蔣從偉，曹 飛，馮飛波，袁守軍，郭 帥*

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司蚌埠供電公司，蚌埠，233000；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥，230009)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的逐步發(fā)展，我國(guó)人口城鎮(zhèn)化率以每年超過(guò)1%的速度增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)大陸城鎮(zhèn)常住人口已超過(guò)8.31億人[1]。城鎮(zhèn)人口的增長(zhǎng)，大大增加了對(duì)電力的需求，為此，國(guó)家建設(shè)了諸多變電站，以解決城鎮(zhèn)供電問(wèn)題。近年來(lái)，各類(lèi)變電站的安全問(wèn)題，特別是建立在人口稠密地區(qū)的四類(lèi)變電站(通常為110 kV、35 kV)的消防安全問(wèn)題成為關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》( GB 50229-2006)第11.5.1條規(guī)定：變電站規(guī)劃和設(shè)計(jì)，應(yīng)同時(shí)設(shè)計(jì)消防給水系統(tǒng)，消防水源應(yīng)有可靠保證[3]。因此，消防給水系統(tǒng)是變電站必不可少的消防設(shè)施。傳統(tǒng)的變電站水消防系統(tǒng)通常建設(shè)一座消防水池，用于向消火栓提供消防用水。但對(duì)于建立在市區(qū)的變電站而言，征地通常較為困難，消防水池的建立顯著增加了市區(qū)變電站的規(guī)劃和建設(shè)難度。另外，現(xiàn)有變電站消防水池的使用情況調(diào)查結(jié)果表明，由于消防用水使用頻率極低，池內(nèi)普遍存在水質(zhì)污染問(wèn)題；此外，部分消防水池由于管理不當(dāng)，存在池內(nèi)無(wú)水等問(wèn)題[4]，從而存在消防安全隱患。

近年來(lái)，隨著市政供水管網(wǎng)的不斷完善，部分城市為了節(jié)約用地，其市區(qū)變電站取消了消防水池，消防供水模式改為直接從市政管網(wǎng)取水[5,6]。該消防取水方案的穩(wěn)定性如何，以及發(fā)生火災(zāi)消防系統(tǒng)啟用時(shí)市區(qū)用戶的供水保障性是否受到影響，成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

鑒于消防設(shè)施的特殊性，變電站水消防系統(tǒng)觸發(fā)啟用的頻率極低，目前尚未見(jiàn)到直接從市政管網(wǎng)取水的消防設(shè)施的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析與文獻(xiàn)報(bào)道。因此，利用數(shù)值模擬軟件，開(kāi)展消防系統(tǒng)數(shù)值模擬研究與分析則成為便利、有效的手段[7,8]。本文采用USEPA開(kāi)發(fā)的EPANET軟件，構(gòu)建市政配水管網(wǎng)數(shù)值模型，開(kāi)展了多種工況條件下變電站水消防系統(tǒng)數(shù)值模擬與計(jì)算，相關(guān)結(jié)論可為變電站消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理提供參考。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模擬區(qū)域概況

以A城市中心城區(qū)為對(duì)象，開(kāi)展配水管網(wǎng)數(shù)值模擬計(jì)算研究。該區(qū)域面積約20 km2，其供水管網(wǎng)采用環(huán)狀網(wǎng)和枝狀網(wǎng)相結(jié)合的方式進(jìn)行布置，管網(wǎng)模型如圖1所示(圖1中數(shù)字為節(jié)點(diǎn)編號(hào))。供水管網(wǎng)全長(zhǎng)67.6 km，包含99個(gè)用水節(jié)點(diǎn)、121根管段、2個(gè)供水水源點(diǎn)和3個(gè)高位水池(編號(hào)為1、2、3)。區(qū)域南郊和北郊各建有一座110 kV戶內(nèi)變電站，分別位于管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)4(變電站1)和節(jié)點(diǎn)5(變電站2)。

圖1 管網(wǎng)模型圖(圖中數(shù)字為管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編號(hào))Fig. 1 Pipe network model diagram

該區(qū)域最高日用水量為6.2×104m3/d，用水量變化曲線如圖2所示。用水高峰時(shí)段為19:00～22:00，最大用水量發(fā)生在21:00～22:00，用水量為889.51 L/s；在2:00～3:00，管網(wǎng)需要向高位水池供水，最大傳輸流量為469.96 L/s。

