在介绍隔膜式气压水罐工作原理的基础上,探讨了在《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014)实施后如何设置稳压泵的问题,并结合实例提出建议和推导公式,给出了定量计算的方法。
前言
《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014,以下简称“水消规”)实施以后
,消防系统中如何设置稳压泵又成为热议的话题。
笔者认为,一方面是因为大家对气压水罐在消防系统中的工作原理了解不深,另一方面是因为大家对“水消规”的理解有差别。
本文从这两方面着手,介绍气压水罐的工作原理和探讨“水消规”下稳压泵如何设置。
1、
增压稳压设备工作原理及公式推导
以大家熟知的增压稳压设备为例,图1中列出了气压水罐的3种工作状态。
隔膜式气压水罐采用隔膜将罐体分为独立气水两个室。气压水罐出厂前,先根据工程需要初装一定压力的气体,即图1中的“初始状态”。
接入系统后,在稳压泵没有启泵前,气压水罐应保持系统需要的最低工作压力P1,气压水罐的状态为图1中的“P1状态”。
“满水状态”时,气室被充分压缩,压力达到最大,水室容积达到最大水容积,稳压泵停止运行。
隔膜式气压水罐。罐体内的气体压力变化遵循波义耳-马略特定律。
为了方便理解,笔者根据气压水罐工作原理,绘制了隔膜式气压水罐的计算示意图,见图2。
根据图2的示意和波义耳-马略特定律,可得出下列公式:
注:根据《气压给水设计规范》(CECS 76∶95,以下简称“气水规”)中对“最高工作压力”的定义,气压给水设备和消防气压给水设备的工作压力比定义是不一样的。
气压给水设备的工作压力比即为控制气压给水设备的生活或者生产水泵启停泵压力值的比值,消防气压给水设备的工作压力比即为式(2)。
由式(1)~式(3)可得:
根据波义耳—马略特定律,选取隔膜式气压水罐几种特定状态,建立等量方程,就可以推导出
式(1)~式(9)。
根据推导公式就可以定量计算气压水罐的设计参数。
2、
对“水消规”关于稳压泵的理解
“水消规”用了一个专门的小节来讲稳压泵,
争议最多的是5.3.3条。
条文规定,稳压泵的设计压力应符合下列要求:
(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。
“水消规”在系统控制要求上做了很大的改变。
不管是消火栓系统还是自动喷水灭火系统都强调自动启动。消火栓系统明确要求采用系统中设置的压力开关和流量开关直接启泵。通过系统的压力变化来控制系统启动,当然系统就会存在一个自动启动系统的压力值,低于这个值,系统就会自动启动。
这就不难理解,“水消规”为什么把这一条定为强条了。
这是对稳压泵设计压力最基本的要求。如果稳压泵的设计压力过低或者过高导致系统的压力不能满足管网满水和自启动要求,那这个系统就谈不上是自动控制系统了,
与“水消规”对消防系统控制的基本要求相违背了。
(2)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0.07~0.10 MPa。
这款条文读起来较拗口,实际上用语是很严谨的,逻辑关系也很清晰。
本条实际就是对第一条的补充。为了方便读者理解,不妨对本条文进行一个语法分析,找出这段话的主谓宾关系。主语应该是自动启泵压力设置点处的压力中的“压力”;谓语应该是“大于”;宾语应该是“系统设置自动启泵压力值”。
这段话简化过后就应该是“压力大于系统设置自动启泵压力值”。谓语和宾语其实都很好理解,没有歧义。关键是这个主语,这个“压力”是指什么,那就应该分析其定语和状语了。第一个定语应该是“自动启泵压力设置点处”。
笔者认为,“系统自动启泵压力设置点处”就是指系统设置压力开关的点位。“系统自动启泵压力设置点处的压力”就是指“系统设置压力开关点位处管网的压力”。这个压力在准工作状态和消防状态时是不同的,所以强调了是“在准工作状态时”。
那么,在准工作状态时,这个压力靠谁来维持呢?当然是靠稳压泵的设计压力来保持。宾语中的“系统设置自动启泵压力值”可以理解为“系统设置的压力开关的动作压力值”。语法分析清楚了,
本条文就可以这样来翻译:“在准工作状态时,系统设置压力开关点位处管网的压力大于系统设置的压力开关的动作压力值,且增压值宜为0.07~0.10 MPa,这个压力值是靠稳压泵的设计压力来保持的。”
(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0.15 MPa。
这款条文看似在说稳压泵的设计压力,实际上,
笔者理解应该是:设置了稳压泵的消防系统,在准工作状态时,其系统应保持最不利点处水灭火设施的静水压力应大于0.15 MPa。
至于是采用工频稳压泵、变频稳压泵还是稳压泵+气压水罐,都是可以的。
在实际工程中,为了防止气压水罐频繁启停,一般采用稳压泵+气压水罐(以下简称“稳压设备”)的形式
。
那么,在“水消规”下,如何来设计稳压泵设计压力和气压水罐的控制压力呢?
我们熟知的增压稳压设备有P
1
、P
2
、P
S1
、P
S2
四个压力控制点。P
1
为满足系统最不利点处水灭火设施的静水压力的稳压设备需要提供的压力;P
2
为系统启动主消防泵的压力;P
S1
为稳压泵的启泵压力;P
S2
为稳压泵的停泵压力。
“水消规”下稳压设备的P
1
也应该是系统最不利点处水灭火设施的静水压力的稳压设备需要提供的压力。“水消规”5.3.3.3条,明确了其静水压力为0.15 MPa,所以P1为已知参数。
由于“水消规”要求系统自动启动是由压力开关和流量开关控制,稳压设备不在有自动启泵的功能,所以P
2
不应该是启泵压力。
笔者理解,虽然 P
2
不是启泵压力,但其值应该等于系统的启泵压力值。P
S1
、P
S2
任为稳压泵的起停泵压力值。
虽然压力控制点和原来的增压稳压设备相同,但是“水消规”没有消防水容积的要求,所以 P
2
也不是根据已知的消防水容积来计算,而是等于系统自动启动的压力值。系统自动启动的压力值具体如何设置,“水消规”没有明确。
笔者认为,其值应不小于P
1
,且增加值宜取0.02 MPa。
3、
计算举例
某纯住宅小区,地下1层,标高为-5.2 m,住宅楼面标高为90 m。水箱设置在大屋面上,箱底标高为90.6 m,比最不利消火栓栓口高2.5 m。
由于最不利消火栓静水压力不满足要求,需要设置稳压泵稳压,为了防止稳压泵频繁启动,设置气压水罐,设计需要确定稳压泵流量、扬程及其控制要求。
根据“水消规”,稳压设备需要满足最不利消火栓0.15 MPa的要求,则稳压设备需要提供的压力为:15-2.5=12.5(m),计算示意见图3。
4、
结语
本文介绍了隔膜式气压水罐的工作原理及公式推导,将其运用于“水消规”下的稳压泵设计,并介绍了稳压泵计算的方法并举例说明。过程看似复杂,需要计算4个参数(P
1
、P
2
、P
S1
、P
S2
),验算两个参数(n
q
、α
b
),其实利用Excel表格,就能快速地得出计算结果。
作者:周大亮
成都基准方中建筑设计有限公司
来源:《给水排水》杂志
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