“水消規(guī)”中常用消防穩(wěn)壓設(shè)備工況分析及快速選型探討

楊 騁

(福建經(jīng)福建筑設(shè)計(jì)工程有限公司 福建福州 350025)

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“水消規(guī)”中常用消防穩(wěn)壓設(shè)備工況分析及快速選型探討

楊 騁

(福建經(jīng)福建筑設(shè)計(jì)工程有限公司 福建福州 350025)

《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB50974-2014)，對(duì)設(shè)有高位水箱的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)常用的穩(wěn)壓設(shè)備，賦予了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)和管網(wǎng)泄漏補(bǔ)水的功能。文章對(duì)常用消防穩(wěn)壓設(shè)備主要公式及對(duì)應(yīng)于“水消規(guī)”中的取值進(jìn)行分析，通過(guò)繪制設(shè)備中隔膜式氣壓罐的Vx～αb直線，P1～△P直線，P～V曲線，來(lái)分析各種工況下的氣壓罐各參數(shù)變化。利用曲線快速計(jì)算氣壓罐各參數(shù)，合理選擇增壓穩(wěn)壓設(shè)備。并探討“水消規(guī)”與“高規(guī)”專用消防增壓穩(wěn)壓設(shè)備各參數(shù)及功能變化。

消防系統(tǒng);隔膜式氣壓罐; Vx～αb直線 ;快速選型 ;自動(dòng)啟泵壓力

0 引言

為解決臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)所設(shè)的高位水箱，其設(shè)置高度滿足不了該系統(tǒng)最不利點(diǎn)靜水壓力，系統(tǒng)應(yīng)增設(shè)專用消防穩(wěn)壓設(shè)備?！断澜o水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB50974-2014以下簡(jiǎn)稱“水消規(guī)”)中，穩(wěn)壓設(shè)備賦予了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)和管網(wǎng)泄漏補(bǔ)水的功能(“水消規(guī)”5.3.3)，穩(wěn)壓泵按滿足系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)和管網(wǎng)充滿水要求取定設(shè)計(jì)壓力，啟泵方式采用壓力開關(guān)、流量開關(guān)等信號(hào)直接自動(dòng)啟動(dòng)消防水泵。而以往的做法都是采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備，增壓穩(wěn)壓設(shè)備通常由4個(gè)壓力組成，作用為在火災(zāi)初起時(shí)，消防水泵啟動(dòng)前，滿足消火栓和自動(dòng)噴淋系統(tǒng)水壓要求[1]。穩(wěn)壓設(shè)施設(shè)計(jì)變化巨大，行業(yè)內(nèi)對(duì)“水消規(guī)”穩(wěn)壓設(shè)施的設(shè)計(jì)理解也不盡相同。

本文對(duì)常用消防穩(wěn)壓設(shè)備主要公式及對(duì)應(yīng)于“水消規(guī)”中的取值進(jìn)行分析，通過(guò)繪制設(shè)備中隔膜式氣壓罐的Vx～αb直線，P1～△P直線，P～V曲線，來(lái)分析各種工況下的氣壓罐各參數(shù)變化。利用曲線快速計(jì)算氣壓罐各參數(shù)，合理選擇增壓穩(wěn)壓設(shè)備。并探討“水消規(guī)”與“高規(guī)”專用消防增壓穩(wěn)壓設(shè)備各參數(shù)及功能變化等相關(guān)問(wèn)題。

1 分析常用消防穩(wěn)壓設(shè)備中隔膜式氣壓罐各參數(shù)及“水消規(guī)”對(duì)參數(shù)取值的說(shuō)明，并繪制參數(shù)曲線圖

