恒压变频控制设备在消防水灭火系统中的应用

●贾 军

(西安市消防支队，陕西西安 710075)

随着变频调速技术的不断发展和逐步完善，恒压变频供水系统在生产、生活用水中得到越来越广泛的应用，对其工作原理和控制方法的研究日臻成熟［1～4］。虽然已有不少学者从技术上探讨了恒压变频供水系统在消防水灭火系统中应用的可行性［5，6］，但由于现行规范对恒压变频供水系统在消防水灭火系统中的应用没有给予肯定，因此恒压变频供水系统在消防水灭火系统仍未得到应用。通过对消防监督检查及建筑消防审核、验收过程中，消防水灭火系统存在的问题、难点进行分析，论证了恒压变频供水系统在消防水灭火系统中应用的可行性，研究了将恒压变频控制设备应用到消防水灭火系统中应注意的几个问题。

1 传统消防水灭火系统存在的问题

经过对多年建筑消防审核、验收及防火监督检查工作经验总结，发现传统消防水灭火系统存在以下问题。

首先，由于消防水泵长期静置，经常发生需要时消防水泵不能正常启用的情况。在对各单位进行消防监督检查时，对消防水泵进行启、停试验，时常发生锈死、不能启动或存在联动故障;更有甚者，一些单位将消防泵关闭或设在手动位置上，且泵房无人值班，一旦失火，消防水泵无法或不能及时启动，将错过扑救初起火灾的良好时机，酿成大灾。

其次，存在消防系统配置不合理问题。如在某工地进行屋面射水实验时，消防泵起泵不到5min，泵房已超压、软连接被撕裂;在另一工地，地下二层水泵房起泵时，当屋面出水压力迅速达到0.3MPa，泵房压力已超1.7MPa，紧急关泵时，水锤现象较为明显，整个泵房管网都在颤动。

另外，传统消防水灭火系统在老旧建筑改造时遇到困难。随着城市发展、改造的进行，建筑物的使用性质经常随之发生变化，如将公寓楼、办公楼改为快捷酒店，厂房、库房改为民用建筑等，建筑物使用性质发生了根本改变，原有的消防水灭火系统需要进行改造。但这会遇到一个实际的问题，由于旧建筑结构设计时没考虑这部分荷载，没有预留消防水箱空间，建筑承载力不够或空间不够致使无法增加楼顶消防水箱，按现行《建筑设计防火规范》(GB50016－2006以下简称《建规》)将无法满足消防要求。

对于上述问题，除使用单位要加强消防安全意识，按设备操作规程定期进行设备运行及维修，以保证消防灭火系统的正常运行外，灭火系统的设计及设备的选型是造成问题的主要原因。同时由于《建规》对恒压变频供水系统没有给予肯定，给设计人员造成一定的困难。为此，本文从以下几方面对恒压变频在灭火系统中的应用进行研究。

2 恒压变频供水系统的基本原理

变频调速是通过改变给水泵的变流电机的频率来进行调速的。电机转速变慢，轴功率就相应减少，电机输入功率也随之减少，这就是变频调速的节能作用。消防水灭火系统平时无火警时，由变频泵向消防管网充水稳压，使系统随时能满足消防给水要求，当管网充水到设定恒压值时，水泵流量趋近于零并维持一段时间(时间通过程序可控制)后变频泵自动停泵，进入等待状态，当管网压力下降至某一设定的压力值时，变频泵自动启动恢复恒压升压。

系统采用一台变频器控制多台水泵以循环工作的方式，中心控制器为PLC可编程控制器，以设定压力和反馈压力为控制目标，以PID为控制算法组成闭环控制系统。以降压启动柜或软启动器作为工频运行回路或独立的后备系统。实时采集水网参数、电网参数、电机温度、设备运行状态，达到优化运行、可靠保护、确保供水、节约电耗的目的。变频泵比工频泵运行节电87.5%。

3 消防恒压变频供水系统的设计

恒压变频供水系统属于常高压供水系统，其设计原则按常高压供水系统进行，使用的供水设备是水泵［4，7］。水泵是用来送水的机械，广泛应用于工农业生产和人民生活的供水系统中。水泵的特性曲线既与水泵的类型相关，也与输水系统的特征相关，是水泵和输水管道耦合影响的系统曲线。图1给出了水泵的特性曲线H－Q，离心泵的特征公式如下:

其中，P为离心泵的功耗(kW);Q为离心泵的流量(m3·s－1);H为工作扬程(m);k离心泵系统的介质常数(kg·m－3);η为离心泵的工作效率(%)。

水泵输水过程中，当输水量等于或接近其额定输水量时(如图1中的E点)，离心泵的工作效率最大。输水量小于或大于额定输水量时(如图1中的L点或B点)，离心泵的工作效率就会降低，偏离E点越远工作效率降低幅度越大。离心泵的工作效率越大，其耗能也最小。按照这一原理，根据离心泵的实际流量Q0、扬程H0以及使用效率η0，可以计算出该泵的最经济功耗P0，即