圖2 用水量變化曲線Fig. 2 Water consumption curve

1.2 模型參數(shù)與消防工況

以供水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)水壓值為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象，采用USEPA開(kāi)發(fā)的有壓輸配水管網(wǎng)水力模擬軟件EPANET 2.0構(gòu)建數(shù)值模型，開(kāi)展水力計(jì)算，重點(diǎn)研究與分析不同供水條件與消防工況下管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)處的壓力變化特征。

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，在變電站建筑物體積大于5 000 m3、小于20 000 m3，且變電站僅設(shè)室內(nèi)外消火栓，未設(shè)其它固定消防設(shè)施時(shí)，110 kV戶內(nèi)變電站的設(shè)計(jì)消防用水量為室外消火栓系統(tǒng)流量25 L/s，室內(nèi)消火栓系統(tǒng)流量20 L/s，假設(shè)火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為3 h，發(fā)生在如下3種不利供水條件下：(1)模擬區(qū)域用水高峰時(shí)段(19:00～22:00)，管網(wǎng)供水量3 532.86 m3/h；(2)管網(wǎng)對(duì)高位水池進(jìn)行充水時(shí)(1:00～4:00)，管網(wǎng)發(fā)生最大傳輸流量1 691.86 m3/h；(3)干管發(fā)生爆管故障進(jìn)行維修時(shí)，管網(wǎng)供水量為最高供水量的70%[9]，即2 473.00 m3/h。在上述3種不利供水條件下，按表1所示的5種消防工況建立模型、開(kāi)展數(shù)值分析。

表1 火災(zāi)模擬工況表

2 結(jié)果與分析

根據(jù)相關(guān)要求，我國(guó)城市配水管網(wǎng)的供水水壓按照用戶接管點(diǎn)處服務(wù)水頭不小于28 mH2O的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]。在3種不利供水條件下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不同工況下壓力小于28 mH2O的節(jié)點(diǎn)編號(hào)如表2所示。

表2 不同供水條件下火災(zāi)時(shí)水壓小于28 mH2O的節(jié)點(diǎn)編號(hào)

下面對(duì)3種不利供水條件下發(fā)生火災(zāi)時(shí)的管網(wǎng)響應(yīng)情況分別進(jìn)行分析與討論。

2.1 用水高峰時(shí)火災(zāi)工況分析

在用水高峰時(shí)段(19:00～22:00)發(fā)生火災(zāi)，各消防工況下管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力統(tǒng)計(jì)表如表3所示。未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，管網(wǎng)中有3處節(jié)點(diǎn)的自由水頭小于28 mH2O(表2中無(wú)火災(zāi)工況)，這是由于這些節(jié)點(diǎn)連接的管道較長(zhǎng)、流量較大且管徑較小而導(dǎo)致的水頭損失較大[11]。在工況1、工況3和工況5條件下，變電站1位置處，即節(jié)點(diǎn)4壓力都無(wú)法滿足供水需求，而變電站2，即節(jié)點(diǎn)5在所有工況下，均可以滿足28 mH2O的供水需求。變電站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于消火栓系統(tǒng)直接從管網(wǎng)取水，管網(wǎng)供水流量增大，導(dǎo)致水頭損失增大，從而自由水頭小于28 mH2O的節(jié)點(diǎn)數(shù)量明顯增加。管網(wǎng)中不同位置變電站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其對(duì)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力造成的影響存在差異[12]，處于管網(wǎng)末梢處的變電站1發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況3)，除原來(lái)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)外，變電站1(節(jié)點(diǎn)4)及其上游的1個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)253)也不滿足供水要求，而距離水源較近的變電站2發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況4)，不滿足供水要求的節(jié)點(diǎn)數(shù)目與無(wú)火災(zāi)發(fā)生時(shí)相同；兩座變電站同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況5)，管網(wǎng)系統(tǒng)中自由水頭小于28 mH2O的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于單一變電站發(fā)生火災(zāi)的工況(工況3和工況4)，此時(shí)變電站1及其上游兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力均不滿足供水要求，且此工況最低自由水頭值亦小于單一變電站發(fā)生火災(zāi)的消防工況。

表3 用水高峰時(shí)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓力統(tǒng)計(jì)表

