消防给水系统稳压设备的设计与探讨

曹 杨

(厦门市施工图审查有限公司 福建厦门 361004)

消防给水系统稳压设备的设计与探讨

曹 杨

(厦门市施工图审查有限公司 福建厦门 361004)

消防给水系统稳压设备的设计，包括消防稳压泵的各设计参数值及消防气压水罐各水容积的计算，根据《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014的相关规定对稳压设备的选型计算进行探讨。

消防稳压泵；消防气压水罐；工作压力；工作压力比

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引 言

国家标准《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014(以下简称《消水规》)于2014-10-01开始实施，其中《消水规》第5.3.2及5.3.3条对稳压泵的设计流量、设计压力仅提出原则性要求，对其具体的设计参数未明确说明及规定，相应的国标图集未能及时更新。实施近半年中在施工图审查过程中，发现设计人员往往各持己见，根据各自的理解和设计经验进行设计，造成稳压泵设计参数与气压水罐规格不匹配、系统差异很大，与系统相应设置的高位消防水箱出水管上的流量开关，消防水泵出水干管上设置的压力开关，及消防系统防超压措施的泄压阀等设计参数不匹配，或相互矛盾，使消防稳压设备未能充分发挥其有效作用。因此笔者根据《消水规》的规定，经过查阅相关资料，并征求各方意见，提出自己的观点和具体实施意见，供参考与指正。

1 消防给水系统稳压设备的工作原理：

1.1 稳压设备的形式

根据《消水规》第5.2.2条和第5.3.4条规定：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；设置稳压泵的临时高压消防给水系统应设置气压水罐。故消防稳压设备应由气压水罐、稳压水泵、电控柜、管道等组成。根据稳压设备设置位置分上置式和下置式；根据系统分：消火栓给水系统、自动喷水灭火系统、消火栓及自动喷水灭火合用系统。消火栓给水系统又分：室外消火栓给水系统、室内消火栓给水系统。

1.2 稳压设备的工作原理

图1 稳压设备工作原理

图1：P0—气压水罐无水时的起始压力 P1—气压水罐设计最低工作压力 P2—消防主泵启泵压力 Ps1—稳压泵启泵压力 Ps2—稳压泵停泵压力 (图中压力均为绝对压力MPa)

Vx—消防储水容积

Vh—缓冲水容积

Vw—稳压水容积

Vq—气压水罐总容积(m3)

Vq1—罐内压力为P2的气体体积(m3)

Vq2—罐内压力为Ps1的气体体积(m3)

Vq3—罐内压力为Ps2的气体体积(m3)

稳压设备工作原理，如(图1)所示：平时稳压泵在Ps1和Ps2之间运行，消防储水容积Vx平时不被动用。当发生火灾时，随着水灭火设施的投入使用，系统压力开始下降，当稳压泵无法满足消防补水量要求，水位降至P2时，报警并开始启动消防主泵灭火。消火栓及自动喷水灭火合用系统，根据《消水规》第11.0.4条还需同时设置其他启泵信号确定启动主泵。

2 消防给水系统稳压设备设计参数的确定

2.1 稳压设备设计压力的确定

根据《消水规》第5.3.3条规定：1 稳压泵的设计压力应满足系统自动启动和管网充满水的要求；2 稳压泵的设计压力应保持系统自动启泵压力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0.07MPa～0.10MPa；3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。

2.1.1 气压水罐最低工作压力P1的确定

P1= P-0.01h1

P—最不利点处水灭火设施的最低设计压力值(MPa)，根据《消水规》第5.3.3条规定P为系统最不利点处水灭火设施在准工作状态时的静水压力，故取0.15MPa。

h1—气压水罐最低水位与最不利点处水灭火设施的几何高差(m)；当气压水罐高于最不利点处水灭火设施时，h1为正值；当气压水罐低于最不利点处水灭火设施时，h1为负值。

