自动喷水灭火系统支管特性系数水力计算法.doc

自动喷水灭火系统支管特性系数水力计算法摘要 鉴于目前常用的自动喷水灭火系统特性系数水力计算法所存在的缺陷，在理论推导了配水支管起端水压与同支管末端喷头出流量关系的基础上，提出了支管特性系数水力计算法，并介绍了利用EXCEL软件简化计算的方法。关键词 自动喷水灭火系统；支管特性系数水力计算法；EXCELHydraulic Calculation Method on Range Pipe Characteristic Coefficient for Fire Protection Sprinkler SystemAbstract：Due to a defect in the common hydraulic calculation method of fire protection sprinkler system on characteristic coefficient，hydraulic calculation method on range pipe characteristic coefficient is put forward based on theoretical deduction on relationship between pressure at starting point of a range pipe and nozzle flow at the end of the pipe，also by using software of EXCEL ways are introduced to simplify calculation.Key words：Fire Protection Sprinkler System；Hydraulic Calculation Method on Range Pipe Characteristic Coefficient；EXCEL1 问题的提出便捷准确、便于设计人员应用的自动喷水灭火系统的水力计算方法，对于提高设计质量、保证系统在火灾时有效运行具有重要意义。目前，自动喷水灭火系统的水力计算通常采用文献12介绍的两种方法：作用面积法和特性系数法。作用面积法假定作用面积内每只喷头喷水量均相等，计算虽简便，但与实际水力工况相差甚大，也不符合自动喷水灭火系统设计规范（GB50084-2001，2005版，以下简称“规范”）3第9.1.1条规定，即自动喷水灭火系统中喷头出流量应按式（1）计算： （1）式中 q喷头流量（L/min）；喷头流量系数；作用于喷头的工作压力（）特性系数法考虑了喷头工作压力的不同，采用式（1）计算作用面积内各喷头流量，显然更符合“规范”的精神。由于特性系数法计算较为繁琐，文献1基于最不利作用面积内各配水支管设计条件完全相同的假定，引入配水支管简化流量修正系数，给出了一种目前通用的计算方法（姑称为“简化算法”，下同）。但是，实际工程的设计中，有较多情况并不能满足上述假定，以下为几种常见情形：建筑平面不规则，最不利作用面积内支管上布置喷头数量不相等，如图1；各配水支管布置均相同，但最不利作用面积为不规则形状如图2；最不利作用面积所包围配水管两侧的配水支管不对称，如图3；系统同时存在上述两种或两种以上的情况。可见，简化算法的计算假定决定了其在实际应用上的局限性，为满足工程设计的实际需求，有必要寻求应用上更具普遍性的水力计算方法。2 支管特性系数的引入2.1 喷头折算流量系数在使用式（1）时，为计算方便，P值通常采用喷头连接短管与配水支管连接点的压力代入，这与喷头实际作用压力有偏差，如直接以喷头流量系数代人公式将影响计算的精确性。为此引入喷头折算流量系数来解决，即把喷头与连接短管视作一个复合喷头，其流量系数称为喷头的折算流量系数，计算公式如下4： （2）式中：K喷头折算流量系数； q作用面积内第一个喷头出流量，L/min； P作用面积内第一个喷头工作压力，MPa； hs喷头连接短管水头损失，MPa； Z喷头连接短管的几何高差产生的水压，MPa；喷头在支管上方时，取正值，喷头在支管上方时，取负值。2.2 配水支管起端水压与支管末端喷头出流量的关系以任一配水支管为研究对象（配水支管起端指支管与配水管连接点，末端为最末一个出水喷头节点，实际支管上的无出流喷头和零流量管段不计在内）进行水力分析，设该支管上共有n个喷头出水，经初定管径后，各喷头及管段相应的计算参数如图4所示。各喷头流量均根据式（1）计算： 由此得出支管上i节点处喷头出流量的一般规律：（i2） （2）对于配水支管与配水管连接点即支管之n+1节点，其水压P为： （3）将式（2）代入式（3），整理后得： （4）式（4）中，与配水支管各管段A、l和各喷头折算流量系数K值有关，对于给定的系统，A、l、K均为常数，故也为常数，称之为“支管特性系数”。由是可知，任意配水支管起端水压与支管末端喷头出流量的平方成正比。3 支管特性系数水力计算法对于最不利作用面积所包围的各配水支管设计条件不同时，基于式（4），采用支管特性系数水力计算法，可以得到准确的计算结果。下面以图5为示例介绍支管特性系数水力计算法的计算步骤。