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摘要：针对核电厂消防系统环状管网的水力特性，分析了手动计算水头损失的不足之处，建立了消防系统水力模型用于计算各管段水头损失和节点水压。并将两种计算方法进行对比分析，分析表明考虑环状管网水力特性的模型算法更好地模拟了水流在管道中的真实流动状态，各节点水压计算结果也更加准确、直观。
关键词：核电厂消防系统水压计算
中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：
引言
本文以某核电厂一期工程为研究对象，此项目计划建造2×650MWe压水堆核电机组（1、2号机组），参考电站为秦山第二核电厂，电站设计寿命40年[[参考文献
[]××核电厂环境影响报告书. 中国核电工程有限公司: 2009, 11.]]。
核电厂的消防系统功能是为整个厂区提供满足压力、流量要求的消防水，并将消防水分配至着火点实施喷淋灭火。为确保消防系统在火灾情况下能有效的扑灭火灾，需对消防系统进行定期试验。定期试验的内容之一为检查消防管道系统的有效性，确认水平管道是否存在由于管道堵塞而造成压力下降的现象。
上述试验内容需测量PT试验接口压力/流量组合值（P/Q值），并对比实测值与理论计算值，如二者相差较大，则认为消防管道可能发生堵塞。因此，准确计算P/Q理论值对定期试验有至关重要的意义。本文的目的即为建立模型，以准确、便捷的得出特定消防流量下的消防管道各节点的水压。
建立模型的目的
特定消防流量下水压的传统算法是选取消防泵与用水点之间最短的管路，并假设用水点所需的所有流量均流经这条最短管路。然后依据消防泵的扬程、用水点的流量和沿线管路的管径，手动计算管段的阻力和各节点的水压。这种方法不符合环状管网供水特点，造成了水流阻力和节点水压计算的误差。手动计算效率较低、易出错，计算结果不直观。当改变消防流量等输入条件时，会产生较大计算量。
为解决上述问题，本文采用环状管网的计算模型求得管网各节点的水压，更好的模拟了消防水在管路中的真实流态，进而使节点水压的计算更加准确。当消防流量等输入条件改变时，管道条件参数设定好的模型，仍可重复使用，计算效率显著提高。
建立模型
標注消防系统各管段的管长，根据规范“Automatic sprinkler system, design installation and maintenance: European standard NF EN 12845: 2004” [[[]Automatic sprinkler system, design installation and maintenance: European standard NF EN 12845: 2004.]]，将三通、变径和阀门等管件折算为阻力相等的管段长度，即折算长度，将折算长度与实际长度相加得到管道系统的计算长度。环状管网部分要进行合理的流量分配，采用哈代-克劳斯（Hardy-Cross）法实现管网平差，使管网闭合差为0，即从水泵至出水点的两条管路的水头损失相等。管网的水头损失计算采用海森-威廉（A.Hazen-G.S.Williams）公式。
3.1管网折算长度
在管网设置节点将整个管网分为若干个计算管段，在变径和三通处必须设置节点，如仍有较长管段不利于计算，则可通过设置节点将其分段。消防管网共设置28个节点，统计各管段的三通、变径、阀门和弯头等管件数量。根据规范“Automatic sprinkler system, design installation and maintenance: European standard NF EN 12845: 2004”，将管件折算为具有相等阻力的管段长度。将各管件的折算长度与此管段的实际长度相加，得到此管段的计算长度。将各管段的计算长度整理为表1。
表1 消防管网各管段的计算长度
将所得计算管长赋回管道计算图，利用杰图管线协同设计软件进行管网平差。
3.2环状管网平差
采用哈代-克劳斯（Hardy-Cross）法[[[]严煦世, 范瑾初. 给水工程. 中国建筑工业出版社: 1999（4）, PP54.
