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上海中心大厦生活消防合用系统及其联动控制技术研究

文章来源:海西给排水 发布时间:2018-05-01 08:13:34 阅读次数:855 次 [关闭]

龚海宁

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092

摘要:上海中心大厦作为建筑高度632m的超高层建筑,其竖向供水系统采用以高位水箱重力供水为主的生活消防合用系统。这种合用供水系统在超高层建筑中的运用,具有节省塔楼设备层机房面积,简化供水管线等优势,但也带来了转输水泵联动控制复杂的问题。对上海中心大厦生活消防合用供水系统的水泵联动控制设计进行介绍, 通过把楼宇状态分为非火灾状态和火灾状态,分别对应转输水泵联动控制的平时工况与消防工况,以解决生活消防合用供水泵组的联动控制问题。

1工程概况

上海中心大厦位于浦东的陆家嘴功能区,占地30370m2,所处地块东至东泰路,南依银城南路,北靠花园石桥路,西临银城中路。项目建筑面积约57.4m2,由地上128层塔楼,5层东西裙楼和5层地下室组成,总高为632m,结构高度为580m。建成后将成为上海第一高楼。

作为一幢综合性超高层建筑,上海中心大厦以办公为主,其他业态有会展、酒店、观光娱乐、商业等。大厦分为5大功能区域,包括大众商业娱乐区域,低、中、高、办公区域,企业会馆区域,精品酒店区域和顶部功能体验空间。

上海中心地上部分共分为9个建筑分区(见图1)15层为Ⅰ区(裙楼商业区),67层为设备及避难层;818层为Ⅱ区(办公区),19层、20层为设备及避难层;2134层为Ⅲ区(办公区),35层、36层为设备及避难层;3749层为Ⅳ区(办公区),50层、51层为设备及避难层;5261层为Ⅴ区(办公区),62层、63层为设备及避难层;6481层为Ⅵ区(办公区),82层、83层为设备及避难层;8498层为Ⅶ区(酒店区),99层、100层为设备及避难层;101115层为Ⅷ区(酒店及精品办公区),116层、117层为设备及避难层;118~屋面层为Ⅸ区(观光区)。

2生活消防合用给水转输系统

竖向给水系统的设计是超高层建筑给排水设计中最重要的内容,也是超高层建筑与普通高层及多层建筑在给排水设计上差异最大的部分。超高层建筑由于各功能区的竖向标高落差非常大,如何设计一套安全、高效、简洁的给水系统满足各功能分区的使用要求是摆在设计师面前的一大难题。

2.1上海中心大厦生活、消防给水系统方案

随着目前水泵和管道技术的发展,对于建筑高度不大于120m的超高层建筑仍可以采用一泵到顶,减压供水的并联分区给水系统。对于建筑高度超过120m的超高层建筑,考虑到水泵扬程,管道承压能力,系统的经济性和安全性,一般采用串联分区给水的供水方式。对于建筑高度超过400m的超高层建筑,从供水安全性出发,希望在建筑内储存一定的生活和消防水量,从目前国内已建成的400m以上超高层建筑的统计数据来看,几乎所有项目的消防给水均采用了高位重力水箱供水的方案;部分项目的生活给水也采用了高位重力水箱供水的方案。

经过多轮论证比较,最终上海中心大厦生活、消防给水系统采用了以下方案:

1)生活给水系统采用高位水箱重力供水-减压阀减压的供水方式,高位水箱重力供水压力不足的楼层采用变频泵组加压供水。

2)消防给水系统采用高位水箱重力供水系统为主。各分区消防用水由各区的高位水箱重力供水;仅塔冠区为临时高压系统,由消防主泵和屋顶高位水箱联合供水。

3)生活、消防给水系统的供水泵组采用了生活消防合用供水泵组。

2.2生活消防合用转输供水泵组方案分析

上海中心大厦的生活和消防供水系统在确定了均采用高位水箱重力供水前提下,选择了生活消防合用转输供水泵组的设计方案。采用该方案主要是考虑到4个方面的原因:

①减少供水系统设施(管路、设备、控制系统等);

