周 為 （合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

消防水泵是消防給水系統(tǒng)的核心組件，其重要性不言而喻，工程實(shí)踐中，多數(shù)工程項(xiàng)目選用電動機(jī)消防泵組，用來輸送水基滅火介質(zhì)。根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《消水規(guī)》）的要求，消防水泵應(yīng)由壓力開關(guān)或流量開關(guān)等開關(guān)信號直接自動啟動[1]，壓力開關(guān)信號的壓力設(shè)定值對消防泵組能否正常運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。本文通過依次探討消防水泵主備用切換、多泵并聯(lián)供水、消防水箱減壓這三種應(yīng)用場景中壓力控制的技術(shù)措施，提出能在工程應(yīng)用上可行的解決方案。

1 消防水泵主備用切換壓力控制

1.1 現(xiàn)有控制方式

常規(guī)項(xiàng)目中，電動機(jī)消防泵組通常采用一用一備的組合方式。因消防水泵在啟動時(shí)可能會出現(xiàn)電機(jī)故障或水泵故障，為保障消防供水安全性，需及時(shí)切換至備用泵。主備用泵切換有兩種信號控制方式，分別為電流信號控制和壓力信號控制，壓力信號控制方式要優(yōu)于電流信號控制的方式[2]。本文接下來討論壓力信號控制方式應(yīng)用中的技術(shù)措施。

1.2 分析和推導(dǎo)

①典型工況1：有穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)

如圖1，以常見的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)為例，消防水泵出水干管上可設(shè)置主泵啟動低壓壓力開關(guān)D1（以下簡稱“壓力開關(guān)D1”），作為啟動消防水泵的方式之一。根據(jù)《消水規(guī)》的要求，穩(wěn)壓泵的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)保持系統(tǒng)最不利點(diǎn)消防設(shè)施在準(zhǔn)工作狀態(tài)時(shí)靜水壓力大于0.15MPa，壓力開關(guān)D1的壓力設(shè)定值應(yīng)比準(zhǔn)工作狀態(tài)下的壓力值再低0.07～0.10MPa[1]。當(dāng)消防水泵無法正常啟動供水時(shí)，可在泵房內(nèi)消防供水干管上設(shè)置的主備用泵切換低壓壓力開關(guān)S（以下簡稱“壓力開關(guān)S”）提供的壓力控制信號來切換至備用泵，其中壓力開關(guān)S動作壓力值受兩個(gè)條件約束。

圖1 壓力開關(guān)動作壓力值的確定（有穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)）

②壓力開關(guān)S動作壓力值約束條件1

當(dāng)消防水泵無法正常啟動時(shí)，消防管網(wǎng)的水壓力持續(xù)下降，會觸發(fā)壓力開關(guān)S來啟動備用泵，由此可推導(dǎo)出第1個(gè)約束條件：壓力開關(guān)S的動作壓力值，低于壓力開關(guān)D1的動作壓力值H1。

壓力開關(guān)S的動作壓力第一約束值Hs1，按低于消防水泵啟動設(shè)定壓力取值，建議取值Hs1＝H1－Δ壓力信號最小壓力差＝Ps1－Δ主泵、穩(wěn)壓泵啟泵壓差－0.05＝Ps1－0.10－0.05＝Ps1－0.15，其中：

Ps1為穩(wěn)壓泵啟泵壓力；為保守起見計(jì)算中主泵、穩(wěn)壓泵的啟泵壓差Δ主泵、穩(wěn)壓泵啟泵壓差取值為0.10MPa，壓力信號最小壓力差Δ壓力信號最小壓力差取值為0.05MPa。

③消防水泵特性曲線

根據(jù)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)《消防泵》和《消水規(guī)》的要求，工程用普通消防水泵應(yīng)符合以下規(guī)定：

