Содержание к диссертации
Введение
1. Общие сведения об АУВПТ 9
1.1. История возникновения и развития АУВПТ 9
1 2. . Классификация и состав АУВПТ 14
1,3 .Способы подачи воды к оросительной сети 19
2. Основные принятые методы проектирования АУВПТ 26
2.1 .Отечественные и зарубежные нормативные документы в области автоматического водяного пожаротушения 26
2.2. Метод расчета по НПБ 88-2001 * 32
2.3. Метод расчета по NFPA-13 с использованием программного продукта SprinkCAD 3D 35
3. Разработка метода расчета АУВПТ для решения задач анализа и синтеза 42
3.1 .Вывод основных зависимостей для расчета напорного движения жидкости по горизонтальному трубопроводу с отводами 42
3.2.Определение объемной подачи и давления нескольких на сосов с разными характеристиками, включенных параллельно или последовательно - 54
З.З. Пример расчета схемы параллельного включения дополнительного насоса 65
3.4.Экономическое обоснование эффективности модернизации насосных станций 67
4. Сравнительный анализ принятых и предлагаемого методов гидравлического расчета
4.1.Ту пиковая разветвленная оросительная сеть и основные нормативные параметры АУВПТ для проведения гидрав- лического расчета
4.2,Расчет оросительной сети аналитическим методом 82
4.3.Проверочный расчет 89
4.4.Сравнительный анализ результатов расчета 93
Выводы 99
Литература
- Классификация и состав АУВПТ
- Метод расчета по НПБ 88-2001
- Метод расчета по NFPA-13 с использованием программного продукта SprinkCAD 3D
- Пример расчета схемы параллельного включения дополнительного насоса
Введение к работе
В последнее время в России, а особенно в ее крупных городах, ведется интенсивное строительство зданий и сооружений различного функционального назначения - жилых, общественных, производственных, складских, а также многофункциональных зданий и комплексов с массовым пребыванием людей, высотных зданий, подземных сооружений, паркингов и т.п.
С другой стороны, продолжает оставаться тревожной обстановка с пожарами - не снижается (а в некоторых районах и растет) их число, высокими остаются показатели травматизма и гибели людей, материального ущерба. Осложнена и работа подразделений пожарной охраны - увеличивается время следования к месту пожара из-за пробок на улицах; пожары в высотных зданиях требуют привлечения специальной техники, зачастую уникальной, имеющейся в единичных экземплярах в крупных городах, а в некоторых населенных пунктах вообще отсутствующей; строятся здания с многоэтажными подвалами, атриумами, куда доступ пожарных подразделений затруднен. Финансовые затруднения и реформы приводят к сокращению пожарных частей федерального подчинения, нехватке высококвалифицированных кадров пожарных.
Это, в свою очередь, выводит на первый план задачу оборудования зданий и сооружений автоматическими системами противопожарной защиты средствами раннего обнаружения и подавления очагов пожара, в частности, автоматическими установками пожаротушения (АУПТ), использующими воду или растворы на ее основе в качестве огнетушащего вещества (ОТВ).
Огромное многообразие защищаемых задний, сооружений и помещений требует каждый раз заново проектировать АУПТ, содержащие насосы, разветвленные магистрали и оросители, чтобы с одной стороны до-
биться гарантированной интенсивности орошения в течение заданного времени, а с другой - не допустить избыточного пролива ОТВ во избежание порчи соседних и нижележащих помещений.
Гидравлический расчет таких АУПТ весьма сложен и трудоемок и осуществляется в настоящее время либо приближенными методами по НПБ 88-2001* (приложение 2), либо с использованием сложных и дорогостоящих компьютерных программ (HydraCAD, SprinkCAD 3D). Зарубежные компьютерные программы дорогостоящи и рассчитаны на их стандарты в части трубопроводов и насосов, что требует дополнительных усилий по подбору отечественных аналогов.
Все это приводит к необходимости нахождения некоторой «золотой середины» - разработки точных аналитических методов, доступных как для специалистов в области проектирования автоматических установок водяного пожаротушения (АУВПТ), так и для обучающихся по полсарным специальностям, а также «прозрачных» для контролирующих специалистов соответствующих подразделений ГПС.
