恒壓變頻控制設(shè)備在消防水滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用

●賈 軍

(西安市消防支隊(duì)，陜西西安 710075)

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展和逐步完善，恒壓變頻供水系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活用水中得到越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)其工作原理和控制方法的研究日臻成熟［1～4］。雖然已有不少學(xué)者從技術(shù)上探討了恒壓變頻供水系統(tǒng)在消防水滅火系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性［5，6］，但由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)恒壓變頻供水系統(tǒng)在消防水滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用沒有給予肯定，因此恒壓變頻供水系統(tǒng)在消防水滅火系統(tǒng)仍未得到應(yīng)用。通過對(duì)消防監(jiān)督檢查及建筑消防審核、驗(yàn)收過程中，消防水滅火系統(tǒng)存在的問題、難點(diǎn)進(jìn)行分析，論證了恒壓變頻供水系統(tǒng)在消防水滅火系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，研究了將恒壓變頻控制設(shè)備應(yīng)用到消防水滅火系統(tǒng)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題。

1 傳統(tǒng)消防水滅火系統(tǒng)存在的問題

經(jīng)過對(duì)多年建筑消防審核、驗(yàn)收及防火監(jiān)督檢查工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)消防水滅火系統(tǒng)存在以下問題。

首先，由于消防水泵長(zhǎng)期靜置，經(jīng)常發(fā)生需要時(shí)消防水泵不能正常啟用的情況。在對(duì)各單位進(jìn)行消防監(jiān)督檢查時(shí)，對(duì)消防水泵進(jìn)行啟、停試驗(yàn)，時(shí)常發(fā)生銹死、不能啟動(dòng)或存在聯(lián)動(dòng)故障;更有甚者，一些單位將消防泵關(guān)閉或設(shè)在手動(dòng)位置上，且泵房無人值班，一旦失火，消防水泵無法或不能及時(shí)啟動(dòng)，將錯(cuò)過撲救初起火災(zāi)的良好時(shí)機(jī)，釀成大災(zāi)。

其次，存在消防系統(tǒng)配置不合理問題。如在某工地進(jìn)行屋面射水實(shí)驗(yàn)時(shí)，消防泵起泵不到5min，泵房已超壓、軟連接被撕裂;在另一工地，地下二層水泵房起泵時(shí)，當(dāng)屋面出水壓力迅速達(dá)到0.3MPa，泵房壓力已超1.7MPa，緊急關(guān)泵時(shí)，水錘現(xiàn)象較為明顯，整個(gè)泵房管網(wǎng)都在顫動(dòng)。

另外，傳統(tǒng)消防水滅火系統(tǒng)在老舊建筑改造時(shí)遇到困難。隨著城市發(fā)展、改造的進(jìn)行，建筑物的使用性質(zhì)經(jīng)常隨之發(fā)生變化，如將公寓樓、辦公樓改為快捷酒店，廠房、庫(kù)房改為民用建筑等，建筑物使用性質(zhì)發(fā)生了根本改變，原有的消防水滅火系統(tǒng)需要進(jìn)行改造。但這會(huì)遇到一個(gè)實(shí)際的問題，由于舊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒考慮這部分荷載，沒有預(yù)留消防水箱空間，建筑承載力不夠或空間不夠致使無法增加樓頂消防水箱，按現(xiàn)行《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016－2006以下簡(jiǎn)稱《建規(guī)》)將無法滿足消防要求。

對(duì)于上述問題，除使用單位要加強(qiáng)消防安全意識(shí)，按設(shè)備操作規(guī)程定期進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行及維修，以保證消防滅火系統(tǒng)的正常運(yùn)行外，滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備的選型是造成問題的主要原因。同時(shí)由于《建規(guī)》對(duì)恒壓變頻供水系統(tǒng)沒有給予肯定，給設(shè)計(jì)人員造成一定的困難。為此，本文從以下幾方面對(duì)恒壓變頻在滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 恒壓變頻供水系統(tǒng)的基本原理

變頻調(diào)速是通過改變給水泵的變流電機(jī)的頻率來進(jìn)行調(diào)速的。電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電機(jī)輸入功率也隨之減少，這就是變頻調(diào)速的節(jié)能作用。消防水滅火系統(tǒng)平時(shí)無火警時(shí)，由變頻泵向消防管網(wǎng)充水穩(wěn)壓，使系統(tǒng)隨時(shí)能滿足消防給水要求，當(dāng)管網(wǎng)充水到設(shè)定恒壓值時(shí)，水泵流量趨近于零并維持一段時(shí)間(時(shí)間通過程序可控制)后變頻泵自動(dòng)停泵，進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)管網(wǎng)壓力下降至某一設(shè)定的壓力值時(shí)，變頻泵自動(dòng)啟動(dòng)恢復(fù)恒壓升壓。

