“水消规”中常用消防稳压设备工况分析及快速选型探讨

杨 骋

(福建经福建筑设计工程有限公司 福建福州 350025)



“水消规”中常用消防稳压设备工况分析及快速选型探讨

杨 骋

(福建经福建筑设计工程有限公司 福建福州 350025)

《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB50974-2014)，对设有高位水箱的临时高压消防给水系统常用的稳压设备，赋予了实现系统自动启动和管网泄漏补水的功能。文章对常用消防稳压设备主要公式及对应于“水消规”中的取值进行分析，通过绘制设备中隔膜式气压罐的Vx～αb直线，P1～△P直线，P～V曲线，来分析各种工况下的气压罐各参数变化。利用曲线快速计算气压罐各参数，合理选择增压稳压设备。并探讨“水消规”与“高规”专用消防增压稳压设备各参数及功能变化。

消防系统;隔膜式气压罐; Vx～αb直线 ;快速选型 ;自动启泵压力

0 引言

为解决临时高压消防给水系统所设的高位水箱，其设置高度满足不了该系统最不利点静水压力，系统应增设专用消防稳压设备。《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB50974-2014以下简称“水消规”)中，稳压设备赋予了实现系统自动启动和管网泄漏补水的功能(“水消规”5.3.3)，稳压泵按满足系统自动启动和管网充满水要求取定设计压力，启泵方式采用压力开关、流量开关等信号直接自动启动消防水泵。而以往的做法都是采用增压稳压设备，增压稳压设备通常由4个压力组成，作用为在火灾初起时，消防水泵启动前，满足消火栓和自动喷淋系统水压要求[1]。稳压设施设计变化巨大，行业内对“水消规”稳压设施的设计理解也不尽相同。

本文对常用消防稳压设备主要公式及对应于“水消规”中的取值进行分析，通过绘制设备中隔膜式气压罐的Vx～αb直线，P1～△P直线，P～V曲线，来分析各种工况下的气压罐各参数变化。利用曲线快速计算气压罐各参数，合理选择增压稳压设备。并探讨“水消规”与“高规”专用消防增压稳压设备各参数及功能变化等相关问题。

1 分析常用消防稳压设备中隔膜式气压罐各参数及“水消规”对参数取值的说明，并绘制参数曲线图

根据“水消规”，消防主泵的自动启动由其出水干管上的低压压力开关来实现，气压水罐仅起到避免稳压泵频繁启动的作用，故消防稳压设备仅需2个工作压力控制稳压泵的启停即可满足要求。消防稳压设备由隔膜式气压罐、稳压泵、仪表、管道附件和电控柜组成。其工作原理是根据玻意耳定律，利用气体可压缩原理，即在定温条件下，一定质量气体的绝对压力和它所占的体积成反比原则制造；利用密闭罐中压缩空气的压力变化，来调节和压送水量；利用自动控制系统，通过水泵的启停，达到增压稳压的目的。气压水罐工况示意图，如图1所示，主要计算公式及“水消规”中取值说明如下：

(1)

式中：V——消防气压水罐总容积(m3)；

Vq1——气压水罐的有效水容积(m3)；

“水消规”5.3.4：有效储水容积不宜小于150L；

αb——工作压力比，宜采用0.65～0.85。

(2)

P1——气压水罐最低工作压力，表压(MPa)；

“水消规”第5.3.3.3条：稳压泵的设计压力应保持最不利点处水灭火设施准工作状态时的静水压力应大于0.15MPa。

“水消规”第5.3.3.2条：稳压泵的设计压力应保持系统自动启泵压力设置点处的压力在准工作状态时大于系统设置自动启泵压力值，且增加值宜为0.07MPa～0.10MPa。P2——气压水罐最高工作压力，表压(MPa)；P0——气压水罐充气压力，表压(MPa)；

(3)

式中： qb——稳压泵的设计流量(m3/h)；“水消规”5.3.2：不应小于消防给水系统管网的正常泄漏量和系统自动启动流量；宜按消防给水设计流量的1%～3%计，且不宜小于1L/s。采用报警阀压力开关等自动启动流量根据产品确定。

C——安全系数(宜采用1.0～1.3)；

n——水泵一小时内启动次数(宜为6次～8次)，“水消规”5.3.4：要求不大于15次。

消防常用立式隔膜式气压罐直径有800mm、1 000mm、1 200mm3种，常用容积分别为840L、1 440L、2 500L[2]。在V分别为840L、1 440L、2 500L下，我们利用公式(1)，计算出工作压力比为0.65、0.7、0.75、0.8、0.85所对应的有效容积Vq1，以工作压力比为X轴，有效容积Vq1为Y轴，对这三种常用的消防立式隔膜式气压给水设备做Vx～αb直线(图2)，3条直线分别代表容积为840L、1 440L、2 500L的Vx～αb直线。

