严寒地区山岭隧道消火栓系统的设计与研究

摘要:研究目的:研究适应于寒冷地区山岭隧道消火栓系统的设计方法,解决消火栓系统的选取及消防管道防冻等设计难题。

研究方法:结合有关规范要求,并以内蒙某地区山岭隧道为工程实例,对电伴热保温、放水保温、干式消火栓系统等3种设计方案进行技术和经济分析、论证。

研究结果:提出了电伴热保温、放水保温、干式消火栓系统等3种设计方案的系统构成,主要技术参数和设计计算方法。

研究结论:电伴热保温、放水保温、干式消火栓系统等3种设计方案均可满足功能要求,电伴热保温方案的造价高;放水保温方案最经济适用;干式消火栓系统方案须得到消防部门的认可,可根据工程环境需要进行选择。

关键词:山岭隧道;消火栓系统;研究

中图分类号:U458文献标识码:A

1简述

随着我国公路建设的发展,严寒地区山岭公路隧道建设规模及其技术需求越来越高,其消防问题也越来越受到人们的关注。但严寒地区山岭隧道消火栓系统管道的防冻问题,往往让设计者、建设管理者、消防部门感到颇为棘手,主要是水消防系统必须进行防冻处理,以确保消防功能需要。但目前尚没有针对性的设计规范进行指导,如何最大限度地减少工程投资、节约能源、杜绝消防事故隐患是严寒地区山岭公路隧道水消防设计中急需解决的问题。

国家推荐性行业标准(JTG/TD71-2004)公路道交通工程设计规范,对于长大隧道(L>500m),根据公路的级别对火灾报警、消防设施要求摘要见表1。

1

可见,在高速公路的A级、B级和一级公路的A级都必须设置消火栓系统。山岭公路隧道大都设置在离城市较远的山区,故一般无自来水管网,基本上利用地水作为消防水源,通过打井、隧道外顶部适当位置设消防水池的方法,对隧道进行消防。由于严寒地区冰冻期很长,有的甚至1年达到5个月,消防管道的水在管道内不流动,所以很容易造成管道的水冻结或管道冻裂,给消防带来隐患,故需对消防系统进行特殊设计并对管道进行保温。

2电伴热保温方案

该方案是将发热电缆沿管道、阀门均匀缠绕,外侧包裹保温材料,用温控器来控制消防水管外表面的温度,当探测点的温度低于设定值时,发热电缆启动,维持管道阀门温度,避免冻裂。

以内蒙某地区山岭隧道为例,该项目需要采用1000m镀锌钢管,管道直径为DN150,假设采用聚氨脂作为管道的外包裹保温材料(见图1),冬季冰冻期按120d算。

式中T0一一一介质温度(C)(金属管道和设备的表面温度同介质温度)取10C;

Ta一一一环境温度(C)取极端平均最低温度,取-33.7c;

tm一一一绝热层内外表面温度的算术平均值(C)为[10"-(-33.7"C)]/2=21.85";

λ=0.0275+0.00009tm;

D2一一一绝热层外径;

D1一一一管道外径(0.159m);

Q一一一保温绝热层热量损失;

as一一一绝热层外表面向周围环境放热系数(W/cm·c);

λ一一一金属绝热材料导热系数(W/m-C);

q一一一每米管道保温绝热层热量损失。

则保温绝热层热量损失Q的计算按照下式:

分别假定不同的D2(0.20m,0.25m,0.3m,0.35m),通过计算分别得出以下结果见表2。

表

从表2可以看出,外裹保温材料绝热层的厚度越厚,电伴热所须的功率越小,但由于受到工程造价隧道

断面的影响,管道的保温层厚度不可能太大。通过以上的计算也可以得出电伴热所需用电负荷及配电的参数。

假定内蒙某地区白天和夜晚最高温差为15C,若取Ta为-18.7c,则tm为14.35c,分别假定不同的D2(0.20m,通过计算分别得出以下结果见表3。

为能更接近实际情况,用室外温度分别为-33.7C和-18.7c管道热损失的加权平均值,来计算耗电量,其中,工业用电每度0.9元计,则不同的厚度保温绝热层,每天和每年电费大约如表4所示。

