曹 楊

(廈門市施工圖審查有限公司 福建廈門 361004)

消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計與探討

曹 楊

(廈門市施工圖審查有限公司 福建廈門 361004)

消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計，包括消防穩(wěn)壓泵的各設(shè)計參數(shù)值及消防氣壓水罐各水容積的計算，根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974-2014的相關(guān)規(guī)定對穩(wěn)壓設(shè)備的選型計算進行探討。

消防穩(wěn)壓泵；消防氣壓水罐；工作壓力；工作壓力比

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引 言

國家標(biāo)準(zhǔn)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974-2014(以下簡稱《消水規(guī)》)于2014-10-01開始實施，其中《消水規(guī)》第5.3.2及5.3.3條對穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量、設(shè)計壓力僅提出原則性要求，對其具體的設(shè)計參數(shù)未明確說明及規(guī)定，相應(yīng)的國標(biāo)圖集未能及時更新。實施近半年中在施工圖審查過程中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計人員往往各持己見，根據(jù)各自的理解和設(shè)計經(jīng)驗進行設(shè)計，造成穩(wěn)壓泵設(shè)計參數(shù)與氣壓水罐規(guī)格不匹配、系統(tǒng)差異很大，與系統(tǒng)相應(yīng)設(shè)置的高位消防水箱出水管上的流量開關(guān)，消防水泵出水干管上設(shè)置的壓力開關(guān)，及消防系統(tǒng)防超壓措施的泄壓閥等設(shè)計參數(shù)不匹配，或相互矛盾，使消防穩(wěn)壓設(shè)備未能充分發(fā)揮其有效作用。因此筆者根據(jù)《消水規(guī)》的規(guī)定，經(jīng)過查閱相關(guān)資料，并征求各方意見，提出自己的觀點和具體實施意見，供參考與指正。

1 消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備的工作原理：

1.1 穩(wěn)壓設(shè)備的形式

根據(jù)《消水規(guī)》第5.2.2條和第5.3.4條規(guī)定：當(dāng)高位消防水箱不能滿足本條第1款～第4款的靜壓要求時，應(yīng)設(shè)穩(wěn)壓泵；設(shè)置穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置氣壓水罐。故消防穩(wěn)壓設(shè)備應(yīng)由氣壓水罐、穩(wěn)壓水泵、電控柜、管道等組成。根據(jù)穩(wěn)壓設(shè)備設(shè)置位置分上置式和下置式；根據(jù)系統(tǒng)分：消火栓給水系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、消火栓及自動噴水滅火合用系統(tǒng)。消火栓給水系統(tǒng)又分：室外消火栓給水系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)。

1.2 穩(wěn)壓設(shè)備的工作原理

圖1 穩(wěn)壓設(shè)備工作原理

圖1：P0—氣壓水罐無水時的起始壓力 P1—氣壓水罐設(shè)計最低工作壓力 P2—消防主泵啟泵壓力 Ps1—穩(wěn)壓泵啟泵壓力 Ps2—穩(wěn)壓泵停泵壓力 (圖中壓力均為絕對壓力MPa)

Vx—消防儲水容積

Vh—緩沖水容積

Vw—穩(wěn)壓水容積

Vq—氣壓水罐總?cè)莘e(m3)

Vq1—罐內(nèi)壓力為P2的氣體體積(m3)

Vq2—罐內(nèi)壓力為Ps1的氣體體積(m3)

Vq3—罐內(nèi)壓力為Ps2的氣體體積(m3)

穩(wěn)壓設(shè)備工作原理，如(圖1)所示：平時穩(wěn)壓泵在Ps1和Ps2之間運行，消防儲水容積Vx平時不被動用。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，隨著水滅火設(shè)施的投入使用，系統(tǒng)壓力開始下降，當(dāng)穩(wěn)壓泵無法滿足消防補水量要求，水位降至P2時，報警并開始啟動消防主泵滅火。消火栓及自動噴水滅火合用系統(tǒng)，根據(jù)《消水規(guī)》第11.0.4條還需同時設(shè)置其他啟泵信號確定啟動主泵。