3.1 初定管径按照“规范”中表8.0.7的要求初步确定配水支管及配水管的管径。3.2 支管特性系数的计算以配水支管为例，不妨设末端喷头流量1L/s（带上标“”表示非设计工况，下同），向上游依次计算该配水支管上各管段流量、水头损失及各节点压力，最后可得到与配水管连接点a的水压。根据式（4），在数值上即为该支管的特性系数1（后续计算中用到此值时，流量、水压单位须与此一致）。支管也取1L/s，以同样的方法计算其特性系数2。设计条件完全相同的配水支管特性系数相等，计算一根后，其余设计条件相同的支管不必重复计算，对图5有：。3.3 最不利配水支管水力计算初选一根配水支管作为可能最不利支管（如选支管），计算其末端喷头（即系统最不利喷头）设计出流量q11（喷头保护面积和“规范”要求喷水强度之乘积），再按式（1）计算喷头作用水压P1，并校核其不小于 “规范”要求。然后从支管末端向上游逐点、逐段计算，可得到支管起端总流量Q1及其与配水管连接点的水压Pa。3.4 配水管和其它配水支管水力计算支管末端喷头设计流量为：，支管设计总流量Q2=q21，配水管ab段流量Qab=Q1+Q2，据此流量计算ab段水头损失hab，b点水压Pb=Pa+hab，再根据q31值对支管由末端向上游逐步进行水力计算得到Q3。依此类推，逐步对bc段、支管、支管、cd段、支管、支管进行水力计算，可得到作用面积内所有喷头的流量和水压、各管段的流量及系统总设计流量。3.5 计算修正计算结果中如有喷头流量小于初定的系统最不利喷头流量，则应以此喷头为最不利喷头，重复上述3.3、3.4步骤进行计算。4 利用EXCEL简化计算尽管支管特性系数水力计算法有完善的理论基础，但手工计算时工作量还是很大，又容易出错，可能使很多设计人员望而却步。如果采用EXCEL电子表格替代手工计算，则可以使大部分计算工作交由软件完成，且可以根据需要随时调整设计条件，很容易得到不同方案下的计算结果。4.1 表格制作“规范”第8.0.6条规定，配水支管控制的标准喷头数不应超过8只，所以可按配水支管共有8只喷头来制作EXCEL计算表（表1），此表可作为通用配水支管计算表，对喷头不足8只的配水支管，删除下部多余行即可。表1中，B、C、F、G、H诸列均根据支管设计条件填写，其中C列按式（2）计算得到，I列按“规范”附录C“当量长度表”填写，单元格E3为支管末端喷头流量，用于计算支管特性系数时，填入1.00，用于设计工况计算时，填入喷头设计流量值。E4为支管末管段流量，故其值等于E3值。以下单元格可依次输入下列公式计算，D3：36000*E32/C32（“”为指数符号，输入时公式前均加“”，下同）；J4：4000*E4/3.14/G42；K4：0.00107*J42/(G4/1000)1.3；L4：(H4+I4)*K4；D4：D3+L4。完成输入后，将第4行复制到第5行后（A、B列可另行复制修改，下同），并修改单元格E5公式为：E4+C4*(0.1*D4)0.5/60，再将第5行由上向下复制到611行即可。表1 自动喷水灭火系统通用配水支管EXCEL计算表（管段起点指水流上游节点）4.2 设计算例仍以图5为例，介绍利用EXCEL对其进行水力计算的过程。表2 自动喷水灭火系统算例计算结果先计算支管特性系数，支管共3只喷头，将表1中16行复制到表2之16行，末端喷头流量单元格E3输入1.00，其它相应单元格输入K、DN、dj等支管设计条件，则单元格D6值即支管特性系数110.549。支管仅设1只喷头，将表2的34行复制到78行，E7中输入1.00，根据本支管设计条件修改相应单元格值后， D8值即支管特性系数25.932，与此二支管设计条件相同的其它支管不必再计算。设计工况下各支管可通过复制相应特性系数的计算行进行水力计算，如支管、均复制1的计算行36行，支管、均复制2的计算行78行，复制后修改各支管末端喷头出流量值。若以支管为最不利配水支管，设该系统危险等级为中危险级，设计喷水强度6L/minm2，则q113.63.26/601.15L/s，填入单元格E9，即得到设计工况下支管的计算结果。其余各支管末端喷头的出流量均根据式（4）计算，相应的单元格输入公式，E13：(D12/D8)0.5；E16：(D15/D6)0.5；依此类推输入单元格E20、E23、E27、E30和E32的公式。配水管管段的计算公式与配水支管一致，因此也可通过复制支管计算行实现：将某支管管段如1211段计算行即第10行复制为各配水管段计算行，并修改表示设计条件的相应单元格，而管段流量单元格要根据其下游管段流量输入公式计算，如E15：E12+E14；E22：E15+E19+E21，其它配水管段流量计算与此相类。计算结果表明，所有支管末端喷头的流量均大于系统初定最不利支管末端喷头流量，说明最不利支管选择正确。5 结论支管特性系数水力计算法概念清晰，理论基础完善，应用上克服了简化特性系数法的局限性，可对任意设计条件的自动喷水灭火系统实现科学严谨的水力计算，以提高设计质量。EXCEL电子表格用于支管特性系数水力计算法，编制方便，计算准确，且易于复制，用于不同系统计算时，仅需调整喷头特性系数、管径、管长等设计参数即可，大大简化了计算，因此