楊 騁

(福建經福建筑設計工程有限公司 福建福州 350025)

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“水消規(guī)”中常用消防穩(wěn)壓設備工況分析及快速選型探討

楊 騁

(福建經福建筑設計工程有限公司 福建福州 350025)

《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》(GB50974-2014)，對設有高位水箱的臨時高壓消防給水系統(tǒng)常用的穩(wěn)壓設備，賦予了實現(xiàn)系統(tǒng)自動啟動和管網泄漏補水的功能。文章對常用消防穩(wěn)壓設備主要公式及對應于“水消規(guī)”中的取值進行分析，通過繪制設備中隔膜式氣壓罐的Vx～αb直線，P1～△P直線，P～V曲線，來分析各種工況下的氣壓罐各參數變化。利用曲線快速計算氣壓罐各參數，合理選擇增壓穩(wěn)壓設備。并探討“水消規(guī)”與“高規(guī)”專用消防增壓穩(wěn)壓設備各參數及功能變化。

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

0 引言

為解決臨時高壓消防給水系統(tǒng)所設的高位水箱，其設置高度滿足不了該系統(tǒng)最不利點靜水壓力，系統(tǒng)應增設專用消防穩(wěn)壓設備?！断澜o水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》(GB50974-2014以下簡稱“水消規(guī)”)中，穩(wěn)壓設備賦予了實現(xiàn)系統(tǒng)自動啟動和管網泄漏補水的功能(“水消規(guī)”5.3.3)，穩(wěn)壓泵按滿足系統(tǒng)自動啟動和管網充滿水要求取定設計壓力，啟泵方式采用壓力開關、流量開關等信號直接自動啟動消防水泵。而以往的做法都是采用增壓穩(wěn)壓設備，增壓穩(wěn)壓設備通常由4個壓力組成，作用為在火災初起時，消防水泵啟動前，滿足消火栓和自動噴淋系統(tǒng)水壓要求[1]。穩(wěn)壓設施設計變化巨大，行業(yè)內對“水消規(guī)”穩(wěn)壓設施的設計理解也不盡相同。

本文對常用消防穩(wěn)壓設備主要公式及對應于“水消規(guī)”中的取值進行分析，通過繪制設備中隔膜式氣壓罐的Vx～αb直線，P1～△P直線，P～V曲線，來分析各種工況下的氣壓罐各參數變化。利用曲線快速計算氣壓罐各參數，合理選擇增壓穩(wěn)壓設備。并探討“水消規(guī)”與“高規(guī)”專用消防增壓穩(wěn)壓設備各參數及功能變化等相關問題。

1 分析常用消防穩(wěn)壓設備中隔膜式氣壓罐各參數及“水消規(guī)”對參數取值的說明，并繪制參數曲線圖

根據“水消規(guī)”，消防主泵的自動啟動由其出水干管上的低壓壓力開關來實現(xiàn)，氣壓水罐僅起到避免穩(wěn)壓泵頻繁啟動的作用，故消防穩(wěn)壓設備僅需2個工作壓力控制穩(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。其工作原理是根據玻意耳定律，利用氣體可壓縮原理，即在定溫條件下，一定質量氣體的絕對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，來調節(jié)和壓送水量；利用自動控制系統(tǒng)，通過水泵的啟停，達到增壓穩(wěn)壓的目的。氣壓水罐工況示意圖，如圖1所示，主要計算公式及“水消規(guī)”中取值說明如下：

(1)

式中：V——消防氣壓水罐總容積(m3)；

Vq1——氣壓水罐的有效水容積(m3)；

“水消規(guī)”5.3.4：有效儲水容積不宜小于150L；

αb——工作壓力比，宜采用0.65～0.85。

(2)

P1——氣壓水罐最低工作壓力，表壓(MPa)；

“水消規(guī)”第5.3.3.3條：穩(wěn)壓泵的設計壓力應保持最不利點處水滅火設施準工作狀態(tài)時的靜水壓力應大于0.15MPa。

“水消規(guī)”第5.3.3.2條：穩(wěn)壓泵的設計壓力應保持系統(tǒng)自動啟泵壓力設置點處的壓力在準工作狀態(tài)時大于系統(tǒng)設置自動啟泵壓力值，且增加值宜為0.07MPa～0.10MPa。P2——氣壓水罐最高工作壓力，表壓(MPa)；P0——氣壓水罐充氣壓力，表壓(MPa)；

(3)

式中： qb——穩(wěn)壓泵的設計流量(m3/h)；“水消規(guī)”5.3.2：不應小于消防給水系統(tǒng)管網的正常泄漏量和系統(tǒng)自動啟動流量；宜按消防給水設計流量的1%～3%計，且不宜小于1L/s。采用報警閥壓力開關等自動啟動流量根據產品確定。

C——安全系數(宜采用1.0～1.3)；

n——水泵一小時內啟動次數(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)，計算出工作壓力比為0.65、0.7、0.75、0.8、0.85所對應的有效容積Vq1，以工作壓力比為X軸，有效容積Vq1為Y軸，對這三種常用的消防立式隔膜式氣壓給水設備做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條直線的延長線均交于(1,0)點，且與y軸的交點分別是(0,800)，(0,1 371)，(0，2 381)，交點的值即為V1。分析直線變化可知，在相同有效容積下，工作壓力比減小，總容積也減小。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，總容積也減小，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，總容積減小。