系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵以循環(huán)工作的方式，中心控制器為PLC可編程控制器，以設(shè)定壓力和反饋壓力為控制目標(biāo)，以PID為控制算法組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。以降壓?jiǎn)?dòng)柜或軟啟動(dòng)器作為工頻運(yùn)行回路或獨(dú)立的后備系統(tǒng)。實(shí)時(shí)采集水網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)、電機(jī)溫度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行、可靠保護(hù)、確保供水、節(jié)約電耗的目的。變頻泵比工頻泵運(yùn)行節(jié)電87.5%。

3 消防恒壓變頻供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

恒壓變頻供水系統(tǒng)屬于常高壓供水系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)原則按常高壓供水系統(tǒng)進(jìn)行，使用的供水設(shè)備是水泵［4，7］。水泵是用來送水的機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的供水系統(tǒng)中。水泵的特性曲線既與水泵的類型相關(guān)，也與輸水系統(tǒng)的特征相關(guān)，是水泵和輸水管道耦合影響的系統(tǒng)曲線。圖1給出了水泵的特性曲線H－Q，離心泵的特征公式如下:

其中，P為離心泵的功耗(kW);Q為離心泵的流量(m3·s－1);H為工作揚(yáng)程(m);k離心泵系統(tǒng)的介質(zhì)常數(shù)(kg·m－3);η為離心泵的工作效率(%)。

水泵輸水過程中，當(dāng)輸水量等于或接近其額定輸水量時(shí)(如圖1中的E點(diǎn))，離心泵的工作效率最大。輸水量小于或大于額定輸水量時(shí)(如圖1中的L點(diǎn)或B點(diǎn))，離心泵的工作效率就會(huì)降低，偏離E點(diǎn)越遠(yuǎn)工作效率降低幅度越大。離心泵的工作效率越大，其耗能也最小。按照這一原理，根據(jù)離心泵的實(shí)際流量Q0、揚(yáng)程H0以及使用效率η0，可以計(jì)算出該泵的最經(jīng)濟(jì)功耗P0，即

圖1 離心泵的H－Q特性曲線

由變頻供水泵的特性曲線可以看出，水泵工頻運(yùn)行時(shí)，希望水泵在E點(diǎn)附近運(yùn)行，滿足火災(zāi)時(shí)的水量及壓力;當(dāng)火災(zāi)初期，用水量較小，管網(wǎng)壓力降低，變頻泵起動(dòng)。為了節(jié)能，我們希望水泵在高效區(qū)運(yùn)行，這對(duì)水泵的選擇上提出了較高的要求，基于這個(gè)原因，提出以下意見:一是水泵造型時(shí)水泵的高效區(qū)要大一些;二是選用變頻水泵時(shí)，水泵的揚(yáng)程可適當(dāng)放大;三是根據(jù)火災(zāi)時(shí)消防用水量的要求，設(shè)置二至多臺(tái)變頻泵，平時(shí)由一臺(tái)泵為管網(wǎng)供水，保持最不利點(diǎn)要求，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防管網(wǎng)水壓下降，水流量不夠，第二臺(tái)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，以此類推;若水量減少則按啟動(dòng)順序停止工頻泵直到最后一臺(tái)泵穩(wěn)壓運(yùn)行。變頻器選擇時(shí)，為滿足滅火時(shí)的壓力要求，應(yīng)以壓力作為變頻器工作的主要參數(shù)。在水泵房管網(wǎng)上設(shè)置壓力傳感器，傳感器將管網(wǎng)壓力信號(hào)傳給變頻器，以控制水泵的轉(zhuǎn)速。

4 恒壓變頻供水系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能原理

本節(jié)考察恒壓變頻供水系統(tǒng)的調(diào)速節(jié)能原理［4，5］。如圖2 所示，曲線 I、曲線 II分別表示變頻水泵轉(zhuǎn)速為N1和N2時(shí)的水泵的特性曲線H－Q，曲線III和曲線V是轉(zhuǎn)速為N1條件下的等效管阻特性，而曲線IV則為轉(zhuǎn)速為N2時(shí)的等效管阻特性。

