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2017-06-26 10:03:36 | 分类:消防| 标签:消防专业

消防增压设施的是与非

1、高层建筑的消防给水系统

       为保证建筑初期火灾时的用水,按照《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045-95(2005年版)(以下简称《高规》)的规定必须在屋顶设置高位消防水箱。但是由于高位消防水箱的设置高度不易保证,建筑的顶层、次顶层(最不利点)的消火栓压力往往不能满足消防的压力要求。针对这个问题,《高规》7.4.7.2条规定:应设增压设施,并应符合7.4.8条的规定。

       然而,在工程实践中,最常用的“气压水罐或稳压泵”(《高规》7.4.7条条文说明语)形式的增压设施,《高规》条文、条文说明、标准图集是左右不同、莫衷一是。工程设计人员和消防审查人员对增压设施的定义、机理、以及增压设施对消防给水系统的影响往往也是模糊不清,直接影响了高层建筑消防给水的设计和审查。

2、关于增压设施

2.1、增压设施还是稳压设施

     “增压设施”在系统里的作用是增压还是稳压?表面上看,增压设施将消防给水系统顶层、次顶层(最不利点)等处的消火栓压力由不满足要求增加到满足要求是增压了,但在更长(可能几十年)的系统静态(待命)期间,增压设施的实际作用是在维持系统压力的稳定。

      《高规》7.4.8条的条文说明关于“增压设施”的解释为:“设置增压设施的目的主要是在火灾初起时,消防水泵启动前,满足消火栓和自动喷水灭火系统的水压要求”。增压设施在火灾初期30s(消防水泵启动期间)的时间内将气压罐内所有的消防储备水爆发到管网里去以后,消防水泵已经完成了启动过程投入正常运行,增压设施就失效了。在管网的整个动态(灭火)期间,增压设施是毫无作为的,更无所谓的“增压”作用。

       在系统动态(灭火)时为系统加压的设备(如消防主泵、接力泵、中继泵等)为增压设备,在更长的期间里维持系统静态压力稳定的设备(如稳压泵、稳压罐等)则为稳压设备。所以,所谓的“增压设施”,其实称其为“稳压设施”或“增压稳压设施”更恰当。所谓的“增压设施”实际上主要是完成了“稳压设施”的稳压功能

2.2、增压泵还是稳压泵

       同理,系统动态(灭火)时为系统加压的水泵为增压泵,在系统静态(待命)时维持系统压力稳定的水泵则应为稳压泵。稳压泵运行在喷头和消火栓未出流(静态)时,增压泵则是工作在喷头或和消火栓已经出水(动态),而消防用水压力不足,需增加压力时。增压泵一经启起,消防主泵也随之同时启动。显然,增压泵的作用显得并不十分迫切和必要。稳压泵则是配合气压罐运行的,与系统动态无关,在消防主泵自动启动的同时自动停止运行了。

       所以,断断续续地运行以维持系统静态压力稳定的、在管网的整个灭火(动态)期间,停止运行、毫无作为、更没有所谓的“增压”作用的 “增压水泵”应统一称为“稳压泵”,称其为“补水泵”也是不为过的

2.3、增压泵的出水量

     《高规》7.4.8.1条规定:“增压水泵的出水量,对消火栓给水系统不应大于5L/s; 对自动喷水灭火系统不应大于1L/s”。

     《高规》7.4.8.1条的条文说明关于“增压水泵”出水量的解释为:“对增压水泵,其出水量应满足一个消火栓的用水量或一个自动喷水灭火系统喷头的用水量”。

       消火栓给水系统增压设备中增压水泵的出水量,同时符合“不应大于5L/s(可以等于,作者注)”,和“应满足一个消火栓的用水量(一个消火栓的用水量5L/s,作者注,)”规定的只有5L/s;在自动喷淋给水系统增压设备中增压水泵的出水量,同时符合“不应大于1L/s(可以等于,作者注)”,和“应满足一个自动喷水灭火系统喷头的用水量(一个喷头的用水量1L/s,作者注,)”规定的也只有1L/s。在消火栓给水系统和自动喷淋给水系统合用增压设备中增压水泵的出水量,要在同时符合“不应大于5L/s”,和“应满足一个消火栓的用水量”规定的同时,又符合“不应大于1L/s”,和“应满足一个自动喷水灭火系统喷头的用水量”的规定,这个增压水泵的出水量到底应该是多少呢?这又是一种什么型号的水泵呢?