笔者为简化计算按稳压设备上置式设计h1取0 故P1= 0.15MPa

在《消水规》未执行前，因规范未明确稳压泵的设计压力，P值是按最不利点处水灭火设施的最低工作压力计算，设计还要考虑气压水罐至最不利点处水灭火设施的管道损失。执行《消水规》后设计应注意0.15MPa为最不利点处水灭火设施的静水压力。

2.1.2 消防主泵启泵压力P2(MPa)

根据《气压给水设计规范》CECS76：95第3.2.4条公式(3.2.4)

P2=(P1+0.098)/αb-0.098

式中：P2—消防主泵启泵压力(表压,MPa)； αb—气压罐内的工作压力比(以绝对压力计)，宜采用0.65～0.85

2.1.3 稳压泵启泵压力PS1(MPa)

根据《气压给水设计规范》CECS76：95第4.3.9条规定：气压水罐的缓冲水容积的压差为0.02MPa，即P2- Ps1=0.02MPa Ps1=P2+0.02

2.1.4 稳压泵停泵压力PS2(MPa)

根据《气压给水设计规范》CECS76：95第4.3.10条规定：气压水罐的稳压水容积的压力差为0.05MPa, 即PS1-PS2=0.05MPa Ps2=Ps1+0.05

2.1.5 消防稳压泵的扬程Hb(MPa)

稳压水泵设计两台(一用一备)

稳压水泵扬程Hb=(Ps1+Ps2)/2-0.01h3=(Ps1+ Ps2)/2

式中：h3—稳压泵与吸水的消防水池或水箱的高差，当稳压泵与消防水池或水箱设于同层时，h3可取值为0。稳压泵扬程应在水泵曲线高效区取值。

2.1.6 根据以上公式计算如(表1)。

表1 稳压设备各工作压力表(MPa)

复核(表1)稳压泵最高工作压力与最低工作压力差△P=PS2-P2=0.07MPa 满足《消水规》第5.3.3条第2款规定：稳压泵的增加值宜为0.07MPa～0.10MPa的要求。

2.2 气压水罐容积的确定

2.2.1 气压水罐的规格：

⑴气压水罐的工作压力(MPa)：0.6、1.0、1.6

⑵气压水罐的总容积Vq(m3)：

参考国标图集98S205消防系统常用隔膜式气压水罐的尺寸为：∮800×2400 Vq=0.84m3、∮1000×2480 Vq=1.41 m3、∮1200×2670 Vq=2.5 m3、∮1200×2670 Vq=2.50 m3

2.2.2 气压水罐的消防储水容积Vx(m3)

根据《气压给水设计规范》CECS76：95公式4.3.5

Vx= (1-αb)/β ×Vq

式中：β—气压水罐的容积系数，β=P1/P0，隔膜式气压水罐取1.05；

2.2.3 气压水罐的缓冲水容积Vh(m3)及稳压水容积Vw(m3)

根据波义耳-马略特定律：

Ps1Vq2=P2Vq1=Ps2Vq3=P0Vq

β=P1/ P0P0=P1/β

Vh=Vq1-Vq2=(P0Vq)/P2-(P0Vq)/PS1=(PS1-P2)(P0Vq)/(Ps1P2)= (0.02×P1×Vq)/(βPs1P2)

Vw=Vq2-Vq3=(P0Vq)/Ps2-(P0Vq)/Ps1=(Ps2-Ps1)(P0Vq)/(Ps1Ps2)=(0.05×P1×Vq)/(βPs1Ps2)

2.2.4 根据以上公式计算出气压水罐∮800×2400不同工作压力比αb时气压水罐各容积见(表2)：

表2 气压水罐各水容积表(m3)

