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消防给水系统稳压设备设计与探讨

摘要 消防给水系统稳压设备设计，包括消防稳压泵各设计参数值及消防气压水罐各水容积计算，根据《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-有关规定对稳压设备选型计算进行探讨。
关键词 消防稳压泵；消防气压水罐；工作压力；工作压力比
Design and discussion for fire protection water supply of pressurizing equipments
CAO Yang
(Xiamen Hordor construction plan review Co. Ltd., Xiamen 361004)
Abstract: 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。
Keywords: Fire make up pump；Fire auto-pneumatic cylinder ；Working pressure；Working pressure ratio
引言
国标《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-(如下简称《消水规》)于-10-01开始实行，其中《消水规》第5.3.2及5.3.3条对稳压泵设计流量、设计压力仅提出原则性规定，对其详细设计参数未明确阐明及规定，对应国标图集未能及时更新。实行近六个月中在施工图审查过程中，发现设计人员往往各持己见，根据各自理解和设计经验进行设计，导致稳压泵设计参数与气压水罐规格不匹配、系统差异很大，与系统对应设置高位消防水箱出水管上流量开关，消防水泵出水干管上设置压力开关，及消防系统防超压措施泄压阀等设计参数不匹配，或互相矛盾，使消防稳压设备未能充足发挥其有效作用。因此笔者根据《消水规》规定，通过查阅有关资料，并征求各方意见，提出自己观点和详细实行意见，供参照与指正。
1 消防给水系统稳压设备工作原理：
1.1稳压设备形式：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款静压规定期，应设稳压泵；设置稳压泵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、管道等构成。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稳压设备工作原理：如图1所示

图1 稳压设备工作原理
图1：P0—气压水罐无水时起始压力 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气体体积（m3） Vq2—罐内压力为Ps1气体体积（m3）
Vq3—罐内压力为Ps2气体体积（m3）
稳压设备工作原理：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，伴随水灭火设施投入使用，系统压力开始下降，当稳压泵无法满足消防补水量规定，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条还需同步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确实定
2.1稳压设备设计压力确实定
根据《消水规》第5.3.3条规定：1 稳压泵设计压力应满足系统自动启动和管网充斥水规定；2 稳压泵设计压力应保持系统自动启泵压力点处压力在准工作状态时不小于系统设置自动启泵压力值，且增长值宜为0.07MPa~0.10MPa；3稳压泵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静水压力应不小于0.15MPa。
2.1.1气压水罐最低工作压力P1确实定
P1＝ P-0.01h1
P—最不利点处水灭火设施最低设计压力值(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设计压力，P值是按最不利点处水灭火设施最低工作压力计算，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 －0098
式中：P2—消防主泵启泵压力(表压,MPa）；
αb—气压罐内工作压力比（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：气压水罐缓冲水容积压差为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：气压水罐稳压水容积压力差为0.05MPa, 即PS1- PS2=0.05MPa Ps2＝Ps1+0.05
2.1.5消防稳压泵扬程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—稳压泵与吸水消防水池或水箱高差，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。
2.16根据以上公式计算如表2.1
表2.1 稳压设备各工作压力表（MPa）
工作压力比αb
P1（MPa）
P2（MPa）
Ps1（MPa）
Ps2（MPa）
Hb(MPa)
0.65
0.150
0.284
0.304
0.354
0.329
0.75
0.150
0.233
0.253
0.303
0.278
0.85
0.150
0.194
0.214
0.264
0.239
复核表2.1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：稳压泵增长值宜为0.07MPa~0.10MPa规定。
2.2气压水罐容积确实定
2.2.1气压水罐规格：
⑴气压水罐工作压力（MPa）：0.6、1.0、1.6
⑵气压水罐总容积Vq(m3)：
参照国标图集98S205消防系统常用隔阂式气压水罐尺寸为：∮800×2400 Vq=0.84 m3、∮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—气压水罐容积系数，β= P1/ P0，隔阂式气压水罐取1.05；
2.2.3气压水罐缓冲水容积Vh (m3)及稳压水容积Vw (m3)
根据波义耳-马略特定律：Ps1Vq2= P2V q1= Ps2Vq3= P0Vq
β=P1/ P0 P0= P1/β
Vh= Vq1- Vq2= (P0Vq)/ P2-(P0Vq)/ PS1=( PS1 P2 ) ( P0Vq)/ (Ps1 P2)= (0.02×P1×Vq)/ (βPs1P2)
Vw = V q2- V q3= (P0Vq)/ Ps2-(P0Vq)/ Ps1=( Ps2- Ps1) (P0Vq)/ (Ps1 Ps2)=(0.05×P1×Vq)/(βPs1Ps2)
2.2.4根据以上公式计算出气压水罐∮800×2400不一样工作压力比αb时气压水罐各容积如下：
表2.2 气压水罐各水容积表(m3)
工作压力比αb
总容积Vq(m3)
储水容积Vx (m3)
缓冲水容积Vh (m3)
稳压水容积Vw (m3)
有效水容积Vq4 (m3)
0.65
0.840
0.28
0.026
0.055
0.361
0.75
0.840
0.20
0.034
0.071
0.305
0.85
0.840
0.12
0.044
0.088
0.252
注：表2.1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2.2气压水罐消防储水容积Vx是根据气压水罐总容积Vq和αb值确定，再根据表2.1各工况压力值分别计算出其他水容积，最终复核消防储水容积Vx应不小于150L方满足规范规定。而《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95()第7.4.8.2条规定：气压罐调整水容量宜为450L；即消火栓给水系统消防储水容积不不不小于300L, 自动喷水灭火系统消防储水容积不不不小于150L，合用系统消防储水容积不不不小于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消防水量。而《消水规》第5.3.4条：规定气压水罐其调整容积应根据稳压泵启泵次数不不小于15次/h计算确定，但有效储水容积不适宜小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有效水容积均会不小于150L，故笔者认为规范中所指有效储水容积应是气压水罐消防储水容积Vx，即对应原规范自动喷水灭火系统消防储水容积不不不小于150L规定。这里新消规大大减少了消火栓及合用系统气压水罐消防储水容积，与否是《消水规》新增长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控制规定，而消防稳压设备只需满足管网充水和系统自动启动规定。
2.3消防稳压设备流量选择
消防稳压泵流量qb （L/s）根据《消水规》第5.3.2条规定：稳压泵设计流量不应不不小于消防给水系统管网正常泄漏量和系统自动启动流量。
2.3.1消防给水系统管网正常泄漏量计算，可参照《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-）表92.11 规定：

