消防给水系统中压力信号控制技术探析

周 为 （合肥工业大学设计院（集团）有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

消防水泵是消防给水系统的核心组件，其重要性不言而喻，工程实践中，多数工程项目选用电动机消防泵组，用来输送水基灭火介质。根据《消防给水及消火栓系统技术规范》（以下简称《消水规》）的要求，消防水泵应由压力开关或流量开关等开关信号直接自动启动[1]，压力开关信号的压力设定值对消防泵组能否正常运行起着关键作用。本文通过依次探讨消防水泵主备用切换、多泵并联供水、消防水箱减压这三种应用场景中压力控制的技术措施，提出能在工程应用上可行的解决方案。

1 消防水泵主备用切换压力控制

1.1 现有控制方式

常规项目中，电动机消防泵组通常采用一用一备的组合方式。因消防水泵在启动时可能会出现电机故障或水泵故障，为保障消防供水安全性，需及时切换至备用泵。主备用泵切换有两种信号控制方式，分别为电流信号控制和压力信号控制，压力信号控制方式要优于电流信号控制的方式[2]。本文接下来讨论压力信号控制方式应用中的技术措施。

1.2 分析和推导

①典型工况1：有稳压泵的临时高压消防给水系统

如图1，以常见的室内消火栓给水系统为例，消防水泵出水干管上可设置主泵启动低压压力开关D1（以下简称“压力开关D1”），作为启动消防水泵的方式之一。根据《消水规》的要求，稳压泵的设计压力应保持系统最不利点消防设施在准工作状态时静水压力大于0.15MPa，压力开关D1的压力设定值应比准工作状态下的压力值再低0.07～0.10MPa[1]。当消防水泵无法正常启动供水时，可在泵房内消防供水干管上设置的主备用泵切换低压压力开关S（以下简称“压力开关S”）提供的压力控制信号来切换至备用泵，其中压力开关S动作压力值受两个条件约束。

图1 压力开关动作压力值的确定（有稳压泵的临时高压消防给水系统）

②压力开关S动作压力值约束条件1

当消防水泵无法正常启动时，消防管网的水压力持续下降，会触发压力开关S来启动备用泵，由此可推导出第1个约束条件：压力开关S的动作压力值，低于压力开关D1的动作压力值H1。

压力开关S的动作压力第一约束值Hs1，按低于消防水泵启动设定压力取值，建议取值Hs1＝H1－Δ压力信号最小压力差＝Ps1－Δ主泵、稳压泵启泵压差－0.05＝Ps1－0.10－0.05＝Ps1－0.15，其中：

Ps1为稳压泵启泵压力；为保守起见计算中主泵、稳压泵的启泵压差Δ主泵、稳压泵启泵压差取值为0.10MPa，压力信号最小压力差Δ压力信号最小压力差取值为0.05MPa。

③消防水泵特性曲线

根据国标标准《消防泵》和《消水规》的要求，工程用普通消防水泵应符合以下规定：

流量扬程性能曲线应为无驼峰、无拐点的光滑曲线，零流量时的压力不应大于设计工作压力的140%，且宜大于设计工作压力的120%；当出流量为设计流量的150%时，其出口压力不应低于设计工作压力的65%[1]、[3]。消防水泵特性曲线要求详见图2。

图2 消防水泵特性曲线要求

④压力开关S动作压力值约束条件2

消防水泵无法启动时，消防干管压力值会一直下降到比水泵正常启动后的最小压力还要低，结合图2所示的水泵特性曲线要求，可推导出第2个约束条件：压力开关S的设定动作压力值，应小于水泵正常运行流量最大时1.5Q所对应的压力，也就是应小于水泵扬程HP的65%。笔者建议压力开关S的动作压力第二约束值取值为Hs2＝0.60Hp。

