消防給水系統(tǒng)中壓力信號控制技術(shù)探析

周 為 （合肥工業(yè)大學設計院（集團）有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

消防水泵是消防給水系統(tǒng)的核心組件，其重要性不言而喻，工程實踐中，多數(shù)工程項目選用電動機消防泵組，用來輸送水基滅火介質(zhì)。根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《消水規(guī)》）的要求，消防水泵應由壓力開關(guān)或流量開關(guān)等開關(guān)信號直接自動啟動[1]，壓力開關(guān)信號的壓力設定值對消防泵組能否正常運行起著關(guān)鍵作用。本文通過依次探討消防水泵主備用切換、多泵并聯(lián)供水、消防水箱減壓這三種應用場景中壓力控制的技術(shù)措施，提出能在工程應用上可行的解決方案。

1 消防水泵主備用切換壓力控制

1.1 現(xiàn)有控制方式

常規(guī)項目中，電動機消防泵組通常采用一用一備的組合方式。因消防水泵在啟動時可能會出現(xiàn)電機故障或水泵故障，為保障消防供水安全性，需及時切換至備用泵。主備用泵切換有兩種信號控制方式，分別為電流信號控制和壓力信號控制，壓力信號控制方式要優(yōu)于電流信號控制的方式[2]。本文接下來討論壓力信號控制方式應用中的技術(shù)措施。

1.2 分析和推導

①典型工況1：有穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)

如圖1，以常見的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)為例，消防水泵出水干管上可設置主泵啟動低壓壓力開關(guān)D1（以下簡稱“壓力開關(guān)D1”），作為啟動消防水泵的方式之一。根據(jù)《消水規(guī)》的要求，穩(wěn)壓泵的設計壓力應保持系統(tǒng)最不利點消防設施在準工作狀態(tài)時靜水壓力大于0.15MPa，壓力開關(guān)D1的壓力設定值應比準工作狀態(tài)下的壓力值再低0.07～0.10MPa[1]。當消防水泵無法正常啟動供水時，可在泵房內(nèi)消防供水干管上設置的主備用泵切換低壓壓力開關(guān)S（以下簡稱“壓力開關(guān)S”）提供的壓力控制信號來切換至備用泵，其中壓力開關(guān)S動作壓力值受兩個條件約束。

圖1 壓力開關(guān)動作壓力值的確定（有穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)）

②壓力開關(guān)S動作壓力值約束條件1

當消防水泵無法正常啟動時，消防管網(wǎng)的水壓力持續(xù)下降，會觸發(fā)壓力開關(guān)S來啟動備用泵，由此可推導出第1個約束條件：壓力開關(guān)S的動作壓力值，低于壓力開關(guān)D1的動作壓力值H1。

壓力開關(guān)S的動作壓力第一約束值Hs1，按低于消防水泵啟動設定壓力取值，建議取值Hs1＝H1－Δ壓力信號最小壓力差＝Ps1－Δ主泵、穩(wěn)壓泵啟泵壓差－0.05＝Ps1－0.10－0.05＝Ps1－0.15，其中：

Ps1為穩(wěn)壓泵啟泵壓力；為保守起見計算中主泵、穩(wěn)壓泵的啟泵壓差Δ主泵、穩(wěn)壓泵啟泵壓差取值為0.10MPa，壓力信號最小壓力差Δ壓力信號最小壓力差取值為0.05MPa。

③消防水泵特性曲線

根據(jù)國標標準《消防泵》和《消水規(guī)》的要求，工程用普通消防水泵應符合以下規(guī)定：

流量揚程性能曲線應為無駝峰、無拐點的光滑曲線，零流量時的壓力不應大于設計工作壓力的140%，且宜大于設計工作壓力的120%；當出流量為設計流量的150%時，其出口壓力不應低于設計工作壓力的65%[1]、[3]。消防水泵特性曲線要求詳見圖2。

圖2 消防水泵特性曲線要求

④壓力開關(guān)S動作壓力值約束條件2

消防水泵無法啟動時，消防干管壓力值會一直下降到比水泵正常啟動后的最小壓力還要低，結(jié)合圖2所示的水泵特性曲線要求，可推導出第2個約束條件：壓力開關(guān)S的設定動作壓力值，應小于水泵正常運行流量最大時1.5Q所對應的壓力，也就是應小于水泵揚程HP的65%。筆者建議壓力開關(guān)S的動作壓力第二約束值取值為Hs2＝0.60Hp。

⑤取上述兩個數(shù)值的最小值，即HS＝min(Hs1，Hs2)，就可以同時滿足上述兩項推導的要求，即為壓力開關(guān)S動作壓力值。代入過程結(jié)果，可得式（1）：