②消防水箱储水的有效循环使用,保证消防水质,减少水资源浪费;

③消防系统在平时工况的有效使用;

④增加火灾时可以直接用于扑救灭火的储水量。

下面笔者就上述4个方面的原因分别进行介绍。

2.2.1减少供水系统设施(管路、设备、控制系统等)

超高层建筑设计中,塔楼设备层的设计是重中之重。由于超高层建筑的塔楼面积有限,同时核心筒又占去了大量面积,所以剩余的可以利用布置大设备的有效面积十分有限,要同时满足给排水、暖通、电气等所有机电专业的面积要求,可谓寸土寸金。超高层建筑的塔楼越高,分区越多,这种矛盾就越突出,因为所有机电专业都存在同样一个问题,就是下层的设备层除了要满足本设备层服务范围内的机电需求外,还要满足其上设备层的转输需求。对于上海中心这样632 m高的超高层建筑来说这一问题就更加突出。建筑方案确定好后,各设备层的面积也就基本确定了。机电专业要解决的问题就是如何在现有的设备层面积条件下,实现各个机电专业的功能。

采用生活消防合用供水泵组的设计方案,可以合并原先需要分别设置的生活水箱与消防水箱,生活水泵和消防水泵,及相应配套的检修空间、配电设备空间等,有效减少设备层的机房面积要求。同时超高层建筑中的管道井面积更是紧张,超高层建筑由于上下交通的需要,需要布置大量的电梯。以上海中心设备层6层为例,核心筒内布置了41部电梯,4个楼梯间以及相应配套的电梯厅和前室,核心筒内用作机电管道井的面积仅占整个核心筒面积的4%。采用生活消防合用供水泵组的设计方案,可以合并生活和消防用的转输供水管道,减少管道井布置的压力。

2.2.2消防水箱储水有效循环使用,保证消防水质

上海中心的一次灭火合计消防用水量为1008m3,整栋建筑中储存消防用水量1620m3。如此大量的消防用水储存在消防水箱中,长时间不被动用,水质恶化后需要定期更换,是对水资源的极大浪费。

2.2.3消防系统在平时工况的有效使用

针对超高层建筑发生火灾的特点,消防系统设计应该立足自防自救,采用可靠的防火措施,做到安全适用、技术先进、经济合理。采用生活消防合用供水泵组的设计方案,可以保证消防水泵在平时处于经常工作的状态,有利于保证消防供水系统的各部分处于良好的运行状态,也有利于第一时间发现系统中出现的问题,及时排除隐患。

2.2.4增加火灾时可以直接用于扑救灭火的储水量

由于生活和消防合用供水系统的水箱同时储存了消防水量和生活水量。从表1可以看出,上海中心的生活消防合用水箱中共有885m3的生活储水。当火灾发生时上述原本用于生活供水的储水,不需要任何调用手段就可以直接用于火灾的扑救,无疑大大增强了消防供水系统的灭火能力。这也和超高层建筑的消防灭火立足自防自救的方针一致。

以上论述的是生活消防合用转输供水泵组设计方案在上海中心项目中采用的优势,采用该方案的缺点是生活供水系统和消防供水系统合用提升泵组以后带来的水泵联动设计的复杂。

3生活消防合用供水泵组的联动控制策略

由于上海中心生活和消防供水系统均采用以高位水箱重力供水为主的方式,所以需要联动控制的生活消防合用水泵均是转输水泵。下文主要介绍这些转输水泵的联动控制设计。

3.1联动控制设计方案

转输水泵采用逐级转输方式,转输水泵组为生活、消防合用。 转输水泵的启闭由对应高位水箱的水位控制,多台水泵的启闭由对应高位水箱的多级水位分别控制。

从图2可以看出生活、消防合用水箱对应有多个水位,有常规生活水箱的水位,也有常规消防水箱的水位。如何让转输水泵按照楼宇的实时需要运转是设计面临的难题。

通过分析不难发现,从消防角度可以把楼宇的状态分为非火灾状态和火灾状态,相应地可把转输水泵的联动控制分为平时工况与消防工况。

在非火灾状态下,给水系统的所有转输水泵均按照平时工况运行。在火灾状态下,由楼宇消防控制中心的火灾报警系统提供信号,判定楼宇发生火灾的位置。给水系统的联动控制模块会根据预先设定的控制程序,将为火灾发生位置提供消防给水服务的所有转输水泵的运行工况从平时工况切换到消防工况,而与火灾发生位置的消防给水无关的转输水泵仍然保持在平时工况。

