Пожарные насосы — Руководство по проектированию, требованиям к эксплуатационным характеристикам и испытаниям по стандарту NFPA 20

1. Введение и фундаментальная роль

Пожарный насос — это стационарный насос, предназначенный для подачи воды с расходом и давлением, соответствующими требованиям систем противопожарной защиты. В отличие от насосов общего назначения, пожарные насосы подпадают под строгие требования по сертификации, устанавливаемые признанными испытательными лабораториями (UL, FM), а их монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание регламентируются стандартом NFPA 20 — «Стандарт на установку стационарных насосов для систем противопожарной защиты».

Основное назначение пожарного насоса — повышать давление в имеющейся водопроводной сети, когда исходное давление недостаточно для удовлетворения гидравлических требований систем спринклерного орошения, стоячих трубопроводов или шланговых струй. При срабатывании системы противопожарной защиты поток воды вызывает снижение давления, что приводит к срабатыванию контроллера насоса и автоматическому запуску насоса для восстановления и поддержания необходимого уровня давления.

2. Принципы работы центробежного насоса

Центробежный пожарный насос преобразует механическую энергию вращающегося рабочего колеса в гидравлическую энергию. Жидкость поступает в зону рабочего колеса осевым потоком, под действием изогнутых лопаток рабочего колеса разгоняется радиально и с высокой скоростью выбрасывается в спиральный кожух. Расширяющееся сечение спирального кожуха обеспечивает преобразование кинетической энергии в энергию давления.

Теоретический напор, развиваемый центробежным насосом, описывается уравнением Эйлера для насосов:

Х теоретический = (u 2 · c u2 - у 1 · c u1 ) / г

Где:

• у ₂ = Окружная скорость на выходе из рабочего колеса (фут/с)
• c _u2 = Тангенциальная составляющая абсолютной скорости на выходе (фут/с)
• у ₁ = Окружная скорость на входе рабочего колеса (фут/с)
• c _u1 = Тангенциальная составляющая абсолютной скорости на входе (фут/с)
• g = Ускорение свободного падения (32,2 фута/с²)

На практике гидравлические потери уменьшают фактический напор:

Х фактический = η h · H теоретический

Где η _h является гидравлическим КПД, который обычно составляет 80–90% для хорошо спроектированных пожарных насосов.

3. Типы пожарных насосов

3.1 Горизонтальные насосы с всасыванием с торца

Жидкость поступает осевым потоком с одного конца рабочего колеса и выходит радиально через спиральный кожух. Рабочее колесо, как правило, одноступенчатое, с навесным расположением на валу.

Насосы с торцевым всасыванием идеально подходят для небольших и средних коммерческих зданий, а также для модернизации существующих систем.

3.2 Насосы с горизонтальным разрезом корпуса

Корпус разрезан горизонтально по осевой линии вала. Рабочее колесо — с двусторонним всасыванием, что обеспечивает балансировку осевых сил тяги. Подшипники поддерживают вал с обеих сторон.

Насосы с разъёмным корпусом являются преобладающим выбором для крупных коммерческих и промышленных систем.

3.3 Вертикальные турбинные насосы

Вертикальный шахтный насос с несколькими ступенями рабочих колёс, погружёнными в источник воды. Двигатель установлен над напорным патрубком.

Вертикальные турбинные насосы незаменимы, когда источник воды находится ниже уровня земли.

4. Требования к эксплуатационным характеристикам и критерии приемки

Пожарные насосы должны соответствовать строгим требованиям к эксплуатационным характеристикам, установленным стандартами UL 448, FM 1319 и ANSI/HI 14.6.

4.1 Три критических контрольных точки испытаний

4.2 Математическая проверка

Для насоса, рассчитанного на 1 000 галлонов в минуту при напоре 100 футов:

Лимит на количество оттоков:

Х сливание,макс = 1,40 × 100 = 140 футов

Минимальная нагрузка на голову:

Х 150%, минимум = 0,65 × 100 = 65 футов

Переполнение потока:

Вопрос 150% = 1,50 × 1000 = 1500 галлонов в минуту

4.3 Требования к питанию

Драйвер должен быть способен обеспечивать пиковую мощность:

П пик = (Q 150% × H 150% × SG) / (3960 × η насос )

Для примера насоса с производительностью 1 500 галлонов в минуту и напором 65 футов, при условии КПД 75%:

П пик = (1500 × 65 × 1,0) / (3960 × 0,75) = 32,8 л.с.

NFPA 20 требует, чтобы двигатель был рассчитан как минимум на такую пиковую мощность.

5. Типы драйверов

5.1 Электродвигатели

Критическая проектная заметка: NFPA 20 запрещает применение защиты от тепловой перегрузки на двигателях пожарных насосов. Насос должен допускаться к работе даже при перегреве.

