气压罐的工作原理.docx

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气压罐的工作原理

民用建筑高位消防水箱增压设施的设计探讨

在民用建筑的消防给水设计中，采用临时高压给水系统的建筑物都应设置高位消防水箱，以保证最不利点消火栓或喷头的消防水压。

《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（以下简称高规）规定，建筑高度不超过100m时，最不利点消火栓的静水压力不应低于0.07Mpa，建筑高度超过100m时，最不利点消火栓的静水压力不应低于0.15Mpa。

在实际工程设计中，由于受建筑造型、结构设计的限制，当高位水箱的设置高度不能满足上述消火栓的静压要求时应设置增压设施。

设计中常采用的增压形式有两种：

一是设置增压泵；二是设置气压罐。

1　增压泵

　　在消防水箱的出水管上设置增压泵以解决最不利点消火栓的压力要求，是一种从设计到施工都较为简单的增压形式，既方便又经济，在工程实践中得到广泛应用。

其基本工作过程如图1所示：

1.1增压泵的工作原理

　　顶部消防给水的压力在火灾初期由增压泵供给，消防水箱出水管上设有电接点压力表，压力表设3个控制点，即上限压力值、下限压力值和启动消防泵的压力值。

当系统压力升至设计上限值时，停止增压泵的运行；当系统压力降至设计下限值时，启动增压泵，系统压力上升至上限值，如此反复来维持消防系统的压力需要；当发生火灾时，消火栓水枪或喷头开始喷水，系统压力下降，当降至设计压力下限值以下时，停止增压泵，启动消防泵。

1.2增压泵的设计计算

　　增压泵的设计计算内容主要是确定启动、停止增压泵的上限压力值、下限压力值和启动消防泵的压力值。

1.2.1启动增压泵的下限压力值Hmin

　　如图1所示，启动增压泵的下限压力值应为最不利点消火栓所需的水压，以建筑高度小于100m的高层建筑为例，最不利点消火栓所需的水压为：

Hmin=Hq+Hd+HK+∑h-H

　　根据《高规》第7.4.6.2条规定建筑高度小于100m的高层建筑消火栓的充实水柱为10m

　　Hq=（αf×Hm×10）÷（1-ψ×αf×Hm）=1.2×10×10÷（1-0.0097×1.2×10）

　　=135.8Kpa=13.58m

　　qxh=（BHq）1/2=（1.577×13.58）1/2=4.63（l/s）

　　而《高规》第7.2.2条规定每支水枪流量为5L/s

　　Hq=q2÷B=52÷1.577=16（m）=160（Kpa）

　　Hm=Hq÷αf×（10+Hq×ψ）=160÷1.2×（10+160×0.0097）=11.54（m）=0.11Mpa

　　工程设计中通常选用口径65长度25米的衬胶水带

　　故Hd=AdLdq2=0.00172×25×5.02=1.08m=0.01Mpa

　　HK=0.02Mpa

　　H为屋顶水箱至顶层消火栓栓口的距离，∑h为屋顶水箱至顶层消火栓处的水头损失

　　启动增压泵的下限压力为：

　　Hmin=Hq+Hd+HK+∑h-H=0.16+0.01+0.02-H=0.19（Mpa）+∑h-H

1.2.2停止增压泵的上限压力值Hmax

　　给水主管道由于管道、阀门等泄漏产生的压力降，根据经验一般取0.05～0.10Mpa，则停止增压泵的上限值压力为：

　　Hmax=Hmin+0.05~0.10=0.19+∑h-H+0.05~0.10=0.24~0.29（Mpa）+∑h-H

1.2.3启动消防泵的压力值Hx

　　发生火灾时，由于消火栓或喷头喷水，系统压力开始下降，当降至增压泵的下限压力值Hmin时，随着消防用水量的增大，系统压力继续下降，增压泵已不能维持消火栓压力的要求，此时启动消防泵。

为了防止消防泵的误动作，由Hmin下降至Hx一般取5～10m水柱，即：

　　Hx=Hmin-0.05~0.10=0.19+∑h-H-0.05~0.10=0.14~0.09（Mpa）+∑h-H

1.2.4增压泵的流量

　　由于系统初出水时主泵不可能立即出水，最初的流量完全由增压泵供给，所以选择稍大的流量较为合适。

对于消火栓系统增压泵的流量以约大于1个消火栓的出水量计，为≥5L/s。

喷洒系统增压泵的流量以约大于1个喷头的出水量计，为≥1L/s。

2　气压罐

气压罐用于顶层消防给水的增压也是设计常用的一种增压设施。

气压罐的主要作用是提供足够的消防水压，而贮存少量的消防用水，室内10min的消防水量仍然贮存在屋顶水箱中，因此，消防气压罐的容积较小，这是与其它气压给水系统的不同之处。

2.1气压罐的工作原理

　　消防气压罐的消防水总容积分为3个部分，即消防贮水容积（调节容积）、缓冲水容积和稳压水容积，如图2所示。

系统平时的压力由稳压泵提供，当压力升高，达到稳压水容积的高水位时，稳压泵自动停止运行；当压力降低，达到稳压水容积的低水位时，稳压泵自动开启，将稳压水容积提升到最高水位。

