基于隧道水消防的恒壓供水系統(tǒng)

楊濤

【摘要】目前，隧道消防系統(tǒng)往往采用高壓消防系統(tǒng)供水。然而，由于一些山區(qū)公路隧道地形陡峭復雜，很難找到合適的位置建造高位水池。施工材料現(xiàn)場運輸、管道現(xiàn)場安裝難度很大，高位水池標高達不到要求。使用高壓消防系統(tǒng)供水非常困難。而通常所用的穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)由于受制于隔膜氣壓罐橡膠老化的影響，運行數(shù)年以后穩(wěn)高壓系統(tǒng)會因隔膜氣壓罐破裂故障，導致穩(wěn)壓泵不能及時補水，本文在穩(wěn)高壓系統(tǒng)的基礎上利用變頻穩(wěn)壓泵為隧道內消防管道提供恒定壓力的消防用水，其原理是采用PID算法控制穩(wěn)壓變頻水泵將低位水池流入的水直接加壓供給隧道內消防管網(wǎng)，不僅可解決常高壓、消防系統(tǒng)不能修建高位水池，外場管道安裝難度大等困難，還可以解決穩(wěn)高壓系統(tǒng)中隔膜氣壓罐橡膠老化所帶來的系統(tǒng)故障，而且還可降低成本，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【關鍵字】山區(qū)隧道;消防系統(tǒng);穩(wěn)高壓系統(tǒng);恒壓供水系統(tǒng);PLC;PID

1引言

消防供水系統(tǒng)作為高速公路隧道消防系統(tǒng)的核心，目前大多采用高低位水池給水系統(tǒng)，本文針對位于地勢陡峭地區(qū)的山區(qū)高速公路隧道難以修建高位水池等問題，在穩(wěn)高壓系統(tǒng)的基礎上提出了一種隧道恒壓供水系統(tǒng)。對于高低位水池與隧道恒壓供水系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)缺點進行對比分析，以論證隧道恒壓供水的可行性及經(jīng)濟性，該系統(tǒng)適用于不能修建高位水池且地勢陡峭的山區(qū)，具有良好的效果。

2高速公路隧道消防供水系統(tǒng)介紹

我國高速公路隧道消防供水系統(tǒng)大多采用常高壓給水系統(tǒng)，其運行原理是先由取水設施取水至低位水池，然后通過水泵將低位水池中的水加壓輸送至高位水池，再由高位水池對隧道消防管網(wǎng)供水。

常高壓給水系統(tǒng)是利用水位高壓和自身重力流由高位水池向隧道內消防管網(wǎng)供水，使管網(wǎng)內總是保持滅火時所需流量和壓力，撲滅火災時可直接使用消防栓滅火，無需啟動消防水泵增壓。高位水池的高程是根據(jù)隧道最低處高程和最高處高程計算得到，其可滿足消防栓出水的壓力要求。為保證高位水池的高程及容積滿足規(guī)范要求，其建造位置需地勢平坦，地質結構穩(wěn)定，且給水管道的路由要盡可能短，以減少水壓損失。

但在部分山區(qū)，由于隧道口地勢陡峭，難以找到合適的位置修建高位水池，且材料運輸業(yè)非常困難，故導致高位水池修建成本較高。

JTG D70/2-2014《公路隧道設計規(guī)范》第10.2.7.1條規(guī)定“當無條件設置高位水池時，可采用穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)?！币虼耍鶕?jù)隧道現(xiàn)場地形情況及JTG D70/2-2014，實際工程中隧道消防系統(tǒng)采用恒壓系統(tǒng)供水也是一種可替代穩(wěn)高壓系統(tǒng)的方案。

3恒壓供水系統(tǒng)結構

恒壓供水系統(tǒng)包括消防水源、消防低位水池、穩(wěn)壓泵（變頻）、消防主泵（變頻）、消防管網(wǎng)、消防水箱、液位計、壓力表、壓力控制器或壓力傳感器及消防控制柜等設施，如圖1所示。

3.1 水源

根據(jù)JTG D70/2-2014，隧道消防用水可采用市政自來水、地下水或地表水。采用地表水時，應有保證枯水期的消防用水措施。

在部分山區(qū)，地質結構以巖石為主，地表水、地下水不充足，且水源距隧道較遠。因此，若采用天然水源有困難，則可采用水車運輸供水作為消防水源。

2.2 消防低位水池

消防低位水池作為消防系統(tǒng)用水儲備，其容量必須滿足消防用水要求。根據(jù)JTG D70/2-2014消防水池的容積應能容納隧道內1次消防用水量外，還應能容納隧道內沖洗所需的調節(jié)用水量。

3.3 穩(wěn)壓泵（變頻）

穩(wěn)壓變頻泵是在消火栓及消防水槍在開啟的情況下，用于保持消火栓給水系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，使系統(tǒng)水壓始終處于滿足隧道消防要求的壓力狀態(tài)。一旦消火栓及消防栓開啟，能提供滿足隧道消防所需的水量和水壓。

3.4 消防水泵（變頻）

消防水泵是在消火栓及消防水槍開啟后，對消防系統(tǒng)進行補水，使系統(tǒng)的水量和壓力能夠滿足消防用水的要求，相對于普通軟啟或者直接啟動的水泵，消防變頻泵在啟動或者停止的時候通過變頻器變頻啟動與停止，避免水錘現(xiàn)象的發(fā)生，減少水泵直接啟動對消防管網(wǎng)的壓力沖擊，從而提高消防管網(wǎng)的使用壽命，減少消防管網(wǎng)的故障率。

