干式消火栓系统电气控制方案分析

2023-09-01丁宝华杨爱新

山西建筑 2023年18期

丁宝华，杨爱新

(1.中海油石化工程有限公司,山东济南 250013; 2.济南工程职业技术学院,山东济南 250200)

0 引言

GB 50794—2014消防给水及消火栓系统技术规范[1]实施以来,越来越多建设地位于北方的工程中采用了干式消火栓系统,并由此产生了一系列的问题。

干式消火栓系统在消防规范中早有介绍并在项目中应用,但在电气相关标准、规范、图集中一直未曾提及,各类文献中也很难找到有关干式消火栓系统电气控制方案的介绍。进行干式消火栓系统电气设计时,能够参考的资料也只有文献[2]第67页中的“干式消火栓系统示意图”,但该图深度无法满足电气专业施工图设计的要求。另外,不同设计院、图审机构、验收部门、设备厂家对干式消火栓系统电气控制方案也有着不同的理解,导致工程中干式消火栓系统的电气设计方案五花八门,有的甚至存在明显的安全隐患。因此,找到一种合理、可靠且满足规范要求的干式消火栓系统电气控制方案势在必行。

本文结合工程实例,对干式消火栓系统常见的电气控制方案进行了分析,并提出了一种新的解决方案。

1 干式消火栓系统介绍

顾名思义,湿式消火栓系统是指平时消防水管中充满水的消火栓系统,干式消火栓系统则指的是消防水管平时处于无水状态,发生火灾时打开设在进水管上的阀门向消防水管内充水,充水后干式消火栓系统转换成湿式系统[3]。文献[1]规定:“室内环境温度不低于4 ℃,且不高于70 ℃的场所,应采用湿式消火栓系统”“室内环境温度低于4 ℃或高于70 ℃的场所,宜采用干式消火栓系统”。室内环境温度经常低于4 ℃时,需要考虑管内一直充水会出现冰冻的危险,因此北方冬季无采暖的建筑物或敞开式厂房中常采用干式消火栓系统。

文献[1]规定:干式消火栓系统的充水时间不应大于5 min。设计时通常会在进入建筑物前的供水干管上设置2个电磁阀或电动阀,电磁阀或电动阀设置在阀门井内,发生火灾时通过室内消火栓按钮开启电磁阀或电动阀供水。因为电磁阀启动时间短且价格便宜,而电动阀启动时间长且价格较高,多数工程采用失电开启型电磁阀(DC 24V/AC 24V),部分工程也会采用电动阀(AC 380V)。

2 电气设计方案分析

在项目提资阶段,消防专业给电气专业的设计条件通常较为简单。一般要求如下:“消火栓系统进水管上设置快开式电磁阀(DC 24V),电磁阀采用失电开启型;在室内消火栓箱处设置手动按钮,平时室内管网保持无水,当发生火灾时通过室内任一消火栓箱处的手动按钮打开电磁阀供水。”因提资阶段无订货资料,消防专业无法给出电磁阀功率,也很难给出更详细的控制要求。

本文将结合工程实例,对干式消火栓系统电气控制方案按照有、无火灾自动报警系统分别来进行分析。

2.1 无火灾自动报警系统时的干式消火栓系统

某工业厂房内未设置火灾自动报警系统,项目建设地位于北方且无采暖,消防专业设置了干式消火栓系统并在进水管上设置失电开启型电磁阀。这种情况下,因为厂房内无火灾报警系统,无法获得DC 24V电源。电气专业一般会建议电磁阀电压选择AC 24V,设计简易接线方式如图1所示。

图1中,电磁阀采用AC 24V电源供电,现场设置1个电磁阀控制箱,将AC 220V电源送至控制箱,箱内设置AC 220V/AC 24V变压器为电磁阀供电。如图1所示,将厂房内所有消火栓箱处手动按钮的常开接点(自保持)并联后通过中间继电器ZJ转换为常闭接点,然后与电磁阀供电回路串联。正常状态下,所有消火栓箱处手动按钮接点均处于断开状态,电磁阀处于得电关闭状态。火灾状态,按下厂房内任一消火栓箱处手动按钮,ZJ线圈得电,与电磁阀串联的常闭接点ZJ断开,电磁阀失电开启,从而给室内消火栓管网充水。

该方案中,需要按钮提供一对无源常开接点(AC 24V),但大多数品牌消火栓按钮只有一对DC 24V常开接点或者没有常开接点。如采用图1所示方案,将不能直接利用消火栓按钮作为启动电磁阀的按钮,需要在每个消火栓箱处额外设置手动按钮。

另有一种观点:将所有消火栓箱处手动按钮的常闭接点(带自锁)首尾串联,然后接入电磁阀供电回路也可实现上述功能,无需增加中间继电器,简易接线方式见图2。

图2中手动按钮采用常闭接点与电磁阀供电回路串联,当按钮接触不良或所在线路断线时,电磁阀会误动作,导致水管内充满水。如厂房内消火栓箱数量较多,对应设置手动按钮数量较多,电磁阀误动作的几率将会显著增加。

当电磁阀电压选用AC 220V,其他条件不变时,上述图1、图2方案仍可采用,需注意按钮、中间继电器电压也应选择AC 220V。此时,直接采用AC 220V为电磁阀供电,其他接线方式同图1、图2。考虑到电磁阀一般安装于地下阀门井内,采用AC 24V更为安全,工程中一般推荐选择AC 24V电磁阀。

2.2 有火灾自动报警系统时的干式消火栓系统

某工业厂房内设置了火灾自动报警系统,其他条件同2.1,这种情况下,一般电磁阀电压选择DC 24V。

2.2.1 常见做法及问题分析

常见做法为:在电磁阀附近设置一个模块箱,模块箱内设有输入输出模块,电磁供电和控制通过输出模块,信号反馈通过输入模块,所有消火栓按钮均通过信号总线接入火灾自动报警系统。简易接线如图3所示。