2 消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備設(shè)計參數(shù)的確定

2.1 穩(wěn)壓設(shè)備設(shè)計壓力的確定

根據(jù)《消水規(guī)》第5.3.3條規(guī)定：1 穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力應(yīng)滿足系統(tǒng)自動啟動和管網(wǎng)充滿水的要求；2 穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力應(yīng)保持系統(tǒng)自動啟泵壓力點處的壓力在準(zhǔn)工作狀態(tài)時大于系統(tǒng)設(shè)置自動啟泵壓力值，且增加值宜為0.07MPa～0.10MPa；3穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力應(yīng)保持系統(tǒng)最不利點處水滅火設(shè)施在準(zhǔn)工作狀態(tài)時的靜水壓力應(yīng)大于0.15MPa。

2.1.1 氣壓水罐最低工作壓力P1的確定

P1= P-0.01h1

P—最不利點處水滅火設(shè)施的最低設(shè)計壓力值(MPa)，根據(jù)《消水規(guī)》第5.3.3條規(guī)定P為系統(tǒng)最不利點處水滅火設(shè)施在準(zhǔn)工作狀態(tài)時的靜水壓力，故取0.15MPa。

h1—氣壓水罐最低水位與最不利點處水滅火設(shè)施的幾何高差(m)；當(dāng)氣壓水罐高于最不利點處水滅火設(shè)施時，h1為正值；當(dāng)氣壓水罐低于最不利點處水滅火設(shè)施時，h1為負值。

筆者為簡化計算按穩(wěn)壓設(shè)備上置式設(shè)計h1取0 故P1= 0.15MPa

在《消水規(guī)》未執(zhí)行前，因規(guī)范未明確穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力，P值是按最不利點處水滅火設(shè)施的最低工作壓力計算，設(shè)計還要考慮氣壓水罐至最不利點處水滅火設(shè)施的管道損失。執(zhí)行《消水規(guī)》后設(shè)計應(yīng)注意0.15MPa為最不利點處水滅火設(shè)施的靜水壓力。

2.1.2 消防主泵啟泵壓力P2(MPa)

根據(jù)《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》CECS76：95第3.2.4條公式(3.2.4)

P2=(P1+0.098)/αb-0.098

式中：P2—消防主泵啟泵壓力(表壓,MPa)； αb—氣壓罐內(nèi)的工作壓力比(以絕對壓力計)，宜采用0.65～0.85

2.1.3 穩(wěn)壓泵啟泵壓力PS1(MPa)

根據(jù)《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》CECS76：95第4.3.9條規(guī)定：氣壓水罐的緩沖水容積的壓差為0.02MPa，即P2- Ps1=0.02MPa Ps1=P2+0.02

2.1.4 穩(wěn)壓泵停泵壓力PS2(MPa)

根據(jù)《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》CECS76：95第4.3.10條規(guī)定：氣壓水罐的穩(wěn)壓水容積的壓力差為0.05MPa, 即PS1-PS2=0.05MPa Ps2=Ps1+0.05

2.1.5 消防穩(wěn)壓泵的揚程Hb(MPa)

穩(wěn)壓水泵設(shè)計兩臺(一用一備)

穩(wěn)壓水泵揚程Hb=(Ps1+Ps2)/2-0.01h3=(Ps1+ Ps2)/2

式中：h3—穩(wěn)壓泵與吸水的消防水池或水箱的高差，當(dāng)穩(wěn)壓泵與消防水池或水箱設(shè)于同層時，h3可取值為0。穩(wěn)壓泵揚程應(yīng)在水泵曲線高效區(qū)取值。

2.1.6 根據(jù)以上公式計算如(表1)。

表1 穩(wěn)壓設(shè)備各工作壓力表(MPa)

復(fù)核(表1)穩(wěn)壓泵最高工作壓力與最低工作壓力差△P=PS2-P2=0.07MPa 滿足《消水規(guī)》第5.3.3條第2款規(guī)定：穩(wěn)壓泵的增加值宜為0.07MPa～0.10MPa的要求。