       我们再看,在国标图集《消防增压稳压设备选用与安装》98S205(以下简称《图集》)总说明第八条中关于稳压泵的说明:“平时管道系统如有渗漏等?压情况,控制稳压泵不断补水稳压,在PS1、PS2(启动→←停止)反复运行”,“一旦有火情,管道系统大量缺水,造成PS1压力下降(PS1→P2),降至P2时,发出报警信号,立即启动消防泵,消防泵启动后,稳压泵自动停止”。该《图集》中“增压稳压设备技术特性表”中各种型号的增压稳压设备中,其配备的稳压泵的出水量均为0.83L/s。

       22层的中山市中山国际酒店的增压泵流量为5L/s,实践证明,这个流量太大了,效果并不好,水泵运行不平稳,起停频繁。后来采取措施,将水泵出入口短路,大量的水回流,将补水量降为0.2~0.5L/s,才避免了上述问题的出现。可见增压泵流量大了也不妥。

       有人说:稳压泵不同于增压泵,稳压泵系用于使自动喷淋给水系统或消火栓给水系统始终处于要求的压力工况条件,一旦消火栓或喷头出流(灭火)时即能满足消防用水所需的水压和水量要求。这里的“稳压泵不同于增压泵”是对的,但是“一旦消火栓或喷头出流(灭火)时即能满足消防用水所需的水压和水量要求”,则是把细水长流的稳压泵出水和突然爆发的气压罐出水二个概念混为了一谈。实际上,系统动态(灭火)初期的水量补充和压力保证是靠气压水罐的压缩气体爆发来实施的,是气压水罐的“养兵千日,用兵一时”,而稳压泵的出水量只需满足气压水罐的要求,即稳压泵的出水量是考虑了气压水罐调节容积等因素,按气压水罐内的总容积和水容积的计算公式计算确定的。增压稳压设备的出水量和增压泵的出水量是完全不同的二个概念。

       1.设想一下,如果火灾初期,系统只打开了一个消火栓,而增压泵源源不断地向这个消火栓提供足够的用水,那么气压罐的压力就不会下降,就不能“造成PS1压力下降(PS1→P2)”,就没有压力“降至P2时,发出报警信号,立即启动消防泵”的动作,直至增压泵把水箱的水抽干用完才能进入30s倒计时,才能发出P2报警进入消火栓泵启动程序。此时的火灾已经由“初起”延迟了20(6立方米水箱)至60(18立方米水箱)分钟。同样,若系统只打开了一个喷头,而增压泵源源不断地向一个喷头提供足够的用水,那么气压罐的压力就不会下降,就不能“造成PS1压力下降(PS1→P2)”,就没有压力“降至P2时,发出报警信号,立即启动消防泵”的动作,直至增压泵把水箱的水抽干用完才能进入30s倒计时,才能发出P2报警进入喷淋泵启动程序。此时的火灾已经由“初起”延迟了100(6立方米水箱)至300(18立方米水箱)分钟(这也与采用稳高压消防给水系统的自动喷水灭火系统,其喷淋泵由消防增压设施的压力联动装置启动,与报警阀组的压力开关不联动相关)。

       这显然与《高规》7.4.6条的条文说明第五项“在水箱内的消防用水尚未用完以前,消防水泵应进入正常运转”和《高规》7.4.8条条文说明“设置增压设施的目的主要是在火灾初起时,消防水泵启动前,满足消火栓和自动喷水灭火系统的水压要求”的初衷相悖。