根據(jù)“水消規(guī)”，消防主泵的自動(dòng)啟動(dòng)由其出水干管上的低壓壓力開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，氣壓水罐僅起到避免穩(wěn)壓泵頻繁啟動(dòng)的作用，故消防穩(wěn)壓設(shè)備僅需2個(gè)工作壓力控制穩(wěn)壓泵的啟停即可滿足要求。消防穩(wěn)壓設(shè)備由隔膜式氣壓罐、穩(wěn)壓泵、儀表、管道附件和電控柜組成。其工作原理是根據(jù)玻意耳定律，利用氣體可壓縮原理，即在定溫條件下，一定質(zhì)量氣體的絕對(duì)壓力和它所占的體積成反比原則制造；利用密閉罐中壓縮空氣的壓力變化，來(lái)調(diào)節(jié)和壓送水量；利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)水泵的啟停，達(dá)到增壓穩(wěn)壓的目的。氣壓水罐工況示意圖，如圖1所示，主要計(jì)算公式及“水消規(guī)”中取值說(shuō)明如下：

(1)

式中：V——消防氣壓水罐總?cè)莘e(m3)；

Vq1——?dú)鈮核薜挠行莘e(m3)；

“水消規(guī)”5.3.4：有效儲(chǔ)水容積不宜小于150L；

αb——工作壓力比，宜采用0.65～0.85。

(2)

P1——?dú)鈮核拮畹凸ぷ鲏毫?，表?MPa)；

“水消規(guī)”第5.3.3.3條：穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)保持最不利點(diǎn)處水滅火設(shè)施準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)的靜水壓力應(yīng)大于0.15MPa。

“水消規(guī)”第5.3.3.2條：穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)保持系統(tǒng)自動(dòng)啟泵壓力設(shè)置點(diǎn)處的壓力在準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)大于系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)啟泵壓力值，且增加值宜為0.07MPa～0.10MPa。P2——?dú)鈮核拮罡吖ぷ鲏毫?，表?MPa)；P0——?dú)鈮核蕹錃鈮毫?，表?MPa)；

(3)

式中： qb——穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)流量(m3/h)；“水消規(guī)”5.3.2：不應(yīng)小于消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的正常泄漏量和系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)流量；宜按消防給水設(shè)計(jì)流量的1%～3%計(jì)，且不宜小于1L/s。采用報(bào)警閥壓力開關(guān)等自動(dòng)啟動(dòng)流量根據(jù)產(chǎn)品確定。

C——安全系數(shù)(宜采用1.0～1.3)；

n——水泵一小時(shí)內(nèi)啟動(dòng)次數(shù)(宜為6次～8次)，“水消規(guī)”5.3.4：要求不大于15次。

消防常用立式隔膜式氣壓罐直徑有800mm、1 000mm、1 200mm3種，常用容積分別為840L、1 440L、2 500L[2]。在V分別為840L、1 440L、2 500L下，我們利用公式(1)，計(jì)算出工作壓力比為0.65、0.7、0.75、0.8、0.85所對(duì)應(yīng)的有效容積Vq1，以工作壓力比為X軸，有效容積Vq1為Y軸，對(duì)這三種常用的消防立式隔膜式氣壓給水設(shè)備做Vx～αb直線(圖2)，3條直線分別代表容積為840L、1 440L、2 500L的Vx～αb直線。

分析Vx～αb直線可知，3條直線的延長(zhǎng)線均交于(1,0)點(diǎn)，且與y軸的交點(diǎn)分別是(0,800)，(0,1 371)，(0，2 381)，交點(diǎn)的值即為V1。分析直線變化可知，在相同有效容積下，工作壓力比減小，總?cè)莘e也減小。同一氣壓罐，有效容積增大，則工作壓力比減小。

分析P1～△P直線可知，在相同氣壓罐工作壓力下，工作壓力比減小，則氣壓罐工作壓力的增量加大；相同的增量下，氣壓罐工作壓力減小，氣壓罐工作壓力比也減小。

綜上結(jié)論，同一氣壓罐，在相同工作壓力下，有效容積增大，工作壓力比減小，工作壓力的增量加大。氣壓罐在相同工作壓力及有效容積下，工作壓力比減小，總?cè)莘e也減小，但工作壓力的增量加大。氣壓罐在相同工作壓力的增量及有效容積下，工作壓力減小，工作壓力比減小，總?cè)莘e減小。

