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消防稳压装置的合理选用
摘要 本文根据《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014）对稳压装置的要求，针对稳压装置所配置的稳压泵和气压水罐的计算，分析了稳压装置实际应用中所存在的问题，并提出自己看法。
关键词 稳压装置 稳压泵 气压水罐 工作压力比
Rational use of fire protection pressure stabilizer
Yang Fubin Du Na
(China Northwest Architecture Design Research Institute，xian 710018)
Abstract：According to the requirements of pressure stabilizer based on 《Technical code for fire protection water supply and hydrant systems》，this paper proposed the calculation methods of make up pump configured to pressure stabilization and pneumatic water tank，analysed the problems of the actual application of pressure stabilizer and gave the solutions.
Keywords:Pressure stabilizer；Make up pump；Pneumatic water tank；Working pressure ratio
《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB50974-2014）（以下简称“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“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：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（为了方便计算，文章中出现的压力均为绝对压力）。
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）
V△P 缓冲水容积
VX 消防储水容积
VXf 总储水容积
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示意图
2稳压泵
2.1稳压泵的设计流量
“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，稳压泵设计流量的影响因素有以下两点：一是正常泄漏量。在《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）第9.2.11条要求：“钢管允许渗水量：DN100 q≤0.28L/min·km；DN150 q≤0.42L/min·km；DN200 q≤0.56L/min·km”。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。二是系统自动启动流量。“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”。由此可知，规范中要求产品的最低启动流量不得大于60L/min（即1L/s）。综合以上两项影响因素，可知稳压泵的设计流量不应小于1L/s，这是稳压泵设计流量的下限值。但是稳压泵的设计流量也不应太大。设计流量过大，气压水罐调节容积过大，气压水罐总容积也相应变大；并且当发生火灾时，气压水罐的压力无法迅速降低到消防主泵启动的压力，导致消防主泵无法及时启动。
2.2稳压泵的设计压力
笔者认为稳压泵的设计压力PW=PS2。由PS2= PS1+(0.05～0.06)（MPa）[2]、PS1=P2+(0.02～0.03)（MPa）得出PS2=P2+(0.07～0.09)（MPa），则PW=P2+(0.07～0.09)（MPa）。这与“消规”第5.3.3条第2款的要求 “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0.07MPa～0.10MPa”基本一致。这里，需要明确规范中两个名词的含义：一“自动启泵压力值”指的是自动启动消火栓主泵的压力值，即P2；二“准工作状态”指的是消防主泵启动前，稳压装置维持系统使其能够保证最不利点消防所需压力的状态，即P1。“消规”第5.3.3条第3款要求“稳压泵的设计压力应保持系统最不利点处灭火设施在准工作状态时的静水压力应大于0.15 MPa”，应理解为PS2的设计值应使系统最不利点处水灭火设施的压力大于该处的P1值，且大于值不应小于0.15 MPa，即稳压泵的设计压力PW=PS2> P1+0.15（MPa）。
