消防水泵自灌式啟泵水位設置探析

章建玲

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

目前,我國的發(fā)電廠處于高速發(fā)展的階段,其設備的裝機容量越來越大，并且發(fā)電廠生產(chǎn)工藝過程復雜,火災隱患相對較大,一旦發(fā)生火災,若不能及時撲救，就會造成嚴重經(jīng)濟損失。

在發(fā)電廠滅火系統(tǒng)設計中，消火栓系統(tǒng)是撲救、控制建筑物初期火災最為基礎的滅火系統(tǒng)。另外，對電廠的電纜夾層、主廠房內(nèi)的油設備及油管道以及變壓器等主要建（構(gòu)）筑物和設備均需采用自動噴水/水噴霧/水幕等水滅火系統(tǒng)，因此,整個電廠水消防系統(tǒng)設計的可靠性至關重要。

發(fā)電廠的消防水源通常采用消防水池，消防水泵是消火栓給水系統(tǒng)或自動噴水滅火系統(tǒng)等消防水系統(tǒng)的重要組成,消防水泵能否正常啟動,對撲滅火災具有極其重要的影響。

1 發(fā)電廠消防給水系統(tǒng)設計現(xiàn)狀

發(fā)電廠消防水系統(tǒng)通常采用臨時高壓消防給水系統(tǒng)，采用消防水池作為消防水源，采用消防水泵升壓供水。文獻[1]規(guī)定,為保證消防水泵隨時可以啟動，并且能可靠供水，消防水泵應采取自灌式吸水，并且為強制性條文，設計時必須嚴格執(zhí)行。基于自灌式吸水的要求，目前有兩種不同的觀點，由此產(chǎn)生兩種不同的設計方案。

1.1 消防水池最高水位符合自灌式吸水要求

發(fā)電廠消防水泵一般采用臥式離心泵。通常情況下,消防用水與工業(yè)用水合用水池，稱為工業(yè)消防水池，布置在消防水泵房旁邊。消防水泵房為地下或半地下式,如圖1所示。工業(yè)消防水池的池底標高和消防水泵房底板的地坪標高相同,消防用水容積在消防最高水位（-1.5 m）和最低水位(-3.0 m)之間，消防水泵泵軸中心線設于消防最高水位以下較高部位。

圖1 發(fā)電廠消防泵房及水池高程圖（一）

正常情況下，工業(yè)消防水池的水位高于或等于消防要求的最高水位，消防水泵處于自灌式啟泵吸水狀態(tài)。同時，吸水管喇叭口淹沒于消防水池最低有效水位（-3.0 m）以下至少600 mm，滿足消防水池的有效儲水量或有效水容積能被全部利用，并滿足消防水泵在水池最低有效水位時能安全運行[1]。

1.2 消防水池最低有效水位符合自灌式吸水要求

目前有些設計人員認為，上述布置方式僅滿足消防水泵在正常情況下初始自灌式啟泵的要求，以下兩種情況將會導致消防水泵不能自灌式啟泵。

（1）因為工業(yè)消防合用水池，火災發(fā)生時，工業(yè)消防水池的水可能被工業(yè)水泵抽走，其水位本身就可能低于消防水泵自灌式啟泵要求水位以下。

（2）發(fā)電廠消防給水系統(tǒng)都設有備用消防水泵。火災發(fā)生初期，第一臺消防水泵從伺應狀態(tài)進入工作狀態(tài)，此時工業(yè)消防水池的水位是處于消防最高水位，消防水泵處于自灌式吸水啟動位置。但在滅火的過程中，啟動第一臺消防水泵滅火一定時間后，由于機械或供電方面的原因，需要啟動備用消防水泵供水滅火時，消防水池的水位可能已經(jīng)降至消防水泵自灌式吸水啟動水位以下，此時便不能保證備用消防水泵隨時啟動供水，將會延誤火災撲救時間。

基于上述分析，在目前發(fā)電廠消防給水系統(tǒng)的設計中，消防水池的最低有效水位應該高于消防水泵的自灌式吸水水位，只有這樣才能滿足文獻[1]規(guī)定的消防水泵自灌式吸水的要求。鑒于此，消防水泵房底板高程將低于消防水池池底約0.7～1.2 m。如果工業(yè)消防水池池底標高和消防水泵房的底板標高仍然相同,那么會使消防水池池底有1 m左右的水深沒有被有效使用。如圖2所示布置，某裝機容量為2×660 MW的火力電廠消防水泵房的地面低于消防水池池底高程1.15 m。由此，大大增加了消防系統(tǒng)的土建工程量，進而增加了消防系統(tǒng)的投資。

圖2 發(fā)電廠消防泵房及水池高程圖（二）

2 消防水泵自灌式吸水水位的分析

首先，我們分析一下消防水泵自灌式吸水的水位設置情況，關于消防水泵在何種情況下被認為是自灌式吸水，有兩種不同的觀點：

（1）依據(jù)文獻[2][3]，根據(jù)消防水泵所采用的泵型不同，對滿足消防水泵自灌式吸水的水池水位要求分3種不同情況進行了分析，其中對于臥式消防水泵，要使水泵屬于自灌式吸水，水池的水位需要高于泵殼頂部放氣孔，此時水泵泵殼及其吸水管路是充滿水的，如圖3所示。