1.3 應用及限制條件

當消防泵無法正常啟動、管網(wǎng)壓力持續(xù)下降至HS時，通過在消防供水干管上設置的壓力開關(guān)S提供的壓力控制信號來啟動備用泵，由此實現(xiàn)主備用泵切換的功能。

上述解決方案有其局限性，即當主備切換用壓力開關(guān)設定值HS小于屋頂消防水箱最高水位靜壓HX時，壓力開關(guān)無法發(fā)出切換主備泵的信號，該解決方案就會失效。為確保系統(tǒng)主備泵能正常切換，需要對影響Hs的兩個關(guān)鍵因素提出限制要求：

①穩(wěn)壓泵啟泵壓力Ps1

由 Hs1＝Ps1－0.15＞HX，可推導出穩(wěn)壓泵啟泵壓力需滿足式（2）的要求：

②消防水泵揚程HP

由 Hs2＝0.60HP＞HX，可推導出消防水泵揚程需滿足式（3）的要求：

經(jīng)復核，在多個實際工程計算中，除建筑物地上高度在90～100m且同時附帶2～3層地下室的項目可能不滿足式（3）外，大多項目均能滿足上述2個條件。設計時應結(jié)合項目實際情況，如最不利點消防設施的工作壓力、建筑地上部分的高度、管網(wǎng)規(guī)模及水損等計算數(shù)據(jù)來復核HP、調(diào)整Ps1，以保證式（1）的可實施性。反之，如果不滿足上述條件，則只能采用傳統(tǒng)的電流信號控制方式切換主備用泵。

2 多臺消防水泵并聯(lián)供水壓力控制

2.1 現(xiàn)有控制方式

消防系統(tǒng)用水量大時，一套消防泵組會采用多臺消防水泵并聯(lián)供水，工作泵不宜超過3臺，再加上備用泵，可采用二用一備或三用一備的方式。多泵并聯(lián)供水時，常規(guī)啟動方式是依次延時啟動所有消防水泵。

這種啟動方式有兩個問題亟待解決：一是，火災初期流量小，不需要同時啟動兩臺或三臺水泵，如果按此方式依次開啟所有水泵且消防水泵不允許自動停泵，會讓所有消防水泵均處于小流量工作狀態(tài)，造成消防管網(wǎng)超壓、水泵無效運作和損耗等問題；二是，如何有效利用壓力控制信號以確保水泵發(fā)生故障時能正常切換備用泵。

筆者推薦采用《常用水泵控制電路圖》（以下簡稱《圖集》）的解決思路。《圖集》采用了流量或壓力控制方式，當消防水泵兩用一備時，消防泵組在接到啟泵信號后啟動第一臺水泵，當?shù)谝慌_泵的水量和水壓不夠時，第二臺水泵延時啟動啟泵[4]，但未明確動作壓力值。接下來探討如何合理設定壓力信號動作值以解決《圖集》應用中所面臨的實際問題。

2.2 分析和推導

①以最為常見的兩用一備為例，第一臺水泵無法正常啟動、切換第二臺泵，和一用一備時第一臺水泵無法正常啟動、切換備用泵的工況完全相同，壓力設定值的推導計算過程也一樣，可以直接套用本文第1節(jié)及式（1）的結(jié)論。

②然后，在第一臺水泵正常啟動、第二臺泵出現(xiàn)故障無法正常啟動需要切換到備用泵時，因為已有一臺水泵正常工作，消防環(huán)網(wǎng)干管壓力不會持續(xù)一直下降到HS，無法再次觸發(fā)壓力開關(guān)S來啟動備用泵。通過在消防干管上增設新的壓力開關(guān)D2，提供新的切換水泵用壓力控制信號，壓力開關(guān)D2的啟動壓力值H2需設置在壓力開關(guān)1的動作值H1和HS之間，其數(shù)學關(guān)系可用不等式表示為：

其中H1＝Ps1－（0.07～0.10），結(jié)合式（1）可推導出H1和HS之間的差值，最小有0.05MPa，上限可達到0.08MPa甚至更多；H2宜取兩者的中值。

2.3 應用及限制條件

H1的工程意義為啟動消防泵組壓力信號值，HS為消防水泵一用一備時主備用泵切換用壓力信號值，H2為兩用一備時第一臺啟動正常、第二臺啟動失敗后切換備用泵壓力信號值。

水專業(yè)按式（4）的要求設計好各種低壓壓力開關(guān)其及動作值，將上述控制要求及指標以工藝條件的形式提供給電氣專業(yè)，即可實現(xiàn)《圖集》的功能，按需開啟消防水泵的臺數(shù)，并能在水泵發(fā)生故障時及時切換泵用泵。

