補氣式消防穩壓系統設計研究

包珺 肖祖旺 童輝云

(武漢長海高新技術有限公司，武漢430223)

1 引言

多年的工程設計和運行維護實踐說明，消防給水系統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；變頻調速恒壓供水又存在一次投資規模大、構造和維護復雜、可靠性難以保證的問題。而穩壓泵用于消防給水系統，既可保證系統平時維持一定的壓力，火災時又可以自動啟動主消防泵，而且投資少、運行維護簡單。具有較大的優越性和實用性。

因此，消防水泵[1]通常由消防穩壓系統、電動消防主泵、柴油機消防泵［2］及相應的控制系統和管路組成。消防水泵調試正常運行后，系統水壓將保持在設定的上、下限（通常是設計壓力±0.05 MPa）之間。當由于網管泄漏，造成系統壓力降低至下限時，穩壓泵自動啟動補水，使系統壓力上升；當系統壓力上升至上限時，穩壓泵自動停機。如此反復，系統壓力將長期保持在設定的上下限之間。當消防用水時，因流量較大，系統壓力迅速下降（小流量的穩壓泵啟動運行也不能維持水壓），系統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速的過程中靠穩壓系統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，柴油機消防泵會迅速啟動提供消防用水。

消防穩壓系統通常由2臺穩壓泵、1臺隔膜式穩壓罐及配套管閥組成。該穩壓系統的優點是：結構簡單，成本低；缺點是穩壓罐內的膠囊是易損件，并且維修不方便。

因此，為了解決隔膜式穩壓罐維修不方便的缺點，我們采用補氣式消防穩壓系統。

2 系統的組成和工作原理

2.1 系統的組成

補氣式消防穩壓系統由 2臺穩壓泵、2臺補氣泵、1臺氣壓罐、1臺補氣罐及配套管閥組成。

2.2 工作原理

如圖1所示，氣壓罐內水和氣是直接接觸的，由于氣會部分的溶于水，氣壓罐內的氣會不斷減少，因此，需要往氣壓罐內補氣。

1）初始狀態下，假設系統要求的壓力為1.1 MPa（根據用戶要求可調），而標準大氣壓為 0.1 MPa，根據理想氣體狀態方程［3］

PV/T=常數 （1）

該系統接入用戶管網后，系統內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）在設定的壓力下限，檢測氣壓罐內液位B（可調），若檢測為水，表明水夠而氣不夠，需要補氣；若檢測為氣，表明氣夠而水不夠，需要補水。

需要補氣時，啟動補氣泵，當補氣罐內的液位下降到A2時，關閉補氣泵，同時啟動穩壓泵，當補氣罐內的液位上升到 A1時，關閉穩壓泵。此時如果還要補氣，則重復上述過程。

需要補水時，啟動穩壓泵，直至系統壓力達到滿足用戶要求的正常狀態。

每次壓力下降時，都將重復上述運行過程，從而使氣壓罐內氣水比例不斷得到調整，保證氣壓罐的有效水容積。

圖1 補氣式消防穩壓系統圖

3 設計要點分析

1）穩壓泵的特點是流量小，揚程高，可以保證消防管網平時滲水失壓后得到及時的補壓(故又稱補壓泵)，火災時具有自動啟動主消防泵的功能。因此，穩壓泵應設置備用泵［4］。

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

3) 由于系統工作壓力約1.1 MPa，所以要確保系統的密封性，不允許有漏氣或漏水現象。系統管路中要適當設置單向閥、止回閥、閘閥等（如圖1），以確保系統正常工作。

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

根據流體的壓縮性公式［5］

式中：β─壓縮性系數，介質為水時，β=0.7×10-3MPa；

ΔP─管網壓力提高值，MPa；

ΔV─管網水壓縮量，m3；

V─管網水總量，m3。

假設管網水總量為5000 m3, 管網水壓縮量即補氣罐內水位降到A2處容積，約0.3 m3。

由式(2)可以計算出：ΔP=0.086 MPa

因此補氣罐內水位降到A2處會使管網壓力提高約0.086 MPa，如果管網水總量大于5000 m3，管網壓力提高值將更小。

5）啟動穩壓泵把補氣罐內的氣壓入氣壓罐時，在氣壓罐底部必須有個單向閥，使水通過補氣泵進入補氣罐，從而把氣壓入氣壓罐。由于氣壓罐底部裝有單向閥，氣壓罐內水無法流入管網，因此需設一個旁通排污口，平時通過球閥關閉排污口。

6）控制柜按圖2邏輯圖設計。

圖2 補氣式消防穩壓系統控制邏輯圖

4 結束語

隨著國民經濟的迅速發展，對消防設施可靠性也提出更高的要求。消防水泵是消防給水系統的心臟。消防水泵選用和安裝是否得當，直接關系到消防給水系統能否正常發揮作用。消防水泵中的穩壓系統是消防給水系統平時維持壓力的設備，對系統起著監護作用和使系統具有自動控制的功能。實踐證明，補氣式消防穩壓系統可靠性高，并且能實現自動化控制和運行，可以確保正常消防供水。

[1] 國家標準. GB6245-2006消防泵. 2006年12月.

[2] 七一二研究所企業標準. Q/712J43-2003應急/消防柴油機水泵機組, 2003年1月.

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

[4] 國家標準. GB50016-2006建筑設計防火規范. 2006年12月.

[5] 張利平. 液壓氣動技術速查手冊. 北京: 化學工業出版社, 2007年3月.