為分析變電站位置的不同對(duì)管網(wǎng)壓力波動(dòng)的影響，圖3給出了工況3和工況4條件下不滿足28 mH2O供水要求的各節(jié)點(diǎn)壓力24小時(shí)變化曲線。除節(jié)點(diǎn)153外，其余各節(jié)點(diǎn)僅在用水高峰時(shí)段不滿足28 mH2O的供水要求，用水高峰時(shí)刻(21:00)為壓力最低點(diǎn)，且臨近節(jié)點(diǎn)的壓力曲線變化趨勢(shì)相似，由于節(jié)點(diǎn)153位于變電站2上游，當(dāng)變電站2室內(nèi)外同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況4)，節(jié)點(diǎn)153在高峰時(shí)段壓力降低明顯；另外，圖3(a)中，節(jié)點(diǎn)4(變壓站1)的壓力始終高于其上游節(jié)點(diǎn)253，以及工況3和工況4中，節(jié)點(diǎn)153在多數(shù)時(shí)段壓力均小于28 mH2O，而變電站2壓力始終滿足供水要求；可見(jiàn)，變電站消防供水直接從兩路市政供水干管取水具有一定的優(yōu)勢(shì)，保證了變電站處最大程度的滿足市政管網(wǎng)供水壓力的要求，提高了供水可靠性[13]。

圖3 最高時(shí)不滿足28 mH2O各節(jié)點(diǎn)壓力曲線Fig. 3 Curves of each node not meeting 28 mH2O pressure during peak water consumption

2.2 最大傳輸時(shí)火災(zāi)工況分析

在夜間最大傳輸時(shí)段(1:00～4:00)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，變電站各消防工況下管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力統(tǒng)計(jì)如表4所示。該管網(wǎng)運(yùn)行條件下，由于管網(wǎng)的傳輸流量較小(1 691.86 m3/h)，節(jié)點(diǎn)整體壓力較高，多在40 mH2O～50 mH2O之間，無(wú)火災(zāi)時(shí)僅有1個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)153)不滿足供水要求。此時(shí)段變電站發(fā)生火災(zāi)，對(duì)供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)無(wú)顯著影響，當(dāng)兩座變電站同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況5)，僅有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)自由水頭小于28 mH2O。工況4和工況5增加的壓力小于28 mH2O的節(jié)點(diǎn)15為大用戶點(diǎn)，在此時(shí)段用水量較大，且距離變電站2距離較近，導(dǎo)致壓力降低。

表4 最大傳輸時(shí)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓力統(tǒng)計(jì)表

在最大傳輸時(shí)，工況3和工況4條件下不滿足28 mH2O節(jié)點(diǎn)的壓力變化曲線如圖4所示。當(dāng)變電站2室內(nèi)外同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況4)，有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不滿足供水需求，節(jié)點(diǎn)153位于變電站2上游，所以當(dāng)1:00～4:00需要對(duì)變電站2供水時(shí)，其壓力會(huì)有所降低；而節(jié)點(diǎn)15為大用戶點(diǎn)，用水曲線與普通用戶不同，其壓力變化曲線與其余節(jié)點(diǎn)相差較大，壓力最低點(diǎn)不在用水高峰時(shí)，且該點(diǎn)僅在其用水量較大的時(shí)刻以及變電站2室內(nèi)外同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，壓力不滿足供水要求。

圖4 最大傳輸時(shí)不滿足28 mH2O各節(jié)點(diǎn)壓力曲線Fig. 4 Curves of each node not meeting 28 mH2O pressure during maximum transmission

2.3 干管事故時(shí)火災(zāi)工況分析

依據(jù)規(guī)范要求，城市管網(wǎng)在事故工況下，需要保證70%以上供水量(本案例2 473.00 m3/h)[9]。此時(shí)發(fā)生火災(zāi)，由于需水量減小，各節(jié)點(diǎn)自由水頭值(表5)總體高于供水高峰時(shí)段發(fā)生火災(zāi)的壓力(表3)；但由于一條主干管發(fā)生事故，火災(zāi)時(shí)管網(wǎng)中仍有較多節(jié)點(diǎn)自由水頭小于28 mH2O(表5)。而且，受火災(zāi)影響的供水區(qū)域相對(duì)較為復(fù)雜，如本案例中，由于變電站1位于事故干管下游，且位于管網(wǎng)末端，即使無(wú)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，變電站1及其上游的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)251、節(jié)點(diǎn)253)也不能滿足供水要求，當(dāng)其室內(nèi)外同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況3)，管網(wǎng)供水流量增大，使得更多節(jié)點(diǎn)壓力不滿足供水需求，除了變電站及其鄰近的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)251、節(jié)點(diǎn)253、節(jié)點(diǎn)255)自由水頭受到影響，距離變電站較遠(yuǎn)的部分節(jié)點(diǎn)即發(fā)生事故的干管附近節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)203、節(jié)點(diǎn)275)的自由水頭值亦小于28 mH2O，所以相比于變電站2，變電站1發(fā)生火災(zāi)對(duì)管網(wǎng)壓力影響更大，即所有工況下，變電站1(節(jié)點(diǎn)4)均不能滿足供水要求，而變電站2(節(jié)點(diǎn)5)始終滿足供水要求；當(dāng)變電站2室內(nèi)外同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況4)，其上游節(jié)點(diǎn)153也不能滿足供水需求；當(dāng)兩座變電站同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)(工況5)，上述節(jié)點(diǎn)均不能滿足要求，所以干管事故時(shí)發(fā)生火災(zāi)，對(duì)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力整體影響較大[14]。