Целью работы является разработка аналитического метода гидравлического расчета АУВПТ.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
- проведен анализ достоинств и недостатков существующих ме
тодов расчета АУВПТ;
разработан метод анализа и синтеза разветвленных оросительных сетей;
разработан метод расчета и построения единой напорно-расходной характеристики для параллельного и последовательного включения пожарных насосов;
разработана методика нахождения рабочей точки АУВПТ для аналитического метода с учетом разветвленное оросительной сети и наличия нескольких насосов.
Объектом исследования являются АУВПТ.
Предмет исследования составляют методы гидравлических расчетов АУВПТ.
Методы исследования: системный анализ, теория напорного движения жидкости, теория гидравлических машин,
Основные положения, выносимые на защиту:
- метод анализа и синтеза разветвленной оросительной сети АУВПТ;
метод расчета и построения обобщенной напорно-расходной гидравлической характеристики последовательно и параллельно включенных насосов;
методика определения рабочей точки АУВПТ и оценки ее параметров на соответствие предъявляемым требованиям.
Научная новизна диссертационной работы заключается в получении аналитических выражений для определения эквивалентного гидравлического сопротивления разветвленной оросительной сети, для построения обобщенных напорно-расходных характеристик совместно работающих насосов и нахождения рабочей точки АУВПТ.
Достоверность и обоснованность основных положений исследования обеспечена применением современных расчетных методов, корректным использованием гидравлических характеристик сетей, оросителей и насосов, непротиворечивостью полученных результатов и апробацией их на практике, а также согласованностью результатов с другими методами расчета.
Практическая значимость работы заключается в разработке аналитического метода, который позволяет на инженерном уровне аналитически решать задачи анализа и синтеза оросительных сетей АУВПТ, с одной стороны, с большей точностью, чем это позволяет стандартизованный в России метод, а с другой стороны, обеспечить возможность проверки расчета
в отличие от сложных и дорогостоящих специализированных компьютерных программ.
Разработанные методы использовались при выполнении расчетов в процессе проектирования автоматических установок водяного пожаротушения ФГУП «Ведомственная охрана» агентства по судостроению и внедрены в учебный процесс СПбУ ГПС МЧС России и СПб государственного технологического института (технического университета).
Классификация и состав АУВПТ
История возникновения установок пожаротушения неразрывно связана с развитием человеческого общества. Упоминания об устройствах для тушения пожара содержатся уже в древнейших летописях. Описания различных технических устройств пожаротушения встречаются в трудах Архимеда, греческого ученого-механика Ктесибия - изобретателя нагнетательного водоподъемного насоса (1Ы в.в. до н.э.), трактатах Герона Александрийского, Пифагора, римского архитектора Витрувия и др. [47]. 1769-1770 годы были ознаменованы созданием русским горным офицером К. Д. Фроловым проекта и действующего макета прототипа современной установки водяного пожаротушения. В описании проекта автор указывал, что его пожарная машина может быть использована в качестве водопроводной установки. Механизм ее был прост. Двигателем служило водоналивное колесо, приводящее в движение кривошипношатунный механизм. Последний жестко соединялся с поршнями двух подававших воду в распределительную трубу, оборудованную перекрывными кранами. В случае пожара на концы стояков насаживались «кожаные рукава со шприцами» и открывался кран для подачи воды в очаг пожара. В чердачные помещения вода подавалась по стоякам. Внутри таких помещений располагались горизонтальные трубы с отверстиями для разбрызгивания воды. Это изобретение так и не было применено на практике, а осталось только на бумаге в архивах.
В 1806 году англичанин Джон Керн создает аналогичную установку и получает на нее патент. В 1864 году англичанин Стюарт Гар рисон снабдил эту установку оросителем, отдаленно напоминающем спринклер. В 1874 году американская фирма «Пармели и К» разрабатывает конструкцию оросителя, получившую название спринклер (от английского «брызгать»). Спустя семь лет Пьер Ориоль из Канта (Франция) создает «автоматический пожаротушитель Ориоля». Принцип его действия не имел особых отличий от уже известных систем, кроме конструкции оросителя. Для разбрызгивания воды автор изобретения использовал сетчатый распылитель. В том же 1881 году Фредерик Гриннель из США изобретает отражатель, позволяющий подавать воду из спринклера во всех направлениях. Конструкция спринклера получилась настолько удачной, что буквально со следующего года промышленность освоила их выпуск.