       显然,增压泵的出水量“应满足一个消火栓的用水量”和“应满足一个自动喷水灭火系统喷头的用水量”的规定,存有逻辑上的缺陷。

       鉴于对“增压稳压设备”在消防给水系统中的作用机理和《高规》法理的理解,《图集》的有关说法无疑是正确的。但是,在工程设计实践中,又有哪个工程设计人员敢用自己的头去撞《高规》这堵南墙呢?更让人无语的是有的消防审查部门的审查、验收人员说:《高规》里的“不大于”就是“大于等于”!并以“稳压泵的出水量必须大于5L/s”进行消防图纸的审查。多么奇怪且让人无奈的理论

       关于消防给水系统中的增压稳压设备,《高规》的条文、条文说明和《图集》是各说各的,思维不连续,逻辑关系不严密。这可是苦煞了工程设计人员,同时,也困惑了消防审查部门的审查,验收人员。

3、增压设施在消防给水系统中的作用机理

       众所周知,消防给水系统的气压增压设施是从生活气压给水设备演变而来的。由于各自给水系统的目的不同,气压给水设备在各自给水系统中的作用机理也有所不同。

       生活气压给水设备在生活给水系统中,主要是调节水泵的供水量与二次管网用水量之间的动态差异,借气体的压缩或膨胀倾其全部调节水容积随时地对动态的管网纳盈补缺。管网静态(零流量)时则是稳定管网的压力。

       消防给水系统中的气压给水设备,设计规范称其为消防“增压设施”,由“气压水罐或稳压泵”组成。增压设施的主要作用是平时为静态的消防给水系统补充渗漏水量,长期为静态管网不利点的消火栓或喷头提供一个可用且稳定的压力,并随时为动态(灭火)管网提供一个短时间(30s)的初期灭火爆发水量(消、喷合用450L、单消300L、单喷150L)。不然,在消火栓或喷头开始喷水而消防泵启动但尚未全负荷运转期间,最不利点将有8~23秒的时间段内,灭火用水的压力、流量达不到要求。同时,气压水罐在压力“降至P2时,发出报警信号,立即启动消防泵”。稳压泵则仅仅是与气压水罐配合运行补水而已。

       增压设施之所以只提供30s的初期灭火用水量,是因为在正常供电条件下,大泵(N=55~75KW)的启动时间为23秒,小泵(N=15KW)不超过8秒。西德和英国的自动喷水规范都规定消防泵启动后必须在30秒内达到全负荷运转。国内自喷试验资料证明,喷头喷水后11~23秒,水力开关才报警。所以时间控制在30秒左右。

3.1、增压设施气压罐的调节水容积和储备水容积

      《高规》7.4.8.2条规定:“气压水罐的调节水容量宜为450L”。

生活气压给水设备气压罐的水容积由调水节容积、保护水(死水)容积(隔膜式无死水容积)二部分组成。其中调节水容积与生活总用水量相关。其上、下限就是生活给水泵的停止、启动点。消防增压设施气压罐的水容积则是由调节水容积、缓冲水容积、消防储备水容积和保护水(死水)容积(隔膜式无死水容积)四部分组成。调节水容积与稳压泵出水量相关,其上、下限就是稳压泵的停止点PS2和启动点PS1。调节水容积的大小也会因为消防增压设施形式、服务对象、工作压力(安装场合)的不同而略有不同,一般50~150L不等。缓冲水容积是为拉开稳压泵启动点压力PS1与消防泵启动点压力P2的距离避免误报专设的。而储备水容积则是为火灾初期30s时间内(消防水泵启动期间)及时扑灭初期火灾而储备的消防水量。储备水容积是明文规定(消火栓系统与自动喷淋系统合用时是450L,消火栓系统单用时是300L,自动喷淋单用时是150L)的不变的量,与系统用水量不相干。这一部分水量平时不可他用,也不参加调节。所以《高规》7.4.8.2条的“调节水容量”实为30s时间内的“消防储备水容量” 。