一般△P不大于0.2MPa，相差太大雖可減少氣壓罐的總?cè)莘e，但增加了電耗。氣壓罐高置比低置可以縮小氣壓水罐總?cè)莘e，節(jié)省鋼材，降低投資，節(jié)省能耗，更安全可靠，但是管理不便。

依據(jù)玻意耳定律，PV=nRT，相同溫度下，PV0=P1V1=P2V2,可以對(duì)這3種容積的氣壓罐繪制特定充氣壓力下的P～V曲線圖。由于篇幅所限，本文僅繪制840L氣壓罐的P～V曲線，如圖4所示。曲線圖中，3條曲線分別代表充氣壓力P0為0.1MPa，0.15MPa， 0.2MPa下的P～V曲線。

分析P～V曲線可知，相同氣室體積下，初始充氣壓力加大，工作壓力也加大。

2 利用曲線快速計(jì)算氣壓罐各參數(shù)，合理選擇增壓穩(wěn)壓設(shè)備

實(shí)例計(jì)算：某工程共11棟樓，由多層住宅、二類商住樓和一類綜合樓組成，地下室為車庫(kù)(局部兼戰(zhàn)時(shí)人防)和設(shè)備用房。項(xiàng)目總用地面積23 420m2，總建筑面積84 494.68m2(其中地下室建筑面積20 194m2,地上總建筑面積64 300.68m2)。10#樓屋頂消防水箱存有效容積36m3的消防用水為初期火災(zāi)供水，屋頂水箱設(shè)置高度51.4m，在屋面設(shè)穩(wěn)壓設(shè)備，采用消火栓系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)分別設(shè)置穩(wěn)壓設(shè)備，消火栓系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖5所示。

按公式(3)及取值說(shuō)明，穩(wěn)壓泵設(shè)計(jì)流量qb=40L/s×3%=1.2L/s=4.32m3/h。Vq1≥1.1×4.32/(4×8)=148L,且有效容積不小于150L。取150L。計(jì)算P1>15-H1=15-4.2=10.8m且≥H2+7=3.4+7=10.4m。取P1=11m。

查Vx～αb直線圖(圖2)，直徑為800mm，V840的氣壓罐在αb=0.8時(shí)有效容積為160L；直徑為1 000mm，V1 440的氣壓罐在αb=0.85時(shí)，有效容積為206L，均滿足要求，且有效容積增值不大。需要強(qiáng)調(diào)的是，有效容積選擇過(guò)大雖然也能滿足要求，但工作壓力比減小，氣壓罐工作壓力的增量加大，將加大投資。

在P1～△P直線中，P1=0.11MPa，查出，αb=0.8時(shí)，△P=0.05MPa ，αb=0.85時(shí)，得△P=0.04MPa。對(duì)比兩種方式，工作壓力增量?jī)H差0.01MPa，故對(duì)于上置式，選擇罐體直徑為800mm，V840的氣壓罐更為經(jīng)濟(jì)。此時(shí)P2=P1+△P=0.16MPa。啟泵壓力P=P1+H1+H-7=11+4.2+50-7=58.2m。

綜上可得，穩(wěn)壓泵流量：qb=4.32m3/h，揚(yáng)程H=P2=0.16MPa(在“消水規(guī)”的前提下，直接按照P2作為選用穩(wěn)壓泵揚(yáng)程較可靠)。

氣壓罐：φ=800，V=840L，P1=0.11MPa，P2=0.16MPa，αb=0.8，Vq1=160L，V1=800L，V2=640L 。

自動(dòng)啟泵壓力值：P=0.58MPa。

上述實(shí)例中，如果穩(wěn)壓設(shè)備采用消火栓和噴淋系統(tǒng)合用，則qb=(40+40)L/s×3%=2.4L/s=8.64m3/h。Vq1≥1.1×8.64/(4×8)=296L,且有效容積不小于150L。取296L。P1>15-1.1=13.9m。取P1=14m。(按照最不利點(diǎn)噴頭處?kù)o水壓力大于0.15MPa計(jì)算)

