基于隧道水消防的恒壓供水系統(tǒng)

楊濤

【摘要】目前，隧道消防系統(tǒng)往往采用高壓消防系統(tǒng)供水。然而，由于一些山區(qū)公路隧道地形陡峭復(fù)雜，很難找到合適的位置建造高位水池。施工材料現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸、管道現(xiàn)場(chǎng)安裝難度很大，高位水池標(biāo)高達(dá)不到要求。使用高壓消防系統(tǒng)供水非常困難。而通常所用的穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)由于受制于隔膜氣壓罐橡膠老化的影響，運(yùn)行數(shù)年以后穩(wěn)高壓系統(tǒng)會(huì)因隔膜氣壓罐破裂故障，導(dǎo)致穩(wěn)壓泵不能及時(shí)補(bǔ)水，本文在穩(wěn)高壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用變頻穩(wěn)壓泵為隧道內(nèi)消防管道提供恒定壓力的消防用水，其原理是采用PID算法控制穩(wěn)壓變頻水泵將低位水池流入的水直接加壓供給隧道內(nèi)消防管網(wǎng)，不僅可解決常高壓、消防系統(tǒng)不能修建高位水池，外場(chǎng)管道安裝難度大等困難，還可以解決穩(wěn)高壓系統(tǒng)中隔膜氣壓罐橡膠老化所帶來(lái)的系統(tǒng)故障，而且還可降低成本，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵字】山區(qū)隧道;消防系統(tǒng);穩(wěn)高壓系統(tǒng);恒壓供水系統(tǒng);PLC;PID

1引言

消防供水系統(tǒng)作為高速公路隧道消防系統(tǒng)的核心，目前大多采用高低位水池給水系統(tǒng)，本文針對(duì)位于地勢(shì)陡峭地區(qū)的山區(qū)高速公路隧道難以修建高位水池等問(wèn)題，在穩(wěn)高壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種隧道恒壓供水系統(tǒng)。對(duì)于高低位水池與隧道恒壓供水系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，以論證隧道恒壓供水的可行性及經(jīng)濟(jì)性，該系統(tǒng)適用于不能修建高位水池且地勢(shì)陡峭的山區(qū)，具有良好的效果。

2高速公路隧道消防供水系統(tǒng)介紹

我國(guó)高速公路隧道消防供水系統(tǒng)大多采用常高壓給水系統(tǒng)，其運(yùn)行原理是先由取水設(shè)施取水至低位水池，然后通過(guò)水泵將低位水池中的水加壓輸送至高位水池，再由高位水池對(duì)隧道消防管網(wǎng)供水。

常高壓給水系統(tǒng)是利用水位高壓和自身重力流由高位水池向隧道內(nèi)消防管網(wǎng)供水，使管網(wǎng)內(nèi)總是保持滅火時(shí)所需流量和壓力，撲滅火災(zāi)時(shí)可直接使用消防栓滅火，無(wú)需啟動(dòng)消防水泵增壓。高位水池的高程是根據(jù)隧道最低處高程和最高處高程計(jì)算得到，其可滿足消防栓出水的壓力要求。為保證高位水池的高程及容積滿足規(guī)范要求，其建造位置需地勢(shì)平坦，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且給水管道的路由要盡可能短，以減少水壓損失。

但在部分山區(qū)，由于隧道口地勢(shì)陡峭，難以找到合適的位置修建高位水池，且材料運(yùn)輸業(yè)非常困難，故導(dǎo)致高位水池修建成本較高。

JTG D70/2-2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.2.7.1條規(guī)定“當(dāng)無(wú)條件設(shè)置高位水池時(shí)，可采用穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)。”因此，根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)地形情況及JTG D70/2-2014，實(shí)際工程中隧道消防系統(tǒng)采用恒壓系統(tǒng)供水也是一種可替代穩(wěn)高壓系統(tǒng)的方案。

3恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

恒壓供水系統(tǒng)包括消防水源、消防低位水池、穩(wěn)壓泵（變頻）、消防主泵（變頻）、消防管網(wǎng)、消防水箱、液位計(jì)、壓力表、壓力控制器或壓力傳感器及消防控制柜等設(shè)施，如圖1所示。