流量揚(yáng)程性能曲線應(yīng)為無駝峰、無拐點(diǎn)的光滑曲線，零流量時(shí)的壓力不應(yīng)大于設(shè)計(jì)工作壓力的140%，且宜大于設(shè)計(jì)工作壓力的120%；當(dāng)出流量為設(shè)計(jì)流量的150%時(shí)，其出口壓力不應(yīng)低于設(shè)計(jì)工作壓力的65%[1]、[3]。消防水泵特性曲線要求詳見圖2。

圖2 消防水泵特性曲線要求

④壓力開關(guān)S動作壓力值約束條件2

消防水泵無法啟動時(shí)，消防干管壓力值會一直下降到比水泵正常啟動后的最小壓力還要低，結(jié)合圖2所示的水泵特性曲線要求，可推導(dǎo)出第2個(gè)約束條件：壓力開關(guān)S的設(shè)定動作壓力值，應(yīng)小于水泵正常運(yùn)行流量最大時(shí)1.5Q所對應(yīng)的壓力，也就是應(yīng)小于水泵揚(yáng)程HP的65%。筆者建議壓力開關(guān)S的動作壓力第二約束值取值為Hs2＝0.60Hp。

⑤取上述兩個(gè)數(shù)值的最小值，即HS＝min(Hs1，Hs2)，就可以同時(shí)滿足上述兩項(xiàng)推導(dǎo)的要求，即為壓力開關(guān)S動作壓力值。代入過程結(jié)果，可得式（1）：

1.3 應(yīng)用及限制條件

當(dāng)消防泵無法正常啟動、管網(wǎng)壓力持續(xù)下降至HS時(shí)，通過在消防供水干管上設(shè)置的壓力開關(guān)S提供的壓力控制信號來啟動備用泵，由此實(shí)現(xiàn)主備用泵切換的功能。

上述解決方案有其局限性，即當(dāng)主備切換用壓力開關(guān)設(shè)定值HS小于屋頂消防水箱最高水位靜壓HX時(shí)，壓力開關(guān)無法發(fā)出切換主備泵的信號，該解決方案就會失效。為確保系統(tǒng)主備泵能正常切換，需要對影響Hs的兩個(gè)關(guān)鍵因素提出限制要求：

①穩(wěn)壓泵啟泵壓力Ps1

由 Hs1＝Ps1－0.15＞HX，可推導(dǎo)出穩(wěn)壓泵啟泵壓力需滿足式（2）的要求：

②消防水泵揚(yáng)程HP

由 Hs2＝0.60HP＞HX，可推導(dǎo)出消防水泵揚(yáng)程需滿足式（3）的要求：

經(jīng)復(fù)核，在多個(gè)實(shí)際工程計(jì)算中，除建筑物地上高度在90～100m且同時(shí)附帶2～3層地下室的項(xiàng)目可能不滿足式（3）外，大多項(xiàng)目均能滿足上述2個(gè)條件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，如最不利點(diǎn)消防設(shè)施的工作壓力、建筑地上部分的高度、管網(wǎng)規(guī)模及水損等計(jì)算數(shù)據(jù)來復(fù)核HP、調(diào)整Ps1，以保證式（1）的可實(shí)施性。反之，如果不滿足上述條件，則只能采用傳統(tǒng)的電流信號控制方式切換主備用泵。

2 多臺消防水泵并聯(lián)供水壓力控制

2.1 現(xiàn)有控制方式

消防系統(tǒng)用水量大時(shí)，一套消防泵組會采用多臺消防水泵并聯(lián)供水，工作泵不宜超過3臺，再加上備用泵，可采用二用一備或三用一備的方式。多泵并聯(lián)供水時(shí)，常規(guī)啟動方式是依次延時(shí)啟動所有消防水泵。

這種啟動方式有兩個(gè)問題亟待解決：一是，火災(zāi)初期流量小，不需要同時(shí)啟動兩臺或三臺水泵，如果按此方式依次開啟所有水泵且消防水泵不允許自動停泵，會讓所有消防水泵均處于小流量工作狀態(tài)，造成消防管網(wǎng)超壓、水泵無效運(yùn)作和損耗等問題；二是，如何有效利用壓力控制信號以確保水泵發(fā)生故障時(shí)能正常切換備用泵。