一般△P不大于0.2MPa，相差太大雖可減少氣壓罐的總容積，但增加了電耗。氣壓罐高置比低置可以縮小氣壓水罐總容積，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。

依據玻意耳定律，PV=nRT，相同溫度下，PV0=P1V1=P2V2,可以對這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 利用曲線快速計算氣壓罐各參數，合理選擇增壓穩(wěn)壓設備

實例計算：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(局部兼戰(zhàn)時人防)和設備用房。項目總用地面積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供水，屋頂水箱設置高度51.4m，在屋面設穩(wěn)壓設備，采用消火栓系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)分別設置穩(wěn)壓設備，消火栓系統(tǒng)計算簡圖，如圖5所示。

按公式(3)及取值說明，穩(wěn)壓泵設計流量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時有效容積為160L；直徑為1 000mm，V1 440的氣壓罐在αb=0.85時，有效容積為206L，均滿足要求，且有效容積增值不大。需要強調的是，有效容積選擇過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，△P=0.05MPa ，αb=0.85時，得△P=0.04MPa。對比兩種方式，工作壓力增量僅差0.01MPa，故對于上置式，選擇罐體直徑為800mm，V840的氣壓罐更為經濟。此時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 。

自動啟泵壓力值：P=0.58MPa。

上述實例中，如果穩(wěn)壓設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。(按照最不利點噴頭處靜水壓力大于0.15MPa計算)

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，有效容積為329L，△P=0.08MPa；V2 500的氣壓罐在αb=0.85時，有效容積為357L，△P=0.04MPa。對比3種方式，選擇罐體直徑為1 000mm，V1 440的氣壓罐更為經濟。此時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)壓設備各參數及功能變化

為了分析“水消規(guī)”與“高規(guī)”對專用消防穩(wěn)壓設備規(guī)定的變化，我們有必要按新、舊規(guī)范對本實例計算做一個對比。按“高規(guī)”，氣壓水罐工況示意圖，如圖6所示。這里要說明，因“高規(guī)”未對增壓穩(wěn)壓系統(tǒng)的最小工作壓力P1做明確規(guī)定，筆者對P1取值的兩種觀點均列表進行對比：觀點一為P1按滿足最不利消火栓口靜水壓力要求，觀點二為P1按滿足最不利消火栓滅火充實水柱要求[3]；比照結果詳見表1。

表1 “水消規(guī)”與“高規(guī)”計算結果對照表

對比分析上述數據，該工程實例“水消規(guī)”中穩(wěn)壓泵揚程下降，有效容積減少，整個消火栓系統(tǒng)管網壓力也隨之下降，更接近于未設置增壓穩(wěn)壓設備，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)壓設備僅作為系統(tǒng)自動啟動和管網泄漏補水的功能。

4 結論

(1)本文對消防常用容積分別為840L、1 440L、2 500L的立式隔膜式氣壓罐，通過繪制Vx～αb直線，P1～△P直線，P～V曲線，利用曲線可以快速計算氣壓罐各參數，合理選擇增壓穩(wěn)壓設備。對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相同方法來快速計算及合理選型。

(2)消防給水穩(wěn)壓設備快速選型，可按以下步驟：

①根據穩(wěn)壓設備的設置位置、標高，消防給水系統(tǒng)管網的正常泄漏量和系統(tǒng)自動啟動流量等，通過計算確定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，對比方案選擇最優(yōu)解。

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

(3)消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設備的選型，應根據具體工程，依據相關規(guī)范，根據不同的工況確定穩(wěn)壓設備的設計參數，只有合理選擇各設計參數，穩(wěn)壓設備才能在滿足規(guī)范要求的前提下做到對整個消防系統(tǒng)運行可靠，經濟合理。

(4)消防穩(wěn)壓設備僅用兩個壓力即可滿足“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來實現(xiàn)，而無需4個壓力，這樣大幅度降低管網壓力值。

(5)滅火設備產品強制性認證依據標準GB27898.3-2011第5.1條，基本參數要求消防增壓穩(wěn)壓給水設備的氣壓水罐止氣/充氣壓力不應小于0.15MPa[4]。設備的有效水容積不應小于0.3m3。此條較“水消規(guī)”嚴格，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的設備。現(xiàn)有設計中，如按“水消規(guī)”意味著無此參數的穩(wěn)壓設備強制性認證產品。因“水消規(guī)”執(zhí)行時間為2014年9月，較強制性認證依據標準遲，是否對強制性認證標準進行放寬來適應“水消規(guī)”，還是從嚴進行設計，筆者無法做出定論，有待同行探討。

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

[2] 給水排水設計手冊(第二冊)[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)靜水壓力計算[J]. 中國給水排水, 2014(15).

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

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

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

[7]CECS76:95 氣壓給水設計規(guī)范[S].1995.

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

[9] 98S205 消防增壓穩(wěn)壓設備選用及安裝(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，高級工程師。

E-mail:50949334@qq.com

2016-07-21

TU998.1

A

1004-6135(2016)11-0105-05