⑤取上述两个数值的最小值，即HS＝min(Hs1，Hs2)，就可以同时满足上述两项推导的要求，即为压力开关S动作压力值。代入过程结果，可得式（1）：

1.3 应用及限制条件

当消防泵无法正常启动、管网压力持续下降至HS时，通过在消防供水干管上设置的压力开关S提供的压力控制信号来启动备用泵，由此实现主备用泵切换的功能。

上述解决方案有其局限性，即当主备切换用压力开关设定值HS小于屋顶消防水箱最高水位静压HX时，压力开关无法发出切换主备泵的信号，该解决方案就会失效。为确保系统主备泵能正常切换，需要对影响Hs的两个关键因素提出限制要求：

①稳压泵启泵压力Ps1

由 Hs1＝Ps1－0.15＞HX，可推导出稳压泵启泵压力需满足式（2）的要求：

②消防水泵扬程HP

由 Hs2＝0.60HP＞HX，可推导出消防水泵扬程需满足式（3）的要求：

经复核，在多个实际工程计算中，除建筑物地上高度在90～100m且同时附带2～3层地下室的项目可能不满足式（3）外，大多项目均能满足上述2个条件。设计时应结合项目实际情况，如最不利点消防设施的工作压力、建筑地上部分的高度、管网规模及水损等计算数据来复核HP、调整Ps1，以保证式（1）的可实施性。反之，如果不满足上述条件，则只能采用传统的电流信号控制方式切换主备用泵。

2 多台消防水泵并联供水压力控制

2.1 现有控制方式

消防系统用水量大时，一套消防泵组会采用多台消防水泵并联供水，工作泵不宜超过3台，再加上备用泵，可采用二用一备或三用一备的方式。多泵并联供水时，常规启动方式是依次延时启动所有消防水泵。

这种启动方式有两个问题亟待解决：一是，火灾初期流量小，不需要同时启动两台或三台水泵，如果按此方式依次开启所有水泵且消防水泵不允许自动停泵，会让所有消防水泵均处于小流量工作状态，造成消防管网超压、水泵无效运作和损耗等问题；二是，如何有效利用压力控制信号以确保水泵发生故障时能正常切换备用泵。

笔者推荐采用《常用水泵控制电路图》（以下简称《图集》）的解决思路。《图集》采用了流量或压力控制方式，当消防水泵两用一备时，消防泵组在接到启泵信号后启动第一台水泵，当第一台泵的水量和水压不够时，第二台水泵延时启动启泵[4]，但未明确动作压力值。接下来探讨如何合理设定压力信号动作值以解决《图集》应用中所面临的实际问题。

2.2 分析和推导

①以最为常见的两用一备为例，第一台水泵无法正常启动、切换第二台泵，和一用一备时第一台水泵无法正常启动、切换备用泵的工况完全相同，压力设定值的推导计算过程也一样，可以直接套用本文第1节及式（1）的结论。

②然后，在第一台水泵正常启动、第二台泵出现故障无法正常启动需要切换到备用泵时，因为已有一台水泵正常工作，消防环网干管压力不会持续一直下降到HS，无法再次触发压力开关S来启动备用泵。通过在消防干管上增设新的压力开关D2，提供新的切换水泵用压力控制信号，压力开关D2的启动压力值H2需设置在压力开关1的动作值H1和HS之间，其数学关系可用不等式表示为：

其中H1＝Ps1－（0.07～0.10），结合式（1）可推导出H1和HS之间的差值，最小有0.05MPa，上限可达到0.08MPa甚至更多；H2宜取两者的中值。

2.3 应用及限制条件

H1的工程意义为启动消防泵组压力信号值，HS为消防水泵一用一备时主备用泵切换用压力信号值，H2为两用一备时第一台启动正常、第二台启动失败后切换备用泵压力信号值。

水专业按式（4）的要求设计好各种低压压力开关其及动作值，将上述控制要求及指标以工艺条件的形式提供给电气专业，即可实现《图集》的功能，按需开启消防水泵的台数，并能在水泵发生故障时及时切换泵用泵。