分析Vx～αb直线可知，3条直线的延长线均交于(1,0)点，且与y轴的交点分别是(0,800)，(0,1 371)，(0，2 381)，交点的值即为V1。分析直线变化可知，在相同有效容积下，工作压力比减小，总容积也减小。同一气压罐，有效容积增大，则工作压力比减小。

分析P1～△P直线可知，在相同气压罐工作压力下，工作压力比减小，则气压罐工作压力的增量加大；相同的增量下，气压罐工作压力减小，气压罐工作压力比也减小。

综上结论，同一气压罐，在相同工作压力下，有效容积增大，工作压力比减小，工作压力的增量加大。气压罐在相同工作压力及有效容积下，工作压力比减小，总容积也减小，但工作压力的增量加大。气压罐在相同工作压力的增量及有效容积下，工作压力减小，工作压力比减小，总容积减小。

一般△P不大于0.2MPa，相差太大虽可减少气压罐的总容积，但增加了电耗。气压罐高置比低置可以缩小气压水罐总容积，节省钢材，降低投资，节省能耗，更安全可靠，但是管理不便。

依据玻意耳定律，PV=nRT，相同温度下，PV0=P1V1=P2V2,可以对这3种容积的气压罐绘制特定充气压力下的P～V曲线图。由于篇幅所限，本文仅绘制840L气压罐的P～V曲线，如图4所示。曲线图中，3条曲线分别代表充气压力P0为0.1MPa，0.15MPa， 0.2MPa下的P～V曲线。

分析P～V曲线可知，相同气室体积下，初始充气压力加大，工作压力也加大。

2 利用曲线快速计算气压罐各参数，合理选择增压稳压设备

实例计算：某工程共11栋楼，由多层住宅、二类商住楼和一类综合楼组成，地下室为车库(局部兼战时人防)和设备用房。项目总用地面积23 420m2，总建筑面积84 494.68m2(其中地下室建筑面积20 194m2,地上总建筑面积64 300.68m2)。10#楼屋顶消防水箱存有效容积36m3的消防用水为初期火灾供水，屋顶水箱设置高度51.4m，在屋面设稳压设备，采用消火栓系统和喷淋系统分别设置稳压设备，消火栓系统计算简图，如图5所示。

按公式(3)及取值说明，稳压泵设计流量qb=40L/s×3%=1.2L/s=4.32m3/h。Vq1≥1.1×4.32/(4×8)=148L,且有效容积不小于150L。取150L。计算P1>15-H1=15-4.2=10.8m且≥H2+7=3.4+7=10.4m。取P1=11m。

查Vx～αb直线图(图2)，直径为800mm，V840的气压罐在αb=0.8时有效容积为160L；直径为1 000mm，V1 440的气压罐在αb=0.85时，有效容积为206L，均满足要求，且有效容积增值不大。需要强调的是，有效容积选择过大虽然也能满足要求，但工作压力比减小，气压罐工作压力的增量加大，将加大投资。

在P1～△P直线中，P1=0.11MPa，查出，αb=0.8时，△P=0.05MPa ，αb=0.85时，得△P=0.04MPa。对比两种方式，工作压力增量仅差0.01MPa，故对于上置式，选择罐体直径为800mm，V840的气压罐更为经济。此时P2=P1+△P=0.16MPa。启泵压力P=P1+H1+H-7=11+4.2+50-7=58.2m。

综上可得，稳压泵流量：qb=4.32m3/h，扬程H=P2=0.16MPa(在“消水规”的前提下，直接按照P2作为选用稳压泵扬程较可靠)。

气压罐：φ=800，V=840L，P1=0.11MPa，P2=0.16MPa，αb=0.8，Vq1=160L，V1=800L，V2=640L 。

自动启泵压力值：P=0.58MPa。

上述实例中，如果稳压设备采用消火栓和喷淋系统合用，则qb=(40+40)L/s×3%=2.4L/s=8.64m3/h。Vq1≥1.1×8.64/(4×8)=296L,且有效容积不小于150L。取296L。P1>15-1.1=13.9m。取P1=14m。(按照最不利点喷头处静水压力大于0.15MPa计算)

