超高层建筑高压消防泵供水测试应用

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摘要：消防供水是超高层建筑火灾扑救的关键因素之一，通过试验测试超高压消防泵在超高层建筑的实际应用，获得压力、流量等关键技术参数。试验结果表明，供水高度303m，水泵最高压力7.5MPa，供水流量26.9L/s，最大流量达到44.4L/s，理论供水高度可超600m，满足实际灭火需求。该系统具有压力高、流量大、可靠性高等优点，能有效解决超高层建筑消防供水难题。

关键词：超高层建筑；消防供水；压力

消防供水是超高层建筑火灾扑救的关键因素之一，超高层建筑消防设施管路复杂，其消防供水采用分区接力方式，一旦电力中断或室内消防泵故障，系统供水可靠性也难以保证，造成火灾失控蔓延，给群众的生命和财产造成不可挽回的损失。为保证超高层建筑火灾的消防供水，国内学者做了大量的研究。刘东波梳理不同条件下高层建筑火灾的供水方法，从固定消防设施、消防装备效能、供水线路铺设方法3个方面指出高层建筑消防供水存在的问题。张元祥提出了在火场供水应按照“固定为主,固移结合,移动为辅”的原则，保证火场的不间断供水是有效扑救高层建筑火灾的关键。陶其刚等总结归纳了常见的消防供水方式（固定式、固定和移动相结合式、移动式）及相关供水车辆和水带等器材装备的性能参数。张庆利结合火场救援方法和火灾扑救技术为有效发挥移动装备的灭火剂供给提出思路。李川通过总结不同供水方式的优缺点，从水带铺设方式、移动供水装备选用和消防演练等方面提出改进建议。张建平提出采用高位水箱为超高层建筑供水，当高层建筑的高度小于169m时，稳高压消防给水系统经济合理，能够解决超高层建筑消防给水系统存在的相关问题。石祥等介绍了一种柱塞式水泵系统，其输出压力和流量大小可满足消防供水需求，但水压力波动问题仍需进一步研究。刘彦海提出在高层建筑增设独立干式消防供水竖管，竖管设计上流量不低于15L/s，直径不低于100mm，并且根据建筑高度保证竖管及安全阀的承压能力。综上所述，开展超高层建筑供水装备测试对于超高层建筑火灾扑救关键技术研究是非常必要的。笔者通过实测高压供水泵组将水送至303m高度楼层（69层），获得压力和流量等关键技术参数，为有效保障超高层建筑火灾供水提供数据支撑，对于推进超300m高层建筑消防装备的研发具有借鉴意义。

1试验装置

图1为超高层建筑消防供水试验装置示意图，包括供水消防车、超高压供水泵组（2台）、DN40高压软管、截止阀、DN150混凝土泵送管道、压力表1（阀前压力）、压力表2（阀后压力）、电磁流量计、DN65消防水带、秒表。供水消防车带有大容量的储水罐，用于测试供水。超高压供水泵（单泵）外形尺寸（长×宽×高）5.3m×2.5m×3.0m，最大质量9100kg，输送缸数目、最大理论泵送高度、额定输出流量等泵送参数（双泵）分别为8、600m、50L/s（8MPa）、67L/s（6MPa）。地面和303m高度处分别安装截止阀，实现水流的调节，地面截止阀可避免水流因重力作用回落，保障地面人员及设施的安全。DN150混凝土泵送管道采用耐高压密封结构可承压不低于50MPa。压力表1获得截止阀前的水流压力，压力表2获得截止阀后的水流压力，电磁流量计获得泵送管道内供水流量数据。试验测试场地为某一在建超高层建筑，供水测试前已完成核心筒混凝土泵送管道和结构封顶。按图1所示连接好管路，通过高压供水泵组将供水车提供的水泵送至69层303m高度，获得阀前压力、阀后压力、水流量等重要数据，通过水带将水导入建筑内部的消防蓄水池。