注：(表1)所有压力值均为表压，在计算容积时应转换为绝对压力值，即绝对压力=表压+0.098

2.2.5 气压水罐容积设计小结

(表2)气压水罐消防储水容积Vx是根据气压水罐的总容积Vq和αb值确定的，再根据(表1)各工况压力值分别计算出其他水容积，最后复核消防储水容积Vx应大于150L方满足规范要求。而《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(2005年版)第7.4.8.2条规定：气压罐的调节水容量宜为450L；即消火栓给水系统消防储水容积不小于300L, 自动喷水灭火系统消防储水容积不小于150L，合用系统消防储水容积不小于450L。原规范是考虑消防主泵在火警30s内启泵，故消防储水容积应储存火灾初期2个消火栓10L/s和4个喷头5L/s使用30s的消防水量。而《消水规》第5.3.4条：规定气压水罐其调节容积应根据稳压泵启泵次数不大于15次/h计算确定，但有效储水容积不宜小150L。这里《消水规》未明确有效储水容积是指气压水罐总有效水容积Vq4还是消防储水容积Vx，通过上述推理计算，∮800及以上规格气压水罐的有效水容积均会大于150L，故笔者认为规范中所指的有效储水容积应是气压水罐的消防储水容积Vx，即对应原规范自动喷水灭火系统消防储水容积不小于150L的要求。这里新消规大大减少了消火栓及合用系统的气压水罐消防储水容积，是否是《消水规》新增加消防水泵压力开关启泵和高位消防水箱出水管流量开关启泵的控制要求，而消防稳压设备只需满足管网充水和系统自动启动的要求。

2.3 消防稳压设备流量的选择

消防稳压泵流量qb(L/s)根据《消水规》第5.3.2条规定：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。

2.3.1 消防给水系统管网的正常泄漏量的计算，可参照《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268-2008)规定(见表3)：

表3 压力管道水压试验的允许渗水量

该规范允许渗水量为验收标准，不是运行时的管道渗水量，运行时的管道渗水量会大一些，允许渗水量与管材、管径、接口方式有关，球墨铸铁管是钢管的2.5倍，该标准为室外给排水管道，室内管道渗漏量应小于室外管道渗漏量。一般在工程中很难精确计算管网的正常泄漏量，宜按消防给水设计流量的1%～3%计，即使设计流量100L/s时，其1%才为1L/s。1L/s反算DN150的钢管允许渗水长度约143 km，DN150的球墨铸铁管允许渗水长度约57 km，故消防给水系统管网的正常泄漏量是不会超过1L/s。

2.3.2 消防系统自动启动流量即考虑自动喷水灭火系统报警阀等压力开关需要一定的流量才能启动，根据《自动喷水灭火系统 第 2部分：湿式报警阀、延时器、水力警铃》GB5135.2-2003第4.10.1条及第4.10.2条规定：报警阀进口压力≥0.14MPa时，系统侧相应放水流量≥60L/min，压力开关和水力警铃均应发出报警信号，故系统自动启动流量应不小于1L/s。

2.4 复核稳压泵的启停次数

2.4.1 为解决稳压泵频繁启停相关规范规定：

《消水规》第5.3.4条规定：设置稳压泵的临时高压消防给水系统应设置防止稳压泵频繁启停的技术措施，当采用气压罐时，其调节容积应根据稳压泵启泵次数不大于15次/h计算确定，但有效储水容积不宜小于150L。

2.4.2 稳压泵启泵次数nq(次/h)

根据《气压给水设计规范》CECS76：95公式3.2.5

气压罐的调节水容积 (m3) Vw=αaqb/4nq

式中：Vw—气压水罐的调节水容积:即为气压水罐的稳压容积

αa—安全系数，取1.1；

qb—稳压泵的出水流量(m3/h)，为3.6(m3/h)；

nq—稳压泵在1h内的启动次数，不大于15次；

故Vw=(αaqb)/(4nq)=0.066(m3)

只有稳压水容积大于66L时，稳压泵启泵次数才不大于15次/h。稳压泵流量与稳压水容积有关，若气压水罐容积不变，稳压泵流量不宜过大，否则会造成稳压泵频繁启停，同时稳压泵流量增加也会延迟向消防主泵发出启泵信号。所以消防稳压泵流量当消防给水设计流量小于100L/s时取1L/s即可满足规范要求。