表2.3 压力管道水压试验容许渗水量
管道内径
（mm）
容许渗水量（L/min·km）
焊接接口钢管
球墨铸铁管/玻璃钢管
100
0.28
0.70
150
0.42
1.05
该规范容许渗水量为验收原则，不是运行时管道渗水量，运行时管道渗水量会大某些，容许渗水量与管材、管径、接口方式有关，球墨铸铁管是钢管2.5倍，该原则为室外给排水管道，室内管道渗漏量应不不小于室外管道渗漏量。一般在工程中很难精确计算管网正常泄漏量，宜按消防给水设计流量1％~3％计，虽然设计流量100L/s时，其1％才为1L/s。1L/s反算DN150钢管容许渗水长度约143 km，DN150球墨铸铁管容许渗水长度约57 km，故消防给水系统管网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-第4.10.1条及第4.10.2条规定：报警阀进口压力≥0.14MPa时，系统侧对应放水流量≥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不不小于1L/s。
2.4复核稳压泵启停次数：
2.4.1为处理稳压泵频繁启停有关规范规定：
《消水规》第5.3.4条规定：设置稳压泵临时高压消防给水系统应设置防止稳压泵频繁启停技术措施，当采用气压罐时，其调整容积应根据稳压泵启泵次数不不小于15次/h计算确定，但有效储水容积不适宜不不小于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
气压罐调整水容积 (m3) Vw = αaqb/4nq
式中： Vw—气压水罐调整水容积: 即为气压水罐稳压容积
αa—安全系数，取1.1；
qb—稳压泵出水流量（m3/h），为3.6（m3/h）；
nq—稳压泵在1h内启动次数，不不小于15次；
故 Vw = αaqb)/(4nq) =0.066(m3)
只有稳压水容积不小于66L时，稳压泵启泵次数才不不小于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，稳压泵流量不适宜过大，否则会导致稳压泵频繁启停，同步稳压泵流量增长也会延迟向消防主泵发出启泵信号。因此消防稳压泵流量当消防给水设计流量不不小于100L/s时取1L/s即可满足规范规定。
3消防给水系统稳压设备设计举例
一栋建筑高度不不小于50m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几何高差h1约4（m）。为计算以便h1忽视不计，故P1＝0.15 MPa。
计算成果如下：
表4.1 稳压设备设计参数计算表

