補(bǔ)氣式消防穩(wěn)壓系統(tǒng)設(shè)計研究

包珺 肖祖旺 童輝云

(武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢430223)

1 引言

多年的工程設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)實踐說明，消防給水系統(tǒng)中加高高位消防水箱的高度不但增加建筑立面處理的難度，而且投資高、不利于抗震；而管道泵、局部加壓泵的及時啟動又是個問題，啟動管道泵、局部加壓泵和直接啟動主消防泵在時間上差別不大，沒有實際意義；變頻調(diào)速恒壓供水又存在一次投資規(guī)模大、構(gòu)造和維護(hù)復(fù)雜、可靠性難以保證的問題。而穩(wěn)壓泵用于消防給水系統(tǒng)，既可保證系統(tǒng)平時維持一定的壓力，火災(zāi)時又可以自動啟動主消防泵，而且投資少、運(yùn)行維護(hù)簡單。具有較大的優(yōu)越性和實用性。

因此，消防水泵[1]通常由消防穩(wěn)壓系統(tǒng)、電動消防主泵、柴油機(jī)消防泵［2］及相應(yīng)的控制系統(tǒng)和管路組成。消防水泵調(diào)試正常運(yùn)行后，系統(tǒng)水壓將保持在設(shè)定的上、下限（通常是設(shè)計壓力±0.05 MPa）之間。當(dāng)由于網(wǎng)管泄漏，造成系統(tǒng)壓力降低至下限時，穩(wěn)壓泵自動啟動補(bǔ)水，使系統(tǒng)壓力上升；當(dāng)系統(tǒng)壓力上升至上限時，穩(wěn)壓泵自動停機(jī)。如此反復(fù)，系統(tǒng)壓力將長期保持在設(shè)定的上下限之間。當(dāng)消防用水時，因流量較大，系統(tǒng)壓力迅速下降（小流量的穩(wěn)壓泵啟動運(yùn)行也不能維持水壓），系統(tǒng)壓力降至電動消防主泵啟動壓力時，電動消防主泵自動啟動供水。在電動消防主泵啟動至額定轉(zhuǎn)速的過程中靠穩(wěn)壓系統(tǒng)的氣壓罐來提供所需的消防水壓和水量。若在此期間停電或電動消防主泵故障，柴油機(jī)消防泵會迅速啟動提供消防用水。

消防穩(wěn)壓系統(tǒng)通常由2臺穩(wěn)壓泵、1臺隔膜式穩(wěn)壓罐及配套管閥組成。該穩(wěn)壓系統(tǒng)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，成本低；缺點是穩(wěn)壓罐內(nèi)的膠囊是易損件，并且維修不方便。

因此，為了解決隔膜式穩(wěn)壓罐維修不方便的缺點，我們采用補(bǔ)氣式消防穩(wěn)壓系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)的組成

補(bǔ)氣式消防穩(wěn)壓系統(tǒng)由 2臺穩(wěn)壓泵、2臺補(bǔ)氣泵、1臺氣壓罐、1臺補(bǔ)氣罐及配套管閥組成。

2.2 工作原理

如圖1所示，氣壓罐內(nèi)水和氣是直接接觸的，由于氣會部分的溶于水，氣壓罐內(nèi)的氣會不斷減少，因此，需要往氣壓罐內(nèi)補(bǔ)氣。

1）初始狀態(tài)下，假設(shè)系統(tǒng)要求的壓力為1.1 MPa（根據(jù)用戶要求可調(diào)），而標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為 0.1 MPa，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程［3］

PV/T=常數(shù) （1）

該系統(tǒng)接入用戶管網(wǎng)后，系統(tǒng)內(nèi)的空氣體積被壓縮成約9%，如圖1所示，該空氣位于氣壓罐的上部。

2）在設(shè)定的壓力下限，檢測氣壓罐內(nèi)液位B（可調(diào)），若檢測為水，表明水夠而氣不夠，需要補(bǔ)氣；若檢測為氣，表明氣夠而水不夠，需要補(bǔ)水。

需要補(bǔ)氣時，啟動補(bǔ)氣泵，當(dāng)補(bǔ)氣罐內(nèi)的液位下降到A2時，關(guān)閉補(bǔ)氣泵，同時啟動穩(wěn)壓泵，當(dāng)補(bǔ)氣罐內(nèi)的液位上升到 A1時，關(guān)閉穩(wěn)壓泵。此時如果還要補(bǔ)氣，則重復(fù)上述過程。