4恒壓供水系統(tǒng)工作原理

4.1 消防水池補水

置于低位水池內的液位儀將水池內的水位信號傳輸至消防控制柜，消防控制柜對這些信號進行上限、報警、下限等限值設定。當消防控制柜檢測到消防水池內水位下限時，立即啟動蓄水池潛水泵給水池補水或者發(fā)出水池低液位報警。當水位達到上限時，消防控制柜則會關閉潛水泵以停止補水。

4.2 穩(wěn)壓變頻泵的工作原理

穩(wěn)壓變頻泵在消防系統(tǒng)休眠模式下工作，通過PLC讀取壓力傳感器壓力值，經(jīng)過PID運算后控制變頻器帶動穩(wěn)壓變頻泵運行，使消防栓出口水壓保持在0.8Mpa，穩(wěn)壓變頻泵設置為1主1備，當主穩(wěn)壓變頻泵出現(xiàn)故障時自動切換至備用穩(wěn)壓泵運行。

4.3 消防變頻水泵的工作原理

當消防管網(wǎng)水壓不足且穩(wěn)壓變頻水泵長時間向消防管網(wǎng)進行補水以后消防管網(wǎng)內壓力仍不能達到0.8Mpa時，PLC自動停止穩(wěn)壓變頻泵，同時啟動消防變頻水泵對隧道消防管網(wǎng)進行補水，當管網(wǎng)壓力達到0.8Mpa，消防變頻水泵降低至最低運行頻率后，PLC自動關閉消防變頻水泵，同時啟動穩(wěn)壓變頻水泵工作，消防變頻水泵設置為1主1備，當消防水泵故障時自動切換到備用水泵工作。

5恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)勢

恒壓供水系統(tǒng)與高壓消防系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)勢。

5.1解決部分山區(qū)高位水池修建困難的問題

在部分山區(qū)，由于地勢極為陡峭，致使修造高位水池時材料運輸困難，或不能找到面積合適、地勢結構穩(wěn)定的位置修建高位水池。

5.2降低高速公路建設成本

在一些地形較為平坦、隧道落差較大的地區(qū)，需要鋪設較長的消防管道。如果取消高位池的建設，不僅節(jié)省了建設成本本身，還節(jié)省了隧道外場消防管線的費用以及高位池建設便道和維護便道所帶來的相關征地費用。恒壓供水系統(tǒng)與常高壓供水系統(tǒng)證件設備費用及相關施工費用對比如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可看出，采用穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)比常高壓供水系統(tǒng)可節(jié)約造價30-40萬元。

5.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高

1）恒壓供水系統(tǒng)減少了高位水池至隧道口的消防管道，從而減小了因管道系統(tǒng)彎道產(chǎn)生的阻力而導致的壓力損失。

2）恒壓供水系統(tǒng)中減少了高位水池至隧道洞口的外場管道路由，從而減小了因外場管道排泄壓及故障導致的不安全性。

3）恒壓供水系統(tǒng)使隧道消防主泵在休眠模式下始終保持隧道消防所需的水量和水壓，提高了消防系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）可通過實時檢測消防管網(wǎng)的壓力，實時調整穩(wěn)壓變頻泵的運行頻率，保證隧道內消防管網(wǎng)的壓力值在正常范圍內。

5）可通過實時檢測消防管網(wǎng)的壓力，在實現(xiàn)管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的同時，實現(xiàn)隧道內管網(wǎng)壓力的動態(tài)越階響應。

5.4 有利于消防系統(tǒng)的運營維護

恒壓供水系統(tǒng)更加集成化、智能化。不僅減少了消防管網(wǎng)的長度，而且將動力及控制設備安裝于消防泵房內，有助于系統(tǒng)維護和故障排除。

6高速公路隧道恒壓供水系統(tǒng)應用中的經(jīng)驗、教訓

高速公路隧道恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性依托于機電設備的穩(wěn)定性，需對所采用的機電設備在設計、施工及運營維護等多方面進行關注。

設計時，需對高壓水泵的機械性能、壓力傳感器及消防控制柜的邏輯性以及其他相關機電設備制定較為完整的技術指標要求，并對相關設備及系統(tǒng)功能進行詳細描述。同時，將系統(tǒng)電力負荷級別設置為I級，條件允許的情況下可在消防控制柜內配置雙電源切換裝置。

施工中，須嚴格按照設計技術指標要求進行設備采購。宜采用具有相關工程用用實例的產(chǎn)品，同時需對消防控制柜、壓力傳感器及其他重點設備進行相關檢測。

運營中，維護人員需定期檢測設備的運行情況，對設備進行維護保養(yǎng)，如檢測到設備報警，需立即派出故障。當設備達到使用壽命后考慮設備更新、升級。

7結語

消防系統(tǒng)是隧道機電施工的重點工程，需對其予以重視，并提高其穩(wěn)定性，以便將施工損失率降至最低。穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)雖然能夠解決部分山區(qū)修建高位水池困難的問題，但長期來看穩(wěn)高壓系統(tǒng)中由于隔膜氣壓罐長時間受壓力變化影響，橡膠儲氣罐容易受損，而與穩(wěn)定的高壓供水系統(tǒng)相比，恒壓供水系統(tǒng)更有利于節(jié)約成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，值得在山區(qū)公路隧道消防供水系統(tǒng)中推廣應用。

【參考文獻】

[1]趙雙紅; 陳帥.穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)在山區(qū)高速公路隧道消防系統(tǒng)中的應用[J].公路交通技術，2015（06）：118-121.