高海拔地区消防设施适应性研究

2023-05-20豆宁龙

中国新技术新产品 2023年4期

豆宁龙

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃兰州 730030）

0 前言

在建筑给排水工程设计中，消防设计是非常重要的一项内容，消防水泵、消防水池和消防取水口等都是主要的消防设施，科学地配备消防泵对火灾防控和开展火灾扑救工作具有重要的意义。在实际工程应用和各类科研测试中，低压及常压下的消防水泵各种参数性能研究比较多，但对高海拔低压环境下消防水泵性能参数的研究很少，这就使高海拔地区的工程在消防泵选型中出现一定的困难，如果选择不当，会给灭火工作带来隐患。

消防水池是人工建造的供消防水泵吸水的储水设施，《消防给水及消火栓系统技术规范》GB 50974—2014（以下简称《消规》）的相关条款消防水池取水口吸水高度不应大于6.0 m。在实际工程中，由于条件限制，因此取水口设置高度远远不能满足小于6.0 m 的要求。同时，各个消防水泵厂家的样本中都有允许吸上高度这个参数，除自身参数外，还与海拔、水温、泵与水位的相对高度等因素有关。在高海拔地区，海拔高程越高，水泵吸程就越小，所以需要根据实际的吸水条件对水泵吸水高度进行修正。

1 海拔对消防水泵吸入性能的影响

1.1 试验系统

该试验装置采用某高校水泵性能及气蚀试验装置，离心泵进出口管线通过DN50 的钢管与真空罐连接形成1 个封闭的循环系统，通过阀门控制管路互通，试验时，通过真空泵对真空罐抽真空，用真空罐上的真空表数值确定罐内气压值，用真空罐的真空度模拟不同海拔高度及安装高度。

试验用泵采用某水泵厂生产的IS50-32-125A 型离心式清水泵，设计扬程17.5 m、设计流量11.5 m3/h，转速2900 r/min，效率56.6%。

水泵进出口压力采用U 型水银压力计读取测算，流量用电子显示的涡轮流量计读取，真空罐内压力采用另外1 组水银压力计测定。

1.2 关键参数确定

1.2.1 不同海拔大气压确定

目前，虽然大气压与海拔的关系有理论公式，但是理论公式是将地球表面附近的大气密度看作常数处理的，所以在实际应用时，往往误差较大。笔者收集了目前几个常用的公式，进行相互比较印证，最终确定采用王丽莉[1]给出的一个比较准确的计算公式：

通过试验数据记录、处理计算并对比印证，得到以下修正表格（见表1）：与设计手册中的表格相比，大气压力值在低海拔时误差很小，但是在高海拔时出现一定的误差。

1.2.2 水银密度确定

中国气象局大气探测技术中心李建英[2]给出水银的热膨胀性系数为0.0001818（1/K），通过计算25 ℃时水银的密度采用13 534 kg/m3。

通过试验数据记录、处理计算并对比印证，得到以下修正表格（见表2）：与设计手册中的表格相比，饱和蒸汽压力值无论在低海拔还是高海拔，误差均较小。

表2 不同水温时的饱和蒸汽压力修正值

1.3 试验结果

在海拔高度为1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m 的条件下，分别记录真空罐内的压力、离心泵最大流量范围内6 组不同流量工况下的流量和水银压差计读数（计算扬程、气蚀余量等）。

1.3.1 海拔高度对离心泵吸水和压水扬程的影响

从图1 可以看出，当海拔高度相同时，随着流量增大，水泵吸水扬程增大；当流量相同时，海拔增高，水泵吸水扬程增大。海拔从4500 m~5000 m 在小流量时吸水扬程较大幅度地被动升高。