同理，依此類推，三用一備時，則需要設置壓力開關(guān)D3，提供新的切換水泵用壓力信號，壓力開關(guān)D3的啟動壓力值H3需設置H2和HS之間。

可用不等式表示為：

但三用一備的工況存在 H1、H2、H3、HS這4個數(shù)值之間的差值偏小等情況，一般情況下差值只有接近0.02MPa，選用壓力開關(guān)時應注意其精度等級，以保證系統(tǒng)及調(diào)試的可靠性。

3 屋頂消防水箱壓力控制

3.1 現(xiàn)有控制方式

①典型工況2：無穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)

如圖3，以常見的濕式噴淋系統(tǒng)為例，當高位消防水箱最低有效水位滿足水滅火設施最不利點處的靜水壓力要求時，消防給水系統(tǒng)可不用設置穩(wěn)壓泵。無穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)、在消防主泵啟動前，系統(tǒng)壓力由高位消防水箱的水位決定。火災發(fā)生初期，僅靠消防水箱供水，因為消防水箱水位變化速率慢，導致壓力變化值小，無法通過設置壓力開關(guān)D1來快速有效地啟動消防水泵。

圖3 壓力開關(guān)動作壓力值的確定（無穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)）

基于同樣的道理，壓力開關(guān)S也沒有設置的必要。所以無穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)，無法直接利用壓力信號控制方式切換主備用泵。

②增設減壓閥組

在常見的住宅小區(qū)或配套底商項目中，只在地庫子項及多層配套或商業(yè)里設置有自動噴水滅火系統(tǒng)，因屋頂消防水箱靜水壓大于噴淋水泵揚程，工程中常采用在消防水箱噴淋出水管上設置減壓閥的做法，詳見圖3。

3.2 減壓閥后壓力控制

設置減壓閥后，只要各項控制參數(shù)能確保閥后壓力HJ小于HS的條件，就避免了減壓閥閥后壓力一直大于壓力開關(guān)S的動作壓力值、進而導致無法發(fā)送壓力信號的問題，可間接地利用前述技術(shù)措施，實現(xiàn)通過壓力信號控制方式切換主備用泵的功能。

無穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)，不受本文第1節(jié)推導過程1的約束、只受推導過程2的約束。上述判定條件可表達為式（6）：

工程設計中，如果HJ可滿足式（6），則可按HS＝0.60HP設定壓力開關(guān)S的動作壓力值。

3.3 消防水箱可不減壓的最大工作壓力

反過來講，如果無穩(wěn)壓泵的臨時高壓給水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電流信號控制方式切換主備用泵時，即使HX大于HP，也不需要設置減壓閥。結(jié)合圖2所示的水泵特性曲線，HX不得大于水泵零流量時的壓力值，也就是1.2HP～1.4HP，取其下限，可表達為式（7）：

當不設置減壓閥時，消防供水系統(tǒng)相當于雙水源，消防水箱與消防水泵同時為噴淋管網(wǎng)供水，因為消防水箱壓力低于消防水泵零流量時的壓力，可以不用擔心消防水泵無法啟泵的問題。雙水源供水的工況會持續(xù)到消防水箱水量使用完為止，在忽略消防水箱補水的情況下，此時噴淋系統(tǒng)會轉(zhuǎn)換成消防水泵單水源供水的工況。

式（7）的工程意義在于，水箱高位靜水壓略大于噴淋主泵的情況下，可以不設置減壓閥。增加造價倒是其次，畢竟系統(tǒng)越復雜就越不安全、穩(wěn)定，在滿足功能的情況下，消防給水系統(tǒng)應該是越簡單越好。

4 結(jié)語

①有穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)，當Ps1和HP分別滿足式（2）、（3）的條件時，按照式（1）來確定壓力開關(guān)S的動作壓力值，可通過壓力信號控制方式切換主備用泵。

②多泵并聯(lián)供水可按式（4）、式（5）來確定各級壓力控制所需的設定值，通過壓力信號控制的方式按需開啟消防水泵的臺數(shù)，并能在水泵發(fā)生故障時及時切換泵用泵。

③在式（6）的限定條件下，無穩(wěn)壓泵的臨時高壓消防給水系統(tǒng)可利用在消防水箱出水管上設置減壓閥的技術(shù)措施，采用壓力信號控制方式切換主備用泵。采用電流信號控制方式切換主備用泵時，滿足式（7）條件的情況下，無需在消防水箱出水管上設置減壓閥。

④壓力信號控制在消防給水系統(tǒng)的應用中有其優(yōu)勢，在少部分場景中會受設計條件的限制而影響應用，應結(jié)合工程具體情況合理使用。