查Vx～αb直線圖(圖2)，P1～△P直線圖，得出：直徑為800mm，V840的氣壓罐在αb=0.6時(shí)有效容積為319L，△P=0.16MPa ；直徑為1 000mm，V1 440的氣壓罐在αb=0.76時(shí)，有效容積為329L，△P=0.08MPa；V2 500的氣壓罐在αb=0.85時(shí)，有效容積為357L，△P=0.04MPa。對(duì)比3種方式，選擇罐體直徑為1 000mm，V1 440的氣壓罐更為經(jīng)濟(jì)。此時(shí)P2=P1+△P=0.14+0.08=0.22MPa。啟泵壓力P=P1+H1+H-7=14+4.2+50-7=61.2m。穩(wěn)壓泵流量：qb=8.64m3/h，揚(yáng)程H=P2=0.14+0.08=0.22MPa。氣壓罐：φ=1 000，V=1 440L，P1=0.14MPa，P2=0.22MPa，αb=0.76,Vq1=329L 。

3 探討“水消規(guī)”與“高規(guī)”專用消防穩(wěn)壓設(shè)備各參數(shù)及功能變化

為了分析“水消規(guī)”與“高規(guī)”對(duì)專用消防穩(wěn)壓設(shè)備規(guī)定的變化，我們有必要按新、舊規(guī)范對(duì)本實(shí)例計(jì)算做一個(gè)對(duì)比。按“高規(guī)”，氣壓水罐工況示意圖，如圖6所示。這里要說(shuō)明，因“高規(guī)”未對(duì)增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)的最小工作壓力P1做明確規(guī)定，筆者對(duì)P1取值的兩種觀點(diǎn)均列表進(jìn)行對(duì)比：觀點(diǎn)一為P1按滿足最不利消火栓口靜水壓力要求，觀點(diǎn)二為P1按滿足最不利消火栓滅火充實(shí)水柱要求[3]；比照結(jié)果詳見表1。

表1 “水消規(guī)”與“高規(guī)”計(jì)算結(jié)果對(duì)照表

對(duì)比分析上述數(shù)據(jù)，該工程實(shí)例“水消規(guī)”中穩(wěn)壓泵揚(yáng)程下降，有效容積減少，整個(gè)消火栓系統(tǒng)管網(wǎng)壓力也隨之下降，更接近于未設(shè)置增壓穩(wěn)壓設(shè)備，而緊靠高位消防水箱的靜水壓力0.07MPa(“水消規(guī)”5.2.2條)的要求。這也充分體現(xiàn)了“水消規(guī)”穩(wěn)壓設(shè)備僅作為系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)和管網(wǎng)泄漏補(bǔ)水的功能。

4 結(jié)論

(1)本文對(duì)消防常用容積分別為840L、1 440L、2 500L的立式隔膜式氣壓罐，通過(guò)繪制Vx～αb直線，P1～△P直線，P～V曲線，利用曲線可以快速計(jì)算氣壓罐各參數(shù)，合理選擇增壓穩(wěn)壓設(shè)備。對(duì)立式其他容積的隔膜式氣壓罐以及臥式隔膜式氣壓罐等也可通過(guò)相同方法來(lái)快速計(jì)算及合理選型。

(2)消防給水穩(wěn)壓設(shè)備快速選型，可按以下步驟：

①根據(jù)穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)置位置、標(biāo)高，消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的正常泄漏量和系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)流量等，通過(guò)計(jì)算確定qb、Vq1及P1值。

②查詢Vx～αb直線圖，選取有效容積大于Vq1且偏差不大時(shí)的αb值，可選擇兩三組。

③以P1值及αb值，查詢P1～△P直線，確定△P，對(duì)比方案選擇最優(yōu)解。

④選定穩(wěn)壓泵型號(hào)，氣壓罐的規(guī)格，注明相應(yīng)的參數(shù)值。這里也可計(jì)算出P0，然后查詢氣壓罐的P～V曲線圖計(jì)算氣壓罐在各種壓力下的體積值。