圖3 臥式消防水泵自灌式啟泵水位

（2）依據(jù)文獻[1]要求，認為消防水池的水位高于離心水泵出水管中心線即屬于自灌式吸水。此時水泵及其吸水管路的只有下半部分是充水的，管道內(nèi)會存有空氣。水泵是否滿足自灌式吸水條件，在于其吸水管路內(nèi)和水泵泵殼內(nèi)是否充滿水[3-6]，因此，上述第一種觀點：將水池的水位高于水泵泵殼頂部放氣孔作為判斷消防水泵是否滿足自灌式吸水條件的要求，是比較合理的。

3 發(fā)電廠消防水泵自灌式啟泵的問題分析

基于上述分析，消防水泵自灌式吸水滿足的條件已經(jīng)明確，以下我們論證一下僅消防水池最高水位符合自灌式吸水的設計是如何滿足消防水泵自灌式吸水條件的。

3.1 消防水池的水位狀態(tài)

針對目前業(yè)內(nèi)認為工業(yè)消防水池正常情況下的水位本身就可能低于消防水泵自灌式啟泵要求水位以下的觀點，首先，消防用水與其他用水共用水池時，都采取了保證消防用水不被他用的工程技術措施。其次，根據(jù)GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》第4.3.9條要求，消防水池都設置了就地水位顯示裝置，并且在消防值班室等有人值守的位置設置顯示消防水池水位的裝置，有最高水位報警和最低水位報警。消防控制室24 h有人值班，值班人員不少于2人，水池的水位總是處于監(jiān)視下的。最后，對消防水泵的運行維護管理要求中，文獻[1]要求消防水泵在準工作狀態(tài)下的自動巡檢采用變頻運行,巡檢周期不大于7 d。即使沒有設計自動巡檢，文獻[1]也要求，每周模擬消防水泵自動控制的條件自動啟動消防水泵運轉(zhuǎn)一次，且自動記錄運轉(zhuǎn)情況。

因此，在正常情況下，消防水池的水位是保持在設計最高消防水位的，且高于消防水泵泵殼頂部放氣孔。消防水泵初次啟動時，消防水泵(包括備用水泵) 吸水管路及泵殼內(nèi)是充滿水的，圖1所示布置能滿足消防水泵自灌式啟泵的要求。

3.2 水泵吸水管及泵殼的充水狀態(tài)

針對業(yè)內(nèi)認為消防水泵不能滿足自灌式啟泵的第二種觀點，在火災期間，工作消防水泵運行一段時間后發(fā)生故障，需要啟動備用消防泵，而此時碰巧水池水位降到水泵放氣孔以下，如圖4所示[7，8]，離心水泵最大安裝高程度計算公式為：

式中Zs——水泵安裝高度，m；

Hg——水泵安裝地點液面的大氣壓力，m；

Hz——水泵安裝地點飽和蒸汽壓力，m；

∑hs——吸水管路的全部水頭損失，m；

NPSH——水泵總氣蝕余量，m。

只要水泵的安裝高程滿足公式（1）要求，那么根據(jù)托里拆利實驗原理，吸水管內(nèi)是充滿水的，其內(nèi)部的水不會漏出來，備用消防水泵吸水管路和泵殼內(nèi)也是保持處于充滿水狀態(tài)[9]，此時如啟動備用消防水泵，備用消防水泵也是滿足自灌式啟泵的要求。

圖4 離心水泵安裝高程計算圖

發(fā)電廠火災延續(xù)時間一般按2 h考慮，依據(jù)文獻[1]要求，消防給水管網(wǎng)安裝完畢后，應對其進行強度試驗、沖洗和嚴密性試驗。試驗壓力為1.5倍的系統(tǒng)工作壓力，并且不小于1.4 MPa,穩(wěn)壓24 h，管網(wǎng)應無泄漏。因此，備用消防水泵吸水管及泵殼內(nèi)的水不可能在火災延續(xù)時間內(nèi)漏光而使吸水管內(nèi)充滿空氣[10]。同時文獻[1]還要求，水泵吸水管喇叭口淹沒于消防水池最低有效水位以下的深度不小于600 mm，這也是保證火災延續(xù)時間內(nèi)水泵吸水管路及泵殼內(nèi)不至于通過水面進氣，從而保證吸水管路內(nèi)充滿水,使消防水泵能及時啟動。因而沒有必要如圖2所示的布置，將消防水池最低有效水位設計為高于離心消防水泵泵殼放氣孔。

文獻[11]通過模擬消防系統(tǒng)搭建試驗平臺，檢測消防水泵自灌式吸水及運行的全過程，從實踐角度驗證自灌式水位、最低有效水位及消防水泵啟泵和切換之間的關系，證明消防水池的有效容積應從最低有效水位算起，而最低有效水位與是否高于消防泵吸水管無關。