]]进行迭代计算。由于JPP系统与JPD系统只构成了一个环状管网，因此环状管网的校正流量只用于消除本环的闭合差。此时两条供水管路的水头损失相等，任意一条供水管路的水头损失均等于环状管网的水头损失。采用如下公式进行平差计算：
式中Δq – 校正流量（l/s） ；
Δh – 环内各管段水头损失代数和（m）；
Sij – 计算管段的摩阻系数；
qij – 计算管段的流量（l/s）。
管网平差的水头损失计算采用海森-威廉（A.Hazen-G.S.Williams）公式：
式中h – 管段的水头损失（bar）；
Q – 流量（l/min）；
d – 管道内径（mm） ；
C – 系数，焊接钢管120；
L – 管段长度（m）。
模型计算的结果
核电厂内的电气厂房电缆托盘和机柜布置集中，是火荷载较高且易发生火灾的区域。本文以电气厂房为例，检验计算模型的准确性和便捷性。在整个核岛只有一个着火点的假设下，通常启动一个消防水泵即能满足消防喷淋的水压要求。
模型计算的结果以水力计算表和计算图两种形式体现。在图中输入水源点水压（由水泵特性曲线得出）、用水点位置及流量，即可在已有模型上计算出各节点的计算水压（计算水压=自由水头+节点标高）和自由水头、各管段的流量和阻力。当以上输入数据改变时，只需将计算图上相应的数据改写，即可迅速得出计算结果。当唯一的用水点在电气厂房，用水量为60l/s时，消防泵的流量亦为60l/s，由水泵特性曲线可知水源点的计算水压为122.88m，输入以上数据后，计算模型得出各节点水压、各管段的流量和阻力。本文计算输出结果如图1。
图1LX厂房消防用水60l/s条件下的水力计算图
由图1可知，流经环状管网的消防水在3号节点分为两部分，分别流经线路A、B，在7号节点汇聚后，供给用水点。在图中可标注各节点水压及各管段的水头损失等数据，并且在图上绘制等水压线，以表现水压下降的总体趋势。其表现形式更加直观。根据计算结果可知，当消防流量为60l/s时，流经线路A、B的流量分别为21.76l/s和38.24l/s。可知，流经线路A的流量占总流量的36%，传统算法假设全部消防流量均流经线路B，这种假设与实际流量分配差距较大，将造成计算误差。
图2表现了电气厂房不同消防流量条件下，模型计算所得的计算水压沿管路的变化情况。由图可知，不论电气厂房消防流量如何变化，沿管路的计算水压均呈现逐渐下降的趋势，以消防流量60l/s为例，水源点计算水压为142m，用水点计算水压为115.36m，管段1-2、9-23、23-24处水压下降速率较快，这是因为这些管段长度大、管径小、且管件多，导致这些管段的水头损失较大。在用水点相同、消防流量不同的情况下，因电气厂房消防流量变化，导致消防水泵的扬程略有变化，呈现流量越大，扬程越小的变化趋势，这是由于离心泵的工作特性所致。且由图3可知，随着消防流量从20l/s增大到60l/s，各管段水压下降的速率逐渐增大，最终用水点的计算水压分别为124.32m(20l/s)、121.5m(40l/s)、115.36m(60l/s)，水压变化比水源点显著。由海森-威廉（A.Hazen-G.S.Williams）公式可知，水头损失与Q1.85成正比，因此其它条件不变的条件下，流量越大水头损失越大。
图2 不同流量条件下水源点至电气厂房的水压变化
对比两种算法
从计算过程上比较，传统算法采用手动计算，因计算步骤较繁琐，导致计算效率低。模型算法首先将各管段的管长和管径数据赋至模型，此模型可在后续计算中重复使用，因此节省了大量的计算。
从计算结果上比较，由表2可知，两种算法得出的用水点水压数值接近，其原因为消防水的水头损失只要集中在管径较小、管件较多的前段和末段，因此管径较大的环状管网部分的计算误差对最终的结果影响较小，这表明传统算法具备其合理性。但模型算法采用环状管网的供水模型，避免了计算过程中的系统误差，提高了结果的准确性。且模型算法得出的计算图可直观的反映各个节点的水压数据和变化趋势。因此，模型计算具备其优越性。
表2 传统算法与模型算法得出的电气厂房用水点水压
结论
