對(duì)臨時(shí)高壓消火栓系統(tǒng)自動(dòng)啟泵設(shè)計(jì)參數(shù)取值的分析

廖啟芳

(中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司廈門(mén)分公司 福建廈門(mén) 361000)

引 言

《消防給水和消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974－2014(以下簡(jiǎn)稱《消水規(guī)》)規(guī)定臨時(shí)高壓消防系統(tǒng)的消防水泵應(yīng)采用自動(dòng)啟泵方式，這對(duì)原采用就地按鈕啟泵的臨時(shí)高壓消火栓系統(tǒng)是個(gè)較大的變化。消火栓系統(tǒng)采用自動(dòng)啟泵，省去了各消火栓引至水泵控制箱的啟泵專線，也避免了因線路長(zhǎng)信號(hào)損耗大導(dǎo)致末端信號(hào)弱泵啟動(dòng)不成功的情況，既節(jié)省了造價(jià)又提高了系統(tǒng)的安全可靠性。同時(shí)由于系統(tǒng)設(shè)有流量開(kāi)關(guān)及壓力開(kāi)關(guān)，可及時(shí)監(jiān)控滲漏情況，間接減少了管網(wǎng)的泄漏量。流量開(kāi)關(guān)和壓力開(kāi)關(guān)是臨時(shí)高壓消火栓系統(tǒng)自動(dòng)啟泵控制的重要裝置，二者設(shè)計(jì)參數(shù)的取值會(huì)直接影響消火泵自動(dòng)啟泵的成敗。但《消水規(guī)》未明確給出二者的設(shè)計(jì)參數(shù)取值，所以設(shè)計(jì)五花八門(mén)。

本文通過(guò)對(duì)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分析研究，對(duì)上述臨時(shí)高壓消火栓系統(tǒng)中的流量開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值談?wù)勛约旱目捶ǎＭ芘c專業(yè)同仁一起學(xué)習(xí)和探討。

1 流量開(kāi)關(guān)

流量開(kāi)關(guān)設(shè)置在高位水箱消火栓系統(tǒng)出水管上感知水流的變化，當(dāng)經(jīng)過(guò)管路的水流達(dá)到可被判定是消火栓被動(dòng)用的流量時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作觸發(fā)消火栓泵啟動(dòng)并同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。讓流量開(kāi)關(guān)動(dòng)作的流量稱之為報(bào)警流量。報(bào)警流量是流量開(kāi)關(guān)靈敏度指標(biāo)，它的取值對(duì)系統(tǒng)能否及時(shí)啟動(dòng)很重要:取值偏小，系統(tǒng)靈敏度過(guò)高，管路誤報(bào)警增多;取值偏大，系統(tǒng)靈敏度過(guò)低，可能導(dǎo)致該報(bào)警時(shí)無(wú)法及時(shí)報(bào)警，恐延誤啟泵時(shí)間。那消火栓系統(tǒng)中設(shè)置的流量開(kāi)關(guān)報(bào)警流量該怎么取值呢?

《消水規(guī)》12.2.8.4條:“流量開(kāi)關(guān)應(yīng)能在0.1m/s～10m/s時(shí)可靠啟動(dòng)，其余性能宜符合國(guó)標(biāo)＜自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng) 第七部分:水流指示器》GB5135.7的規(guī)定”。根據(jù)規(guī)范的意思，流量開(kāi)關(guān)的報(bào)警流量取值可以有以下三種方法。

法一:直接采用GB5135.7中水流指示器報(bào)警流量的取值15～37.5l/min作為流量開(kāi)關(guān)的報(bào)警流量。這個(gè)方法比較簡(jiǎn)單，但考慮到國(guó)標(biāo)GB5135.7中所指的水流指示器為噴淋系統(tǒng)專用，其報(bào)警流量取值是按標(biāo)準(zhǔn)噴頭在特定壓力下的流量來(lái)確定的，消火栓流量與標(biāo)準(zhǔn)噴頭流量不同，未經(jīng)過(guò)推算直接引用不太妥當(dāng)。因此引出如下法二。

法二:參照噴淋系統(tǒng)水流指示器報(bào)警流量的取值法來(lái)確定消火栓系統(tǒng)的報(bào)警流量。國(guó)標(biāo)GB5135.7中水流指示器報(bào)警流量的上限值37.5L/min相當(dāng)于K=80噴頭在工作壓力0.022MPa時(shí)的出水量。這個(gè)0.022MPa可以理解為當(dāng)高位水箱放置在屋頂距噴頭2.2m時(shí)產(chǎn)生的靜壓值，按這個(gè)思路，該高位水箱距最不利消火栓栓口產(chǎn)生的靜壓值約為0.04MPa，我們可算得栓口壓力0.04MPa時(shí)消火栓的出水量，計(jì)算結(jié)果如(表1)。(以下計(jì)算采用《建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版計(jì)算公式及參數(shù))