2.2 氣壓水罐容積的確定

2.2.1 氣壓水罐的規(guī)格：

⑴氣壓水罐的工作壓力(MPa)：0.6、1.0、1.6

⑵氣壓水罐的總?cè)莘eVq(m3)：

參考國標(biāo)圖集98S205消防系統(tǒng)常用隔膜式氣壓水罐的尺寸為：∮800×2400 Vq=0.84m3、∮1000×2480 Vq=1.41 m3、∮1200×2670 Vq=2.5 m3、∮1200×2670 Vq=2.50 m3

2.2.2 氣壓水罐的消防儲水容積Vx(m3)

根據(jù)《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》CECS76：95公式4.3.5

Vx= (1-αb)/β ×Vq

式中：β—氣壓水罐的容積系數(shù)，β=P1/P0，隔膜式氣壓水罐取1.05；

2.2.3 氣壓水罐的緩沖水容積Vh(m3)及穩(wěn)壓水容積Vw(m3)

根據(jù)波義耳-馬略特定律：

Ps1Vq2=P2Vq1=Ps2Vq3=P0Vq

β=P1/ P0P0=P1/β

Vh=Vq1-Vq2=(P0Vq)/P2-(P0Vq)/PS1=(PS1-P2)(P0Vq)/(Ps1P2)= (0.02×P1×Vq)/(βPs1P2)

Vw=Vq2-Vq3=(P0Vq)/Ps2-(P0Vq)/Ps1=(Ps2-Ps1)(P0Vq)/(Ps1Ps2)=(0.05×P1×Vq)/(βPs1Ps2)

2.2.4 根據(jù)以上公式計算出氣壓水罐∮800×2400不同工作壓力比αb時氣壓水罐各容積見(表2)：

表2 氣壓水罐各水容積表(m3)

注：(表1)所有壓力值均為表壓，在計算容積時應(yīng)轉(zhuǎn)換為絕對壓力值，即絕對壓力=表壓+0.098

2.2.5 氣壓水罐容積設(shè)計小結(jié)

(表2)氣壓水罐消防儲水容積Vx是根據(jù)氣壓水罐的總?cè)莘eVq和αb值確定的，再根據(jù)(表1)各工況壓力值分別計算出其他水容積，最后復(fù)核消防儲水容積Vx應(yīng)大于150L方滿足規(guī)范要求。而《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50045-95(2005年版)第7.4.8.2條規(guī)定：氣壓罐的調(diào)節(jié)水容量宜為450L；即消火栓給水系統(tǒng)消防儲水容積不小于300L, 自動噴水滅火系統(tǒng)消防儲水容積不小于150L，合用系統(tǒng)消防儲水容積不小于450L。原規(guī)范是考慮消防主泵在火警30s內(nèi)啟泵，故消防儲水容積應(yīng)儲存火災(zāi)初期2個消火栓10L/s和4個噴頭5L/s使用30s的消防水量。而《消水規(guī)》第5.3.4條：規(guī)定氣壓水罐其調(diào)節(jié)容積應(yīng)根據(jù)穩(wěn)壓泵啟泵次數(shù)不大于15次/h計算確定，但有效儲水容積不宜小150L。這里《消水規(guī)》未明確有效儲水容積是指氣壓水罐總有效水容積Vq4還是消防儲水容積Vx，通過上述推理計算，∮800及以上規(guī)格氣壓水罐的有效水容積均會大于150L，故筆者認(rèn)為規(guī)范中所指的有效儲水容積應(yīng)是氣壓水罐的消防儲水容積Vx，即對應(yīng)原規(guī)范自動噴水滅火系統(tǒng)消防儲水容積不小于150L的要求。這里新消規(guī)大大減少了消火栓及合用系統(tǒng)的氣壓水罐消防儲水容積，是否是《消水規(guī)》新增加消防水泵壓力開關(guān)啟泵和高位消防水箱出水管流量開關(guān)啟泵的控制要求，而消防穩(wěn)壓設(shè)備只需滿足管網(wǎng)充水和系統(tǒng)自動啟動的要求。