3稳压装置气压水罐的选用
气压水罐的作用：一是提供在消防主泵启动之前有一定的消防用水；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。
“图集”中明确气压水罐总储水容积VXf包括三个部分：消防储水容积VX、调节容积VS、缓冲水容积V△P，如图1所示。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。
气压水罐应能确保在消防主泵全负荷启动运行之前，气压水罐内应储存足够消防压力的水进行初期火灾扑救，这个储水量就是气压水罐的消防储水容积VX。“消规”第5.3.4条要求“有效储水容积不宜小于150L”，笔者认为此容积应经计算确定。对于消防水泵启动时间，“消规”第11.0.15条规定：配用电机功率≤132kW，消防水泵直接启动时间<30s；配用电机功率>132kW，消防水泵直接启动时间<55s。消防储水容积VX计算见下表，其中一股消火栓水柱设计流量应根据选用水枪直径、充实水柱等参数确定[7]，这里表示为qXH；一个自喷喷头设计流量根据最不利点处工作压力和喷头流量系数确定[8]，这里表示为qZP：
表1气压水罐消防储水容积VX
配用电机功率
消防系统
配用电机功率≤132kW 消防水泵直接启动时间<30s
配用电机功率>132kW 消防水泵直接启动时间<55s
消火栓系统
一股水柱到达
qXH×30
qXH×55
两股水柱
同时到达
qXH×30×2
qXH×55×2
自动喷水灭火系统
（5个喷头流量）
qZP×30×5
qZP×55×5
根据稳压装置所在位置、最不利点消火栓（或喷头）所需压力及管道水头损失等很容易计算出最不利点消防压力P1；气压水罐工作压力比αb在0.6～0.85之间（根据工作压力比αb的定义：气压水罐最低工作压力与最高工作压力的比值），对于消防气压水罐，最高工作压力为PS2，则αb = P1/PS2 [6] ，求得PS2；由PS1= PS2-(0.05～0.06)（MPa）[2]、P2=PS1-(0.02～0.03)（MPa）[2]求得PS1、P2；根据玻义耳-马略特定律有
V·P1=(V-VX)·P2=(V-VX-V△P)·PS1=(V-VX-VS-V△P)·PS2
推出以下结论：
（公式3-1）
（公式3-2）
（公式3-3）
校核VS是否满足“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αb值，重新进行计算。
4稳压装置应用
稳压装置的设置位置一般有两种：第一，稳压装置设置在屋面水箱间内，与消防高位水箱放置在一起。其优点是稳压泵扬程小，气压水罐压力小，设备造价低；缺点是稳压泵在屋面有震动，会对顶层房间造成影响，因此需做好隔振措施。第二，稳压装置设置在消防泵房内，与其他消防泵放置在一起。其优点是消防水泵集中设置，管理方便；缺点是稳压泵扬程高，气压水罐压力大，设备造价高。实际工程中，应根据实际情况进行方案比较后选择。下文根据实际工程实例，分析稳压装置如何合理选用。
一、屋面稳压装置与消防系统连接管径计算

图2 屋面稳压装置示意图
（1）管①供应初期火灾消防用水量。“消规”第5.2.6条第9款，管①根据消防给水设计流量的出水要求计算，且不应小于DN100。《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2001（2005年版））第10.3.3条第2款，轻危险级、中危险级场所，消防水箱的出水管管径不应小于80mm；严重危险级和仓库危险级，不应小于100mm。
（2）管②为稳压泵的吸水管，这个管径一般很小，根据稳压泵的设计流量及流速确定。
（3）管③为稳压装置的出水管，根据室内消火栓系统一股消火栓设计流量或者两股消火栓设计流量，自动喷水灭火系统5个喷头设计流量来计算管径。
下面举例说明屋面消火栓稳压装置的计算过程。
已知：高层住宅（H=90m）的室内消火栓用水量20L/s，地下室设置消防水池及室内消火栓泵，屋面水箱间内设置消防专用水箱及消火栓稳压装置。气压罐内最低工作水位至最不利点消火栓高差4米，管路长度为20米，室内消火栓泵配用电机功率<132kW。计算过程如下：
（1）根据“消规”第5.3.2条第2款要求，稳压泵流量按3%设计流量计算：3%×20=0.60L/s<1 L/s，稳压泵设计流量取1 L/s。
（2）Φ19消防水枪，充实水柱13米，查《全国民用建筑工程设计技术措施：2009年版》P226表7.1.5-3得一支水枪qXH=5.7 L/s。室外消火栓泵配用电机功率<132kW，则气压水罐的消防储水容积VX=qXH×30×2=342L。
（3）最不利点消火栓压力P1计算：
P1=H1+H2+H3
其中，H1为自气压水罐最低工作水位至最不利点消火栓的几何高度；
H2为管道系统的沿程和局部压力损失之和（DN100 Q= qXH×2=11.4L/s i=35.4‰ v=1.33m/s）；