（1）采用模型法计算节点水压有效减少了计算量，计算过程方便快捷，适用于复杂管网的水力计算；
（2）模型法计算结果直观，有利于工程师发现管路设计上的不足并改进；
（3）模型法计算准确，计算过程中不易出错，但由于核电厂消防系统的特殊性，造成其计算准确的特点未能完全展现，但其计算思路仍为核电厂其它低压供水系统水力计算提供了借鉴意义。
关键词：核电厂消防系统水压计算
中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：
引言
本文以某核电厂一期工程为研究对象，此项目计划建造2×650MWe压水堆核电机组（1、2号机组），参考电站为秦山第二核电厂，电站设计寿命40年[[参考文献
[]××核电厂环境影响报告书. 中国核电工程有限公司: 2009, 11.]]。
核电厂的消防系统功能是为整个厂区提供满足压力、流量要求的消防水，并将消防水分配至着火点实施喷淋灭火。为确保消防系统在火灾情况下能有效的扑灭火灾，需对消防系统进行定期试验。定期试验的内容之一为检查消防管道系统的有效性，确认水平管道是否存在由于管道堵塞而造成压力下降的现象。
上述试验内容需测量PT试验接口压力/流量组合值（P/Q值），并对比实测值与理论计算值，如二者相差较大，则认为消防管道可能发生堵塞。因此，准确计算P/Q理论值对定期试验有至关重要的意义。本文的目的即为建立模型，以准确、便捷的得出特定消防流量下的消防管道各节点的水压。
建立模型的目的
特定消防流量下水压的传统算法是选取消防泵与用水点之间最短的管路，并假设用水点所需的所有流量均流经这条最短管路。然后依据消防泵的扬程、用水点的流量和沿线管路的管径，手动计算管段的阻力和各节点的水压。这种方法不符合环状管网供水特点，造成了水流阻力和节点水压计算的误差。手动计算效率较低、易出错，计算结果不直观。当改变消防流量等输入条件时，会产生较大计算量。
为解决上述问题，本文采用环状管网的计算模型求得管网各节点的水压，更好的模拟了消防水在管路中的真实流态，进而使节点水压的计算更加准确。当消防流量等输入条件改变时，管道条件参数设定好的模型，仍可重复使用，计算效率显著提高。
建立模型
標注消防系统各管段的管长，根据规范“Automatic sprinkler system, design installation and maintenance: European standard NF EN 12845: 2004” [[[]Automatic sprinkler system, design installation and maintenance: European standard NF EN 12845: 2004.]]，将三通、变径和阀门等管件折算为阻力相等的管段长度，即折算长度，将折算长度与实际长度相加得到管道系统的计算长度。环状管网部分要进行合理的流量分配，采用哈代-克劳斯（Hardy-Cross）法实现管网平差，使管网闭合差为0，即从水泵至出水点的两条管路的水头损失相等。管网的水头损失计算采用海森-威廉（A.Hazen-G.S.Williams）公式。
3.1管网折算长度
在管网设置节点将整个管网分为若干个计算管段，在变径和三通处必须设置节点，如仍有较长管段不利于计算，则可通过设置节点将其分段。消防管网共设置28个节点，统计各管段的三通、变径、阀门和弯头等管件数量。根据规范“Automatic sprinkler system, design installation and maintenance: European standard NF EN 12845: 2004”，将管件折算为具有相等阻力的管段长度。将各管件的折算长度与此管段的实际长度相加，得到此管段的计算长度。将各管段的计算长度整理为表1。
表1 消防管网各管段的计算长度
将所得计算管长赋回管道计算图，利用杰图管线协同设计软件进行管网平差。
3.2环状管网平差
采用哈代-克劳斯（Hardy-Cross）法[[[]严煦世, 范瑾初. 给水工程. 中国建筑工业出版社: 1999（4）, PP54.