(3)消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備的選型，應(yīng)根據(jù)具體工程，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，根據(jù)不同的工況確定穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)，只有合理選擇各設(shè)計(jì)參數(shù)，穩(wěn)壓設(shè)備才能在滿足規(guī)范要求的前提下做到對(duì)整個(gè)消防系統(tǒng)運(yùn)行可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

(4)消防穩(wěn)壓設(shè)備僅用兩個(gè)壓力即可滿足“水消規(guī)”要求，消防主泵啟泵壓力由其出水干管上的低壓壓力開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需4個(gè)壓力，這樣大幅度降低管網(wǎng)壓力值。

(5)滅火設(shè)備產(chǎn)品強(qiáng)制性認(rèn)證依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB27898.3-2011第5.1條，基本參數(shù)要求消防增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備的氣壓水罐止氣/充氣壓力不應(yīng)小于0.15MPa[4]。設(shè)備的有效水容積不應(yīng)小于0.3m3。此條較“水消規(guī)”嚴(yán)格，按“水消規(guī)”有效容積不小于0.15m3，且充氣壓力可小于0.15MPa。98S205圖集中也有有效容積為0.15m3的設(shè)備?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)中，如按“水消規(guī)”意味著無(wú)此參數(shù)的穩(wěn)壓設(shè)備強(qiáng)制性認(rèn)證產(chǎn)品。因“水消規(guī)”執(zhí)行時(shí)間為2014年9月，較強(qiáng)制性認(rèn)證依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)遲，是否對(duì)強(qiáng)制性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行放寬來(lái)適應(yīng)“水消規(guī)”，還是從嚴(yán)進(jìn)行設(shè)計(jì)，筆者無(wú)法做出定論，有待同行探討。

[1]GB50045-95 高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].2005.

[2] 給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二冊(cè))[J].建筑給水排水,2001(05)103-104.

[3] 陳禮洪, 程宏偉, 蔣柱武. 高層建筑消火栓給水系統(tǒng)分區(qū)靜水壓力計(jì)算[J]. 中國(guó)給水排水, 2014(15).

[4]GB27898-2011 固定消防給水設(shè)備·消防增壓穩(wěn)壓給水設(shè)備[S].2012.

[5] 易家松, 周欣. “水消規(guī)”中消防增壓穩(wěn)壓設(shè)備的功能變化及算法調(diào)整探討[J]. 給水排水, 2015(09):106-108.

[6]GB50974-2014.消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].2014.

[7]CECS76:95 氣壓給水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1995.

[8] 15S909 消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范圖示[Z].2015.

[9] 98S205 消防增壓穩(wěn)壓設(shè)備選用及安裝(隔膜式氣壓罐)[S].2002

Analyzes the working conditions of commonly fire control equipment and rapid type selection in the technical code for fire protection water supply and hydrant systems

YANGCheng

(Fujian JingFu Architectural Design Engineering Co., Ltd. Fuzhou 350025)

“Technical code for fire protection water supply and hydrant systems”(GB50974-2014), which gives the voltage stabilizing equipment the functions of system starting automatically and leakage of water supply network. The voltage stabilizing equipment is applicable for the fire water supply system with temporary high pressure, and is located at high position water tanks. This paper analyzes the main formulas of common fire control equipment and the numerical value of ‘Technical code for fire protection water supply and hydrant systems’.And it also analyzes the parameters of pressure tanks under various operating modes by drawing the chart of diaphragm type pressure tank, such as Vx～αbline, P1～△P line, P～Vcurve. Using the curve to calculate the parameters of the gas pressure tank and selecting the reasonable pressure equipment. Discuss the parameters and functions of special fire control equipment of “Technical code for fire protection water supply and hydrant systems”and “code for fire protection design of tall buildings”.

Hydrant systems;Diaphragm type pressure tank;Vx～αbrapid type selection;Automatic pump pressure

楊騁(1980.1- ),男，高級(jí)工程師。

E-mail:50949334@qq.com

2016-07-21

TU998.1

A

1004-6135(2016)11-0105-05