在平时工况下,所有转输水泵被视作生活转输泵,转输水泵的开启数量由上一级生活、消防合用水箱的液位控制。根据上一级高位水箱中的生活水位来控制启动和关闭水泵的数量,每低一档启泵水位就多启一台泵,以此类推,直到低水位时启动全部水泵。水泵一旦开启,直到高水位时再关闭全部水泵。水位到达“生活高水位报警”水位时,发出警报;水位到达“生活低水位报警”水位时,发出警报;水位如果进一步降低,到达“动用消防用水报警”水位时(“动用消防用水报警”水位高于消防储水水位200 mm),发出警报并根据延时设定,在延时结束时关闭全部水泵,保证消防用水不被动用。

在消防工况下,相关的转输水泵均被视作消防转输泵,转输泵的关闭及开启数量仍由上一级生活、消防合用水箱的液位控制,根据上一级高位水箱水位来控制启动和关闭水泵的数量,每低一档水位多开启一台泵,以此类推,直到低水位时启动全部水泵。水泵一旦启动,直到高水位再关闭全部水泵。如果火势得到控制,消防用水小于转输泵的转输水量,水位到达生活超高液位时,发出警报;如果火灾过程中,水位到达消防低水位报警水位时,发出警报,提醒消控中心预先根据楼宇内各级水箱储水情况,手动调水,保证着火点的消防用水。

下面举例对手动调水进行介绍。上海中心大厦项目中,当Ⅲ区(办公区)(2134层)范围内发生火灾时,Ⅲ区的消防给水由位于50层的生活消防合用水箱向位于Ⅲ区(办公区)的着火点的水灭火系统重力供水,位于B5层和20层的生活消防合用水箱及转输水泵此时切换为消防工况,参与消防给水转输;位于83层、116层的生活消防合用水箱及转输水泵仍处于平时工况。如果火灾扑救用水量大,位于50层的生活消防水箱在灭火过程中水位下降过快,消控中心可以打开生活消防合用水箱间预设的手动调水供水管上的电动阀门(见图3),将83层和116层储存的各200 m3的消防储水及现存的生活储水及时重力调用给50层的生活消防合用水箱,用于Ⅲ区(办公区)着火点的火灾扑救。

32差异化的运行策略

考虑到平时工况与消防工况的使用目的不同,在水泵联动控制的设计中也采用了差异化的运行策略。平时工况下,生活供水转输系统出现问题可能会造成某个或者某些区域暂时停水,其对楼宇安全没有影响,这时转输水泵的工作策略是以保护供水系统设备为主。在消防工况下,消防供水转输系统出现问题可能会造成某个或者某些区域消防供水中断,其对楼宇安全影响重大,这时转输水泵的工作策略是以楼宇安全为主。

下面解释一下什么是对楼宇运行安全有利的工作策略。

1)在平时工况下,侧重于保护供水系统的设备。

对于液位控制系统信号采集的策略是,当2套液位计给出不同液位信号时,优先接受关闭水泵的信号,即2套液位计只要有1套给出关闭某台水泵的信号,水泵联动控制系统就采纳,并按照指令关闭相关水泵;滞后接受开启水泵的信号,即2套液位计只有同时给出开启同1台水泵的信号时,水泵联动控制系统才会采纳,并按照指令开启相关水泵。

对于液位控制系统水泵控制的策略是,在平时工况下当水箱水位到达生活超低液位时,发出警报,水泵直接停泵。

2)在消防工况下,侧重于保护楼宇安全。

对于液位控制系统信号采集的策略是,当2套液位计给出不同液位信号时,优先接受开启水泵的信号,即2套液位计只要有一套给出开启某台水泵的信号,水泵联动控制系统就采纳,并按照指令开启相关水泵;滞后接受关闭水泵的信号,即2套液位计只有同时给出关闭同1台水泵的信号时,水泵联动控制系统才会采纳,并按照指令关闭相关水泵。