3.1 水源

根據(jù)JTG D70/2-2014，隧道消防用水可采用市政自來(lái)水、地下水或地表水。采用地表水時(shí)，應(yīng)有保證枯水期的消防用水措施。

在部分山區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)以巖石為主，地表水、地下水不充足，且水源距隧道較遠(yuǎn)。因此，若采用天然水源有困難，則可采用水車(chē)運(yùn)輸供水作為消防水源。

2.2 消防低位水池

消防低位水池作為消防系統(tǒng)用水儲(chǔ)備，其容量必須滿足消防用水要求。根據(jù)JTG D70/2-2014消防水池的容積應(yīng)能容納隧道內(nèi)1次消防用水量外，還應(yīng)能容納隧道內(nèi)沖洗所需的調(diào)節(jié)用水量。

3.3 穩(wěn)壓泵（變頻）

穩(wěn)壓變頻泵是在消火栓及消防水槍在開(kāi)啟的情況下，用于保持消火栓給水系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，使系統(tǒng)水壓始終處于滿足隧道消防要求的壓力狀態(tài)。一旦消火栓及消防栓開(kāi)啟，能提供滿足隧道消防所需的水量和水壓。

3.4 消防水泵（變頻）

消防水泵是在消火栓及消防水槍開(kāi)啟后，對(duì)消防系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，使系統(tǒng)的水量和壓力能夠滿足消防用水的要求，相對(duì)于普通軟啟或者直接啟動(dòng)的水泵，消防變頻泵在啟動(dòng)或者停止的時(shí)候通過(guò)變頻器變頻啟動(dòng)與停止，避免水錘現(xiàn)象的發(fā)生，減少水泵直接啟動(dòng)對(duì)消防管網(wǎng)的壓力沖擊，從而提高消防管網(wǎng)的使用壽命，減少消防管網(wǎng)的故障率。

4恒壓供水系統(tǒng)工作原理

4.1 消防水池補(bǔ)水

置于低位水池內(nèi)的液位儀將水池內(nèi)的水位信號(hào)傳輸至消防控制柜，消防控制柜對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行上限、報(bào)警、下限等限值設(shè)定。當(dāng)消防控制柜檢測(cè)到消防水池內(nèi)水位下限時(shí)，立即啟動(dòng)蓄水池潛水泵給水池補(bǔ)水或者發(fā)出水池低液位報(bào)警。當(dāng)水位達(dá)到上限時(shí)，消防控制柜則會(huì)關(guān)閉潛水泵以停止補(bǔ)水。

4.2 穩(wěn)壓變頻泵的工作原理

穩(wěn)壓變頻泵在消防系統(tǒng)休眠模式下工作，通過(guò)PLC讀取壓力傳感器壓力值，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后控制變頻器帶動(dòng)穩(wěn)壓變頻泵運(yùn)行，使消防栓出口水壓保持在0.8Mpa，穩(wěn)壓變頻泵設(shè)置為1主1備，當(dāng)主穩(wěn)壓變頻泵出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換至備用穩(wěn)壓泵運(yùn)行。

4.3 消防變頻水泵的工作原理

當(dāng)消防管網(wǎng)水壓不足且穩(wěn)壓變頻水泵長(zhǎng)時(shí)間向消防管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水以后消防管網(wǎng)內(nèi)壓力仍不能達(dá)到0.8Mpa時(shí)，PLC自動(dòng)停止穩(wěn)壓變頻泵，同時(shí)啟動(dòng)消防變頻水泵對(duì)隧道消防管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到0.8Mpa，消防變頻水泵降低至最低運(yùn)行頻率后，PLC自動(dòng)關(guān)閉消防變頻水泵，同時(shí)啟動(dòng)穩(wěn)壓變頻水泵工作，消防變頻水泵設(shè)置為1主1備，當(dāng)消防水泵故障時(shí)自動(dòng)切換到備用水泵工作。

5恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

恒壓供水系統(tǒng)與高壓消防系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)勢(shì)。

5.1解決部分山區(qū)高位水池修建困難的問(wèn)題

在部分山區(qū)，由于地勢(shì)極為陡峭，致使修造高位水池時(shí)材料運(yùn)輸困難，或不能找到面積合適、地勢(shì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的位置修建高位水池。