需要補(bǔ)水時，啟動穩(wěn)壓泵，直至系統(tǒng)壓力達(dá)到滿足用戶要求的正常狀態(tài)。

每次壓力下降時，都將重復(fù)上述運(yùn)行過程，從而使氣壓罐內(nèi)氣水比例不斷得到調(diào)整，保證氣壓罐的有效水容積。

圖1 補(bǔ)氣式消防穩(wěn)壓系統(tǒng)圖

3 設(shè)計要點分析

1）穩(wěn)壓泵的特點是流量小，揚(yáng)程高，可以保證消防管網(wǎng)平時滲水失壓后得到及時的補(bǔ)壓(故又稱補(bǔ)壓泵)，火災(zāi)時具有自動啟動主消防泵的功能。因此，穩(wěn)壓泵應(yīng)設(shè)置備用泵［4］。

2）補(bǔ)氣泵關(guān)系到氣壓罐能否正常工作，所以也要設(shè)置備用泵。主用補(bǔ)氣泵工作時，備用補(bǔ)氣泵所在管路必須關(guān)閉，否則主用、備用補(bǔ)氣泵會形成閉環(huán)，無法將補(bǔ)氣罐內(nèi)的水抽出。為了使主用、備用補(bǔ)氣泵能實現(xiàn)自動切換，在主用、備用補(bǔ)氣泵進(jìn)口處各裝一個電動閘閥。

3) 由于系統(tǒng)工作壓力約1.1 MPa，所以要確保系統(tǒng)的密封性，不允許有漏氣或漏水現(xiàn)象。系統(tǒng)管路中要適當(dāng)設(shè)置單向閥、止回閥、閘閥等（如圖1），以確保系統(tǒng)正常工作。

4）補(bǔ)氣時要先啟動補(bǔ)氣泵把補(bǔ)氣罐內(nèi)水抽出，直到補(bǔ)氣罐內(nèi)水位降到A2處。此時，空氣會通過空氣過濾器和單向閥進(jìn)入補(bǔ)氣罐，并且管網(wǎng)壓力會有所提高。如果管網(wǎng)壓力迅速提高到系統(tǒng)要求的壓力上限，則無法進(jìn)行下一步，即啟動穩(wěn)壓泵把補(bǔ)氣罐內(nèi)的氣壓入氣壓罐。因此需要計算補(bǔ)氣罐內(nèi)水位降到A2處會使管網(wǎng)壓力提高多少。

根據(jù)流體的壓縮性公式［5］

式中：β─壓縮性系數(shù)，介質(zhì)為水時，β=0.7×10-3MPa；

ΔP─管網(wǎng)壓力提高值，MPa；

ΔV─管網(wǎng)水壓縮量，m3；

V─管網(wǎng)水總量，m3。

假設(shè)管網(wǎng)水總量為5000 m3, 管網(wǎng)水壓縮量即補(bǔ)氣罐內(nèi)水位降到A2處容積，約0.3 m3。

由式(2)可以計算出：ΔP=0.086 MPa

因此補(bǔ)氣罐內(nèi)水位降到A2處會使管網(wǎng)壓力提高約0.086 MPa，如果管網(wǎng)水總量大于5000 m3，管網(wǎng)壓力提高值將更小。

5）啟動穩(wěn)壓泵把補(bǔ)氣罐內(nèi)的氣壓入氣壓罐時，在氣壓罐底部必須有個單向閥，使水通過補(bǔ)氣泵進(jìn)入補(bǔ)氣罐，從而把氣壓入氣壓罐。由于氣壓罐底部裝有單向閥，氣壓罐內(nèi)水無法流入管網(wǎng)，因此需設(shè)一個旁通排污口，平時通過球閥關(guān)閉排污口。

6）控制柜按圖2邏輯圖設(shè)計。

圖2 補(bǔ)氣式消防穩(wěn)壓系統(tǒng)控制邏輯圖

4 結(jié)束語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對消防設(shè)施可靠性也提出更高的要求。消防水泵是消防給水系統(tǒng)的心臟。消防水泵選用和安裝是否得當(dāng)，直接關(guān)系到消防給水系統(tǒng)能否正常發(fā)揮作用。消防水泵中的穩(wěn)壓系統(tǒng)是消防給水系統(tǒng)平時維持壓力的設(shè)備，對系統(tǒng)起著監(jiān)護(hù)作用和使系統(tǒng)具有自動控制的功能。實踐證明，補(bǔ)氣式消防穩(wěn)壓系統(tǒng)可靠性高，并且能實現(xiàn)自動化控制和運(yùn)行，可以確保正常消防供水。

[1] 國家標(biāo)準(zhǔn). GB6245-2006消防泵. 2006年12月.

[2] 七一二研究所企業(yè)標(biāo)準(zhǔn). Q/712J43-2003應(yīng)急/消防柴油機(jī)水泵機(jī)組, 2003年1月.

[3] 劉惠鑫，王曉方. 液壓與氣壓傳動技術(shù)基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社, 2009年7月.

[4] 國家標(biāo)準(zhǔn). GB50016-2006建筑設(shè)計防火規(guī)范. 2006年12月.

[5] 張利平. 液壓氣動技術(shù)速查手冊. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007年3月.