]]进行迭代计算。由于JPP系统与JPD系统只构成了一个环状管网，因此环状管网的校正流量只用于消除本环的闭合差。此时两条供水管路的水头损失相等，任意一条供水管路的水头损失均等于环状管网的水头损失。采用如下公式进行平差计算：
式中Δq – 校正流量（l/s） ；
Δh – 环内各管段水头损失代数和（m）；
Sij – 计算管段的摩阻系数；
qij – 计算管段的流量（l/s）。
管网平差的水头损失计算采用海森-威廉（A.Hazen-G.S.Williams）公式：
式中h – 管段的水头损失（bar）；
Q – 流量（l/min）；
d – 管道内径（mm） ；
C – 系数，焊接钢管120；
L – 管段长度（m）。
模型计算的结果
核电厂内的电气厂房电缆托盘和机柜布置集中，是火荷载较高且易发生火灾的区域。本文以电气厂房为例，检验计算模型的准确性和便捷性。在整个核岛只有一个着火点的假设下，通常启动一个消防水泵即能满足消防喷淋的水压要求。
模型计算的结果以水力计算表和计算图两种形式体现。在图中输入水源点水压（由水泵特性曲线得出）、用水点位置及流量，即可在已有模型上计算出各节点的计算水压（计算水压=自由水头+节点标高）和自由水头、各管段的流量和阻力。当以上输入数据改变时，只需将计算图上相应的数据改写，即可迅速得出计算结果。当唯一的用水点在电气厂房，用水量为60l/s时，消防泵的流量亦为60l/s，由水泵特性曲线可知水源点的计算水压为122.88m，输入以上数据后，计算模型得出各节点水压、各管段的流量和阻力。本文计算输出结果如图1。
图1LX厂房消防用水60l/s条件下的水力计算图
由图1可知，流经环状管网的消防水在3号节点分为两部分，分别流经线路A、B，在7号节点汇聚后，供给用水点。在图中可标注各节点水压及各管段的水头损失等数据，并且在图上绘制等水压线，以表现水压下降的总体趋势。其表现形式更加直观。根据计算结果可知，当消防流量为60l/s时，流经线路A、B的流量分别为21.76l/s和38.24l/s。可知，流经线路A的流量占总流量的36%，传统算法假设全部消防流量均流经线路B，这种假设与实际流量分配差距较大，将造成计算误差。
图2表现了电气厂房不同消防流量条件下，模型计算所得的计算水压沿管路的变化情况。由图可知，不论电气厂房消防流量如何变化，沿管路的计算水压均呈现逐渐下降的趋势，以消防流量60l/s为例，水源点计算水压为142m，用水点计算水压为115.36m，管段1-2、9-23、23-24处水压下降速率较快，这是因为这些管段长度大、管径小、且管件多，导致这些管段的水头损失较大。在用水点相同、消防流量不同的情况下，因电气厂房消防流量变化，导致消防水泵的扬程略有变化，呈现流量越大，扬程越小的变化趋势，这是由于离心泵的工作特性所致。且由图3可知，随着消防流量从20l/s增大到60l/s，各管段水压下降的速率逐渐增大，最终用水点的计算水压分别为124.32m(20l/s)、121.5m(40l/s)、115.36m(60l/s)，水压变化比水源点显著。由海森-威廉（A.Hazen-G.S.Williams）公式可知，水头损失与Q1.85成正比，因此其它条件不变的条件下，流量越大水头损失越大。
图2 不同流量条件下水源点至电气厂房的水压变化
对比两种算法
从计算过程上比较，传统算法采用手动计算，因计算步骤较繁琐，导致计算效率低。模型算法首先将各管段的管长和管径数据赋至模型，此模型可在后续计算中重复使用，因此节省了大量的计算。
从计算结果上比较，由表2可知，两种算法得出的用水点水压数值接近，其原因为消防水的水头损失只要集中在管径较小、管件较多的前段和末段，因此管径较大的环状管网部分的计算误差对最终的结果影响较小，这表明传统算法具备其合理性。但模型算法采用环状管网的供水模型，避免了计算过程中的系统误差，提高了结果的准确性。且模型算法得出的计算图可直观的反映各个节点的水压数据和变化趋势。因此，模型计算具备其优越性。
表2 传统算法与模型算法得出的电气厂房用水点水压
结论
（1）采用模型法计算节点水压有效减少了计算量，计算过程方便快捷，适用于复杂管网的水力计算；
（2）模型法计算结果直观，有利于工程师发现管路设计上的不足并改进；
（3）模型法计算准确，计算过程中不易出错，但由于核电厂消防系统的特殊性，造成其计算准确的特点未能完全展现，但其计算思路仍为核电厂其它低压供水系统水力计算提供了借鉴意义。