Первые промышленные спринклерньте установки представляли собой водопроводные системы с подключенными к ним спринклерными головками. Основной частью спринклеров был мостик из нескольких тонких металлических пластинок, спаянных между собой легкоплавким металлом с определенной температурой плавления. При повышении температуры окружающей среды легкоплавкий металл мостика расплавлялся, и спринклер вскрывался. Прекратить разбрызгивание воды можно было закрытием крана водопроводной системы.
К спринклерным системам уже тогда предъявлялись жесткие требования: вода должна была равномерно и в достаточном количестве поступать на защищаемую площадь с одновременным орошением потолка; легкоплавкий замок спринклера должен был распадаться при определенной температуре и не препятствовать освобождению пробки, закупоривающей его отверстие. Этим условиям в наибольшей степени отвечал спринклер «Гриннель», получивший широкое распространение в Америке, а затем и во всех промышленно развитых странах.
В России установка спринклеров «Гриннель» началась с 1891 года. Работа по созданию автоматических установок водяного пожаротушения велась одновременно в нескольких направлениях. В 1882 году Ф. Баром из Варшавы разрабатывается аппарат для «автоматического тушения и указания пожара». В нем открытие клапанов для выпуска воды в виде дождя осуществлялось с помощью электричества. Сигнал на кгшпаны поступал от датчика, выполненного в виде проводов, покрытых изолирующей массой. При повышении температуры эта масса расплавлялась, и концы проволок, соприкасаясь, замыкали электрическую сеть. Одновременно с этим замыкалась цепь электрического звонка и подавался сигнал тревоги 23 мая 1884 года, т.е. почти на месяц раньше Ф. Гриннеля, русский инженер Н.П. Зимин заявляет в патентное ведомство автоматический гто-жаротушитель, в котором сетка для разбрызгивания воды наглухо закрывалась стеклянным или фарфоровым колпаком. Этот колпак разрушался грузом, приводимым в движение при перегорании легковоспламеняющейся тесьмы, или при расплавлении легкоплавкого металла. Применение стеклянного колпака в качестве запорного устройства водопроводной сети давало возможность использовать автоматические установки водяного пожаротушения в агрессивных средах. Это было важным достижением, так как спринклеры «Гриннель» вследствие коррозии металла не всегда срабатывали в атмосфере, где имелись кислоты. Однако предложения Зимина, как и Федорова в свое время, так и остались лежать в архиве
Метод расчета по НПБ 88-2001
Методика расчета приведена в приложении 2 к НПБ 88-2001 .
Расчет сводится к определению зависимости падения давления на участках сети от диаметра труб. Для проведения гидравлического расчета определяются нормативные параметры работы установки. Расчетное давление в трубопроводах установки не должно превышать 1,0 МПа.
Выбирается фактическое количество оросителей из условия их равномерного размещения по защищаемой площади помещения или расчетной площади с учетом ограничений по расстоянию между оросителями и между оросителями и стенами (расстояние между оросителями и стенами должно быть не более половины расстояния между оросителями) и ограничения по защищаемой площади.
Определяется «диктующий» (наиболее удаленный и высоко расположенный) ороситель. Если на «диктующем» оросителе будет обеспечен требуемый расход (т.е., при известной площади, защищаемой оросителем, требуемая интенсивность орошения), то на других оросителях требуемый расход будет обеспечен и подавно.
Диаметры трубопроводов установок определяются исходя из условия, что скорость движения воды в трубопроводах должна составлять не более 10 м/с. Диаметры всасывающих трубопроводов установок следует определять гидравлическим расчетом, при этом скорость движения воды в трубопроводах должна составлять не более 2,8 м/с.
Расчетный расход воды, раствора пенообразователя Qd, л/с, через ороситель определяется по формуле: Qd=K4H, (2.1) где К - коэффициент производительности оросителя, принимаемый по технической документации на изделие; Я- свободный напор перед оросителем, м вод. ст. Минимальный свободный напор для оросителей (спринклерных, дренчерных) с условным диаметром выходного отверстия: Ду = 8...12мм-5 мвод. ст., Ду = 15...20 мм- 10 м вод. ст.
Расход воды необходимо определять произведением нормативной интенсивности орошения на площадь для расчета расхода воды по нормативным параметрам, определяемым по НПБ 88-2001 .
Для выбора диаметра условного прохода трубопровода применяется формула: 4,=, — . (2-2) " 4 Vp где q - расход воды, который движется по трубе, м ; и? - скорость потока воды в распределительном трубопроводе, м/с (принимается не более максимальной -10 м/с).