表4只是每千米的运营电费的一个粗略的计算,在实际工程可根据不同时段的室外温度进行计算。通过以上的计算电伴热的运营费用还是相当高的,还不包括初期安装电伴热设备费约25万元以及今后的维修管理费用。

3放水保温方案

这是严寒地区传统的保温方法,通过每天给管道"放水",让水"流动、循环"起来,充分利用地下水较高的热容量,对管道进行保温。

对于前述同样内蒙某项目,按保温厚度0.0705mm为例计算,在采用保温的条件下,由表一可以得出保温绝热层热量损失为:44.67J/h。

地下水水温按10C考虑,每米DN150管道的水量为17.4L放出的热量为:Q=1x17.4(10c-5c)=87kcal=87x4.18=364.25kJ

所需时间为:364.25/44.67=8.15h

所以每天每米所交换的水量为17.4Lx24/8.15=51.25L。

通过以上计算可以得出,从理论上在内蒙某地区每千米DN150的消防管,用70.5mm聚氨脂保温层厚度保温时,每天让管网放掉51m3水,放在隧道管沟中的消防管道就不会冻。对一些地下水温更高的地区,换水量还能少一些。

由于山岭隧道一般都是结合项目打井取水,放掉的水又渗到地下,相当于循环利用,不存在资源浪费的问题。每天只需用水泵直接向隧道内的消防管网补水,每天消耗的为水泵补水所需的电能,假定用扬程为60m,流量为10m3/h,功率为5.5kW的水泵向隧道的消防管网补水,其每天耗电量为27.5kW.h,合25元,是电拌暖的1/10。

通过比较,放水保温方案比电伴热方案节省许多,且由于水在管道内经常流动,还能避免消防水腐臭变质。但该方案要求地下水源较充沛,地下水温大于10c,且需根据环保要求,应循环使用水源。该方案如图2所示。

4干式消火栓系统

4.1干式消火栓系统的特点

干式消火栓系统的主要特点是快速启闭装置后的

管路内无水。在发生火灾时,隧道火灾报警系统接到

报警信号,开启电动启闭阀和快速排气阀,将管道内空气迅速排除,管道在短时间内由干式迅速转变为湿式系统,在消火栓口接出水龙带和水枪达到灭火的目的。

需要针对不同的季节进行充放水维护管理。

与湿式系统相比,干式系统主要优点是:(1)平时管道内无水,不会有冻结问题,不需要保温;(2)因为平时管道内无水,因此即使个别管道的接口不够严密,也不会产生滴漏水的现象。

与湿式系统相比,该系统主要缺点是:(1)因为平时管道内无水,需要一定的充水时间,使用消火栓的时间滞后于湿式系统;(2)快速起闭阀门需要能够远程启动,排气阀有可能堵塞,不能有效排除管道的空气。

4.2干式消火栓系统的分类

NFPA系列标准是美国消防研究机构编著,在国际上广泛使用的消防标准,NFPA14《消防立管、消火栓及消防软管安装标准》中提到干式消火栓系统可分为以下3个系统。

(1)全自动干式系统:平时系统管道充满压缩空

气,并设有像干式报警阀一样的装置,允许水自动进入开启的消火栓,系统的供水设施有能力供应并满足系统消防用水量;

(2)半自动干式系统:干式管道系统上设有像雨

淋阀一样的装置,在每一个消火栓处设1个遥控装置,以便尽快允许水冲入系统,遥控装置动作时,系统的供水设施有能力供应并满足系统所需消防水量;

(3)手动干式系统:系统管道为干式,且系统无永久的给水设施,手动干式系统需要的消防用水来自消防车的消防泵,并通过消防水泵接合向系统供水;

