使用存在争论，对消防水泵的自灌式吸水条件不甚明确，使得设计人员和审图专家过度理解、过度设计，甚至以言代法。建议有关部门及专家就消防水泵自灌式吸水这一问题进行深入研究、试验,提出统一的规范，提高规范的可操作性，同时提高国家规范的严肃性、科学性和权威性。