消防給水系統中旋流防止器的應用分析

汪 波,金藝蓓,范永歡

(浙江大學建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310028)

旋流防止器是安裝在管道前端,避免管道輸送液體過程中產生旋流并防止空氣進入管道的一種特殊管件。其主要功能是保證管道的輸送流量,避免后續水泵發生氣蝕,同時使得容器的有效容積得到最大化利用。旋流防止器可用于化工、能源及給排水工程等領域,特別在消防給水系統中,作為一個重要管件,國家標準《消防給水及消火栓系統技術規范(GB 50974—2014》(以下簡稱《水消規》)明確提出了消防水池及高位消防水箱內需設置旋流防止器的要求,并對其淹沒深度等作出了規定。因國內相關規范及圖集等對旋流防止器的規定及介紹較少,部分設計人員對其工作原理及設置的要求等缺乏認識和了解,故通過國內外相關規范的比較,可以幫助廣大設計人員更好地應用旋流防止器。

1 工作原理

旋流產生的原因是管道吸水液面逐漸下降過程中,靠近管口處流速較遠處的流速大,導致管口處產生負壓,由于水流動的連續性,周圍水流快速補充負壓區域,從而形成了旋流。在這一過程中,由于管口流速過快,一方面補充的水流會攜帶少量空氣進入管道；另一方面由于管道內負壓的原因,原來溶解于水中的空氣也會部分析出從而混入管道內,這樣不僅減小了管道的輸水量,同時混入的空氣也會造成后續水泵氣蝕現象的發生。

而旋流防止器的工作原理在于,其傘形的構造大大增加了管道吸水口的面積,不僅減小了進入管口處的水流速度,其導流葉片同時起到了均勻水流的作用,避免空氣的進入,并且可以使水面均勻下降,從而有效避免了旋流的產生。

2 中外規范中旋流防止器的相關規定

國家規范《水消規》中涉及旋流防止器的條款共2條,分別為第5.1.13條第4款：離心式消防水泵吸水管、出水管和閥門等,應符合下列規定：……4 消防水泵吸水口的淹沒深度應滿足消防水泵在最低水位運行安全的要求,吸水管喇叭口在消防水池最低有效水位下的淹沒深度應根據吸水喇叭口的水流速度和水力條件確定,但不應小于600 mm,當采用旋流防止器時,淹沒深度不應小于200 mm[1]。以及第5.2.6條第2款：高位消防水箱應符合下列規定：……2 高位消防水箱的最低有效水位應根據出水管喇叭口和防止旋流器的淹沒深度確定,當采用出水管喇叭口時,應符合本規范第5.1.13條第4款的規定；當采用防止旋流器時應根據產品確定,且不應小于150 mm的保護高度[1]。國標圖集《消防給水及消火栓系統技術規范(15S909)》對上述條款進行了說明,即最低有效水位均從旋流防止器上沿水平以上起算,最小凈距不應小于200 mm及150 mm,見圖1、圖2。此外,在國標圖集《高位消防貯水箱選用及安裝(16S211)》中,也提供了旋流防止器的安裝尺寸要求及管件的尺寸表,特別是旋流防止器邊緣距水箱壁的安裝間距,圖集中注明應不小于0.3倍的吸水管管徑。

圖1 消防水泵吸水口設置

圖2 高位水箱最低水位設置

國外規范中對于旋流防止器則有更為詳細的介紹和規定,例如美國消防規范NFPA 22—2018[2]中規定,作為消防泵取水水源的消防水箱(池)內,其吸水口需安裝防止旋流的裝置。該裝置由一塊安裝在水箱(池)吸水彎管上的水平鋼板組成,水平鋼板直徑應不小于吸水管直徑的2倍,高出箱(池)底距離不小于吸水管直徑的1/2且不小于6英寸(152 mm),見圖3、圖4。以水管管徑DN200為例,則防止旋流裝置高出水箱(池)底部的凈距不小于152 mm。

圖3 搭接水箱吸水口安裝防旋流板典型圖示

圖4 法蘭接鋼板水箱吸水口安裝防旋流板典型圖示

歐盟規范(以英國規范為例)BS EN 12845∶2015[3]中規定了消防水箱(池)的最低有效水位由吸水管至最低有效水位的最小尺寸(A)及吸水管至箱(池)底的最小尺寸(B)確定(圖5、圖6),并列出不同吸水管徑對應的尺寸要求,見表1。從表中可以看出,若吸水管直徑為DN200的話,則水箱(池)的最低有效水位距水箱(池)底的距離為0.77 m(A+B),即距水箱(池)底部0.77 m范圍內的儲水容積屬于無效容積。但規范同時規定,當吸水管端部裝設旋流防止器,且旋流防止器的直徑滿足表1要求時,吸水管至最低有效水位的最小尺寸A可減小至0.1 m,即距水箱(池)底部0.25 m范圍內的儲水容積屬于無效容積。此外,歐盟規范對于旋流防止器的安裝間距提出了非常詳細的要求,距離靠近管道的水池(箱)側壁的凈距應不小于0.3倍的吸水管管徑,同時遠離水池(箱)側壁的凈距應不小于5倍的吸水管管徑。