表1 不同消火栓栓口壓力與不同當(dāng)量噴嘴直徑的對(duì)照表(單位 Hxh:0.01MPa，Qxh:L/min)

從(表1)可查出栓口壓力Hxh為0.04MPa時(shí)，當(dāng)量噴嘴直徑11、13、16、19mm的出流量 Qxh分別為47.84L/min，70.07 L/min，105.08 L/min，145.83 L/min。當(dāng)量噴嘴直徑11、13mm僅適用于消防設(shè)計(jì)流量2.5L/S的系統(tǒng)，考慮到《消水規(guī)》中消火栓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量以5L/S為主，2.5L/S僅適用于21～27m的住宅，因此建議消火栓系統(tǒng)采用的流量開(kāi)關(guān)報(bào)警流量按噴嘴直徑分兩檔，第一檔:當(dāng)量噴嘴直徑11、13mm的消火栓報(bào)警流量取20～47.5 L/min;第二檔:當(dāng)量噴嘴直徑為16、19mm的消火栓報(bào)警流量取65～105l/min。

法三:根據(jù)流量開(kāi)關(guān)的流速確定。取《消水規(guī)》12.2.8.4條規(guī)定最低流速V=0.1 m/s對(duì)應(yīng)的流量值作為報(bào)警流量區(qū)間的上限值，再取低于上限值25～40L/min作為報(bào)警流量區(qū)間的下限值。以下(表2)為V=0.1m/s時(shí)不同的管徑對(duì)應(yīng)報(bào)警流量區(qū)間的取值。

表2 V=0.1m/s不同的管徑對(duì)應(yīng)報(bào)警流量區(qū)間的取值

從上述法二、法三的推算結(jié)果可以看出，消火栓系統(tǒng)流量開(kāi)關(guān)的報(bào)警流量取值比國(guó)標(biāo)GB5135.7中水流指示器的報(bào)警流量取值高，巧合的是按法二的計(jì)算當(dāng)量噴嘴直徑為11、13mm對(duì)應(yīng)的報(bào)警流量值與法三DN100對(duì)應(yīng)值接近，當(dāng)量噴嘴直徑為16、19mm取值與DN150取值接近。總體說(shuō)來(lái)二者差別不大，本文建議采用法二推算結(jié)果，同時(shí)也建議消火栓系統(tǒng)流量開(kāi)關(guān)的報(bào)警流量取值標(biāo)準(zhǔn)化，便于設(shè)備在工廠內(nèi)統(tǒng)一設(shè)定出廠值，方便現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試。

2 壓力開(kāi)關(guān)

《消水規(guī)》12.2.8.2條對(duì)消火栓泵出口設(shè)置的壓力開(kāi)關(guān)性能表述為:“壓力開(kāi)關(guān)應(yīng)符合國(guó)標(biāo)＜自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng) 第10部分:壓力開(kāi)關(guān)》GB5135.10的性能和質(zhì)量要求”。噴淋系統(tǒng)壓力開(kāi)關(guān)設(shè)置在報(bào)警閥出水端，平時(shí)無(wú)水流通過(guò)，壓力為零，當(dāng)系統(tǒng)噴頭動(dòng)作，報(bào)警閥開(kāi)啟，水流通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)報(bào)警并啟泵。而消火栓泵出水管處的壓力開(kāi)關(guān)平時(shí)壓力為管網(wǎng)準(zhǔn)工作狀態(tài)的壓力，當(dāng)系統(tǒng)消火栓被動(dòng)用，水流向消火栓出口，管路水損導(dǎo)致壓力開(kāi)關(guān)處水壓值下降，當(dāng)壓力下降到其動(dòng)作壓力時(shí)開(kāi)關(guān)報(bào)警并啟泵，此動(dòng)作壓力值《消水規(guī)》稱之為自動(dòng)啟泵壓力值。自動(dòng)啟泵壓力怎么取值?參考 GB5135.10壓力開(kāi)關(guān)0.035～0.05MPa的取法直接取低于準(zhǔn)工作狀態(tài)0.035～0.05MPa是否合理?下面根據(jù)消火栓系統(tǒng)穩(wěn)壓設(shè)施的設(shè)置情況來(lái)進(jìn)行分析。

