110 kV变电站消防水系统运维分析

沈松斌

(国网福建电力公司诏安县供电公司, 福建 漳州 363000)

0 引言

变电站作为电力系统电能传输的重要枢纽，其安全运行至关重要。变电站内火灾轻则引起设备跳闸损坏，重则可能导致整个区域电网瘫痪，因而变电站消防系统的可靠运行也是重中之重。变电站内的消防系统一般包括灭火器、专用设备消防系统和消防水系统等。灭火器只能用来处理前期小型火灾，对于大型火灾无能为力。专用设备消防系统主要指的是主变配套的灭火系统，即专门进行主变火灾时灭火工作[1,2]。目前变电站内容易发生火灾的场所主要是电缆竖井、电缆沟、酸铅蓄电池室等，该类火灾一旦发展起来，不易扑灭，必须采用另外的消防系统即变电站消防水系统进行灭火。水自身的优良特性以及成本优势使得变电站消防水系统的配套变得理所当然。但是消防水系统作为变电站重要的生产辅助设备，运行人员对其可靠运行重视不足，且对于工作原理、结构设计等往往一知半解。据某地区变电站统计，2021全年由本地区变电站运行人员填报的关于站内消防水系统的缺陷仅为20条，仅仅占到全年缺陷填报数量的10%左右。且由专业人员到现场对各站消防水系统检查发现，现场设备存在较多问题，即缺陷漏报较多，甚至对填报的20条缺陷消缺时发现有5条缺陷为误报缺陷(设备正常，错误地上报为缺陷)，由此可见，现场运行人员对变电站内的消防水系统认识存在较大不足。

1 变电站消防水系统的组成

110 kV变电站消防水系统一般由消防水源、稳压增压设备、管网、消火栓系统等组成。文献[3]规定，主变容量125 MVA以上时需要配置专用灭火装置，而110 kV变电站内主变容量普遍较小，因此一般不会配置专用的灭火装置。

一般意义上的消防水源包括自然水源(江、河、湖、海等)、市政给水、消防水池等。变电站的选址对周围地址环境有一定的要求：一般不会建在离水源地较近的地方，因此变电站消防水系统水源一般不会选择自然水源。当变电站选择市政给水管作为消防水源时，市政给水管网需环绕整座变电站，且消防用水系统要从市政给水干道上直接取水[3]，这显然需要较大的成本，另外市政给水的流量一般无法满足站内消防的需要，因而直接选用市政给水作为消防水源也不现实。因此变电站的消防水源一般选择消防水池。

稳压增压设备用以保证静态时管网内的水维持在一定的压力。火灾发生时，该设备自动启动保持消火栓维持一定的实心水柱压力，即保证一定强度的灭火能力。

消火栓是灭火的终端设备，当发生火灾时，水由消火栓喷出灭火。消火栓按照布置地点不同可分为室外消火栓和室内消火栓。这两种消火栓的使用方法、供水对象不同，在设计时考虑的因素也不同。

变电站内消防水系统各组成部分如图1所示。

图1 某110 kV变电站消防水系统总体布置图

2 消防水系统各部件的设计——以某110 kV变电站为例

某110 kV变电站总面积2 500 m2以上，主控楼为两层结构，进出口在东西两侧。楼顶最高层距离地面达15 m。站内消防水池设计为地上消防水池，预留占地面积为72 m2，设计室内消防用水量为20 L/s，室外消防用水量为30 L/s，市政给水量为10 L/s，火灾持续时间按照3 h计算，消火栓充实水柱不小于13 m，变电站内同一时间内的火灾次数按照一次计算。

2.1 消防水池

2.1.1 消防水池典型结构

变电站内消防水池按照布置位置可分为地下式和地上式。两者在结构上大体相同，只是由于两者消防水位不同导致在消防水泵选型和稳压增压设备启动停止压力选取时有些许不同。

消防水池进水管为市政水管，当水位浮球未到达指定水位时，开放市政水管不间断注水。当浮球到达指定位置时，市政水管被关闭。当水位高于溢水口高度时，消防水池中的水则从溢水口溢出，以保证消防水池内水位不要过高。消防水泵一般安装在消防水池底部的低洼处，以保证消防用水得到充分利用。

2.1.2 有效容量计算

消防水池的有效容积V可表示为：

V=VF-VL

(1)

其中，VF表示变电站消防用水量(m3)，VL表示消防水池进水量(m3)。

变电站消防用水量VF可由下式计算：

VF=3.6Q1t+3.6Q2t

(2)

变电站消防水池进水量VL可由下式计算：

VL=3.6QLt

(3)

