干式消火栓系統電氣控制方案分析

丁寶華，楊愛新

(1.中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250013; 2.濟南工程職業技術學院,山東 濟南 250200)

0 引言

GB 50794—2014消防給水及消火栓系統技術規范[1]實施以來,越來越多建設地位于北方的工程中采用了干式消火栓系統,并由此產生了一系列的問題。

干式消火栓系統在消防規范中早有介紹并在項目中應用,但在電氣相關標準、規范、圖集中一直未曾提及,各類文獻中也很難找到有關干式消火栓系統電氣控制方案的介紹。進行干式消火栓系統電氣設計時,能夠參考的資料也只有文獻[2]第67頁中的“干式消火栓系統示意圖”,但該圖深度無法滿足電氣專業施工圖設計的要求。另外,不同設計院、圖審機構、驗收部門、設備廠家對干式消火栓系統電氣控制方案也有著不同的理解,導致工程中干式消火栓系統的電氣設計方案五花八門,有的甚至存在明顯的安全隱患。因此,找到一種合理、可靠且滿足規范要求的干式消火栓系統電氣控制方案勢在必行。

本文結合工程實例,對干式消火栓系統常見的電氣控制方案進行了分析,并提出了一種新的解決方案。

1 干式消火栓系統介紹

顧名思義,濕式消火栓系統是指平時消防水管中充滿水的消火栓系統,干式消火栓系統則指的是消防水管平時處于無水狀態,發生火災時打開設在進水管上的閥門向消防水管內充水,充水后干式消火栓系統轉換成濕式系統[3]。文獻[1]規定:“室內環境溫度不低于4 ℃,且不高于70 ℃的場所,應采用濕式消火栓系統”“室內環境溫度低于4 ℃或高于70 ℃的場所,宜采用干式消火栓系統”。室內環境溫度經常低于4 ℃時,需要考慮管內一直充水會出現冰凍的危險,因此北方冬季無采暖的建筑物或敞開式廠房中常采用干式消火栓系統。

文獻[1]規定:干式消火栓系統的充水時間不應大于5 min。設計時通常會在進入建筑物前的供水干管上設置2個電磁閥或電動閥,電磁閥或電動閥設置在閥門井內,發生火災時通過室內消火栓按鈕開啟電磁閥或電動閥供水。因為電磁閥啟動時間短且價格便宜,而電動閥啟動時間長且價格較高,多數工程采用失電開啟型電磁閥(DC 24V/AC 24V),部分工程也會采用電動閥(AC 380V)。

2 電氣設計方案分析

在項目提資階段,消防專業給電氣專業的設計條件通常較為簡單。一般要求如下:“消火栓系統進水管上設置快開式電磁閥(DC 24V),電磁閥采用失電開啟型;在室內消火栓箱處設置手動按鈕,平時室內管網保持無水,當發生火災時通過室內任一消火栓箱處的手動按鈕打開電磁閥供水。”因提資階段無訂貨資料,消防專業無法給出電磁閥功率,也很難給出更詳細的控制要求。

本文將結合工程實例,對干式消火栓系統電氣控制方案按照有、無火災自動報警系統分別來進行分析。

2.1 無火災自動報警系統時的干式消火栓系統

某工業廠房內未設置火災自動報警系統,項目建設地位于北方且無采暖,消防專業設置了干式消火栓系統并在進水管上設置失電開啟型電磁閥。這種情況下,因為廠房內無火災報警系統,無法獲得DC 24V電源。電氣專業一般會建議電磁閥電壓選擇AC 24V,設計簡易接線方式如圖1所示。

圖1中,電磁閥采用AC 24V電源供電,現場設置1個電磁閥控制箱,將AC 220V電源送至控制箱,箱內設置AC 220V/AC 24V變壓器為電磁閥供電。如圖1所示,將廠房內所有消火栓箱處手動按鈕的常開接點(自保持)并聯后通過中間繼電器ZJ轉換為常閉接點,然后與電磁閥供電回路串聯。正常狀態下,所有消火栓箱處手動按鈕接點均處于斷開狀態,電磁閥處于得電關閉狀態。火災狀態,按下廠房內任一消火栓箱處手動按鈕,ZJ線圈得電,與電磁閥串聯的常閉接點ZJ斷開,電磁閥失電開啟,從而給室內消火栓管網充水。