2.1 僅設(shè)屋頂水箱穩(wěn)壓的情況

(圖1)為當(dāng)高位水箱設(shè)置高度滿足《消水規(guī)》5.2.2條的規(guī)定，系統(tǒng)未設(shè)穩(wěn)壓泵的某消火栓系統(tǒng)示意簡(jiǎn)圖:

圖中D1為最不利消火栓點(diǎn)，A為啟泵壓力開(kāi)關(guān)設(shè)置點(diǎn)。

準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)，A點(diǎn)壓力值為

HZ=(H1+H2+h1)*0.01 MPa(式1)

式中:

HZ—采用屋頂水箱穩(wěn)壓，準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)A點(diǎn)壓力(MPa)

H1—D1點(diǎn)與A點(diǎn)的幾何高差(m)

H2—高位水箱底距D1點(diǎn)的幾何高差(m)

h1—水箱有效水位總高(m)

圖1 消火栓系統(tǒng)示意圖

當(dāng)D1點(diǎn)處消火栓動(dòng)作，由于管路的水損，管路各點(diǎn)壓力變化，此時(shí)A點(diǎn)的壓力為:

HA=(H1+H2+h1)*0.01－h(huán)iMPa(式2)

hi—消火栓動(dòng)作時(shí)管路水損(MPa)

HA—D1點(diǎn)處消火栓動(dòng)作時(shí)A點(diǎn)的壓力值(MPa)

最理想的設(shè)計(jì)應(yīng)該是:最不利D1點(diǎn)處消火栓動(dòng)作，A點(diǎn)處壓力下降，壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作報(bào)警，此時(shí)A點(diǎn)的壓力值就作為系統(tǒng)啟泵壓力值。看看實(shí)際工程的情況:消火栓當(dāng)量噴嘴直徑取 19mm，(圖 1)中的H1.H2.H3.h1.h2的取值及由此計(jì)算得出的Hz值見(jiàn)(表3)，當(dāng)D1～D4處消火栓依次動(dòng)作時(shí)管路水損hi和HA的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)(表4):

表3 H1.H2.H3.h1.Hz值

表4 D1～D4處消火栓依次動(dòng)作時(shí)管路的hi和HA值

從(表4)可以看出:最不利點(diǎn)1、2支消火栓動(dòng)用時(shí)，管路的水損很小，如采用此刻A點(diǎn)的壓力值作為啟泵壓力值，系統(tǒng)壓力檢測(cè)儀表的靈敏度要大幅度提高，靈敏度過(guò)高可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)警率提高，實(shí)際工程恐無(wú)法直接采用該值做啟泵壓力值。如直接按準(zhǔn)工作狀態(tài)0.035～0.05MPa至少要在最不利的4支水槍動(dòng)作，似乎靈敏度偏低。建議這種情況適當(dāng)折中選擇壓力開(kāi)關(guān)的靈敏度，取系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)壓力值低0.02～0.03MPa的值作為啟泵壓力HD，即

HD=Hz－0.02～0.03MPa(式3)

顯然這里按(式3)計(jì)算的HD作為啟泵壓力值無(wú)法滿足最不利消火栓水槍動(dòng)作時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)直接啟泵并報(bào)警。也就是說(shuō)僅靠屋頂水箱穩(wěn)壓的系統(tǒng)，由于最不利點(diǎn)1支水槍動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)啟泵壓力點(diǎn)的壓力變化不大，壓力開(kāi)關(guān)恐無(wú)法及時(shí)報(bào)警，此時(shí)只能靠屋頂水箱出水管上設(shè)置的流量開(kāi)關(guān)來(lái)報(bào)警并啟泵。

2.2 設(shè)穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓的情況

我們?cè)賮?lái)看看圖1中的系統(tǒng)高位水箱的設(shè)置高度H2無(wú)法滿足《消水規(guī)》5.2.2條規(guī)定時(shí)的情況。根據(jù)《消水規(guī)》5.3.3條第3款，取準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)最不利處消火栓水壓值等于0.16MPa，此時(shí)A處水壓

H'Z=H1*0.01+0.16MPa(式4)

H'Z—采用穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓，準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)A點(diǎn)壓力(MPa)

根據(jù)《消水規(guī)》5.3.3條2款自動(dòng)啟動(dòng)壓力值與準(zhǔn)工作狀態(tài)差0.07～0.10MPa，可得

H'D=H1*0.01+0.06～0.09 MPa(式5)。

H'D—采用穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓時(shí)系統(tǒng)的自動(dòng)啟泵壓力值(MPa)

