水消防計算及利用宏命令平衡水消防系統

1.上海海事大學 船舶設計部 上海 200135 2.上海船舶運輸科學研究所 上海 200135

水消防系統的作用是在船舶發生火災意外時有效地提供消防水，確保船舶安全。各船級社對消防栓出口壓力均有要求，SOLAS公約也有明確規定。為保證設計合格的消防水系統，保證消防栓出口處消防水的壓力滿足要求，就需要進行水消防系統計算。

1 計算原理

液體沿管路流動時會發生阻力損失，而管段形狀的變化以及閥件等更會加劇這種阻力損失；此外，消防栓與消防泵的出口之間存在一定的高度差，又造成靜壓損失。這兩部分壓頭損失的代數和就是泵的壓頭所需要克服的阻力損失。根據流體力學原理，總的壓頭損失Htotal為[2]：

Htotal=Hf+Hm+∑He

(1)

式中：Hf——系統總的沿程阻力損失；

Hm——系統總的局部阻力損失；

∑He——系統總的靜壓損失；

λ——摩擦阻力系數；

ζ——沿程阻力系數；

L——管段長度；

d——管子直徑；

v——管路中液體的流速；

g——重力加速度；

ρ——液體密度；

h——液體與泵出口之間的高度差。

流量Q方程為：

(2)

故有

(3)

流體在某一節點分流時，其穩定后流量的分配并不是完全由支路口徑的大小來決定，而是取決于分配穩定后，各支路的阻力損失是否相等。這樣可以利用宏命令，借助計算機來自動平衡整個水消防系統，進而得知是否滿足規范的相關要求。

2 系統阻力計算

結合實例介紹系統自動平衡整個水消防系統阻力計算。

2.1 繪制水消防系統簡圖

所謂系統簡圖就是根據設計好的水消防系統，繪制一個大概的走向圖。根據簡圖選取局部阻力系數，故簡圖應盡可能反映已設計好的水消防系統的整體走向。

圖1 某船的水消防系統簡

2.2 水消防系統阻力計算

事實上，僅僅只需要計算最高的兩只消防栓以及最遠的兩只消防栓，對于裝載危險品的船舶，就需要計算最遠的4只消防栓。因為它們的壓力損失最大，如果它們的出口壓力都可以滿足要求，其它的應該沒問題。

由式(3)可知：只要知道了λ和ξ(而管段的長度、管段的口徑以及其相對高度都可以從水消防系統圖中獲取)，就可以假定所需計算的最遠或最高的消防栓的出口流量，然后根據流體的不可壓縮性，進而求得整個系統的流速以及壓力損失分布。然而，此時的系統幾乎不可能是平衡的，因為所假定的流量是隨意的。這時借助宏命令來自動平衡整個水消防系統。所以首先必須知道λ和ξ。

2.2.1 摩擦阻力系數

λ的大小因流動狀況而異，應根據雷諾數和管子粗糙度來計算[2]。

(4)

式中：μ——動力粘度。

通常，Re>2 300時，流動為紊流；Re<2 300時，流動為層流。船舶水消防計算中幾乎全部是紊流。對于一般工藝管，Re≥59.5ε-1.143時(實際幾乎都滿足該條件)：

λ≥0.093ε0.25

(5)

式中：ε——相對幾何粗糙度。

(6)

式中：e0——絕對幾何粗糙度，對使用后的鋼管常取e0=0.2；

r——管子內半徑。

從公式(4)、(5)、(6)可以看出，只要假定了相應的流量，借助Excel，將相應的公式進行編輯，就可以求出各個管段的摩擦阻力系數λ，詳見表1。

2.2.2 局部阻力系數ζ

局部阻力系數ζ可以查表求得[1]。

表1中，流量是假定的，且前面所提及的公式，均通過Excel編輯到相應的表格中了。例如：行6雷諾數計算，該行表中的數據均是根據公式欄中的公式，利用對應列中的數據計算所得。此外，表中管段1～2表示從節點1到節點2，其它依次類推，節點編號詳見圖1。

2.2.3 利用宏命令自動平衡消防系統

表1顯示了假定消防栓出口流量的情況下整個水消防系統的分布情況。由于消防栓的出口流量是任意假定的，此時整個系統極有可能不平衡，這就需要用宏命令來自動平衡整個系統。

表1 假定流量情況下的水消防系統分布

消防栓的出口壓力H與出口流量G存在如下關系[2]：

(7)

以出口管段7～8為例，從表1可知假定的消防栓出口流量Q1=50 m3/h。而從消防泵出口到該消防栓出口的管路總的阻力損失可以從表1得到，只要用該消防栓出口壓力減去其管路總的阻力損失就得到消防栓的計算出口壓力H，把H代入(7)，可得出口流量Q2=22.37 m3/h，比較Q1與Q2不難發現，兩者并不相等。也就是說整個系統處于非平衡狀態。利用宏，在EXCEL中，打開Visual Basic編輯器，輸入下述宏：

Sub 最高2個()

100 While Abs(Range(“k26”).Value-Range(“k27”).Value) > 0.0001

Range(“k10”).Value = Range(“k28”).Value

Wend

200 While Abs(Range(“p26”).Value-Range(“p27”).Value) > 0.0001

Range(“p10”).Value = Range(“p28”).Value

Wend

If Abs(Range(“k26”).Value-Range(“k27”).Value) > 0.0001 Then GoTo 100

If Abs(Range(“p26”).Value-Range(“p26”).Value) > 0.0001 Then GoTo 200

End Sub

表2 平衡后的水消防系統分布

運行上述宏命令后，很快就可以實現整個系統的平衡。平衡后的水消防系統見表2，尤其是對裝載危險品的貨船，根據規范要求相應的貨艙應設置4只消防栓，只需要將上述程序加以改進，就可以在幾秒鐘內使整個系統平衡。

3 結束語

水消防系統計算是很有必要的和意義的，它不僅可以為船檢檢驗全船消防系統提供依據，同時也可以避免船舶建造后，水消防系統的許多不必要的返工。利用傳統的計算方法，需要投入大量的時間和精力去計算才能達到整個系統的平衡，即滿足有關規定的相關要求。這顯然無法滿足船東對船舶設計和建造周期越來越短的要求，利用宏命令在很短的時間內就可以平衡整個水消防系統，大大提高了工作效率。

[1] 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊(輪機分冊)[M]. 北京：國防工業出版社，1999：593-611.

[2] 船舶設計實用手冊編委會.船舶設計實用手冊(動力裝置)[M]. 北京：國防工業出版社，1964：445-470.