2.3 消防穩(wěn)壓設(shè)備流量的選擇

消防穩(wěn)壓泵流量qb(L/s)根據(jù)《消水規(guī)》第5.3.2條規(guī)定：穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量不應(yīng)小于消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的正常泄漏量和系統(tǒng)自動啟動流量。

2.3.1 消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的正常泄漏量的計算，可參照《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268-2008)規(guī)定(見表3)：

表3 壓力管道水壓試驗的允許滲水量

該規(guī)范允許滲水量為驗收標(biāo)準(zhǔn)，不是運行時的管道滲水量，運行時的管道滲水量會大一些，允許滲水量與管材、管徑、接口方式有關(guān)，球墨鑄鐵管是鋼管的2.5倍，該標(biāo)準(zhǔn)為室外給排水管道，室內(nèi)管道滲漏量應(yīng)小于室外管道滲漏量。一般在工程中很難精確計算管網(wǎng)的正常泄漏量，宜按消防給水設(shè)計流量的1%～3%計，即使設(shè)計流量100L/s時，其1%才為1L/s。1L/s反算DN150的鋼管允許滲水長度約143 km，DN150的球墨鑄鐵管允許滲水長度約57 km，故消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的正常泄漏量是不會超過1L/s。

2.3.2 消防系統(tǒng)自動啟動流量即考慮自動噴水滅火系統(tǒng)報警閥等壓力開關(guān)需要一定的流量才能啟動，根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng) 第 2部分：濕式報警閥、延時器、水力警鈴》GB5135.2-2003第4.10.1條及第4.10.2條規(guī)定：報警閥進口壓力≥0.14MPa時，系統(tǒng)側(cè)相應(yīng)放水流量≥60L/min，壓力開關(guān)和水力警鈴均應(yīng)發(fā)出報警信號，故系統(tǒng)自動啟動流量應(yīng)不小于1L/s。

2.4 復(fù)核穩(wěn)壓泵的啟停次數(shù)

2.4.1 為解決穩(wěn)壓泵頻繁啟停相關(guān)規(guī)范規(guī)定：

《消水規(guī)》第5.3.4條規(guī)定：設(shè)置穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置防止穩(wěn)壓泵頻繁啟停的技術(shù)措施，當(dāng)采用氣壓罐時，其調(diào)節(jié)容積應(yīng)根據(jù)穩(wěn)壓泵啟泵次數(shù)不大于15次/h計算確定，但有效儲水容積不宜小于150L。

2.4.2 穩(wěn)壓泵啟泵次數(shù)nq(次/h)

根據(jù)《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》CECS76：95公式3.2.5

氣壓罐的調(diào)節(jié)水容積 (m3) Vw=αaqb/4nq

式中：Vw—氣壓水罐的調(diào)節(jié)水容積:即為氣壓水罐的穩(wěn)壓容積

αa—安全系數(shù)，取1.1；

qb—穩(wěn)壓泵的出水流量(m3/h)，為3.6(m3/h)；

nq—穩(wěn)壓泵在1h內(nèi)的啟動次數(shù)，不大于15次；

故Vw=(αaqb)/(4nq)=0.066(m3)

只有穩(wěn)壓水容積大于66L時，穩(wěn)壓泵啟泵次數(shù)才不大于15次/h。穩(wěn)壓泵流量與穩(wěn)壓水容積有關(guān)，若氣壓水罐容積不變，穩(wěn)壓泵流量不宜過大，否則會造成穩(wěn)壓泵頻繁啟停，同時穩(wěn)壓泵流量增加也會延遲向消防主泵發(fā)出啟泵信號。所以消防穩(wěn)壓泵流量當(dāng)消防給水設(shè)計流量小于100L/s時取1L/s即可滿足規(guī)范要求。

3 消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備設(shè)計舉例

一棟建筑高度小于50m的二類高層公共建筑，屋頂消防水箱設(shè)置高度不滿足《消水規(guī)》第5.2.2條第2款規(guī)定，故設(shè)置消防穩(wěn)壓設(shè)備。

3.1 方案一

穩(wěn)壓設(shè)備為上置式設(shè)于屋頂消防水箱間，氣壓罐最低水位與最不利點處消火栓的幾何高差h1約4(m)。為計算方便h1忽略不計，故P1=0.15 MPa。計算結(jié)果見(表4)：