上式中，Q1表示室内消火栓流量(L/s)；Q2表示室外消火栓流量(L/s)；QL表示消防水池进水流量(L/s)；t表示火灾延续时间(s)。

结合案例变电站提供的流量、时间等参数可得消防水池的有效容积为：

V=3.6(Q1+Q2-QL)t=3.6×(30+20-10)×3=432 (m3)

消防水池的设计容积应比有效容积稍大一些，这里取450 m3。

2.2 稳压增压设备

变电站内的消防水系统为稳高压水系统，平时管网内的水基本处于静止状态，在稳压设备的作用下维持一定范围的压力。当发生火灾时，管网内压力急剧下降，启动消防水泵提高管网压力用以满足灭火所需的流量要求。稳压增压设备一般布置在水泵房内，主要包括稳压泵、消防泵、电控柜、压力罐等，稳压泵和消防泵均配置两台，采用一主一备的方式运行，如图2所示。

图2 稳压增压设备

2.2.1 工作原理

在正常情况下消防水系统管网内水是不流通的，其对管壁保持一定的压力(即静压)。当管网发生渗漏等泄压情况时，静压下降，下降至Ps1时稳压泵开始工作加压，当加压至Ps2时，稳压泵停止工作，即消防管网中的静压保持在(Ps1～Ps2)。发生火灾后，从消火栓喷射出大量消防用水，管网内水开始快速流动，导致管网动压下降，当下降至P2时，消防水泵开始工作对管网进行增压，同时关闭稳压泵，这样在消防水泵增压作用下，消防用水设备能保持一定出口压力，从而更好地控制火情[3,4]。

2.2.2 压力阈值计算

消防水泵的启泵压力P2可按照下式得到：

P2=(P1+0.1)/α-0.1

(4)

P1表示站内最不利点发生火灾时的消防压力(MPa)；α表示气压水罐调节容积系数，可从气压水罐的技术参数表中得到。P1可以通过下式得到:

P1=H1+H2+H3+H4

(5)

其中，H1表示最不利点消防设备的静水压力(MPa)，H2表示管网沿程和局部压力损失之和(MPa)，H3表示消火栓及消防卷带(水龙带)的压力损失(MPa)，H4表示水枪充实水柱长度所需压力(MPa)。

本例中消防水池占地面积为72 m2，由此可得其最大深度为5.5 m，池底潜水泵放置在低洼凹槽处，可认为消防水池的最低水位为0 m，由此可得H1为0.15 MPa，H4为0.13 MPa。由于H2、H3的计算比较繁琐，此处为节省篇幅，将两者的和记为0.02 MPa。若选择型号为SQL600×0.6的隔膜式气压水罐，通过查表可知其α为0.8，即可得到P2，如下所示。

稳压泵的启泵压力Ps1可按下式进行选择：

Ps1=P2+(0.02～0.03)=0.42～0.43 (MPa)

稳压泵的停泵压力Ps2可按下式进行选择：

Ps2=Ps1+(0.05～0.06)=0.47～0.49 (MPa)

2.2.3 水泵设计扬程

(1)稳压水泵扬程

稳压水泵扬程或设计压力Pw(1 MPa的压力约等于100 m扬程)一般按照下式进行取值：

Pw=(Ps1+Ps2)/2

(6)

因此带入上一小节关于Ps1以及Ps2的取值可得：

Pw=0.445～0.46 (MPa)

(2)消防水泵扬程

消防水泵是消防水系统的增压设备，其扬程(或设计压力)P在现场设计时可按照下式计算：

P=k2(∑Pf+∑Pp)+H1+P1

(7)

其中，K2表示安全系数，可取1.2～1.4；∑Pf表示变电站内消防管网所有管道沿程水头损失之和(MPa)；∑Pp表示变电站内消防管网所有管件和阀门等局部水头压力之和(MPa)；

在本例中，若将∑Pf+∑PP记为0.02 MPa，K2取1.3，可得消防水泵设计扬程为：

P=1.3×0.02+0.15+0.3=0.476 (MPa)

2.3 消防管网

消防管网是消防水泵至消火栓之间的通道，其沿变电站围墙围绕主控楼环状埋设如下文中图4所示。管网直径是根据流量、流速、压力等要求计算确定，一般不小于DN100。当主控楼分为多层，且每层必须设置消火栓时，室内管网采用立管布置，在穿越楼层时采取防护套管等保护措施。

2.3.1 地下敷设消防管网的材质及防腐

消防管网在室外地下埋设时，一般需要考虑系统压力、覆土深度、土壤性质、管道耐腐蚀能力等因素的影响来选择合适的材质和施工工艺。目前比较常用的材质是镀锌钢管，施工时在管壁外侧刷冷底子油一道，石油沥青二道；当覆土腐蚀性较强时，应加强防腐：在管壁外侧刷冷底子油一道、石油沥青一道、玻璃布一层，冷底子油一道，石油沥青一道，总的厚度要求不大于6 mm。在管网焊接处，应涂刷二道防锈漆，并包扎纤维布一道后，再刷石油沥青二道。