H3为消火栓栓口压力（根据“消规”第7.4.12条第2款，最不利点室内消火栓栓口动压为0.35MPa）；
P1=H1+H2+H3=（-4）+ [35.4‰×20×（1+20%）]+35=31.85m
取0.32MPa（相对压力），因此P1=0.42 MPa（绝对压力）。
（4）取气压罐工作压力比αb=0.60，有
PS2 = P1/αb=0.42/0.60=0.70 MPa
PS1 = PS2－0.05=0.70-0.05=0.65 MPa
P2 =PS1－0.02=0.65-0.02=0.63 MPa
PW =PS2=0.70 MPa
根据公式3-1～3-4得，V=1026.00L，VS=47.35L，V△P=21.05L。
（5）校核：
①“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。
②《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=47.35L<V=60L，不满足要求。
（6）调整αb值，重复计算（4）（5）步骤。
下面为了更清楚的说明这几个参数的选取，笔者分别计算了αb=0.65，0.70，0.75，0.80时各个参数值。

气压罐
工作压力比αb
PS2（MPa）
PS1（MPa）
P2（MPa）
V（L）
VS（L）
V△P（L）
0.65
0.65
0.60
0.58
1239.75
66.76
29.92
0.70
0.60
0.55
0.53
1647.82
104.86
47.48
0.75
0.56
0.51
0.49
2394.00
176.03
80.47
0.80
0.52
0.47
0.45
5130.00
440.79
203.74

由以上计算可知，工作压力比αb=0.65，0.70，0.75，0.80时，校核均满足要求；但是αb=0.70，0.75，0.80时，气压水罐容积过大，造成浪费，因此取工作压力比αb=0.65。
（7）根据V=1239.75L，选用SQL1000-10型气压水罐；根据QW=1L/s，PW= PS2 =0.65 MPa（绝对压力）=0.55 MPa（相对压力）选取稳压泵。
二、室外消火栓稳压装置计算

图3 室外消火栓系统稳压装置示意图
室外消火栓系统稳压装置一般设置在消防泵房内。室外消火栓是供消防车使用的，每个室外消火栓的设计流量可以按照一辆消防车同时使用2支Φ19mm的水枪及充实水柱确定。下面举例说明室外消火栓稳压装置的计算过程。
已知：高层住宅的室外消火栓用水量15L/s，设置消防水池及室外消火栓泵，管网最不利点距离泵房580米，高差3米，气压罐内最低工作水位至泵房室外地面高差4.5米，室外消火栓泵配用电机功率<132kW。计算过程如下：
（1）稳压泵流量按3%设计流量计算：3%×15=0.45L/s<1 L/s，稳压泵设计流量取1 L/s。
（2）Φ19消防水枪，充实水柱13米，一支水枪qXH=5.7 L/s。室外消火栓泵配用电机功率<132kW，则气压水罐的消防储水容积VX=qXH×30×2=342L。
（3）最不利点室外消火栓压力P1计算：
P1=H1+H2+H3
其中，H1为自气压罐内最低工作水位至最不利点消火栓的几何高度；
H2为管道系统的沿程和局部压力损失之和（DN100 Q= qXH×2=11.4L/s i=35.4‰ v=1.33m/s）；
H3为室外消火栓供水压力（从地面算起不应小于0.10MPa）；
P1=H1+H2+H3=(4.5+3.0)+[35.4‰×580×（1+20%）]+10=42.14m
取0.43MPa（相对压力），因此P1=0.53 MPa（绝对压力）。
（4）取气压罐工作压力比αb=0.70时，得PS2 =0.76 MPa，PS1 =0.71 MPa，P2 = 0.69 MPa，V=1474.88L，VS=72.43L，V△P=31.91L。
（5）根据V=1474.88L，选用SQL1000-10型气压水罐；根据QW=1L/s，PW= PS2 =0.76 MPa（绝对压力）=0.66 MPa（相对压力）选取稳压泵。
5小结
本文根据“消规”对稳压装置的要求，分析稳压装置的计算过程；屋面稳压装置与消防系统连接管径的计算；并以工程实例对稳压装置的选用做出分析。在此，强调一下，“图集”中稳压水泵流量均小于1L/s，稳压装置应根据计算合理选用，不应根据“图集”盲目套用，国标图集有待于修编。
参考文献
[1]GB50974-2014消防给水及消火栓系统技术规范[S]
[2]98S205消防增压稳压设备选用与安装[S]
[3]GB50268-2008给水排水管道工程施工及验收规范[S]
[4]GB5135.2自动喷水灭火系统 第2部分：湿式报警阀、延迟器、水力警铃[S]
[5]CECS76:95气压给水设计规范[S]
[6]叶张荣 孙娜.关于消防气压水罐计算的讨论.山西建筑.2014.05[J]
[7]全国民用建筑工程设计技术措施：2009年版[S]
[8]GB50084-2001(2005年版)自动喷水灭火系统设计规范[S]