3.2、《图集》中增压设施出水口的止回阀

       在《图集》中,6个增压稳压设备安装位置图无一例外地在增压设施(气压罐)的出水口安装了止回阀,见图1。消防审查部门也依此要求增压设施的出水口必须安装止回阀,理由是避免灭火时消防水进入罐内。

       增压设施要稳定系统的压力,就必须既要为静态的消防给水系统补充渗漏水量,也要释放或接纳由于环境温度变化导致的系统中水体的体量变化。众所周知,工程意义上的水是不可压缩的,充满水的密闭系统,如果环境温度变化大,或系统中水的温度变化大,系统就必须考虑水体热胀冷缩的补偿问题。消防给水管网常年处于静止的待命状态,管道内的水也处于静止状态,管道内的水必然会随环境温度的变化产生一定的收缩和膨胀。我国国土幅员辽阔,春夏秋冬、白天夜里、室内室外等环境温度变化幅度在20度以上的地方很多。

       水在20度温差时体积变化的比率为0.41%,其绝对变化量会随着系统的大小而有很大的差别。水不可压缩,水的这个胀缩变化量如何解决? 本来增压设施中的气压罐是一个很好的纳盈补缺的设备,在气压罐的出口处安装了止回阀后,气压罐的纳盈补缺就变成了单向的只能补缺不能纳盈。系统中的水在温度升高膨胀后没有了出路,势必会导致系统内的压力升高甚至超压而导致系统的破坏。所以,在增压设施的出水口处安装止回阀显然是不妥的,它违背了增压稳压设施为系统“稳压”的初衷。

       以图1为例,如果我们在气压罐4与管网7之间加一个止回阀5,那么管网7内的水因泄漏或冷缩而减少,气压罐内的水会在气压作用下源源不断地向管网7补充。然而,当管网7内的水因温度升高而膨胀且膨胀量大于泄漏量时,由于止回阀5的止回作用,膨胀的水量回不到气压罐4内,水又不可压缩,又没有别的出路,势必会导致管网内部压力升高。如果没有止回阀5,(如图2)膨胀的水量在压力作用下压缩气压罐4内的气体而回到气压罐4内,管网内部压力得以稳定。稳压系统的“稳压”,其寓意既在于此。


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       即便是灭火时消防水进入罐内又有何妨?如果一定要安装止回阀,也应该用一根细管子跨越这个止回阀,为膨胀的水量留个出路。膨胀的水量可以通过细管子进入罐内,消防水泵启动后有少量的水通过这个细管子节流后进入罐内不足以影响系统灭火的效果。如果在这根细管上安装一个稳压电磁阀8并与消防泵联动,那么,消防水泵启动后消防水进入气压罐的问题就不存在了,见图3。

3.3、增压设施出水管管径的确定

       前面说过,消防给水系统的增压设施是从生活气压给水设备演变而来的。消防增压设施与生活气压给水设备在作用机理上的最大不同,就是要随时准备为动态管网提供一个短时间(30s)的初期灭火爆发水量(消、喷合用450L、单消300L、单喷150L)。届时,气压罐出水管的流量会达到:消喷合用时为15L/s、单消时为10 L/s、单喷时为5L/s。

       工程设计中,气压罐出水管的管径,设计师正确的选择应为DN≥100mm。当DN100时,水流速度分别为1.73m/s、1.15 m/s、0.58 m/s,管道阻力损失也在比较合理的范围内。然而,在工程实践中发现,有些工程设计人员将消防气压罐出水管的管径定为DN80、DN70、DN50甚至还有DN32的。显然是忽略了消防气压罐为初期灭火提供的水量具有爆发性这个特点,把增压稳压设备的出水量和增压泵的出水量这二个完全不同的概念混淆了。当气压罐出水管的管径定为DN50时,流速分别为7.6m/s、5.1m/s、2.5m/s,这显然是高得离谱了,气压罐出水管变成了节流管。这时的管道阻力损失之高或压降之大也是可想而知的,势必会影响灭火效果。DN32的更不必说了。