半自动干式系统与全自动干式系统比较,不需要

设置管道气体增压设备,管道内可以是空管,相对来说

系统的反应速度较快,设备管理简单,投资少,明显优

于全自动干式系统,因此在干式系统设计中一般采用半自动干式系统。快速启闭阀应有以下特点:开启动作小、过水速度快、密封性好、阻力损失小、便于自动控制等。

4.3干式消火栓系统的组成

干式消火栓系统主要包括远程控制的快速启闭装置、设置一定坡度的管道、快速排气装置以及必备的消

火栓及组件。

4.4严寒地区山岭公路隧道采用干式消火栓系统的分析系统充水时间决定了采用干式系统的管道长度,

管道流速按照最大2.0~2.5m/s考虑。同样是上述内蒙地区的项目,以1km的隧道长度

为例进行相应的计算,从隧道端口分别引入消防管道,

最不利情况下的消防干管长度约达到1000m,这样的管道长度,充水时间约为7min,也就是说采用干式系统的情况下,火灾的前7~8min消火栓系统难以保证消防用水。

由于山岭隧道项目一般都处于比较偏僻的地区,发生火灾后,等专业消防车及消防人员赶到现场,起码需要15min以上。在火灾发生的10min时间内,主要是汽车乘客疏散时间,此时能通过用手提式灭火器或其它方式进行灭火,并向有关部门发出求援信息。若采用干式系统,在此时消火栓系统已具备消防条件。干式消火栓工艺图如图3所示。

当然,若隧道在施工过程中,可考虑结合竖井等类似的设施,从隧道中间引入消防管道,缩短快速充水距离,减少充水时间,需要结合具体工程情况再行论证。另外若需要减少充水时间,管道的流速则需增加,因此可在山顶较高处设置消防水池,但消火栓栓口压力不应超过规范要求,同时从隧道两端消防管接出消防结合器,以备消防车补给。

我国的《建筑设计防火规范》比较明确地要求消火栓系统尽可能采用湿式,但也并非绝对不能采用干式系统,通过以上的分析和国外工程的成功经验,在严寒地区的山岭公路隧道设计中采用干式水消防系统的是可行的而且也是一个比较好的方法。但该方案隧道的长度不宜过长,也就是说充水时间不宜过长,同时考虑到消防设施主要由市政消防部门使用,一定要经过当地消防部门的批准。

5结论

本文讨论了严寒地区公路隧道3种不同的消火栓系统设计方案及管道的保温措施,在设计中应根据工程的实际情况来确定消火栓系统的方案,使工程经济实用、安全可靠。一般严寒地区公路山岭隧道采用干式消火栓系统和"放水保温"的方式较为经济适用,但u放水保温"要求地下水源充沛,地下水温大于10C;干式消火栓系统要求隧道不宜过长,最好不要超过2km,且需当地消防部门批准。电伴热保温系统安装和维护、运营管理代价较高,可在有特殊要求的情况下使用。

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(编辑慕成娟张滨)

(上接第48页)

图8(a)给出了不同过渡段长度对轮轨力的动力影响,从图上可以看出随着过渡段设置长度的增加,轮

轨力的峰值逐渐减小,轮轨力衰减逐渐缓慢,当过渡段长度达到25m时,最大轮轨力仅85kN,车辆通过过渡段时冲击很小。图8(b)给出了不同过渡段长度对

车体加速度的动力影响,从图上可以看出随着过渡段长度的增加,车体加速度衰减缓慢且峰值降低,车体加速度曲线已经变得非常缓

和,车体加速度峰值降至0.5m/s2,远低于车体加速度的安全限值。分析可知,对于差异沉降为30mm的过渡区段,过渡段的长度可以设置在25m~30m之间。对于高速铁路而言,乘坐舒适性是重要的评价指标,而

车体加速度与乘坐舒适性密切相关。由于轮轨力的衰减周期短,而车体加速度的衰减周期比较长,因此在设置过渡段时,可以车体加速度为主要考虑指标。

3结论

在土路基-刚性基础过渡区段,轨道基础刚度差产生动力作用不是很大,但钢轨挠度变化显著;差异沉降对轮轨系统的动力作用十分剧烈。因此,既要考虑

轨道结构的平顺性,又要满足行车的舒适性,土质路基

-刚性基础过渡段的动力影响要引起重视,须满足基础刚度的均匀性,尽量控制差异沉降,对于最大差异沉

降为30mm的过渡区段,过渡段的长度建议设置在25

~30m之间。

参考文献:

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(编辑慕成娟赵立兰)