表4 穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計參數(shù)計算表

經(jīng)比選設(shè)計選用25LGW3-10×3穩(wěn)壓泵兩臺(一用一備qb=1L/s Hb=28m N=1.5Kw)；穩(wěn)壓泵運行壓力值見上表序號1；SQL800×0.6的立式隔膜式氣壓罐一臺

3.2 方案二

穩(wěn)壓設(shè)備為下置式：設(shè)于底層消防泵房，穩(wěn)壓泵從消防水池吸水，氣壓罐最低水位與最不利點處消火栓的幾何高差h1約55(m)，P1=0.70MPa。計算結(jié)果見(表5)：

表5 穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計參數(shù)計算表

根據(jù)(表5)計算結(jié)果序號4、5均滿足Vx>150L和Vw>66L的要求，經(jīng)比選選擇αb大值可降低穩(wěn)壓泵揚程，故設(shè)計選用25LGW3-10×9穩(wěn)壓泵兩臺(一用一備 qb=1L/s Hb=89m N=2.2Kw)；穩(wěn)壓泵運行壓力值見上表序號5 ；SQL1200×1.0的立式隔膜式氣壓罐一臺。

3.3 方案一、二比選

通過消防穩(wěn)壓設(shè)備的計算結(jié)果分析，上置式氣壓水罐選∮800，下置式氣壓水罐選∮1000及以上規(guī)格，在不同αb值均滿足要求時宜取上限值。故穩(wěn)壓設(shè)備上置式優(yōu)于下置式，上置式氣壓水罐的總?cè)莘e小，氣壓水罐的工作壓力低，配置的穩(wěn)壓泵揚程低，節(jié)省鋼材、降低投資、節(jié)約能耗、更安全可靠。

4 結(jié)論

通過以上計算分析及探討，消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計，應(yīng)按以下步驟設(shè)計：

⑴根據(jù)穩(wěn)壓設(shè)備的形式確定P1和qb值

⑵當(dāng)qb值為1L/s時，以Vw大于66L選取氣壓水罐的尺寸Vq及αb值

⑶以αb值計算出P2、Ps1、Ps2、Hb值

⑷以αb和Vq值計算出Vx值(這里應(yīng)復(fù)核Vx是否大于150L).

⑸以P2、Ps1、Ps2值計算Vh、Vw值.

⑹選定穩(wěn)壓泵的型號、氣壓水罐的規(guī)格、注明相應(yīng)的P2、Ps1、Ps2、qb、Hb值。

設(shè)計時也可編程一個計算表格，輸入P1、確定Vq和αb值即可計算出各穩(wěn)壓設(shè)備運行壓力及氣壓水罐有效儲水容積，選擇符合規(guī)范要求的穩(wěn)壓設(shè)備。

消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)備應(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)壓泵的設(shè)計參數(shù)及氣壓水罐有效儲水容積，而不是機械的套用圖集，只有合理的選擇各設(shè)計參數(shù)，穩(wěn)壓泵才能滿足消防系統(tǒng)自動啟動和管網(wǎng)充滿水的要求，做到消防系統(tǒng)即運行可靠、又經(jīng)濟合理。

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

[2]CECS76：95，氣壓給水設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB50045-95(2005年版)，高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[4]GB50268-2008，給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范[S].

Design and Discussion for Fire Protection Water Supply of Pressurizing Equipments

CAOYang

(Xiamen Hordor construction plan review Co., Ltd., Xiamen, 361004)

The design of fire protection water supply of constant pressure equipment , Including the design parameters of fire make up pump and calculation of the volume of air pressure tank water fire, Discussion in accordance with the relevant provisions of《Technical code for fire protection water supply and hydrant systems》on stabilizing equipment selection calculation.

Fire make up pump；Fire auto-pneumatic cylinder ；Working pressure；Working pressure ratio

曹楊(1968.1- )，女，給排水高級工程師。

2015-03-25

TU991

A

1004-6135(2015)04-0095-04