4、增压设施的压力对消防给水系统的影响

       消防给水系统之所以设置增压设施,是因为消防给水系统设置了高位消防水箱后,系统最不利点的静水压力往往会因为高位消防水箱架设的高度不够而不能达到灭火(大于0.07 MPa或0.15 MPa)的要求。所以规范规定必须设置增压设施,长期为静态管网不利点的消火栓或喷头提供一个可用且稳定的压力,并随时准备为动态(灭火)管网提供一个初期(30s)的灭火爆发水量。但是,还有一些问题模糊不清。

4.1、增压设施对消防给水系统施加的压力属于静压还是动压

       增压设施对消防给水系统施加的压力属于静压还是动压的问题,一直是专业内部争论的热点之一。某些高度为90几米的高层建筑,消防给水系统设置了高位消防水箱后,最底部的消火栓处的静水压力小于1.0MPa,按《高规》7.4.6.5条规定可以不必分区。但同时《高规》7.4.7.2条规定:若此消防给水系统最不利的消火栓处的静水压力小于0.07MPa时,“应设增压设施”。当在建筑顶部的高位消防水箱旁设了增压设施后,系统的压力就在消防水箱高度的基础上增加了约0.3MPa(稳压泵停止压力)。最不利的消火栓处的静水压力是满足了要求,但最底部的消火栓处的压力却超过了1.0MPa,甚至达到了1.3MPa。

       有的工程设计人员认为增压设施为系统施加的压力为动压,不影响系统的分区问题,尽管系统最底部的消火栓处的压力长期处于超过1.0MPa的状态。简而言之,就是消防水箱的最高水位与最底部的消火栓的垂直高度在百米以内的高层建筑,消防给水系统设与不设增压设施,消防给水系统都可以不分区。此为动压论。有的工程设计人员则认为增压设施施加的压力应视为为静压,系统是否分区,应取决于增压设施施加了压力之后系统的压力状况。只要系统最底部的消火栓处的压力超过了1.0MPa,系统就应该分区,此为静压论。

       一般来说,管道内的压力在水流动时才有动压,水静止时只有静压。增压设施平日里为消防给水系统补充渗漏水量,而系统的渗漏水量正常情况下又非常小,体现在一个庞大的环状消防给水系统各点的流速就是微乎其微的,几近静止。流速几近为零时的动压与静压之间的差也几近为零,动压和静压几乎就是一个值。所以,将增压设施对系统施加的压力视为静压应该是成立的,这个压力对系统分区的影响也是应该考虑的。

       其实《高规》对这个问题是有说法的。《高规》7.4.7.2条:当高位消防水箱不能满足上述静压要求时,应设增压设施。其寓意很明显:增压设施施加的压力可以视为静压。

4.2、如何看待增压设施的压力对消防给水系统的影响

     《高规》7.4.6.5条规定:“消火栓栓口的静水压力不应大于1.0MPa,当大于1.0MPa时,应采取分区给水系统”。

     《高规》7.4.7.2条规定:“高位消防水箱的设置高度应保证最不利点消火栓静水压力。当建筑高度不超过100m时,高层建筑最不利点消火栓静水压力不应低于0.07MPa;当建筑高度超过100m时,高层建筑最不利点消火栓静水压力不应低于0.15MPa。当高位消防水箱不能满足上述静压要求时,应设增压设施”。

       在工程实践中,当某高度近100m的高层建筑“最不利点消火栓静水压力低于0.07MPa”时,设增压设施是不二选择。但是,增压设施对消防给水系统施加了压力后,不利点消火栓的静压满足了要求,而建筑底部消火栓栓口的压力大于1.0MPa,分区与不分区的问题,现行的《高规》没有明确的说法,消防审查部门也不细究,你分也可,不分也可。