序
号
工作压力比αb
运行压力
气压罐
稳压泵
消防最低压力P1（MPa）
消防泵启动压力P2（MPa）
稳压泵启泵压力Ps1（MPa）
稳压泵停泵压力Ps2（MPa）
总容积Vq（L）
消防储水容积Vx（L）
缓冲水容积 Vh（L）
稳压水容积 Vw（L）
稳压泵扬程Hb（Mpa）
1
0.75
0.150
0.233
0.253
0.303
840
200
34
71
0.28
2
0.85
0.150
0.194
0.214
0.264
840
120<150
44
88
0.24
经比选设计选用25LGW3-10×3稳压泵两台（一用一备 q b=1L/s Hb=28m N=1.5Kw）；稳压泵运行压力值见上表序号1；SQL800×0.6立式隔阂式气压罐一台
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几何高差h1约55（m），P1＝ 0.70 MPa。
计算成果如下：
表3.2 稳压设备设计参数计算表

序号
工作压力比
αb
运行压力
气压罐
稳压泵
消防最低
压力P1（MPa）
消防泵启动压力P2（MPa）
稳压泵启泵压力Ps1（MPa）
稳压泵停泵压力Ps2（MPa）
总容积Vq（L）
消防储水容积Vx（L）
缓冲水容积
Vh（L）
稳压水容积 Vw（L）
稳压泵扬程Hb（Mpa）
1
0.85
0.70
0.841
0.861
0.911
840
120
14
33
0.761
2
0.75
0.70
0.966
0.986
1.036
1410
336
19
44
1.011
3
0.85
0.70
0.841
0.861
0.911
1410
201
24
55
0.886
4
0.70
0.70
1.042
1.062
1.112
2500
714
29
68
1.078
5
0.85
0.70
0.841
0.861
0.911
2500
357
42
98
0.886
根据表3.2计算成果序号4、5均满足Vx>150L和Vw>66L规定，经比选选择αb大值可减少稳压泵扬程，故设计选用25LGW3-10×9稳压泵两台（一用一备 q b=1L/s Hb=89m N=2.2Kw）；稳压泵运行压力值见上表序号5 ；SQL1200×1.0立式隔阂式气压罐一台。
3.3方案一、二比选：通过消防稳压设备计算成果分析，上置式气压水罐选∮800，下置式气压水罐选∮1000及以上规格，在不一样αb值均满足规定期宜取上限值。故稳压设备上置式优于下置式，上置式气压水罐总容积小，气压水罐工作压力低，配置稳压泵扬程低，节省钢材、减少投资、节省能耗、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设计，应按如下环节设计：
⑴根据稳压设备形式确定P1和qb值
⑵当qb值为1L/s时，以Vw不小于66L选用气压水罐尺寸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与否不小于150L）.
⑸以P2、Ps1、Ps2值计算Vh、Vw值.
⑹选定稳压泵型号、气压水罐规格、注明对应P2、Ps1、Ps2、qb、Hb值。
设计时也可编程一种计算表格，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，选择符合规范规定稳压设备。
消防给水系统稳压设备应根据详细工程，根据有关规范，根据不一样工况确定稳压泵设计参数及气压水罐有效储水容积，而不是机械套用图集，只有合理选择各设计参数，稳压泵才能满足消防系统自动启动和管网充斥水规定，做到消防系统即运行可靠、又经济合理。
参照文献
[1]GB50974- 《消防给水及消火栓系统技术规范》
[2] CECS76：95 《气压给水设计规范》
[3]GB50045-95（)《高层民用建筑设计防火规范》
[4]GB50268- 《给水排水管道工程施工及验收规范》