实例分析高层建筑消防稳压泵的设计与计算.doc

实例分析高层建筑消防稳压装置的设计与计算摘要：本文结合工程实际，根据消防给水及消火栓系统技术规范（GB50974-2014）对稳压装置的要求，及图集消防增压稳压设备选用与安装（98S205）对稳压泵、气压罐的计算与选用，分析了稳压装置实际应用中所存在的问题，总结了一些设计经验，并给予解决方法。关键词：稳压装置 实际应用 解决方法The actual projects analysis of design and calculation of high-rise building fire protection pressure stabilizerAbstract: Based on actual project, according to the requirements of pressure stabilizer based on , and the calculation and selection of stabilized pressure pump and air pressure tank based on , analyses the problems of the actual application of pressure stabilizer, summaries design experience and gives the solutions.Keywords: fire protection pressure stabilizer; actual application; solutions消防给水及消火栓系统技术规范（GB50974-2014）（以下简称“水消规”）第5.2.2 条要求：“高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施，且最低有效水位应满足水灭火设施最不利处的静水压力”。其中，第1 款第4 款提出了不同类型的建筑物的静压要求，第5 款要求：“当高位消防水箱不能满足本条第1 款第4 款的静压要求时，应设稳压泵”。本文分析“水消规”对稳压装置的要求，提出了稳压装置的合理选用。1 稳压装置的工作原理在98S205消防增压稳压设备选用与安装（以下简称“图集”）中，提出稳压装置的工作原理是：（1）使消防给水管道系统最不利点始终保持消防所需压力；（2）使气压水罐内始终储有30秒消防水量。利用气压水罐所设定的P1、P2、PS1、PS2运行压力，控制水泵运行工况，达到增压和稳压的功能。平时管道系统如有渗漏等洩压情况，控制稳压泵不断补水稳压，在PS1和PS2之间反复运行；一旦有火情，管道内大量缺水，造成PS1压力下降至P2 时，发出报警信号，立即启动消防主泵，消防主泵启动后，稳压泵自动停止，直至消防主泵停止运转，手动恢复稳压装置的控制功能。如图1所示1。P1 最不利点消防所需压力P2 消防主泵启动压力PS1 稳压泵启动压力PS2 稳压泵停泵压力VS 调节容积（稳压水容积）VP 缓冲水容积VX 消防储水容积V 气压水罐总容积图1 隔膜式气压水罐各部分水容积及其相应的压力2 稳压泵的设计流量“水消规”第5.3.2 条第1 款要求：“稳压泵的设计流量不应小于消防给水系统管网的正常泄漏量和系统自动启动流量”。因此，稳压泵设计流量可从以下两个因素考虑：一是正常泄漏量。消防系统管网的泄漏量可依据“水消规”第12.4.3条“消防管道水压强度试验”及12.4.4条“水压严密性试验”进行考虑；根据水压强度试验要求：达到试验压力后，稳压30min 后，管网应无泄漏、无变形，且压力降不应大于0.05MPa；水压严密性试验要求：试验压力应为系统工作压力，稳压24h，应无泄漏。参照此条规定，若管道施工达到国家规范要求，则管网系统的渗水量非常小，甚至无泄漏。二是系统自动启动流量。“水消规”第5.3.2 条第3 款要求：“消防给水系统所采用报警阀压力开关等自动启动流量应根据产品确定”。根据自动喷水灭火系统 第2 部分：湿式报警阀、延迟器、水力警铃（GB5135.2）第4.10.1 条和第4.10.2 条：“在进口压力为0.14MPa，系统侧放水流量为15L/min 时，压力开关和水力警铃均不应发出报警信号；在进口压力为0.14MPa，系统侧放水流量为60L/min 时，压力开关和水力警铃均应发出报警信号”。可知，报警阀压力开关的启动流量应大于60L/min（即1L/s）。仅单从规范条文，可知稳压泵的设计流量不应小于1L/s。这与“水消规”第5.3.2 条第2 款“稳压泵的设计流量宜按消防给水设计流量的1%3%计，且不宜小于1L/s”一致。“水消规”第5.3.2 款的条文说明中解释：“报警阀等压力开关等需要一定的流量才能启动，通常稳压泵的流量应大于这一流量”。