圖5 無吸水坑水箱(池)有效容積及安裝尺寸圖示

圖6 有吸水坑水箱(池)有效容積及安裝尺寸圖示

表1 安裝尺寸要求

通過以上對比可以看出,國內與歐美規范在旋流防止器設置方式上基本相同,特別是與歐盟規范存在許多相似之處,但國內規范仍存在一些不足,主要體現在以下幾方面：

1)在旋流防止器的安裝間距方面,歐盟規范規定得最為詳細,美國規范亦有涉及,而國內規范無相關規定,僅國標圖集提出了安裝間距要求。

旋流防止器是通過其構造減緩進入管道的水流速度,從而避免流速過快而導致負壓及旋流的產生。若旋流防止器邊緣距水箱(池)側壁過近,勢必將導致靠近水箱(池)壁處水流流速加大,從而影響其防旋流功能的發揮。歐盟規范規定了旋流防止器距水箱(池)壁的安裝凈距應不小于0.3倍吸水管管徑；美國規范雖未明確指出凈距要求,但從圖3、圖4中可以看出,安裝旋流防止器后的彎管必須采用大曲率彎管,且彎管的曲率半徑應為吸水管直徑的1.5倍,從而可推算出旋流防止器與水箱(池)壁的凈距滿足0.5倍吸水管管徑的要求。綜合國標圖集《高位消防貯水箱選用及安裝(16S211)》中的相關規定,得知旋流防止器與水箱(池)壁的凈距應滿足不小于0.3倍吸水管管徑的要求。

此外,因消防水泵的吸水管不應少于兩條,故旋流防止器往往成組布置,若兩組旋流防止器安裝間距不作限制,則同樣會因距離過近導致旋流的產生。參考國內規范對吸水管喇叭口的安裝要求,國家標準《建筑給水排水設計標準(GB 50015—2019)》中規定吸水管與吸水管之間的間距不宜小于3.5倍吸水管管徑,但若參照該凈距布置消防水泵的吸水管,則會因距離過近從而導致旋轉防止器無安裝空間。因此,當旋流防止器用于消防水泵吸水管上時,為滿足其安裝空間同時兼顧相互之間吸水的影響,吸水管之間的凈距宜滿足不小于5倍吸水管管徑的要求。

2)旋流防止器與最低有效水位的凈距,美國、歐盟規范與國內規范規定分別為0、100、200 mm(高位消防水箱為150 mm)。國內規范規定的凈距最大,也就是說,按國內規范設計的消防水箱(池)的無效容積也是最大的。根據目前提供的產品樣本,大部分國內生產廠商是根據歐盟標準進行生產的,即旋流防止器距最低有效水位的凈距最小可不小于100 mm。故建議旋流防止器與最低有效水位的凈距(即淹沒深度)可進一步縮小至100 mm,以最大化地利用水箱(池)的有效容積。

3)美國規范在滿足其規定的尺寸要求前提下,旋流防止器可以現場制作安裝,而不必選擇定型產品,而歐盟及國內規范更傾向于采用定型產品。采用定型產品有助于產品的標準化制造與安裝,減少因現場制作而造成的瑕疵,對規范消防產品的安裝及后期驗收起到重要的促進作用,但國內尚未出臺旋流防止器的相關產品標準。因此,相關產品標準的制定將是十分必要的。

3 結 語

作為消防給水系統中的一個重要管件,國內規范對旋流防止器的安裝規定較為簡單。今通過與歐美消防規范的對比分析,特對其設計應用提出以下幾點建議,同時相關參數可供規范參考：

1)旋流防止器在消防水池最低有效水位下的淹沒深度應根據產品確定,但最小淹沒深度不應小于100 mm；

2)旋流防止器與水箱(池)壁的凈距應不小于0.5倍吸水管管徑；

3)安裝有旋流防止器的水泵吸水管之間的凈距,宜不小于5倍吸水管管徑；

4)須盡快出臺旋流防止器的相關產品標準。