同理，依此类推，三用一备时，则需要设置压力开关D3，提供新的切换水泵用压力信号，压力开关D3的启动压力值H3需设置H2和HS之间。

可用不等式表示为：

但三用一备的工况存在 H1、H2、H3、HS这4个数值之间的差值偏小等情况，一般情况下差值只有接近0.02MPa，选用压力开关时应注意其精度等级，以保证系统及调试的可靠性。

3 屋顶消防水箱压力控制

3.1 现有控制方式

①典型工况2：无稳压泵的临时高压消防给水系统

如图3，以常见的湿式喷淋系统为例，当高位消防水箱最低有效水位满足水灭火设施最不利点处的静水压力要求时，消防给水系统可不用设置稳压泵。无稳压泵的临时高压消防给水系统、在消防主泵启动前，系统压力由高位消防水箱的水位决定。火灾发生初期，仅靠消防水箱供水，因为消防水箱水位变化速率慢，导致压力变化值小，无法通过设置压力开关D1来快速有效地启动消防水泵。

图3 压力开关动作压力值的确定（无稳压泵的临时高压消防给水系统）

基于同样的道理，压力开关S也没有设置的必要。所以无稳压泵的临时高压消防给水系统，无法直接利用压力信号控制方式切换主备用泵。

②增设减压阀组

在常见的住宅小区或配套底商项目中，只在地库子项及多层配套或商业里设置有自动喷水灭火系统，因屋顶消防水箱静水压大于喷淋水泵扬程，工程中常采用在消防水箱喷淋出水管上设置减压阀的做法，详见图3。

3.2 减压阀后压力控制

设置减压阀后，只要各项控制参数能确保阀后压力HJ小于HS的条件，就避免了减压阀阀后压力一直大于压力开关S的动作压力值、进而导致无法发送压力信号的问题，可间接地利用前述技术措施，实现通过压力信号控制方式切换主备用泵的功能。

无稳压泵的临时高压消防给水系统，不受本文第1节推导过程1的约束、只受推导过程2的约束。上述判定条件可表达为式（6）：

工程设计中，如果HJ可满足式（6），则可按HS＝0.60HP设定压力开关S的动作压力值。

3.3 消防水箱可不减压的最大工作压力

反过来讲，如果无稳压泵的临时高压给水系统采用传统的电流信号控制方式切换主备用泵时，即使HX大于HP，也不需要设置减压阀。结合图2所示的水泵特性曲线，HX不得大于水泵零流量时的压力值，也就是1.2HP～1.4HP，取其下限，可表达为式（7）：

当不设置减压阀时，消防供水系统相当于双水源，消防水箱与消防水泵同时为喷淋管网供水，因为消防水箱压力低于消防水泵零流量时的压力，可以不用担心消防水泵无法启泵的问题。双水源供水的工况会持续到消防水箱水量使用完为止，在忽略消防水箱补水的情况下，此时喷淋系统会转换成消防水泵单水源供水的工况。

式（7）的工程意义在于，水箱高位静水压略大于喷淋主泵的情况下，可以不设置减压阀。增加造价倒是其次，毕竟系统越复杂就越不安全、稳定，在满足功能的情况下，消防给水系统应该是越简单越好。

4 结语

①有稳压泵的临时高压消防给水系统，当Ps1和HP分别满足式（2）、（3）的条件时，按照式（1）来确定压力开关S的动作压力值，可通过压力信号控制方式切换主备用泵。

②多泵并联供水可按式（4）、式（5）来确定各级压力控制所需的设定值，通过压力信号控制的方式按需开启消防水泵的台数，并能在水泵发生故障时及时切换泵用泵。

③在式（6）的限定条件下，无稳压泵的临时高压消防给水系统可利用在消防水箱出水管上设置减压阀的技术措施，采用压力信号控制方式切换主备用泵。采用电流信号控制方式切换主备用泵时，满足式（7）条件的情况下，无需在消防水箱出水管上设置减压阀。

④压力信号控制在消防给水系统的应用中有其优势，在少部分场景中会受设计条件的限制而影响应用，应结合工程具体情况合理使用。