对于液位控制系统水泵控制的策略是,在消防工况下当水箱水位到达消防超低液位时,发出警报,水泵不停直到水箱最低水位停泵。在消防超低水位时仅报警,仍然维持水泵运转是为了楼宇安全,尽可能地把储水全部输送给灭火使用。在水箱最低水位停泵是因为在水箱无水情况下保持水泵开启不仅无法提供消防用水,还有可能因为大型水泵空转而带来次生灾害;同时在将水箱内储水转输完毕后主动停泵,保持水泵及供水系统正常处于消防工况下,当下方转输供水通过水泵接合器等外部手段恢复正常时,系统还能再次投入正常工作,继续消防转输作业。

33液位信号控制安全可靠的保障措施

从以上介绍可以看出上海中心大厦整个生活、消防合用给水系统的运行,不管是平时工况还是消防工况,都是根据水箱液位信号控制的。液位计除提供主要液位信号外,还要根据水箱液位信号控制多台水泵的启闭。

由于上海中心大厦高达632m,地上部分有9个分区,供水系统的转输水泵采用逐级转输方式,所以系统运行的可靠性非常重要。如果某一区的转输水泵的控制出现问题,需要其转输供水的其上各区供水系统都会受到影响。

为保证液位信号控制的安全可靠,每格水箱的液位控制都采用2套不同工作原理的液位控制系统(超声波、电极式),2套控制系统均可以独立工作,互为备用,控制中心能手动切换并监控。在正常情况下,每格水箱内以超声波液位计为主,电极式液位计为辅并能校核主要液位。当位于同一水箱分隔内的2套液位计的水位信号差值大于设定值(100mm)时,楼宇自控系统发出报警信号,指示工作人员前往检查,排除故障。报警期间水泵联动控制系统会通过预先设定的逻辑程序,按照对楼宇运行安全有利的工作策略进行联动控制,直至警报解除。

除此之外,为保证液位信号控制的安全可靠还要避免各个控制水位间的相互干扰,上海中心大厦项目中各水箱不同控制水位间的最小水位差△hmin控制在200300 mm。这个数值是根据液位控制系统产品的控制精度和应用条件确定的。由于上海中心大厦给水转输系统中的水泵流量大,水箱进出水管管径较大,考虑在给水转输系统运行时,水箱内的水位波动会比较明显。所以要求液位控制系统具有滤波功能,能够排除水面波动的干扰,比较准确地反映水箱的真实水位。经过与设备生产厂家的沟通,按照现有一般液位控制器(超声波、电极式)的性能,相邻2个控制水位间的最小距离△hmin控制在200300 mm,可以保证相邻控制水位的信号不相互干扰。结合以上条件,上海中心大厦对于进水管管径大的水箱,其相邻水位间的△hmin控制在300 mm;对进水管管径小,且受其他条件约束无法做到△hmin=300 mm的场合控制△hmin不小于200 mm。最小水位差△hmin的控制对于以水位作为控制信号的给水转输系统的正常运行十分重要。

4结语

由以上论述可以看出,上海中心大厦生活消防合用供水泵组带来的水泵联动关系的复杂在于多种工况条件下水泵联动关系逻辑分析上的复杂。通过把楼宇状态分为非火灾状态和火灾状态,分别对应转输水泵联动控制的平时工况与消防工况,就可以解决生活消防合用供水泵组的联动控制问题。同一组水泵,在消防工况控制下就是消防水泵,在平时工况控制下就是生活水泵。

以高位重力水箱加生活消防合用转输水泵为主的供水系统具有节省设备避难层机房面积,增加建筑内储水容积,使消防设备随时处于良好运行状态等优点,适合在给水系统串联级数多,塔楼设备避难层建筑面积紧张的400m以上的超高层建筑中采用。

参考文献略。

本文来自《给水排水》杂志2015年第3期。



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