       动压论者认为,消防水箱的最高水位与最底部的消火栓的垂直高度在百米以内的消防给水系统不必分区。增压设施为管网施加的压力为动压,建筑底部消火栓的压力超过1.0MPa是因动压所致。排除消防增压设施的影响,消火栓栓口的静水压力并不大于1.0MPa。如图4。

       静压论者认为,增压设施为静态管网施加的压力为静压,管网静态时消防给水系统底部消火栓的压力长期超过1.0MPa应该分区。只要增压设施为静态的管网施加了压力,使系统最底部的消火栓处的压力长期大于1.0MPa,就必须分区。如图5。

       在某个几近百米的高层建筑消防给水系统的设计中,笔者利用止回阀在系统的A点处进行了单向压力隔绝,把静水压力不满足要求的最不利点消火栓局限为一个小的范围,增压设施只对这个范围内的管网进行增压稳压,系统的其他部位仍然由消防水箱稳压。系统在不分区,最不利点消火栓压力满足要求的同时,又使系统最底部的消火栓处的压力保持在1.0MPa以下。如图6。此消防设计顺利通过当地消防审查部门的审查。此“单向压力隔绝”做法本人称作“局部增压稳压”。

   

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    图中:1-水池 2-消防泵 3-高区水泵 4-低区水泵 5-消防水箱 6-水泵接合器 7-减压阀 8-增压设备 9-室内消火栓 10-压力隔绝阀(止回阀)11-稳压电磁阀

       为了避免压力隔绝阀(图3中的10)渗漏向下部系统窜压致使下部系统超压,在系统的B点(水箱出口止回阀的下游)设了一段进入水箱的口径为DN15的稳压管(也可以跨越止回阀),上设稳压电磁阀11。此稳压电磁阀失电常开并与消防泵联动。如果压力隔绝阀10向下部系统渗漏窜压,这部分多余的水就会经此管进入水箱,下部系统随环境温度变化产生的膨胀水量也会经此管进入水箱,下部系统的压力就会始终稳定在水箱的高度上。消防泵启动时此稳压电磁阀加电关闭,避免消防水进入水箱和跑水压。

比较图4、图5、图6,我们可以看出增压设施为管网施加压力后管网的状态:

图4,系统形式简洁,最不利点消火栓压力能满足需要,但是系统底部消火栓压力严重超标。

图5,最不利点消火栓和底部消火栓压力均符合要求。但是系统形式过于复杂,泵房、水泵、管道井、管网、电气等都会加大投入。

图6,最不利点消火栓和底部消火栓压力均符合要求,系统形式依然简洁。

5、结论

5.1、消防增压设施应统一定义为“稳压设施”,其内部配备的水泵应统一定义为“稳压泵”或“补水泵”。

5.2、消防增压设施为消防给水系统施加的压力应明确定义为“静水压力”。消防给水系统是否分区或压力隔绝,必须以增压设施为消防给水系统施加了压力后,仍然能保证“消火栓栓口的静水压力不应大于1.0MPa”为前提。

5.3、增压水泵的出水量与气压罐的出水量是两个完全不同的概念。“应满足一个消火栓的用水量”和“应满足一个自动喷水灭火系统喷头的用水量”的规定对增压设施或气压罐的出水量有一定的意义,与增压泵的出水量无关也无意义。

5.4、增压水泵出水量的确定,应以系统的渗漏水量为基础,由气压罐的计算得出来,不宜过大。增压水泵的出水量对于消火栓给水系统,应小于5L/s;对于自动喷水灭火系统,应小于1L/s;对于消火栓给水系统与自动喷水灭火系统合用增压设施,其增压水泵出水量则应小于1L/s。综合言之:增压水泵的出水量应小于所服务系统内最小用水器具的用水量。


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