該方案中,需要按鈕提供一對無源常開接點(AC 24V),但大多數品牌消火栓按鈕只有一對DC 24V常開接點或者沒有常開接點。如采用圖1所示方案,將不能直接利用消火栓按鈕作為啟動電磁閥的按鈕,需要在每個消火栓箱處額外設置手動按鈕。

另有一種觀點:將所有消火栓箱處手動按鈕的常閉接點(帶自鎖)首尾串聯,然后接入電磁閥供電回路也可實現上述功能,無需增加中間繼電器,簡易接線方式見圖2。

圖2中手動按鈕采用常閉接點與電磁閥供電回路串聯,當按鈕接觸不良或所在線路斷線時,電磁閥會誤動作,導致水管內充滿水。如廠房內消火栓箱數量較多,對應設置手動按鈕數量較多,電磁閥誤動作的幾率將會顯著增加。

當電磁閥電壓選用AC 220V,其他條件不變時,上述圖1、圖2方案仍可采用,需注意按鈕、中間繼電器電壓也應選擇AC 220V。此時,直接采用AC 220V為電磁閥供電,其他接線方式同圖1、圖2。考慮到電磁閥一般安裝于地下閥門井內,采用AC 24V更為安全,工程中一般推薦選擇AC 24V電磁閥。

2.2 有火災自動報警系統時的干式消火栓系統

某工業廠房內設置了火災自動報警系統,其他條件同2.1,這種情況下,一般電磁閥電壓選擇DC 24V。

2.2.1 常見做法及問題分析

常見做法為:在電磁閥附近設置一個模塊箱,模塊箱內設有輸入輸出模塊,電磁供電和控制通過輸出模塊,信號反饋通過輸入模塊,所有消火栓按鈕均通過信號總線接入火災自動報警系統。簡易接線如圖3所示。

本文分兩種情況對圖3方案進行分析。

1)建筑物內單獨設置火災報警聯動電源箱時,DC 24V電源通過電源箱直接引接。發生火災時,按下任一消火栓按鈕,消火栓按鈕信號通過總線反饋至火災自動報警系統主機,火災自動報警系統以此為判據發出指令來實現電磁閥斷電開啟,理論上可實現按下消火栓按鈕直接開啟電磁閥的要求。另有觀點認為:該接線方案屬于聯動控制,還應增加通過硬接線將消火栓按鈕與電磁閥相連來直接控制電磁閥的開啟。

2)建筑物未單獨設置火災報警聯動電源箱時,DC 24V電源直接通過聯動電源總線接入。這種情況下未考慮電磁閥容量和電流的大小,電磁閥可能會無法供電而一直處于打開狀態。分析如下:

干式消火栓系統進水管以DN100以上居多,對應設置的電磁閥功率一般在30 W以上,以電磁閥功率30 W為例,電流約為1.25 A。一般火災報警控制器總線回路電流為200 mA,遠小于電磁閥額定電流。因此,根本無法通過火災報警電源總線為電磁閥供電。

上述方案(1)理論上可行,屬于有爭議的方案;方案(2)則屬于明顯的錯誤方案。

2.2.2 建議解決方案及分析

1)項目情況介紹。本項目建設地位于山東省濰坊市,為一大型精細化工項目,其中10多個廠房/倉庫采用了干式消火栓系統。各廠房/倉庫內均設置了火災自動報警系統,有部分廠房/倉庫未單獨設置聯動電源。

2)消防專業設計要求。每個廠房/倉庫的干式消火栓系統進水管入戶處設置了2個失電開啟型電磁閥(DC 24V,32W),2個電磁閥分別位于建筑物兩側的閥門井內,要求消火栓箱內設置消火栓按鈕,火災時可通過任意一個消火栓按鈕均可同時啟動2個電磁閥供水。