图1 不同海拔下吸水扬程—流量关系曲线

由图2 可以看出同一海拔高度，随着流量增大，水泵压水扬程减少；同一流量下，海拔增高，水泵压水扬程减少。

图2 不同海拔下压水扬程—流量关系曲线

1.3.2 海拔高度对离心泵总扬程和气蚀余量的影响

由图3 可以看出，不同海拔高度的总扬程变化不大；海拔不变，流量增大，扬程减少。由图4 可以看出，随着海拔和流量增大，气蚀余量越来越小。

图3 不同海拔下总扬程—流量关系曲线

图4 不同海拔下气蚀余量—流量关系曲线

由于试验条件限制，该试验处于倒灌运行的状态，因此泵的扬程随着海拔变化不大，如果泵轴高于液面，在上述几个工况下，离心泵就肯定停止运行，吸不上水，应特别注意。

1.4 离心泵最大吸水高度其他影响因素的定性分析

离心泵最大吸水高度主要是指当泵在正常运行工作时，泵内不出现气蚀空化的情况下，泵的最大吸水高度，主要表现为泵的安装高度的高低。

离心泵产生汽蚀的原因是多方面的，对设计使用来说，要考虑的是水泵装置的吸入特性，其主要影响因素有泵的安装高度、吸液管路的阻力、输送液体的温度和以及吸水池液面压力。

对高海拔地区来说，在前三个因素确定的条件下，海拔高度对吸水池水面的压力影响最大，因此，对水泵的吸水性能和气蚀发生有重要的决定性因素。这次试验主要目的就是研究海拔高度分别为1500 m、2000 m、2500 m、3000 m、3500 m、4000 m 条件下的离心泵最大吸水高度。

2 低压对消防水泵相关问题的影响

2.1 低压对消防水泵安装高度的影响

水泵的吸水条件与海拔高度、水温、水泵允许吸上高度、吸水管路损失等有关。海拔高度越高，大气压力越低；水温越高，饱和蒸汽压力越高。水泵厂家样本中的允许吸上高度值Hs是指水泵在标准状况下（气压为10.33 m H2O；水温为20 ℃）的允许吸上高度，其值与所提升水的温度及当地大气压力有关，当地大气压力与当地的海拔高度有关。因此，在实际工程应用过程中，对水泵允许吸上高度值Hs的修正如公式（2）所示。

式中：Hs'为修正后采用的水泵允许最大吸上真空高度（m）；Hs为标准状况下，水泵允许的最大吸上真空高度（m）；Hg为水泵安装地点的大气压，其值见表1；Hz为水泵安装地点的饱和蒸汽压力，其值见表2。

水泵允许吸上真空高度Hs用来反映离心泵的吸水性能，Hs越大，水泵抗气蚀性能就越好。真空吸上高度Hs'≤水泵允许吸上真空高度Hs，否则在实际运行中会发生气蚀[3]，如公式（3）和公式（4）所示。

式中：Zs为水泵安装高度；V1为水泵吸入口流速，m/s。

综上所述，如果大气压降低，对应的消防水泵吸程就会减少，泵的安装高度降低，当外界环境的大气压发生变化时，就要适当调整消防水泵的安装高度。

2.2 低压对水泵内电机功率的影响

在低压环境下，因为空气质量相对较少，所以空气流通性能就会比较差，带走的热量少，发热量大，水泵内电机的散热及其他性能也随之降低，因此效率降低。当确定电机功率时，电机使用的参考条件为海拔高度不超过1000 m，相对湿度不超过95%，同时环境温度不超过40 ℃，电机在低压地区工作时，通常都是在气压低、高寒、缺氧、温差大、风沙大等相对比较恶劣的环境下[4]。当海拔慢慢升高，空气将变得稀薄，定子和转子之间的间隙导磁能力下降，对电机输出的额定功率造成一定的影响[5]。

2.3 低压对水泵内部流体的影响

消防水泵入口附近的压强会随着外界的气压变化，外界的气压无论降低或升高，都会导致水泵内流体运动规律变化，但是泵体内电机性能及流体运动变化规律复杂，精确模拟并计算存在一定难度，该文仅在此进行阐述[6]。

2.4 低压对水泵质量设计的影响

当海拔高度增加时，空气稀薄，大气密度和压力变小，只有在良好的通风散热结构和更高的绝缘水平条件下，消防水泵才能正常运行，这就对高海拔地区消防泵的的质量提出更高的要求。

3 设置高海拔地区消防车取水口

《消规》对消防取水口的设置做了明确的规定，但是没有具体规定不同海拔高度地区条件下的吸水高度，也没有明确解释和具体分析。在实际设计中，吸水高度包括消防车泵轴距地面高度（1.0 m）和消防取水口地面距离消防水池最低有效水位的高度2 个部分。但是不同海拔高度下的取水口吸水高度有很大差异，最大吸水高度与海拔高度密切相关。在实际工程设计中，建议按照表3 选取最大吸水高度。