當然，如果將消防水泵的自灌式啟動水位設置在低于消防水池的最低有效水位以下，消防水泵隨時啟動的可靠性大大提高。但這種消防水泵在任何狀態(tài)下啟動水位都高于自灌式啟泵水位的設計，勢必會造成消防泵房底板標高的降低或消防水池下部很大一部分容積沒有被利用，使工程投資增加。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

針對目前對消防水泵自灌式吸水要求的不同理解，本文通過從自灌式吸水需滿足的水位要求出發(fā)，分析對比了僅消防水池最高水位符合自灌式吸水要求與消防水池最低有效水位符合消防水泵自灌式吸水要求兩種情況出發(fā)，得出如下觀點：

（1）將消防水池的水位高于泵殼頂部放氣孔作為滿足消防水泵自灌式吸水的條件，是合理的。

（2）發(fā)電廠消防給水系統(tǒng)設計時，消防水池的消防最高水位應高于臥式消防泵泵殼頂部放氣孔，而消防水池的消防最低有效水位無需高于臥式消防泵泵殼頂部放氣孔。

（3）發(fā)電廠消防給水系統(tǒng)設計時，消防水池的最低有效水位應高于消防水泵吸水喇叭口以上至少600 mm。當消防水泵吸水管上設置防止旋流器時，最低有效水位可以高于防止旋流器頂部以上至少200 mm[1]。

（4）發(fā)電廠消防水池內(nèi)水位低于離心消防水泵泵殼放氣孔高度不能超過依據(jù)水泵的汽蝕余量計算的最大安裝高程Zs。

（5）若保證消防水泵在消防用水最低有效水位以下自灌式吸水啟動，消防給水的可靠性大大提高，但工程造價也將大幅度提高。

（6）在滿足消防設計安全要求的前提下，更應注重設計的合理性，不能用過度設計的手段來彌補對使用安全的不明確認知。消防系統(tǒng)的安全一定是以安全管理為前提的，如果不注重系統(tǒng)的日常維護、消防泵的定期巡檢，再本質(zhì)的安全設計也是不安全的。正因為如此，規(guī)范從設計、施工、驗收、維護管理等各個方面進行了要求，每個環(huán)節(jié)都應該安裝規(guī)程規(guī)范的要求做好，才能阻止運行過程中意外的發(fā)生。

4.2 建議

盡管本文對消防水泵自灌式啟泵水位設置進行分析探討并得出結(jié)論，但業(yè)內(nèi)的爭論仍然不斷,一方面是因為文獻[1]本身對自灌式吸水的要求從不同的條文理解存在歧義，另一方面同為國家標準的防火規(guī)范，對自灌式引水要求的程度也不盡一致。

（1）文獻[1]中5.1.12條規(guī)定消防水泵應采用自灌式吸水。對于自灌式吸水，該文獻中沒有進行專業(yè)術語解釋，而且自灌式吸水與正壓吸水是兩個不同的概念，建議規(guī)范對自灌式吸水進行明確的專業(yè)術語解釋。

（2）文獻[1]中5.1.17條規(guī)定，消防水泵吸水管安裝真空表，而且最大量程宜為-10 m，這是一個標準大氣壓下，對應的水柱的高度。一般理解認為，規(guī)范中沒有要求水泵吸水管路在滅火過程中為全程正壓，而是可以負壓上水的。建議規(guī)范對滅火過程中是否需要全程正壓進水進行統(tǒng)一規(guī)定。

（3）文獻[5]中對4.3.9條圖示中，在左下角明確提示：喇叭口也可在最低有效水位上方出池壁。

（4）同為國標，各個規(guī)范對自灌式引水要求的程度不盡一致，有的是“宜”，有的是“應”。如文獻[1]中5.1.12條規(guī)定：“消防水泵應采取自灌式吸水”，并且為強制性條文。文獻[12]中8.8.5條第2款規(guī)定：“一組水泵宜采用自灌式引水，當采用負壓上水時，每臺消防泵應有單獨的吸水管”。而文獻[13]中8.3.4條規(guī)定：“消防水泵應采用自灌式引水方式”。其條文解釋為：若采用自灌式引水有困難時，應有可靠迅速的充水設備，如同步排吸式消防水泵。文獻[14]中12.2.12條第3款則規(guī)定：“消防水泵應采用正壓啟動或自吸啟動，當采用自吸啟動時，自吸時間不宜大于45 s”。文獻[15]中7.7.2條規(guī)定：“每臺消防水泵應設置獨立的吸水管，并宜采用自灌式吸水”。文獻[16]中7.6.3條規(guī)定：“水泵應采用自灌式吸水”，但不是強制性條文。

鑒于各設計單位在設計中對消防水泵自灌式吸水的規(guī)范使用存在爭論，對消防水泵的自灌式吸水條件不甚明確，使得設計人員和審圖專家過度理解、過度設計，甚至以言代法。建議有關部門及專家就消防水泵自灌式吸水這一問題進行深入研究、試驗,提出統(tǒng)一的規(guī)范，提高規(guī)范的可操作性，同時提高國家規(guī)范的嚴肅性、科學性和權威性。