筆者推薦采用《常用水泵控制電路圖》（以下簡稱《圖集》）的解決思路?！秷D集》采用了流量或壓力控制方式，當(dāng)消防水泵兩用一備時(shí)，消防泵組在接到啟泵信號后啟動第一臺水泵，當(dāng)?shù)谝慌_泵的水量和水壓不夠時(shí)，第二臺水泵延時(shí)啟動啟泵[4]，但未明確動作壓力值。接下來探討如何合理設(shè)定壓力信號動作值以解決《圖集》應(yīng)用中所面臨的實(shí)際問題。

2.2 分析和推導(dǎo)

①以最為常見的兩用一備為例，第一臺水泵無法正常啟動、切換第二臺泵，和一用一備時(shí)第一臺水泵無法正常啟動、切換備用泵的工況完全相同，壓力設(shè)定值的推導(dǎo)計(jì)算過程也一樣，可以直接套用本文第1節(jié)及式（1）的結(jié)論。

②然后，在第一臺水泵正常啟動、第二臺泵出現(xiàn)故障無法正常啟動需要切換到備用泵時(shí)，因?yàn)橐延幸慌_水泵正常工作，消防環(huán)網(wǎng)干管壓力不會持續(xù)一直下降到HS，無法再次觸發(fā)壓力開關(guān)S來啟動備用泵。通過在消防干管上增設(shè)新的壓力開關(guān)D2，提供新的切換水泵用壓力控制信號，壓力開關(guān)D2的啟動壓力值H2需設(shè)置在壓力開關(guān)1的動作值H1和HS之間，其數(shù)學(xué)關(guān)系可用不等式表示為：

其中H1＝Ps1－（0.07～0.10），結(jié)合式（1）可推導(dǎo)出H1和HS之間的差值，最小有0.05MPa，上限可達(dá)到0.08MPa甚至更多；H2宜取兩者的中值。

2.3 應(yīng)用及限制條件

H1的工程意義為啟動消防泵組壓力信號值，HS為消防水泵一用一備時(shí)主備用泵切換用壓力信號值，H2為兩用一備時(shí)第一臺啟動正常、第二臺啟動失敗后切換備用泵壓力信號值。

水專業(yè)按式（4）的要求設(shè)計(jì)好各種低壓壓力開關(guān)其及動作值，將上述控制要求及指標(biāo)以工藝條件的形式提供給電氣專業(yè)，即可實(shí)現(xiàn)《圖集》的功能，按需開啟消防水泵的臺數(shù)，并能在水泵發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切換泵用泵。

同理，依此類推，三用一備時(shí)，則需要設(shè)置壓力開關(guān)D3，提供新的切換水泵用壓力信號，壓力開關(guān)D3的啟動壓力值H3需設(shè)置H2和HS之間。

可用不等式表示為：

但三用一備的工況存在 H1、H2、H3、HS這4個(gè)數(shù)值之間的差值偏小等情況，一般情況下差值只有接近0.02MPa，選用壓力開關(guān)時(shí)應(yīng)注意其精度等級，以保證系統(tǒng)及調(diào)試的可靠性。

3 屋頂消防水箱壓力控制

3.1 現(xiàn)有控制方式

①典型工況2：無穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)

如圖3，以常見的濕式噴淋系統(tǒng)為例，當(dāng)高位消防水箱最低有效水位滿足水滅火設(shè)施最不利點(diǎn)處的靜水壓力要求時(shí)，消防給水系統(tǒng)可不用設(shè)置穩(wěn)壓泵。無穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)、在消防主泵啟動前，系統(tǒng)壓力由高位消防水箱的水位決定?；馂?zāi)發(fā)生初期，僅靠消防水箱供水，因?yàn)橄浪渌蛔兓俾事?，?dǎo)致壓力變化值小，無法通過設(shè)置壓力開關(guān)D1來快速有效地啟動消防水泵。