表5 干管事故時(shí)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓力統(tǒng)計(jì)表

工況3和工況4條件下，不滿足28 mH2O供水要求的各節(jié)點(diǎn)壓力變化曲線如圖5所示。工況3不滿足28 mH2O供水需求的節(jié)點(diǎn)較多，在用水高峰時(shí)(21:00)達(dá)到壓力最低值，由于變電站1位于事故管段下游，較不容易滿足供水需求，節(jié)點(diǎn)4(變電站1)水壓始終高于其上游節(jié)點(diǎn)253，但低于上游節(jié)點(diǎn)251，且某些時(shí)刻節(jié)點(diǎn)253不滿足供水需求時(shí)，節(jié)點(diǎn)4壓力仍大于28 mH2O，同樣說(shuō)明變電站消防供水直接從兩路市政供水干管取水具有一定的優(yōu)勢(shì)，更好的保證變電站壓力滿足供水需求[12]。圖5(b)中，節(jié)點(diǎn)153不能滿足供水需求但變電站2壓力沒(méi)有小于28 mH2O，也可證明。另外由于工況4需要對(duì)變電站2進(jìn)行消防供水，其上游節(jié)點(diǎn)153受其影響較大，所以曲線波動(dòng)較大。

圖5 事故時(shí)不滿足28 mH2O各節(jié)點(diǎn)壓力曲線Fig. 5 Curves of each node not meeting 28 mH2O pressure in case of main pipe accident

3 結(jié)論

在不設(shè)消防水池、直接從市政管網(wǎng)取水滅火的消防方案中，變電站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于需水量增加，管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓力值整體降低，但僅會(huì)造成鄰近變電站的節(jié)點(diǎn)水壓值降低幅度較大，對(duì)其它節(jié)點(diǎn)則無(wú)顯著影響。多座變電站同時(shí)著火取水滅火時(shí)，市政供水管網(wǎng)受到的影響高于單座變電站發(fā)生火災(zāi)的情況。變電站在管網(wǎng)中的位置不同，發(fā)生火災(zāi)取水滅火時(shí)對(duì)管網(wǎng)供水保障能力的影響亦存在差異，當(dāng)變電站距離水源點(diǎn)較近時(shí)，消防用水時(shí)供水壓力更容易滿足要求，而當(dāng)變電站建在管網(wǎng)末端距離水源點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，若在用水高峰或干管事故時(shí)發(fā)生火災(zāi)，會(huì)導(dǎo)致較多節(jié)點(diǎn)不滿足供水壓力要求。

變電站消防供水直接從兩路市政供水干管取水也帶來(lái)一定的優(yōu)勢(shì)。在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)不滿足供水需求時(shí)，可以從另一個(gè)節(jié)點(diǎn)處取水，保證變電站節(jié)點(diǎn)處滿足市政管網(wǎng)供水壓力的要求，提高了供水的可靠性。由市政管網(wǎng)直接進(jìn)行消防供水可以避免消防水池儲(chǔ)水量不足的問(wèn)題，取水方便快捷，提高消防供水效率，減少火災(zāi)損失；還可以充分利用市政管網(wǎng)的壓力，在壓力足夠的條件下，無(wú)需使用水泵，且不需要建造消防水池，節(jié)約占地面積，減少投資。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，不設(shè)消防水池、直接從市政管網(wǎng)取水的變電站消防系統(tǒng)將得到更大的應(yīng)用和推廣。