2.3.2 管网覆土深度

当敷设消防管网时，覆土深度不得小于600 mm，当经过变电站内巡视通道时，覆土深度不得小于700 mm；当消防管网与电缆沟或其他沟道相碰时，应按照下图所示做法施工。

(a)俯视图 (b)剖面图 图3 消防管网与电缆沟相撞时施工做法

图3中A表示消防管网下折处与电缆沟之间距离；B表示电缆沟外壁宽度。

A应满足：A=管中标高-电缆沟底标高+0.5 m，即管网下折处与电缆沟之间的距离与管网下折深度相等。

2.4 消火栓

室外消火栓是为消防车提供水源，通过消防车自带的吸水管与消防车泵进水口连接或与消防水罐连接供水。而室内消火栓是利用箱内水枪或卷带直接连入箱内出水口，由现场人员操作完成灭火工作[5]。

2.4.1 室外消火栓

一般来说室外消火栓有两个出水口，可供给消防车上两只水枪用水。若要求每支水枪充实水柱为SK，那么室外每个室外消火栓的计算流量可表示为：

Qfj=KβSk/2

(8)

其中，β表示水枪流量系数，k表示一个常数。

当消防车水枪喷嘴口经为19 mm时，系数k取13.5，β取0.157 7，可得室外每个消火栓的流量为：

本例中室外消火栓的设计流量为30 L/s，因此室外消火栓的数量为：

其中,Q2表示变电站室外总用水流量(L/s)。由于消火栓的数量只能为整数，因而此处取3支(若计及楼顶测试压力用室外消火栓，见图4(b)，数量应取4)。室外消火栓沿着围墙均匀布置，布置如图4(a)所示。

(a)室外消防栓布置图 (b)室内消防栓布置图图4 变电站全站消火栓布置图

2.4.2 室内消火栓

变电站室内消火栓一般装设于主控楼各层主要出入口旁边，因此数量一般是确定的，只需校验单侧消火栓保护半径是否可以覆盖整个主控楼全域。

室内消火栓的保护半径可按下式计算：

R0=k3Ld+Ls

(9)

其中，R0表示消火栓的保护半径(m)；K3表示消防水带弯曲折算折减系数，根据消防水带转弯数量取0.8～0.9；Ld表示消防水带长度(m)；Ls表示水枪充实水柱长度在平面上的投影。

假设室内消火栓的水带长度为25 m，K3取0.85，充实水柱长度13 m(投影长度为13×0.707=9.19 m)，可得室内消火栓保护半径为：

R0=0.85×25+9.19=30.441 (m)

该保护半径小于主控楼两侧安全出口的距离(35 m)，即每层楼都应在安全出口旁设置一个室内消火栓，如图4(b)所示。

另外，消火栓的栓口压力越大，反作用力也越大，而室内消火栓的操作对象一般为非消防专业人员，因此规定室内消火栓栓口压力也不能大于0.5 MPa。

3 消防水系统错报、漏报缺陷分析

现场运行人员对变电站内的消防水系统认识不足，在检查中发现，某地区变电站运行人员关于消防水系统填报缺陷存在错报、漏报情况。针对一些常见问题，依据设计，对缺陷故障进行简要分析。

3.1 错报缺陷

几种典型的错报缺陷及现场实际检查情况如表1所示。

表1 几种典型的错报缺陷及现场检查情况

通过表1可知，消防水系统的错报缺陷主要是由于现场人员对消防水系统结构、原理认识不足所致。

3.2 漏报缺陷

专业人员对消防水系统进行维保时发现诸多问题，即运行人员对现场设备缺陷存在较多漏报之处，归纳如表2所示。

由表2可知，消防水系统的漏报缺陷一般并不容易发现，但这类缺陷往往对消防水系统运行有见微知著的监视作用。现场人员只有对消防水系统的设计要求、规范等细节了熟于心，才能更容易地发现这类缺陷，进而才能对整个系统进行更全面细致的检查维护，使其更好地发挥其应有的作用。

4 结论

变电站内设备繁多，火灾隐患较大，消防水系统能否可靠工作直接关系到站内设备的稳定运行[6]。通过现场调研，现场人员对消防系统的认识存在较大不足。本文通过分析变电站内典型消防水系统的组成，给出了消防水系统各部分的设计原理，旨在提高现场运行人员对消防水系统的认识程度，强化维护及消缺能力，进而为保证变电站内各设备可靠运行提供支撑。