圖3 壓力開關(guān)動作壓力值的確定（無穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)）

基于同樣的道理，壓力開關(guān)S也沒有設(shè)置的必要。所以無穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)，無法直接利用壓力信號控制方式切換主備用泵。

②增設(shè)減壓閥組

在常見的住宅小區(qū)或配套底商項(xiàng)目中，只在地庫子項(xiàng)及多層配套或商業(yè)里設(shè)置有自動噴水滅火系統(tǒng)，因屋頂消防水箱靜水壓大于噴淋水泵揚(yáng)程，工程中常采用在消防水箱噴淋出水管上設(shè)置減壓閥的做法，詳見圖3。

3.2 減壓閥后壓力控制

設(shè)置減壓閥后，只要各項(xiàng)控制參數(shù)能確保閥后壓力HJ小于HS的條件，就避免了減壓閥閥后壓力一直大于壓力開關(guān)S的動作壓力值、進(jìn)而導(dǎo)致無法發(fā)送壓力信號的問題，可間接地利用前述技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)通過壓力信號控制方式切換主備用泵的功能。

無穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)，不受本文第1節(jié)推導(dǎo)過程1的約束、只受推導(dǎo)過程2的約束。上述判定條件可表達(dá)為式（6）：

工程設(shè)計(jì)中，如果HJ可滿足式（6），則可按HS＝0.60HP設(shè)定壓力開關(guān)S的動作壓力值。

3.3 消防水箱可不減壓的最大工作壓力

反過來講，如果無穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電流信號控制方式切換主備用泵時(shí)，即使HX大于HP，也不需要設(shè)置減壓閥。結(jié)合圖2所示的水泵特性曲線，HX不得大于水泵零流量時(shí)的壓力值，也就是1.2HP～1.4HP，取其下限，可表達(dá)為式（7）：

當(dāng)不設(shè)置減壓閥時(shí)，消防供水系統(tǒng)相當(dāng)于雙水源，消防水箱與消防水泵同時(shí)為噴淋管網(wǎng)供水，因?yàn)橄浪鋲毫Φ陀谙浪昧懔髁繒r(shí)的壓力，可以不用擔(dān)心消防水泵無法啟泵的問題。雙水源供水的工況會持續(xù)到消防水箱水量使用完為止，在忽略消防水箱補(bǔ)水的情況下，此時(shí)噴淋系統(tǒng)會轉(zhuǎn)換成消防水泵單水源供水的工況。

式（7）的工程意義在于，水箱高位靜水壓略大于噴淋主泵的情況下，可以不設(shè)置減壓閥。增加造價(jià)倒是其次，畢竟系統(tǒng)越復(fù)雜就越不安全、穩(wěn)定，在滿足功能的情況下，消防給水系統(tǒng)應(yīng)該是越簡單越好。

4 結(jié)語

①有穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)，當(dāng)Ps1和HP分別滿足式（2）、（3）的條件時(shí)，按照式（1）來確定壓力開關(guān)S的動作壓力值，可通過壓力信號控制方式切換主備用泵。

②多泵并聯(lián)供水可按式（4）、式（5）來確定各級壓力控制所需的設(shè)定值，通過壓力信號控制的方式按需開啟消防水泵的臺數(shù)，并能在水泵發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切換泵用泵。

③在式（6）的限定條件下，無穩(wěn)壓泵的臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)可利用在消防水箱出水管上設(shè)置減壓閥的技術(shù)措施，采用壓力信號控制方式切換主備用泵。采用電流信號控制方式切換主備用泵時(shí)，滿足式（7）條件的情況下，無需在消防水箱出水管上設(shè)置減壓閥。

④壓力信號控制在消防給水系統(tǒng)的應(yīng)用中有其優(yōu)勢，在少部分場景中會受設(shè)計(jì)條件的限制而影響應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合工程具體情況合理使用。