补气式消防稳压系统设计研究

包珺 肖祖旺 童辉云

(武汉长海高新技术有限公司，武汉430223)

1 引言

多年的工程设计和运行维护实践说明，消防给水系统中加高高位消防水箱的高度不但增加建筑立面处理的难度，而且投资高、不利于抗震；而管道泵、局部加压泵的及时启动又是个问题，启动管道泵、局部加压泵和直接启动主消防泵在时间上差别不大，没有实际意义；变频调速恒压供水又存在一次投资规模大、构造和维护复杂、可靠性难以保证的问题。而稳压泵用于消防给水系统，既可保证系统平时维持一定的压力，火灾时又可以自动启动主消防泵，而且投资少、运行维护简单。具有较大的优越性和实用性。

因此，消防水泵[1]通常由消防稳压系统、电动消防主泵、柴油机消防泵［2］及相应的控制系统和管路组成。消防水泵调试正常运行后，系统水压将保持在设定的上、下限（通常是设计压力±0.05 MPa）之间。当由于网管泄漏，造成系统压力降低至下限时，稳压泵自动启动补水，使系统压力上升；当系统压力上升至上限时，稳压泵自动停机。如此反复，系统压力将长期保持在设定的上下限之间。当消防用水时，因流量较大，系统压力迅速下降（小流量的稳压泵启动运行也不能维持水压），系统压力降至电动消防主泵启动压力时，电动消防主泵自动启动供水。在电动消防主泵启动至额定转速的过程中靠稳压系统的气压罐来提供所需的消防水压和水量。若在此期间停电或电动消防主泵故障，柴油机消防泵会迅速启动提供消防用水。

消防稳压系统通常由2台稳压泵、1台隔膜式稳压罐及配套管阀组成。该稳压系统的优点是：结构简单，成本低；缺点是稳压罐内的胶囊是易损件，并且维修不方便。

因此，为了解决隔膜式稳压罐维修不方便的缺点，我们采用补气式消防稳压系统。

2 系统的组成和工作原理

2.1 系统的组成

补气式消防稳压系统由 2台稳压泵、2台补气泵、1台气压罐、1台补气罐及配套管阀组成。

2.2 工作原理

如图1所示，气压罐内水和气是直接接触的，由于气会部分的溶于水，气压罐内的气会不断减少，因此，需要往气压罐内补气。

1）初始状态下，假设系统要求的压力为1.1 MPa（根据用户要求可调），而标准大气压为 0.1 MPa，根据理想气体状态方程［3］

PV/T=常数 （1）

该系统接入用户管网后，系统内的空气体积被压缩成约9%，如图1所示，该空气位于气压罐的上部。

2）在设定的压力下限，检测气压罐内液位B（可调），若检测为水，表明水够而气不够，需要补气；若检测为气，表明气够而水不够，需要补水。

需要补气时，启动补气泵，当补气罐内的液位下降到A2时，关闭补气泵，同时启动稳压泵，当补气罐内的液位上升到 A1时，关闭稳压泵。此时如果还要补气，则重复上述过程。

需要补水时，启动稳压泵，直至系统压力达到满足用户要求的正常状态。

每次压力下降时，都将重复上述运行过程，从而使气压罐内气水比例不断得到调整，保证气压罐的有效水容积。

图1 补气式消防稳压系统图

3 设计要点分析

1）稳压泵的特点是流量小，扬程高，可以保证消防管网平时渗水失压后得到及时的补压(故又称补压泵)，火灾时具有自动启动主消防泵的功能。因此，稳压泵应设置备用泵［4］。

2）补气泵关系到气压罐能否正常工作，所以也要设置备用泵。主用补气泵工作时，备用补气泵所在管路必须关闭，否则主用、备用补气泵会形成闭环，无法将补气罐内的水抽出。为了使主用、备用补气泵能实现自动切换，在主用、备用补气泵进口处各装一个电动闸阀。

3) 由于系统工作压力约1.1 MPa，所以要确保系统的密封性，不允许有漏气或漏水现象。系统管路中要适当设置单向阀、止回阀、闸阀等（如图1），以确保系统正常工作。

4）补气时要先启动补气泵把补气罐内水抽出，直到补气罐内水位降到A2处。此时，空气会通过空气过滤器和单向阀进入补气罐，并且管网压力会有所提高。如果管网压力迅速提高到系统要求的压力上限，则无法进行下一步，即启动稳压泵把补气罐内的气压入气压罐。因此需要计算补气罐内水位降到A2处会使管网压力提高多少。

根据流体的压缩性公式［5］

式中：β─压缩性系数，介质为水时，β=0.7×10-3MPa；

ΔP─管网压力提高值，MPa；

ΔV─管网水压缩量，m3；

V─管网水总量，m3。

假设管网水总量为5000 m3, 管网水压缩量即补气罐内水位降到A2处容积，约0.3 m3。

由式(2)可以计算出：ΔP=0.086 MPa

因此补气罐内水位降到A2处会使管网压力提高约0.086 MPa，如果管网水总量大于5000 m3，管网压力提高值将更小。

5）启动稳压泵把补气罐内的气压入气压罐时，在气压罐底部必须有个单向阀，使水通过补气泵进入补气罐，从而把气压入气压罐。由于气压罐底部装有单向阀，气压罐内水无法流入管网，因此需设一个旁通排污口，平时通过球阀关闭排污口。

6）控制柜按图2逻辑图设计。

图2 补气式消防稳压系统控制逻辑图

4 结束语

随着国民经济的迅速发展，对消防设施可靠性也提出更高的要求。消防水泵是消防给水系统的心脏。消防水泵选用和安装是否得当，直接关系到消防给水系统能否正常发挥作用。消防水泵中的稳压系统是消防给水系统平时维持压力的设备，对系统起着监护作用和使系统具有自动控制的功能。实践证明，补气式消防稳压系统可靠性高，并且能实现自动化控制和运行，可以确保正常消防供水。

[1] 国家标准. GB6245-2006消防泵. 2006年12月.

[2] 七一二研究所企业标准. Q/712J43-2003应急/消防柴油机水泵机组, 2003年1月.

[3] 刘惠鑫，王晓方. 液压与气压传动技术基础. 北京：清华大学出版社, 2009年7月.

[4] 国家标准. GB50016-2006建筑设计防火规范. 2006年12月.

[5] 张利平. 液压气动技术速查手册. 北京: 化学工业出版社, 2007年3月.