笔者认为：报警阀等压力开关启动所需要的流量并不是稳压泵的流量提供的，而是稳压装置的气压水罐靠着高压力把水罐内的水爆发性的压到喷淋管网中，是这个流量启动了报警阀的压力开关。所以笔者认为稳压泵的流量应大于报警阀等压力开关启动所需的流量是不充分的。从下例也可以看出稳压泵流量按1L/s设计时，与“水消规”第11.0.4条规定“消防水泵出水干管上设置的压力开关应能直接自动启动消防水泵”相违背。如发生火灾时，喷淋系统只打开一个喷头（考虑一个喷头的流量为1L/s）2，那么稳压泵的流量足以供应一个喷头的供水，只要稳压泵一直供水，气压水罐内的压力就不会下降至P2，按照稳压装置的工作原理，系统不会发出报警信号，不会启动消防主泵。这也使稳压装置失去了应有的作用。当然在这个流量下报警阀压力开关是动作的，所以根据“水消规”第11.0.4条规定“高位消防水箱出水管上的流量开关，或报警阀压力开关等开关信号应能直接自动启动消防水泵”，笔者认为：自动喷水灭火系统的消防水泵出水干管上可不设置的压力开关，仅由高位消防水箱出水管上的流量开关，和报警阀压力开关的信号直接自动启动消防水泵。“图集”规定：稳压泵的流量应满足在3min内补足气压水罐内实际稳压水容积所需流量，且稳压水容积应大于50L。 从“图集”中给定的稳压设备型号看，所有气压水罐内的稳压水容积均小于150L，当按150L计算3min内补足气压水罐内实际稳压水容积所需流量时，稳压泵流量为0.83L/s，与“图集”选定的稳压泵流量一致。所以笔者认为稳压泵的流量可参考1L/s，并非一定大于1L/s。 3 稳压泵的设计压力“水消规”第5.2.2 条要求：“高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施，且最低有效水位应满足水灭火设施最不利点处的静水压力”。其中，第1 款第3 款提出了不同类型的建筑物的静压要求，第4款提出“自动喷水灭火系统等自动灭火系统应根据喷头灭火需求压力确定，但最小不应小于0.1MPa”。现行的GB 50045-95 高层民用建筑设计防火规范（2005年版）（以下简称“高规”）第7.4.7.2 条规定“高位消防水箱的设置高度应保证最不利点消火栓静水压力。当建筑高度不超过100m时，高层建筑最不利点消火栓静水压力不应低于0.07MPa；当建筑高度超过100m时，高层建筑最不利点消火栓静水压力不应低于0.15MPa。当高位消防水箱不能满足上述静压要求时，应设增压设施” 。GB 50084-2001 自动喷水灭火系统设计规范（2005 年版）（以下简称“喷规”）第10.3.1条规定“采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，应设高位消防水箱，其储水量应符合现行有关国家标准的规定。消防水箱的供水，应满足系统最不利点处喷头的最低工作压力和喷水强度” 。“喷规”第5.0.1条规定“在民用建筑和工业厂房（本文讨论仅考虑净空高度8m的建筑）的系统设计参数中系统最不利点处喷头的工作压力不应低于0.05MPa”。从现行的几本规范可以看出，高位消防水箱的设置高度首先应满足水灭火设施最不利点静水压力要求，当能到达静水压力要求时，不设稳压装置，只有在不满足静水压力要求时，才设稳压装置。很明显，设置稳压装置的目的是为了满足灭火设施最不利点静水压力要求。但“图集”说明第十二条解释为“设备的增压标准：p1值应满足消防给水系统最不利点所需的消防压力，如消火栓给水系统，必须满足最不利点消火栓水枪喷射充实水柱长度，不能只按满足静水压0.07MPa或0.15MPa为增压标准”。“图集”解释很显然与规范冲突。如果按照“图集”解释设置增压稳压装置为了满足最不利点所需的消防压力，那么对于消火栓系统（设一个消火栓流量5L/s， 19 消防水枪，25m长DN65衬胶水带，计算所需的栓口压力为0.19MPa）3，当高位消防水箱的设置高度满足静水压力要求0.15MPa时，不设稳压装置，但很显然0.15MPa满足不了最不利点消火栓的栓口压力。也更满足不了“水消规”第7.4.12条第2款“高层建筑、厂房、库房和室内净空高度超过8m 的民用建筑等场所，消火栓栓口动压不应小于0.35MPa；其他场所，消火栓栓口动压不应小于0.25MPa”的规定。按照“图集”的计算方法计算，执行“水消规”消火栓栓口动压不应小于0.35MPa、 0.25MPa”的规定，相信很多设置稳压装置的高层建筑的消防系统，底层水灭火设施的静水压力要大于1.0MPa，按照“水消规”6.2.1条第2款“消火栓栓口处静压大于1.0MPa，消防给水系统应分区供水”。这样以来，对于时刻待命的消防系统来说，运行与管理成本无疑增大，而且增加了泄漏与爆管的几率，既不经济，也不环保。