图1 离心泵的H－Q特性曲线

由变频供水泵的特性曲线可以看出，水泵工频运行时，希望水泵在E点附近运行，满足火灾时的水量及压力;当火灾初期，用水量较小，管网压力降低，变频泵起动。为了节能，我们希望水泵在高效区运行，这对水泵的选择上提出了较高的要求，基于这个原因，提出以下意见:一是水泵造型时水泵的高效区要大一些;二是选用变频水泵时，水泵的扬程可适当放大;三是根据火灾时消防用水量的要求，设置二至多台变频泵，平时由一台泵为管网供水，保持最不利点要求，当发生火灾时，消防管网水压下降，水流量不够，第二台转为工频运行，以此类推;若水量减少则按启动顺序停止工频泵直到最后一台泵稳压运行。变频器选择时，为满足灭火时的压力要求，应以压力作为变频器工作的主要参数。在水泵房管网上设置压力传感器，传感器将管网压力信号传给变频器，以控制水泵的转速。

4 恒压变频供水系统的调速节能原理

本节考察恒压变频供水系统的调速节能原理［4，5］。如图2 所示，曲线 I、曲线 II分别表示变频水泵转速为N1和N2时的水泵的特性曲线H－Q，曲线III和曲线V是转速为N1条件下的等效管阻特性，而曲线IV则为转速为N2时的等效管阻特性。

图2 水泵的运行特性和管阻特性曲线

已经知道，当驱动转速改变时，变频供水泵的流量Q、扬程H和轴功率P分别与其转速N成一次方、二次方和三次方比例关系。假设水泵驱动电机由电源直接供电，水泵运行于A(QA，HA)点，此时水泵的功率为PA=KHAQA，对应于图中矩形AH1OQ1的面积。若水泵出水量减小为Q2，工作点将由A点移到B点，水压增为H2，功率变为P2，则功率可由矩形BH2OQ2的面积描述。如果水泵采用变频调速驱动，在用水量小时降低泵速为N2，水泵可稳定运行于C点，运行功率可由CH1OQ2的面积表示。但此时水压仍维持为H1，恒压变频供水系统节约的耗能为BH2H1C部分的面积。

5 恒压变频供水系统在消防水灭火系统使用中的优点

一是可不设高位水箱及稳压系统。《建规》8.4.4条，设置常高压给水系统能保证最不利点消火栓和自动喷水灭火系统的水量和水压的建筑物，可不设置消防水箱。在建筑物设置消防水箱有困难，特别是建筑物使用性质改变，建筑结构安全不允许增加荷载以及高位水箱难以保证最不利点压力时，通过采用恒压变频调速供水装置平时保压状态，当管网压力降低时，变频调速可迅速将变频立即转为工频，在3～5s内就可达到灭火需要的用水量和压力，故可不设高位水箱及稳压装置。

二是可不设置消火栓远程启动按钮。《建规》8.4.3条，常高压消防给水系统、高位消防水箱静压能满足最不利点消火栓水压要求的建筑，可不设置室内远距离启动消防水泵的按钮。因此采用恒压变频供水系统可不设消火栓远程启动按钮。

三是由于变频供水的供水量、压力是随现场用水量通过变频，改变水泵的转速来实现，因此在水泵房内可不设泄压管。

6 恒压变频供水系统注意的几个问题

一是恒压变频供水系统可以取消高位水箱，但应具备以下条件:为保证消防供水的安全性，必须设置双回路供电;对于高层建筑自动喷水灭火系统选用恒压变频供水系统时，消防水池设计时应保证足够的消防用水量。

二是恒压变频消防供水系统由于平时处于高压状态，对设备和运行管理提出了更高的要求，建议:(1)虽然在灭火时水泵的节能效果显著，但在平时由于变频泵一直处于运行状态，能量消耗较大，运行费用较高，因此建议稳压泵保留或生活(生产)和消防合用一个给水系统。(2)定期应对设备进行检修和运行，以保持设备的完好。

三是变频器及压力传感器是恒压变频供水系统的核心，但同时均属于易损元件，由于长期处于工作状态，维护费用相对较高。

文章首先指出了传统消防水灭火系统存在的问题，在此基础上探讨了恒压变频消防供水系统的基本原理、设计方法、调速节能原理以及设计中应注意的几个问题。综合分析后得出恒压变频消防供水系统与传统的供水设备相比有无法比拟的优点:它具有自动化程度高，运行安全可靠，操作控制方便，占地面积小等优势，特别是在建筑使用性质发生改变，以及建筑火灾隐患整治中，由于这些建筑的本身缺陷无法完全按现行的规范要求设置消防水灭火系统时，使用恒压变频供水系统进行替代，可以满足建筑安全需要，是今后消防给水领域的理想供水设备。

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