2试验结果分析

流体在管路中流动有阻力损失，通过截止阀过程中有阀门损失，截止阀前后的流体静压力存在差别。图2（a）为阀前压力在30~160s时间段内随时间变化曲线，阀前压力与时间基本呈正相关，基本符合F=0.035t-1.16（30≤t≤160）的线性关系。图2（b）为116~129s时间段内阀前压力和阀后压力随时间变化曲线，阀前压力呈稳定上升的趋势，阀后压力基本稳定在0.27~0.31MPa之间。消防供水过程中除供水高度和供水泵的出口压力密切相关以外，对水带、管道和接口的承压能力也有很高的要求。一般情况下，供水高度100m需消防泵出口压力达到1.5MPa左右，根据文献供水测试数据结果统计，供水高度和消防泵出口压力可认为满足式（1）。式中：H为供水高度，m；F为供水泵压力，MPa。由式（1）可知，供水300m高度需消防泵出口压力达到3.5MPa左右。试验数据表明，在303m高度时阀前压力依然能超过3MPa，地面高压消防泵压力能达到7.5MPa，理论供水高度可到600m以上。高压供水对水带、供水管道等的设计参数提出了更高的要求。日常灭火作业中使用16型水带，超高层建筑供水时常采用25型聚氨酯水带。为防止压力过大导致水带爆裂和接口脱落，常使用水带加固件，供水时缓慢均匀加压，加固后的水带可承压至2.2MPa，供水高度达到150m。试验拟供水高度超过300m，当前没有水带能满足试验供水压力需求，DN150混凝土泵送管道可满足试验测试要求。现有国外进口超高压消防车采用离心式高低压泵，泵送压力可达3.5MPa，将水泵送至300m高度后水流量可达25L/s，根据N=Q/q枪（式中N为水枪数，支；Q为灭火用水量，L/s；q枪为水枪的流量，6.5L•s-1），可同时使用4支水枪。图3为155~205s时间区间出水口流量变化曲线，该时间区间内最大流量达到30.1L/s，最小流量26.9L/s。GB50084-2017《自动喷水灭火系统设计规范》规定，消防水泵接合器数量应按系统的设计流量确定，单个水泵接合器的流量宜在10～15L/s。《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求》对超高层建筑减压水箱高差规定不大于200m，原因是高差较大时，阀后压力高于0.7MPa不利于消防队员展开灭火作业。图4为207~239s时间区间内的压力变化曲线，当阀前压力稳定过程中，阀后压力仍存在较小的波动，原因是柱塞式高压消防供水泵工作过程中油路方向控制阀切换启闭和进出水单向阀的启闭所导致。GB50974-2014规定，建筑高度大于50m的一类民用公共建筑消火栓设计流量40L/s，同时使用消防水枪数8支，每根竖管最小流量15L/s。图5为260~430s时间区间内出水流量变化曲线，流量峰值达到44.4L/s，根据竖管供水能力计算见式（2）。式中，Q为通过供水管道的流量,m3/s；D为供水管道内径,m；v为通过供水管道的流速,m/s。供水管道直径150mm，根据《建筑设计防火规范》规定供水管道的流速可取2.5m/s，由式（2）计算得通过供水管道的流量为44.156L/s，与试验测试结果吻合。

3.应用分析

在实际扑救建筑火灾时，消防队员到达火场后常出2支口径19mm的水枪进行灭火救援作业，每支水枪的平均出水量为7.5L/s。保证消防车能长期正常运转且能发挥较大效能时的出水流量一般为10～15L/s，这也符合GB50084-2017《自动喷水灭火系统设计规范》中对水泵接合器的流量规定，试验测试结果表明，303m高度供水流量超过26.9L/s，最大流量达到44.4L/s，均超过2支消防水枪或单个水泵结合器流量要求数值，可以满足超高层建筑火灾扑救需要。该超高层建筑消防供水系统可靠性高，不同于传统消防供水所采用的分区接力方式，可以直接将水从地面泵至相对应楼层，具有较高的普适性。供水管道材质要求具有较高的耐腐蚀性，承压能力大于消防泵出口压力。使用独立竖向干管与高压供水泵组结合的供水方式，是破解超高层建筑火灾防控及灭火救援供水难题的可行路径。然而在实践中，该供水方案仍受到许多因素制约：一是不满足现有消防法规要求，具有较大的推动难度；二是管道预留机制不健全，笔者调研结果表明，目前预留供水干管的建筑较少，国外已着手实施高压供水管道预留机制。笔者建议：完善成套供水解决方案，开发移动式超高压供水装备及供水方案。推动管道预留机制，推进相应法规补充修订及完善，应急供水配套管阀件在超高层建筑改建、扩建、新建过程的提前配置，促使该应急供水方案融入建筑消防设计中，能够获得市场认可，实现其社会价值，推动消防泵、水带、管道、阀、水泵接合器等相关设备的研发、检测和认证。

4结语

通过303m高度消防供水试验测试，获得超高压消防泵输水方案的压力、流量关键特性参数，试验结果表明，供水高度303m，水泵最大压力7.5MPa，供水流量超过26.9L/s，最大流量达到44.4L/s，理论供水高度超600m，满足超高层建筑消防救援需求。采用移动消防供水装备与固定消防供水设施结合的方式，预设消防干管，使用超高压消防泵或者超高压供水车直接将水输送至超高层建筑相应楼层。实际应用需进一步完善技术及装备解决方案，开展相应消防规范修订工作，研究可配套的战术操法。

作者：张明振 段江忠 况凯骞 陆镱文 党杰 单位：深圳市城市公共安全技术研究院有限公司