Потери напора на расчетном участке трубопроводов #,, м, определяются по формуле О2 Я1= -, (2.3) где Q - расход воды, раствора пенообразователя на расчетном участке трубопровода, л/с; В - характеристика трубопровода, определяется по формуле B=k f, (2.4) где к-[ - коэффициент, учитывающий шероховатость стенок и радиус трубы; / - длина расчетного участка трубопровода, м.
Удельная характеристика к\ представляет собой величину, характеризующую влияние шероховатости внутренней поверхности трубы на потери напора. В табл.2.3, взятой из приложения 2 НПБ 88-2001 , значения к\ приводятся для наиболее часто применяемых труб. Таблица дополнена столбцом, в котором приведены значения коэффициента сопротивления трению на единице длины Л, рассчитанного для труб по ГОСТ 3262-75 [22].
Характеристики некоторых труб по ГОСТ 3262- Трубы Диаметрусловногопрохода,мм Диаметр наружный, мм Толщинастенки,мм Значение ЗначениеЛ
Стальныеводогазо-проводные(ГОСТ3262-75) 1520253240506580100150 21,326,833,542,3486075,588,5114165 2,5 2,5 2,8 2,8 3,0 3,0 3,2 3,5 4,0 4,0 0,180,9263,6516,534,51355171262520543000 0,0570,0530,050,0470,0450,0420,0400,0380,0360,033
Потери напора в узлах управления установок Н2, и, определяются по формуле (2.5) или приведены в технической документации. H2=eQ\ (2.5) где е - коэффициент потерь напора в узле управления, принимается по технической документации на клапаны; Q - расчетный расход воды, раствора пенообразователя через узлы управления, л/с.
Методика НПБ 88-2001 при гидравлическом расчете спринклерных (дренчерных) установок потери напора в местных сопротивлениях учитывают путем увеличения линейных сопротивлений на 20%,
Метод расчета по NFPA-13 с использованием программного продукта SprinkCAD 3D
Методика гидравлического расчета АУВПТ изложена в главе 8 NFPA-13. Для проектирования АУПТ на основе тонкораспыленной воды действует стандарт NFPA-750, однако для установок с давлением в системе до 12 атм. применяется тот же метод, что и в NFPA-13.
Диаметр труб, количество оросителей в одной ветви и количество ветвей от одной трубы ограничиваются только объемом доступного запаса воды.
Эквивалентные длины труб, клапанов и приспособлений рассчитываются по справочным данным, приведенным в стандарте.
Там, где проектирование основано на методе площадь/интенсивность, площадка должна иметь прямоугольную форму, иметь величину расстояний между параллельными линиями не менее 1,2 величины квадратного корня от площади охвата, что обеспечит охват оросителями обеих сторон общей линии. Там, где в основу проектирования положен пространственный метод, расчеты должны производиться с учетом помещения и пространства взаимодействия, в этом случае, требования к гидравлике наиболее жесткие.
Интенсивность рассчитывается на основе показателя площади пола охватываемого обрызгиванием. Площадь, покрываемая одним оросителем, учитывается в гидравлическом проектировании, а расчеты должны учитывать плотность горизонтального расположения - расстояние между оросителями на одной линии и расстояние между линиями в соответствии с нормами.
Каждый ороситель на площадке и остальные, входящие в гидравлическую систему должны нагнетать полный расход в количестве, равном не менее обусловленного минимума нормы орошения (интенсивность), умноженной на величину площади, защищаемой одним оросителем. Расчет начинают от гидравлически наиболее удаленного (труднодоступного) оросителя. Напор каждого оросителя базируется на расчетном давлении.
При расчете расхода из диафрагмы должна быть использована величина (Pi) общего давления. Расход из оросителя рассчитывается с использованием номинального /Г-фактора.
Программа для выполнения гидравлических расчетов SprinkCAD 3D выполняет расчеты на основе вышеизложенных формул. Один из разделов программы - SprinkCALC позволяет делать расчет любой системы по упрощенной аксонометрической схеме. Для этого задается сетка распределения оросителей, орошающих расчетную площадь, высотные отметки участков трубопроводов и водопитателя в окне на рис. 2.4.
Основным достоинством программы является возможность выполнять расчеты сетей любой степени сложности и неопределенности с большой точностью (учитываются потери давления в местных сопротивлениях), но точность расчета в данном случае определяется выбором исходных данных. Программа дает графическое представление результатов расчета.