5.2降低高速公路建設(shè)成本

在一些地形較為平坦、隧道落差較大的地區(qū)，需要鋪設(shè)較長(zhǎng)的消防管道。如果取消高位池的建設(shè)，不僅節(jié)省了建設(shè)成本本身，還節(jié)省了隧道外場(chǎng)消防管線的費(fèi)用以及高位池建設(shè)便道和維護(hù)便道所帶來(lái)的相關(guān)征地費(fèi)用。恒壓供水系統(tǒng)與常高壓供水系統(tǒng)證件設(shè)備費(fèi)用及相關(guān)施工費(fèi)用對(duì)比如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可看出，采用穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)比常高壓供水系統(tǒng)可節(jié)約造價(jià)30-40萬(wàn)元。

5.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高

1）恒壓供水系統(tǒng)減少了高位水池至隧道口的消防管道，從而減小了因管道系統(tǒng)彎道產(chǎn)生的阻力而導(dǎo)致的壓力損失。

2）恒壓供水系統(tǒng)中減少了高位水池至隧道洞口的外場(chǎng)管道路由，從而減小了因外場(chǎng)管道排泄壓及故障導(dǎo)致的不安全性。

3）恒壓供水系統(tǒng)使隧道消防主泵在休眠模式下始終保持隧道消防所需的水量和水壓，提高了消防系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）可通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)消防管網(wǎng)的壓力，實(shí)時(shí)調(diào)整穩(wěn)壓變頻泵的運(yùn)行頻率，保證隧道內(nèi)消防管網(wǎng)的壓力值在正常范圍內(nèi)。

5）可通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)消防管網(wǎng)的壓力，在實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)管網(wǎng)壓力的動(dòng)態(tài)越階響應(yīng)。

5.4 有利于消防系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)

恒壓供水系統(tǒng)更加集成化、智能化。不僅減少了消防管網(wǎng)的長(zhǎng)度，而且將動(dòng)力及控制設(shè)備安裝于消防泵房?jī)?nèi)，有助于系統(tǒng)維護(hù)和故障排除。

6高速公路隧道恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)

高速公路隧道恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性依托于機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定性，需對(duì)所采用的機(jī)電設(shè)備在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等多方面進(jìn)行關(guān)注。

設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)高壓水泵的機(jī)械性能、壓力傳感器及消防控制柜的邏輯性以及其他相關(guān)機(jī)電設(shè)備制定較為完整的技術(shù)指標(biāo)要求，并對(duì)相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)描述。同時(shí)，將系統(tǒng)電力負(fù)荷級(jí)別設(shè)置為I級(jí)，條件允許的情況下可在消防控制柜內(nèi)配置雙電源切換裝置。

施工中，須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)備采購(gòu)。宜采用具有相關(guān)工程用用實(shí)例的產(chǎn)品，同時(shí)需對(duì)消防控制柜、壓力傳感器及其他重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

運(yùn)營(yíng)中，維護(hù)人員需定期檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，如檢測(cè)到設(shè)備報(bào)警，需立即派出故障。當(dāng)設(shè)備達(dá)到使用壽命后考慮設(shè)備更新、升級(jí)。

7結(jié)語(yǔ)

消防系統(tǒng)是隧道機(jī)電施工的重點(diǎn)工程，需對(duì)其予以重視，并提高其穩(wěn)定性，以便將施工損失率降至最低。穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)雖然能夠解決部分山區(qū)修建高位水池困難的問(wèn)題，但長(zhǎng)期來(lái)看穩(wěn)高壓系統(tǒng)中由于隔膜氣壓罐長(zhǎng)時(shí)間受壓力變化影響，橡膠儲(chǔ)氣罐容易受損，而與穩(wěn)定的高壓供水系統(tǒng)相比，恒壓供水系統(tǒng)更有利于節(jié)約成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，值得在山區(qū)公路隧道消防供水系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙雙紅; 陳帥.穩(wěn)高壓供水系統(tǒng)在山區(qū)高速公路隧道消防系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù)，2015（06）：118-121.