根据规范的标准性与一致性，笔者认为，稳压泵的设计压力应大于高位消防水箱最低有效水位与水灭火设施最不利点处的高差，同时应满足“水消规”第5.3.3条第3款“稳压泵的设计压力应保持系统最不利点处水灭火设施在准工作状态时的静水压力应大于0.15MPa”即可。稳压泵的设计压力PW计算如下：1）稳压泵位于底层水泵房从消防水池吸水时，PWha+15（m H2O）ha自消防水池最低水位至最不利点水灭火设施处的几何高度（m H2O）2）稳压泵位于屋顶高位水箱间从消防水箱吸水时，PW15-hb（m H2O）hb自消防水箱最低水位至最不利点水灭火设施处的几何高度（m H2O）5 稳压装置气压水罐的选用从“图集”中选用的隔膜式气压罐总储水容积VXf 由消防储水容积VX、调节容积VS、缓冲水容积VP三部分组成可知，气压水罐的作用：一是提供在消防主泵启动过程中一定的消防用水；二是使稳压泵不必频繁启动，控制稳压泵的启停；三是防止消防主泵误启动。根据玻义耳-马略特定律有推出以下结论1： （公式3-1） （公式3-2） （公式3-3）要选定气压水罐，首先应确定消防储水容积VX和四个压力值：P1、P2、PS1、PS2。VX从“图集”可知用于消火栓给水系统的气压水罐储水容积不小于300L；用于自动喷水灭火系统的气压罐储水容积不小于150L；用于消火栓及自动喷水灭火系统的气压罐储水容积不小于450L。此处需要解释的是“图集”中的启泵压力P2与“水消规”中自动启泵压力设置点处设置的自动启泵压力P2并非一个压力值。 “水消规”第11.0.4条规定“消防水泵应由水泵出水干管上设置的压力开关、高位消防水箱出水管上的流量开关，或报警阀压力开关等信号直接自动启动消防水泵。条文说明的解释为：压力开关通常设置在消防水泵房的主干管道上或报警阀上”。前者P2指的是气压水罐中的压力，后者P2指的是消防水泵房的主干管道上或报警阀上压力开关的启泵压力值。“水消规”第5.3.3条第2款要求“稳压泵的设计压力应保持系统自动启泵压力设置点处的压力在准工作状态时大于系统设置自动启泵压力值，且增加值宜为0.07MPa0.10MPa”。根据伯努力方程可以推出：P2-P2=自气压水罐至压力开关的几何高度的静水压力值；设置压力开关的自动启泵压力时，需经过相关换算。但如选用“图集”中稳压装置时，启泵压力仍按P2计算。可得到：P2=PW-(0.070.1)（MPa）;根据“图集”知：PS1=P2+(0.020.03)（MPa）；PS2=PS1+(0.050.06)（MPa）。从上文可求得PS1、PS2、P2，当设定b 时，可得P1=PS2b 4。将VX、PS1、PS2、P2、P1代入公式3-1、3-2、3-3，可分别求出V、VS、VP，校核VS是否满足“水消规”第5.3.4 条“气压水罐调节容积应根据稳压泵启动次数不大于15 次/h”的要求，不满足时，调节b值，重新进行计算。6 稳压装置的实例计算已知：某高层住宅的室内消火栓用水量20L/s，消防水泵房、消防水池位于地下一层，消防水池最低有效水位-3.10m；屋顶高位消防水箱最低有效水位为56.25m，最不利消火栓栓口标高为52.10m；高位水箱的设置高度不满足最不利点消火栓的静水压力要求，在消防水泵房内设置稳压装置，稳压泵从消防水池吸水，VX=300L。稳压泵设计流量1L/s。计算过程如下：（单位均采用m H2O）PW=52.10-(-3.10)+20=75.2，取PW=76P2=PW-10=66PS1=P2+3=69PS2=PS1+6=751）“图集”中设定b=0.60.85，令b=0.60；可得：P1=PS2 b =750.6=45，V=942LVS=49LVP =28L校核：“水消规”第5.3.4条要求“气压水罐调节容积应根据稳压泵启泵次数不大于15 次/h 计算确定”。稳压泵设计流量QW=1L/s，气压水罐调节容积最小为气压给水设计规范（CECS76:95）第4.3.6.4 条要求稳压水容积不得少于50L。综合以上两条，气压水罐调节容积应大于二者中较大者，但是VS=49LV=60L，不满足要求。2）令b=0.65，可得P1=PS2b =750.65=48.75，V=1148LVS=64LVP =36L3）令b=0.70，可得P1=PS2b =750.7=52.5，V=1466LVS=89LVP =50L4）令b=0.8，可得P1=PS2b =750.8=60，V=3300LVS=229LVP =130L5）令b=0.85，可得P1=PS2b =750.85=63.75，V=8800LVS=650LVP =369L由以上计算可知，工作压力比b=0.65，0.70，0.80，0.85 时，校核均满足要求；但是b=0.70，0.80，0.85 时，气压水罐容积过大，造成浪费，因此取