查Vx～αb直线图(图2)，P1～△P直线图，得出：直径为800mm，V840的气压罐在αb=0.6时有效容积为319L，△P=0.16MPa ；直径为1 000mm，V1 440的气压罐在αb=0.76时，有效容积为329L，△P=0.08MPa；V2 500的气压罐在αb=0.85时，有效容积为357L，△P=0.04MPa。对比3种方式，选择罐体直径为1 000mm，V1 440的气压罐更为经济。此时P2=P1+△P=0.14+0.08=0.22MPa。启泵压力P=P1+H1+H-7=14+4.2+50-7=61.2m。稳压泵流量：qb=8.64m3/h，扬程H=P2=0.14+0.08=0.22MPa。气压罐：φ=1 000，V=1 440L，P1=0.14MPa，P2=0.22MPa，αb=0.76,Vq1=329L 。

3 探讨“水消规”与“高规”专用消防稳压设备各参数及功能变化

为了分析“水消规”与“高规”对专用消防稳压设备规定的变化，我们有必要按新、旧规范对本实例计算做一个对比。按“高规”，气压水罐工况示意图，如图6所示。这里要说明，因“高规”未对增压稳压系统的最小工作压力P1做明确规定，笔者对P1取值的两种观点均列表进行对比：观点一为P1按满足最不利消火栓口静水压力要求，观点二为P1按满足最不利消火栓灭火充实水柱要求[3]；比照结果详见表1。

表1 “水消规”与“高规”计算结果对照表

对比分析上述数据，该工程实例“水消规”中稳压泵扬程下降，有效容积减少，整个消火栓系统管网压力也随之下降，更接近于未设置增压稳压设备，而紧靠高位消防水箱的静水压力0.07MPa(“水消规”5.2.2条)的要求。这也充分体现了“水消规”稳压设备仅作为系统自动启动和管网泄漏补水的功能。

4 结论

(1)本文对消防常用容积分别为840L、1 440L、2 500L的立式隔膜式气压罐，通过绘制Vx～αb直线，P1～△P直线，P～V曲线，利用曲线可以快速计算气压罐各参数，合理选择增压稳压设备。对立式其他容积的隔膜式气压罐以及卧式隔膜式气压罐等也可通过相同方法来快速计算及合理选型。

(2)消防给水稳压设备快速选型，可按以下步骤：

①根据稳压设备的设置位置、标高，消防给水系统管网的正常泄漏量和系统自动启动流量等，通过计算确定qb、Vq1及P1值。

②查询Vx～αb直线图，选取有效容积大于Vq1且偏差不大时的αb值，可选择两三组。

③以P1值及αb值，查询P1～△P直线，确定△P，对比方案选择最优解。

④选定稳压泵型号，气压罐的规格，注明相应的参数值。这里也可计算出P0，然后查询气压罐的P～V曲线图计算气压罐在各种压力下的体积值。

(3)消防给水系统稳压设备的选型，应根据具体工程，依据相关规范，根据不同的工况确定稳压设备的设计参数，只有合理选择各设计参数，稳压设备才能在满足规范要求的前提下做到对整个消防系统运行可靠，经济合理。

(4)消防稳压设备仅用两个压力即可满足“水消规”要求，消防主泵启泵压力由其出水干管上的低压压力开关来实现，而无需4个压力，这样大幅度降低管网压力值。

(5)灭火设备产品强制性认证依据标准GB27898.3-2011第5.1条，基本参数要求消防增压稳压给水设备的气压水罐止气/充气压力不应小于0.15MPa[4]。设备的有效水容积不应小于0.3m3。此条较“水消规”严格，按“水消规”有效容积不小于0.15m3，且充气压力可小于0.15MPa。98S205图集中也有有效容积为0.15m3的设备。现有设计中，如按“水消规”意味着无此参数的稳压设备强制性认证产品。因“水消规”执行时间为2014年9月，较强制性认证依据标准迟，是否对强制性认证标准进行放宽来适应“水消规”，还是从严进行设计，笔者无法做出定论，有待同行探讨。

[1]GB50045-95 高层民用建筑设计防火规范[S].2005.

[2] 给水排水设计手册(第二册)[J].建筑给水排水,2001(05)103-104.

[3] 陈礼洪, 程宏伟, 蒋柱武. 高层建筑消火栓给水系统分区静水压力计算[J]. 中国给水排水, 2014(15).

[4]GB27898-2011 固定消防给水设备·消防增压稳压给水设备[S].2012.

[5] 易家松, 周欣. “水消规”中消防增压稳压设备的功能变化及算法调整探讨[J]. 给水排水, 2015(09):106-108.

[6]GB50974-2014.消防给水及消火栓系统技术规范[S].2014.

[7]CECS76:95 气压给水设计规范[S].1995.

[8] 15S909 消防给水及消火栓系统技术规范图示[Z].2015.

[9] 98S205 消防增压稳压设备选用及安装(隔膜式气压罐)[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

杨骋(1980.1- ),男，高级工程师。

E-mail:50949334@qq.com

2016-07-21

TU998.1

A

1004-6135(2016)11-0105-05