室内消火栓系统中的压力开关与流量开关

《消防给水及消火栓系统给水规范》（GB50974-2014，以下简称“水消规”）对于室内消火栓系统的控制，提出“消防水泵出水干管上设置的压力开关、高位消防水箱出水管上设置的流量开关等开关信号应能直接自动启动消防水泵”的要求，用可靠性较高的压力开关、流量开关的开关信号启动消防泵的控制方式，替代以往采用的可能误操作、投资多的消防按钮的控制方式。对于室内消火栓系统宜优先采用压力开关的自动启动方式，在20世纪90年代曾有过报导。对于压力开关的选用，“水消规”给出了相关的条文解释，“压力开关一般可采用电接点压力表、压力传感器等”，不过压力开关并不是电接点压力表、压力传感器的统称，电接点压力表与压力传感器有所区别；对于流量开关，“水消规”没有规定其发出自动启动开关信号的最小及最大流量，仅规定“应能在管道流速为0.1m/s～10m/s时可靠启动。”接下来对压力开关、流量开关的工作原理、产品分类作简要介绍，主要就初期火灾室内消火栓系统的系统压力及最小消防流量的计算，来说明在工程设计中如何确定压力开关的设定压力及流量开关的设定流量。1压力开关1.1压力开关的分类及工作原理压力开关是一种简单地将系统的压力信号转换成电信号的压力控制装置，室内消火栓系统中压力开关的主要功能是将检测量与设定值相比较，在设定点输出开关信号，进行报警及联锁启动消防泵，主要有机械式和电子式两大类。机械式压力开关采用纯机械形变导致开关元件动作。当压力增加时，传感压力元器件产生形变，通过栏杆、弹簧等机械结构，最终启动开关元件，使电信号输出。电子式压力开关采用内置的由压敏元件和转换电路组成的压力传感器，利用被测介质的压力作用在压敏元件上产生一个微小变化的电流或电压输出，通过高精度仪表放大器放大压力信号，由高速微控制单元采集并处理数据，在上、下限压力控制点输出电信号。“水消规”中关于压力开关的条文解释所提到的压力传感器是一种电子式压力开关，与机械式压力开关相比，电子式压力开关响应快、精度高、稳定可靠。1.2电接点压力表电接点压力表指示压力的指针和设定压力上、下限的设定针上分别安装有触头，通过指针上的触头与压力上、下限设定针上的触头的断开或闭合，使控制电路得以通断，以达到自动控制或报警的目的。电接点压力表通常不能直接用在工作电路上，只能通过继电器类元件，间接控制工作电路，而压力开关可以通过单触点或双触点的开关信号来直接启动消防泵；电接点压力表大多数未按消防产品的要求通过相应的消防检测，其安全可靠性不及压力开关。1.3压力开关的设定压力室内消火栓系统通常采用常高压系统或设置用于初期火灾的高位消防水箱的临时高压系统；对于临时高压系统，根据高位消防水箱的设置高度，可分为高位消防水箱的最低水位满足最不利点处消火栓栓口静水压力的独立供水系统（以下简称“独立供水系统”）及在不能满足前述条件下的高位消防水箱与稳压泵相结合的联合供水系统（以下简称“联合供水系统”），对应的系统示意见图1。示意图中，按照“水消规”的要求，压力开关设置在消防泵的供水主干管上，流量开关设置于高位消防水箱的出水总管上。常高压系统内无消防泵，不需要配置压力开关。对于图1a独立供水系统，高位消防水箱补水管的管径不小于DN32，在通常使用的1m/s的设计流速条件下，其供水能力为1L/s，基本满足系统泄漏量的要求，高位消防水箱内满足其规定的最小有效容量的水位基本是不变的。因初期火灾消防用水量的需要，其水位必然下降，系统内消防泵出水干管上压力开关设置点处的压力相应地下降；“水消规”规定，不同的建筑条件下，最不利点处消火栓栓口的动压不应小于0.25MPa或0.35MPa，在高位消防水箱供水的情况下，栓口的动压不能满足规范的要求，需要启动消防泵，因此高位消防水箱满水时系统内压力开关设置点处的压力H1可作为消防泵是否需要自动启动的设定压力。为避免非消防条件下，高位消防水箱满水位的正常波动引起压力开关设置点处压力的变化，造成消防泵的误启动，需在高位消防水箱满足其规定的最小有效容量的基础上增设必要的波动水位H2，非消防时压力开关设置处的压力介于H1与（H1+H2）之间。对于图1b联合供水系统，压力开关设定压力主要依据“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0.15MPa”的要求来确定。联合供水系统最不利点处消火栓栓口的静水压力应大于0.15MPa，如稳压泵不能维持其最小压力，说明系统的出水量已超过稳压泵的设计流量，需要启动消防泵来供水，那么可以将最不利点处消火栓栓口0.15MPa的静水压力作为整个系统是稳压泵工作还是消防泵工作的临界压力，消防泵出水干管上压力开关设置点所对应的压力通过两者的几何高差H确定为（H+0.15）MPa，此压力为设定压力的最小值。在工程设计中，当最不利点处消火栓栓口的设计静水压力增加时，此设定压力应相应增加。