圖2 水泵的運(yùn)行特性和管阻特性曲線

已經(jīng)知道，當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，變頻供水泵的流量Q、揚(yáng)程H和軸功率P分別與其轉(zhuǎn)速N成一次方、二次方和三次方比例關(guān)系。假設(shè)水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)由電源直接供電，水泵運(yùn)行于A(QA，HA)點(diǎn)，此時(shí)水泵的功率為PA=KHAQA，對(duì)應(yīng)于圖中矩形AH1OQ1的面積。若水泵出水量減小為Q2，工作點(diǎn)將由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，水壓增為H2，功率變?yōu)镻2，則功率可由矩形BH2OQ2的面積描述。如果水泵采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，在用水量小時(shí)降低泵速為N2，水泵可穩(wěn)定運(yùn)行于C點(diǎn)，運(yùn)行功率可由CH1OQ2的面積表示。但此時(shí)水壓仍維持為H1，恒壓變頻供水系統(tǒng)節(jié)約的耗能為BH2H1C部分的面積。

5 恒壓變頻供水系統(tǒng)在消防水滅火系統(tǒng)使用中的優(yōu)點(diǎn)

一是可不設(shè)高位水箱及穩(wěn)壓系統(tǒng)。《建規(guī)》8.4.4條，設(shè)置常高壓給水系統(tǒng)能保證最不利點(diǎn)消火栓和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的水量和水壓的建筑物，可不設(shè)置消防水箱。在建筑物設(shè)置消防水箱有困難，特別是建筑物使用性質(zhì)改變，建筑結(jié)構(gòu)安全不允許增加荷載以及高位水箱難以保證最不利點(diǎn)壓力時(shí)，通過采用恒壓變頻調(diào)速供水裝置平時(shí)保壓狀態(tài)，當(dāng)管網(wǎng)壓力降低時(shí)，變頻調(diào)速可迅速將變頻立即轉(zhuǎn)為工頻，在3～5s內(nèi)就可達(dá)到滅火需要的用水量和壓力，故可不設(shè)高位水箱及穩(wěn)壓裝置。

二是可不設(shè)置消火栓遠(yuǎn)程啟動(dòng)按鈕?！督ㄒ?guī)》8.4.3條，常高壓消防給水系統(tǒng)、高位消防水箱靜壓能滿足最不利點(diǎn)消火栓水壓要求的建筑，可不設(shè)置室內(nèi)遠(yuǎn)距離啟動(dòng)消防水泵的按鈕。因此采用恒壓變頻供水系統(tǒng)可不設(shè)消火栓遠(yuǎn)程啟動(dòng)按鈕。

三是由于變頻供水的供水量、壓力是隨現(xiàn)場(chǎng)用水量通過變頻，改變水泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，因此在水泵房?jī)?nèi)可不設(shè)泄壓管。

6 恒壓變頻供水系統(tǒng)注意的幾個(gè)問題

一是恒壓變頻供水系統(tǒng)可以取消高位水箱，但應(yīng)具備以下條件:為保證消防供水的安全性，必須設(shè)置雙回路供電;對(duì)于高層建筑自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)選用恒壓變頻供水系統(tǒng)時(shí)，消防水池設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證足夠的消防用水量。

二是恒壓變頻消防供水系統(tǒng)由于平時(shí)處于高壓狀態(tài)，對(duì)設(shè)備和運(yùn)行管理提出了更高的要求，建議:(1)雖然在滅火時(shí)水泵的節(jié)能效果顯著，但在平時(shí)由于變頻泵一直處于運(yùn)行狀態(tài)，能量消耗較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，因此建議穩(wěn)壓泵保留或生活(生產(chǎn))和消防合用一個(gè)給水系統(tǒng)。(2)定期應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修和運(yùn)行，以保持設(shè)備的完好。

三是變頻器及壓力傳感器是恒壓變頻供水系統(tǒng)的核心，但同時(shí)均屬于易損元件，由于長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高。

文章首先指出了傳統(tǒng)消防水滅火系統(tǒng)存在的問題，在此基礎(chǔ)上探討了恒壓變頻消防供水系統(tǒng)的基本原理、設(shè)計(jì)方法、調(diào)速節(jié)能原理以及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題。綜合分析后得出恒壓變頻消防供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供水設(shè)備相比有無法比擬的優(yōu)點(diǎn):它具有自動(dòng)化程度高，運(yùn)行安全可靠，操作控制方便，占地面積小等優(yōu)勢(shì)，特別是在建筑使用性質(zhì)發(fā)生改變，以及建筑火災(zāi)隱患整治中，由于這些建筑的本身缺陷無法完全按現(xiàn)行的規(guī)范要求設(shè)置消防水滅火系統(tǒng)時(shí)，使用恒壓變頻供水系統(tǒng)進(jìn)行替代，可以滿足建筑安全需要，是今后消防給水領(lǐng)域的理想供水設(shè)備。

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