3 消防给水系统稳压设备设计举例

一栋建筑高度小于50m的二类高层公共建筑，屋顶消防水箱设置高度不满足《消水规》第5.2.2条第2款规定，故设置消防稳压设备。

3.1 方案一

稳压设备为上置式设于屋顶消防水箱间，气压罐最低水位与最不利点处消火栓的几何高差h1约4(m)。为计算方便h1忽略不计，故P1=0.15 MPa。计算结果见(表4)：

表4 稳压设备的设计参数计算表

经比选设计选用25LGW3-10×3稳压泵两台(一用一备qb=1L/s Hb=28m N=1.5Kw)；稳压泵运行压力值见上表序号1；SQL800×0.6的立式隔膜式气压罐一台

3.2 方案二

稳压设备为下置式：设于底层消防泵房，稳压泵从消防水池吸水，气压罐最低水位与最不利点处消火栓的几何高差h1约55(m)，P1=0.70MPa。计算结果见(表5)：

表5 稳压设备的设计参数计算表

根据(表5)计算结果序号4、5均满足Vx>150L和Vw>66L的要求，经比选选择αb大值可降低稳压泵扬程，故设计选用25LGW3-10×9稳压泵两台(一用一备 qb=1L/s Hb=89m N=2.2Kw)；稳压泵运行压力值见上表序号5 ；SQL1200×1.0的立式隔膜式气压罐一台。

3.3 方案一、二比选

通过消防稳压设备的计算结果分析，上置式气压水罐选∮800，下置式气压水罐选∮1000及以上规格，在不同αb值均满足要求时宜取上限值。故稳压设备上置式优于下置式，上置式气压水罐的总容积小，气压水罐的工作压力低，配置的稳压泵扬程低，节省钢材、降低投资、节约能耗、更安全可靠。

4 结论

通过以上计算分析及探讨，消防给水系统稳压设备的设计，应按以下步骤设计：

⑴根据稳压设备的形式确定P1和qb值

⑵当qb值为1L/s时，以Vw大于66L选取气压水罐的尺寸Vq及αb值

⑶以αb值计算出P2、Ps1、Ps2、Hb值

⑷以αb和Vq值计算出Vx值(这里应复核Vx是否大于150L).

⑸以P2、Ps1、Ps2值计算Vh、Vw值.

⑹选定稳压泵的型号、气压水罐的规格、注明相应的P2、Ps1、Ps2、qb、Hb值。

设计时也可编程一个计算表格，输入P1、确定Vq和αb值即可计算出各稳压设备运行压力及气压水罐有效储水容积，选择符合规范要求的稳压设备。

消防给水系统稳压设备应根据具体工程，依据相关规范，根据不同的工况确定稳压泵的设计参数及气压水罐有效储水容积，而不是机械的套用图集，只有合理的选择各设计参数，稳压泵才能满足消防系统自动启动和管网充满水的要求，做到消防系统即运行可靠、又经济合理。

[1]GB50974-2014，消防给水及消火栓系统技术规范[S].

[2]CECS76：95，气压给水设计规范[S].

[3]GB50045-95(2005年版)，高层民用建筑设计防火规范[S].

[4]GB50268-2008，给水排水管道工程施工及验收规范[S].

Design and Discussion for Fire Protection Water Supply of Pressurizing Equipments

CAOYang

(Xiamen Hordor construction plan review Co., Ltd., Xiamen, 361004)

The design of fire protection water supply of constant pressure equipment , Including the design parameters of fire make up pump and calculation of the volume of air pressure tank water fire, Discussion in accordance with the relevant provisions of《Technical code for fire protection water supply and hydrant systems》on stabilizing equipment selection calculation.

Fire make up pump；Fire auto-pneumatic cylinder ；Working pressure；Working pressure ratio

曹杨(1968.1- )，女，给排水高级工程师。

2015-03-25

TU991

A

1004-6135(2015)04-0095-04