К недостаткам можно отнести высокую стоимость таких продуктов, сложность в их освоении, сложность адаптации зарубежных программ к отечественным единицам измерения и необходимость создания собственных баз данных по оборудованию и материалам, а также отсутствие одобрения в России. Недостатком также является сложность при проверке выполненного расчета. Программа имеет тот же недостаток, что и метод НПБ 88-2001* - не учитывает фактический расход системы с учетом характеристики водопитателя.
Таким образом, анализ расчетных методов проектирования оросительных сетей АУПТ показывает, что, с одной стороны, принятый в России метод гидравлического расчета АУВПТ обладает точностью, недостаточной для уровня развития науки XXI века, что приводит к нежелательному перерасходу ОТВ, нерациональному завышению требований к насосным установкам, их удорожанию. С другой стороны, известные компьютерные программы для расчета оросительных сетей АУПТ также несвободны от погрешности при определении рабочей точки, сложны, дорогостоящи, требуют прохождения дополнительного обучения по их освоению пользователем, кроме того, зарубежные программы ориентированы на их стандарты.
Все это приводит к необходимости совершенствования методов расчета, позволяющих поводить анализ и синтез оросительных сетей АУПТ с учетом одновременного включения нескольких насосов.
Пример расчета схемы параллельного включения дополнительного насоса
Многие действующие объекты - производства, склады, бизнесцентры, торгово-развлекательные комплексы и т.п., оборудованы установками водяного пожаротушения (ВПТ) - автоматическими (АУВПТ) и внутренним противопожарным водопроводом (ВППВ). Большое число из них построены в последнее десятилетие, когда во многом изменялась и, в ряде случаев, формировалась существующая на сегодняшний день нормативно-техническая база документов, регламентирующих требования по оснащению зданий, сооружений, помещений системами АПЗ, в частности, установками пожаротушения. Эти объекты, как правило, оснащены ими в соответствии с действующими нормативами.
Особенностью современного этапа развития городов является модернизация существующих объектов: надстраиваются этажи, пристраиваются новые помещения, изменяется функциональное назначение зданий, увеличивается количество пожарной нагрузки в них. Это приводит к тому, что имеющиеся в здании АПЗ оказываются недостаточными для новых объемно-планировочных решений и условий эксплуатации. Необходимо существующую АПЗ объекта привести в соответствие требованиям современных НТД [79,81,91-95].
Для приведения в соответствие требованиям НТД имеющейся на реконструируемом объекте АУВПТ, учитывая его специфику, может потребоваться: увеличение напора для обеспечения требуемой интенсивности (в случае, если требования к интенсивности не изменились, но при новых объемно-планировочных решениях не хватает напора в системе для ее обеспечения); увеличение интенсивности орошения и, соответственно, общего расхода воды. Для системы ВППВ может потребоваться увеличение числа струй, орошающих одну точку или расход струи [92]. В обоих случаях потребуется модернизация или замена НУ и расширение системы питающих и распределительных трубопроводов. НУ и трубопроводная сеть АУВПТ и ВППВ могут быть как общими (в случае установки пожарных кранов на питающих трубопроводах спринклерной водозаполненной АУПТ), так и независимыми друг от друга. Можно рассматривать еще случай, когда объект оборудован только ВППВ, а после реконструкции требуется устройство АУВПТ, тогда для этих систем НУ может быть общей.
Рассмотрим частный случай: требуется переоборудование НУ пожаротушения, общей для систем АУВПТ и ВППВ; питающие и распределительные трубопроводы находятся в исправном состоянии, требуется только монтаж дополнительных трубопроводов или их частичная замена.
Здесь возможны два пути модернизации установки ВПТ: 1) демонтаж существующей НУ с последующим монтажом новой; 2) модернизация НУ, т.е. дооборудование дополнительным(ми) насосом(ми). В обоих случаях существующая система трубопроводов сохраняется, добавляются новые трубопроводы в соответствии с требованиями НТД и изменениями архитектуры здания и технологических процессов.
При исправном состоянии существующей системы ВПТ второй путь - модернизация - представляется наиболее перспективным. При этом сокращается объем работ (ускоряется ввод в эксплуатацию новой системы) и снижается их стоимость, поскольку отсутствует этап демонтажа «старой» системы и учитывается стоимость существующего насоса.
Схематически эти два возможных пути представлены на рис. 3.12. Из схемы видно, что модернизация установки ВПТ является экономически более целесообразной при технической возможности ее осуществления,