2流量开关2.1流量开关的定义、作用及常用种类流量开关是由流速传感器和开关元件构成的电器，当介质（流动介质）流速（根据其增加或减少）达到预设值时改变输出信号。流速传感器用于检测介质的流速，通过流速、管径可以确定流量；开关元件用于导通开关电路的电流。室内消火栓系统中流量开关的主要功能是将检测量与设定值相比较，在设定点输出开关信号，进行报警及联锁启动消防泵。对于介质为清水的消火栓系统，主要可选用差压式流量开关、数字靶式流量开关及电磁流量开关。2.2流量开关的设定流量2.2.1初期火灾最小消防流量流量开关发出开关信号的设定流量应首先满足初期火灾最小消防流量的使用要求。按照室内消火栓系统灭火设备的不同配置要求，消防时首先使用的是消火栓或消防软管卷盘，对应的初期火灾的最小消防流量为最不利点处消火栓栓口所配置的当量喷嘴∅19水枪的流量或工程设计中最不利点处消防软管卷盘所配置的当量喷嘴不小于∅6、通常为∅6或∅9水枪的流量，不同水枪的流量均可以采用式（1）进行计算：为简化计算，不考虑连接∅6、∅9水枪的橡胶消防软管及其控制阀门的水头损失，∅19水枪喷嘴处的压力需考虑栓口及水带的水头损失，其计算公式见式（2）：“水消规”要求，独立供水系统高位消防水箱的最低有效水位对于最不利点处消火栓栓口及消防软管卷盘水枪喷嘴处的静压力，按照不同的建筑分类，其最小值可分别取为0.07MPa、0.1MPa、0.15MPa；联合供水系统的最小值应大于0.15MPa。由这些数据，利用式（1）~式（3），可分别计算2种系统的初期火灾最小消防流量，计算结果见表1、表2。为简便计算，独立供水系统的静水压力不考虑高位消防水箱的有效水位高度，联合供水系统的静水压力按0.15MPa计算。2.2.2系统正常泄漏量室内消火栓系统在日常的使用过程中，系统正常泄漏量与系统使用时间的长短、维护状况的优劣、系统内压力的变化、管网规模的大小、管道的材质与接口形式等因素有关，其值较难计算；为了能够确定与之相关的消防系统稳压泵的流量，“水消规”给出了系统正常泄漏量上、下限的计算方法，“宜按消防给水设计流量的1%～3%计，且不宜小于1L/s”，其最大值按设计流量取40L/s进行计算为1.2L/s。2.2.3流量开关的设定流量在室内消火栓系统的使用过程中，系统正常泄漏量是与使用时间、管道内压力大小等因素相关的一个变量，任何时刻流量开关的设定流量应满足大于系统正常泄漏量且小于初期火灾最小消防流量的要求，不能采用系统初期火灾最小消防流量与系统正常泄漏量的累加值。在“水消规”所规定的不同分类建筑最不利点消火栓栓口最小静压及正常泄漏量取为1L/s的条件下，从表1、表2的数据中可以看出，对于仅设置消火栓的独立或联合供水系统，初期火灾最小消防流量大于正常泄漏量，设定流量只要介于两者之间，就能满足系统维持正常泄漏量及自动启动的需要；对于增设消防软管卷盘的系统来说，系统正常泄漏量与初期火灾最小消防流量相比存在不确定性，如果初期火灾最小消防流量小于正常泄漏量，流量开关的设定流量就较难确定。以正常泄漏量来确定，使用消防软管卷盘时不能自动启动消防泵，系统的动压不能达到“水消规”的要求，不利于提高消防软管卷盘自救的使用效果，延误灭火时间，如消防软管卷盘∅6喷嘴的水枪在0.07MPa的静压条件下，计算其流量为0.33L/s；以此流量来启动，不能满足系统正常泄漏量的需要，造成消防泵频繁启动和误报警；在各种设置条件中，仅∅9喷嘴的水枪在0.15MPa静压条件下的初期火灾最小消防流量大于1L/s，能避免上述的不利工况；根据式（1）及表1、表2的计算数据，与其他设置条件相比，主要是初期火灾最小消防流量与消防软管卷盘所配置的水枪喷嘴直径及水枪喷嘴处的压力有关。笔者认为，在工程设计中对于增设消防软管卷盘的消火栓系统，可以通过增加最不利点栓口静压、采用直径较大的9喷嘴水枪来实现系统的初期火灾最小消防流量大于系统正常泄漏量，便于流量开关启动流量的设定。实际工程设计中，对于满足最不利点最小静压条件70kPa的独立供水系统，在采用∅9喷嘴水枪的条件下，如不能抬高高位消防水箱的高度，可采取设置稳压泵来增大最不利点处栓口压力的措施。3结语（1）室内消火栓系统消防泵出水干管上压力开关的设定压力应根据不同的消火栓系统来确定。（2）室内消火栓系统初期火灾最小消防流量与系统内最不利点处灭火设施的静压力及使用的灭火设施的种类有关；系统流量开关的设定流量应依据系统初期火灾最小消防流量及系统正常泄漏量来确定。（3）仅设置消火栓的独立供水及联合供水系统中流量开关的设定流量应介于系统的正常泄漏量与初期火灾最小消防流量之间。（4）对于增设消防软管卷盘的独立供水及联合供水系统，可以通过采用水枪喷嘴∅9的消防软管卷盘、增加最不利点处栓口的静压等措施来增大系统初期火灾最小消防流量，便于系统流量开关流量的设定。