比較(式1)和(式4)，(式2)和(式5)，可以看出系統(tǒng)采用穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓和采用高位水箱穩(wěn)壓相比，前者系統(tǒng)自動(dòng)啟泵壓力比準(zhǔn)工作狀態(tài)低0.07～0.10MPa，遠(yuǎn)高于后者的0.02～0.03MPa，這是由于前者采用穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓，可以適當(dāng)拉高準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)壓力，再通過(guò)合理選定穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)流量來(lái)實(shí)現(xiàn)最不利點(diǎn)消火栓水槍動(dòng)作時(shí)管路系統(tǒng)水壓迅速下降，實(shí)現(xiàn)壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作并啟泵。而采用高位水箱穩(wěn)壓的系統(tǒng)，由于高位水箱出水穩(wěn)定，最不利點(diǎn)消火栓動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)壓降不明顯，導(dǎo)致壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作無(wú)法及時(shí)動(dòng)作。也就是說(shuō)采用穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓的系統(tǒng)比采用高位水箱穩(wěn)壓的系統(tǒng)其壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作更及時(shí)準(zhǔn)確，誤動(dòng)作少。

再比較(式2)和(式5)，當(dāng)(H2+h1)*0.01－h(huán)i＞0.06～0.09 MPa時(shí)，存在

H'D(H1+H2+h1)*0.01－h(huán)i(式6)

(式6)可理解為:設(shè)有高位水箱+穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓的系統(tǒng)，當(dāng)最不利點(diǎn)消火栓動(dòng)作時(shí)，開(kāi)始由于穩(wěn)壓泵無(wú)法提供消火栓動(dòng)作的流量，系統(tǒng)壓力快速下降，但如果高位水箱的設(shè)置位置較高，當(dāng)最不利點(diǎn)消火栓與最高水位差產(chǎn)生的位能扣除管路水損后仍大于0.06～0.09MPa時(shí)，系統(tǒng)的供水壓力變成了高位水箱出水控制，管路的供水壓力下降變緩，A點(diǎn)的壓力也無(wú)法快速降至設(shè)定的比準(zhǔn)工作狀態(tài)低0.07～0.10MPa的自動(dòng)啟泵壓力，此時(shí)出現(xiàn):最不利的消火栓被動(dòng)用了，但壓力開(kāi)關(guān)無(wú)法及時(shí)報(bào)警并啟泵。建議這種情況適當(dāng)抬高自動(dòng)啟泵壓力值至略高于高位水箱最高水位形成的靜壓值H″D，H″D為H'D此時(shí)的修正值

H″D＞(H1+H2+h1)*0.01，(式7)

相應(yīng)地系統(tǒng)的保壓值按

H″Z=H″D+0.07 ～0.10MPa(式8)計(jì)算。

根據(jù)以上分析設(shè)穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓的系統(tǒng)管路的保壓取值按(式4)取值，并按(式8)校核 。系統(tǒng)的啟動(dòng)壓力取(式5)取值，(式7)校核。通過(guò)上述分析也得到這樣的結(jié)論:消火栓系統(tǒng)中合理配置穩(wěn)壓泵可縮短消火栓動(dòng)用到系統(tǒng)壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)間，可更快速啟動(dòng)消火栓泵，提高系統(tǒng)的安全性。因此建議在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高火災(zāi)危險(xiǎn)性大的建筑考慮增設(shè)穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓系統(tǒng)。

3 總結(jié)

流量開(kāi)關(guān)和壓力開(kāi)關(guān)是臨時(shí)高壓消火栓系統(tǒng)自動(dòng)啟泵控制的重要元器件，雖然消火栓泵啟用是在火災(zāi)發(fā)生，救災(zāi)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)才被動(dòng)用的，它對(duì)控制措施的安全性和有效性不及全自動(dòng)滅火系統(tǒng)的高，但對(duì)火場(chǎng)而言時(shí)間就是生命和財(cái)富，系統(tǒng)的及時(shí)啟動(dòng)對(duì)整個(gè)滅火工作仍然重要之極，系統(tǒng)啟動(dòng)的控制參數(shù)仍不容忽視。本文對(duì)二者的主要設(shè)計(jì)參數(shù)提出了取值建議，另外也得到這樣的結(jié)論:消火栓系統(tǒng)中合理配置穩(wěn)壓泵可提高壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作的靈敏度，更快速及時(shí)開(kāi)啟消防泵，因此建議建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高火災(zāi)危險(xiǎn)性大的建筑增設(shè)穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓系統(tǒng)。

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