5.2 Дизельные двигатели

5.3 Формула выбора водителя

П водитель ≥ (P пик / η передача ) × SF

Где:

• П _пик = Пиковая тормозная мощность насоса
• η _{передача} = Коэффициент сопряжения (0,97–0,99)
• SF = Коэффициент эксплуатации (1,0 для электрических двигателей, 1,15 для дизельных)

6. Проектирование всасывающей трубопроводной системы и анализ NPSH

6.1 Требования к всасывающим трубопроводам (NFPA 20)

6.2 Расчёт NPSH

НПСН а = h в данный момент ± h статический - h ф - h вице-президент

Пример 1: Надземный резервуар

• Уровень воды в резервуаре: на 20 футов выше насоса
• Трение всасывания: 2 фута
• NPSHa = 33,9 + 20 − 2 − 0,8 = 51,1 футов

Пример 2: Напорный подъём

• Уровень воды: на 8 футов ниже насоса
• Трение всасывания: 4 фута
• NPSHa = 33,9 − 8 − 4 − 0,8 = 21,1 фута

7. Отводящая трубопроводная арматура и комплектующие

7.1 Предохранительный клапан циркуляции

Перепускной предохранительный клапан (минимум ¾ дюйма NPT) предотвращает перегрев при работе в режиме «мешалки». Без него:

• Подводимая тепловая мощность: 254 500 БТЕ/ч для насоса мощностью 100 л.с.
• Повышение температуры: примерно 50°F в минуту

8. Контроллеры насосов

8.1 Типы контроллеров

8.2 Настройки реле давления

9. Полевые приёмочные испытания

9.1 Процедура испытания

9.2 Документация

Отчёт об испытаниях на приёмку должен включать технические характеристики насоса и привода, результаты измерений давления и расхода на каждом испытательном пункте, графическое представление с указанием соответствия сертифицированной кривой завода‑изготовителя, а также подписи установщика, владельца и органа по надзору за пожарной безопасностью.

10. Техническое обслуживание и испытания (NFPA 25)

11. Распространённые ошибки проектирования

11.1 Негабаритный насос

Крупногабаритный насос работает далеко справа от точки оптимальной работы, что приводит к низкой эффективности и высокому энергопотреблению.

Диагностика: При номинальной потребности насос работает при расходе, превышающем 125% от каталогового значения.

Исправление: Обрежьте рабочее колесо или установите перепускную линию.

11.2 Недостаточно крупный диаметр всасывающей трубопроводной арматуры

Создаёт чрезмерную скорость подачи и повышенные потери на трение, что снижает величину NPSHa.

Диагностика: Ненормальное падение давления при высоком расходе; шум и вибрация.

Исправление: Увеличьте диаметр всасывающего трубопровода.

11.3 Неправильные настройки давления

Если порог срабатывания основного насоса установлен слишком высоко, насос будет включаться при незначительных колебаниях.

Диагностика: Частые запуски (> один раз в неделю вне тестирования).

Исправление: Перекалибровать в соответствии с иерархией NFPA 20.

12. Регуляторная рамка

13. Продвинутые темы

13.1 Удельная скорость и конструкция рабочего колеса

Специфическая скорость — это безразмерный параметр, характеризующий геометрию насоса:

Н с = (N × √Q) / H 0.75

Где:

• N = Частота вращения (об/мин)
• Q = Расход при номинальной точке работы (галлонов в минуту)
• H = Напор при номинальной производительности (футы)

13.2 Законы подобия

Для изменения скорости на одном и том же насосе:

Вопрос 2/Q1 = N 2/N1 , H 2/H1 = (N 2/N1 )², P 2/P1 = (N 2/N1 )³

Увеличение скорости на 20% приводит к росту расхода на 20%, напора — на 44%, а мощности — на 73%.

13.3 Проектирование насосной комнаты

14. Краткое изложение и ключевые выводы

• Пожарные насосы — это специализированное оборудование, прошедшее соответствующую сертификацию. Разрешается использовать только насосы, прошедшие сертификацию UL или одобренные FM.
• Принятие по результатам эксплуатации носит бинарный характер. Насос должен соответствовать следующим требованиям: коэффициент перекачки — не более 140%, отклонение от номинальной точки — ±5%, а при расходе, равном 150% номинального, напор должен составлять не менее 65% номинального напора.
• Конструкция всасывающего устройства определяет срок службы насоса. Надлежащий запас по NPSH, прямые участки трубопровода и отсутствие воздуха в системе предотвращают кавитацию.
• Выбор параметров управления включает запасы по безопасности. Дизельные двигатели требуют перерасчёта мощности на 15%; электродвигатели работают без термозащиты.
• Контроллеры являются устройствами обеспечения безопасности жизнедеятельности. Они должны запускаться автоматически и не могут быть настроены на автоматическое отключение.
• Испытания подтверждают проект. Ежегодные испытания на полный расход и пятилетние внутренние проверки обеспечивают сохранение эксплуатационных характеристик.