3)電氣控制方案分析。

a.建筑物內設置火災報警聯動電源箱。以成品車間為例,該建筑物共5層,正常環境,室內共設置了25個消火栓按鈕,建筑物內設置了單獨的火災報警聯動電源箱,可提供DC 24V電源。簡易接線如圖4所示。

該方案需專門設置1個電磁閥接線箱,消火栓按鈕與電磁閥之間的接線均通過接線箱,DC 24V中間繼電器ZJ1,ZJ2安裝在接線箱內。

圖4(a)中,所有消火栓按鈕均通過信號總線接至火災自動報警系統。圖4(b)中,將建筑物內所有消火栓按鈕的常開接點并聯后通過中間繼電器ZJ1轉換為常閉接點與電磁閥供電回路串聯;中間繼電器ZJ2線圈通過圖4(a)中I/O模塊供電,ZJ2的常閉接點也與電磁閥供電回路串聯。

當發生火災時,按下建筑物內任一處的消火栓按鈕,該消火栓按鈕常閉接點閉合并自保持,中間繼電器ZJ1得電,與電磁閥供電回路串聯的常閉接點ZJ1斷開,電磁閥失電開啟,從而給室內管網充水。同時,該消火栓按鈕動作信號通過火災報警總線反饋至火災自動報警系統主機,火災報警系統聯動斷開中間繼電器ZJ2電源,與電磁閥供電回路串聯的常閉接點ZJ2斷開,電磁閥失電開啟。

b.建筑物內未設置火災報警聯動電源箱。以中間體車間為例,該建筑物共4層,為爆炸危險2區環境,室內共設置了72個消火栓按鈕,因火災自動報警系統點數較少,故建筑物內未設置單獨的火災報警聯動電源箱。此種情況下,電磁閥的供電可采取以下兩種方案:

方案1:在建筑物內增加1個防爆型DC 24V電源箱為電磁閥供電,電源箱采用AC 220V輸入,DC 24V輸出,其他同圖4方案。

方案2:在附近正常環境的建筑物內設置集中式DC 24V電源箱,同時為附近多個建筑物內的干式消火栓系統提供DC 24V電源,其他同圖4方案。

4)線路電壓降計算。采用上述3)b.中的方案2時,需要根據電磁閥功率、電纜截面、距離等計算線路電壓降,并以此來判斷電磁閥是否能夠正常工作。

以本項目中間體車間為例,DC 24V電磁閥為2個,通過設在附近變配電室內的集中式DC24V電源箱供電,電磁閥供電電源線選擇NH-KVV-2×4電纜,距離約為200 m。根據電磁閥廠家資料,電磁閥功率為32 W,正常工作電壓為DC 19.2 V～28.8 V,即電壓允許波動范圍為±20%。因此設計時需要保證電磁閥端電壓不低于19.2 V,否則電磁閥將因為電壓過低無法關閉一直處于打開狀態。

根據《工業與民用供配電設計手冊(第四版)》第861頁式9.4-1和式9.4-2:

絞入系數Cj=1,電阻溫度系數α=0.004,ρ20=0.017 2 (Ω·mm2)/m,實際工作溫度按θ=70 ℃。

導線溫度為70 ℃時的銅線芯電阻率ρ70=0.020 64 (Ω·mm2)/m[4]。

電壓損失百分數計算公式(見式(1)):

(1)

其中,P為線路功率;L為線路長度;U為標稱電壓;S為線路截面。

代入數據計算得式(2):

(2)

由式(2)計算結果22.93%>20%,可知無法滿足電磁閥正常工作電壓。可采取加大電纜截面、適當提高DC 24V電源箱出口電壓等方法解決。本項目中將DC 24V電源箱出口電壓調整為DC 25V,由式(1)計算電壓損失百分數約為21.14%,電磁閥端電壓約為19.72 V>19.2 V,滿足電磁閥正常工作電壓的要求。

3 結語

以上為作者結合電氣設計、消防驗收過程中遇到的各種問題,對干式消火栓系統采用失電開啟型電磁閥時的電氣控制方案進行了分析,并提出了自己的解決方案,供各位電氣設計同行參考。實際工程中當遇到干式消火栓系統中采用雨淋閥或電動閥時,電氣專業可以此為基礎進行拓展設計。