本文分两种情况对图3方案进行分析。

1)建筑物内单独设置火灾报警联动电源箱时,DC 24V电源通过电源箱直接引接。发生火灾时,按下任一消火栓按钮,消火栓按钮信号通过总线反馈至火灾自动报警系统主机,火灾自动报警系统以此为判据发出指令来实现电磁阀断电开启,理论上可实现按下消火栓按钮直接开启电磁阀的要求。另有观点认为:该接线方案属于联动控制,还应增加通过硬接线将消火栓按钮与电磁阀相连来直接控制电磁阀的开启。

2)建筑物未单独设置火灾报警联动电源箱时,DC 24V电源直接通过联动电源总线接入。这种情况下未考虑电磁阀容量和电流的大小,电磁阀可能会无法供电而一直处于打开状态。分析如下:

干式消火栓系统进水管以DN100以上居多,对应设置的电磁阀功率一般在30 W以上,以电磁阀功率30 W为例,电流约为1.25 A。一般火灾报警控制器总线回路电流为200 mA,远小于电磁阀额定电流。因此,根本无法通过火灾报警电源总线为电磁阀供电。

上述方案(1)理论上可行,属于有争议的方案;方案(2)则属于明显的错误方案。

2.2.2 建议解决方案及分析

1)项目情况介绍。本项目建设地位于山东省潍坊市,为一大型精细化工项目,其中10多个厂房/仓库采用了干式消火栓系统。各厂房/仓库内均设置了火灾自动报警系统,有部分厂房/仓库未单独设置联动电源。

2)消防专业设计要求。每个厂房/仓库的干式消火栓系统进水管入户处设置了2个失电开启型电磁阀(DC 24V,32W),2个电磁阀分别位于建筑物两侧的阀门井内,要求消火栓箱内设置消火栓按钮,火灾时可通过任意一个消火栓按钮均可同时启动2个电磁阀供水。

3)电气控制方案分析。

a.建筑物内设置火灾报警联动电源箱。以成品车间为例,该建筑物共5层,正常环境,室内共设置了25个消火栓按钮,建筑物内设置了单独的火灾报警联动电源箱,可提供DC 24V电源。简易接线如图4所示。

该方案需专门设置1个电磁阀接线箱,消火栓按钮与电磁阀之间的接线均通过接线箱,DC 24V中间继电器ZJ1,ZJ2安装在接线箱内。

图4(a)中,所有消火栓按钮均通过信号总线接至火灾自动报警系统。图4(b)中,将建筑物内所有消火栓按钮的常开接点并联后通过中间继电器ZJ1转换为常闭接点与电磁阀供电回路串联;中间继电器ZJ2线圈通过图4(a)中I/O模块供电,ZJ2的常闭接点也与电磁阀供电回路串联。

当发生火灾时,按下建筑物内任一处的消火栓按钮,该消火栓按钮常闭接点闭合并自保持,中间继电器ZJ1得电,与电磁阀供电回路串联的常闭接点ZJ1断开,电磁阀失电开启,从而给室内管网充水。同时,该消火栓按钮动作信号通过火灾报警总线反馈至火灾自动报警系统主机,火灾报警系统联动断开中间继电器ZJ2电源,与电磁阀供电回路串联的常闭接点ZJ2断开,电磁阀失电开启。

b.建筑物内未设置火灾报警联动电源箱。以中间体车间为例,该建筑物共4层,为爆炸危险2区环境,室内共设置了72个消火栓按钮,因火灾自动报警系统点数较少,故建筑物内未设置单独的火灾报警联动电源箱。此种情况下,电磁阀的供电可采取以下两种方案:

方案1:在建筑物内增加1个防爆型DC 24V电源箱为电磁阀供电,电源箱采用AC 220V输入,DC 24V输出,其他同图4方案。

方案2:在附近正常环境的建筑物内设置集中式DC 24V电源箱,同时为附近多个建筑物内的干式消火栓系统提供DC 24V电源,其他同图4方案。

4)线路电压降计算。采用上述3)b.中的方案2时,需要根据电磁阀功率、电缆截面、距离等计算线路电压降,并以此来判断电磁阀是否能够正常工作。

以本项目中间体车间为例,DC 24V电磁阀为2个,通过设在附近变配电室内的集中式DC24V电源箱供电,电磁阀供电电源线选择NH-KVV-2×4电缆,距离约为200 m。根据电磁阀厂家资料,电磁阀功率为32 W,正常工作电压为DC 19.2 V～28.8 V,即电压允许波动范围为±20%。因此设计时需要保证电磁阀端电压不低于19.2 V,否则电磁阀将因为电压过低无法关闭一直处于打开状态。

根据《工业与民用供配电设计手册(第四版)》第861页式9.4-1和式9.4-2:

绞入系数Cj=1,电阻温度系数α=0.004,ρ20=0.017 2 (Ω·mm2)/m,实际工作温度按θ=70 ℃。

导线温度为70 ℃时的铜线芯电阻率ρ70=0.020 64 (Ω·mm2)/m[4]。

电压损失百分数计算公式(见式(1)):

(1)

其中,P为线路功率;L为线路长度;U为标称电压;S为线路截面。

代入数据计算得式(2):

(2)

由式(2)计算结果22.93%>20%,可知无法满足电磁阀正常工作电压。可采取加大电缆截面、适当提高DC 24V电源箱出口电压等方法解决。本项目中将DC 24V电源箱出口电压调整为DC 25V,由式(1)计算电压损失百分数约为21.14%,电磁阀端电压约为19.72 V>19.2 V,满足电磁阀正常工作电压的要求。