如此循环以保持系统的高压状态。

当发生火灾时，随着消火栓的投入使用，系统压力开始下降，当降至消防贮水容积的最低水位时，停止稳压泵，自动开启消防泵灭火。

2.2气压罐的设计计算

　　气压罐增压系统的设计计算内容主要有两个部分，即气压罐总容积的计算和每个压力控制点压力值的计算。

总容积的计算确定所选压力罐的大小，压力的计算确定稳压泵的启、停范围以及开启消防泵的压力值。

2.2.1气压罐的总容积V

　　气压罐的总容积一般按公式V=βVX÷（1-αb）计算。

　　式中：

V为气压罐的总容积m3；VX为消防水总容积等于消防贮水容积、缓冲水容积和稳压水容积之和；β为气压罐的容积系数，卧式、立式、隔膜式气压罐的容积系数分别为1.25，1.10和1.05；αb为气压罐最低工作压力和最高工作压力之比（以绝对压力计），一般宜采用0.65～0.85。

　　消防贮水总容积（VX）：

设置气压罐的目的是为了保证火灾发生初期消防泵没有启动之前消火栓和喷头所需的水压，这段时间约为30s。

对于消火栓给水系统，按同时使用2支水枪（每支水枪流量5L/s）计，消防贮水容积为2*5*30=300L；对于自动喷水灭火系统，按5个喷头同时开启，每个喷头以1L/s计，消防贮水容积为5*1*30=150L。

当2个系统共用气压罐时，消防贮水总容积为300+150=450L。

　　缓冲水容积V1一般不小于20L，稳压水容积V2一般不小于50L。

2.2.2压力控制点压力值的计算

　　气压罐设4个压力控制点，如图2所示。

其中：

P1为气压罐最低工作压力点或气压罐充气压力，即消防贮水容积的下限水位压力，等于最不利点消火栓所需的水压Hmin，其计算方法同增压泵；P2为最高工作压力，即启动消防泵的压力值。

按下式计算：

　　P2=（P1+0.098）÷αb-0.098

　　P01为稳压水容积下限水位压力，此时启动稳压泵；P02为稳压水容积上限水位压力，即气压罐最高工作压力，此时停止稳压泵。

　　由于压力传感器有精度、稳定性的要求，一般使缓冲水容积的上、下限水位压差不小于0.02~0.03Mpa；稳压水容积的上、下限水位压差不小于0.05~0.06Mpa。

则：

　　P01=P2+0.02~0.03Mpa　　　　P02=P01+0.05~0.06Mpa=P2+0.07~0.09MPa

2.2.3计算举例

　　笔者在一栋建筑高度接近100m的一类综合楼建筑中，顶部几层采用立式气压罐稳压，屋顶水箱至顶层消火栓栓口的距离:

H=4m。

屋顶水箱至顶层消火栓处的水头损失∑h=0.82m

　　气压罐工作压力比：

αb=0.76

　　气压罐总容积：

V=βVX÷（1-αb）=1.1×（300+20+50）÷（1-0.76）=1.70m3

　　选用：

SQL1000×0.6气压罐一台

　　气压罐充气压力：

　　P1=Hmin=Hq+Hd+HK+∑h-H=0.16+0.01+0.02+0.0082-0.04=0.14（Mpa）

　　最高工作压力：

P2=（P1+0.098）÷αb-0.098=0.14÷0.76-0.098=0.22（Mpa）

　　稳压泵启动压力：

P01=P2+0.02~0.03Mpa=0.22+0.02~0.03=0.24~0.25（Mpa）

　　稳压泵停泵压力：

P02=P2+0.07~0.09Mpa=0.22+0.07~0.09=0.29~0.31（Mpa）

　　稳压泵扬程：

H=（P01+：

P02）÷2=（0.24+0.39）÷2=0.27（Mpa）

　　稳压泵流量：

Q≤5.0L/S

　　选用40LG12-15×2水泵两台一用一备每台：

Q=4.17L/s　　H=27m　　N=2.2KW

2.2.4稳压泵的流量

　　由于消防初期流量由气压罐供给，泵的流量只需考虑系统的渗漏量或气压罐对流量的要求，所以流量可适当选小一点。

对于消火栓系统稳压泵的流量以约小于1个消火栓的出水量计，为≤5L/s。

喷洒系统稳压泵的流量以约小于1个喷头的出水量计，为≤1L/s。

3　两种增压设施的比较

　　单设管道泵的增压系统设备简单，占地面积小，设计与施工都较方便，系统控制简单，保证系统正常工作的前提是需选择性能良好的低功率管道泵，可靠的继电器开停装置；供电应保证双回路并能自动切换。

此种增压方式存在的不足之处为：

对于管网漏损压力波动较大的供水系统，管道泵的启停频繁，设备容易损害，故障率高，能耗提高，从而增加运行费用。

同时消防安全度较低。

　　与单设管道泵的增压系统相比，气压罐不但能调节容积（贮存30s的室内消防用水），更重要的是贮存能量。

稳压泵每启动1次，可以长时间地维持管网压力，设备启动次数少，运行费用低，顶部管网经常处于承压水状态，供水安全可靠。

火灾初期，气压罐不但能保证顶部几层消火栓和喷头的压力要求，而且能提供30s的室内消防用水（450L）。

即消火栓或喷头随时可以取得符合压力要求的消防用水，在这一点上气压罐明显-优于增压泵。

但气压罐增压系统也存在不足之处：

设备占地面积相对较大，一次性投资相对较高。

4　选用方法

　　上述2种增压设施各有所长，在具体工程中应分别对待，选用合适的设计方案。

对于一类高层建筑和重要的建筑物，火灾造成的损失巨大，防火要求高，应尽量采用气压罐增压设施解决顶部几层的压力需求，且稳压泵应设置备用泵，以提高使用的可靠性；对于二类高层建筑和普通危险级的建筑物，由于受场地、资金等条件的限制，可考虑只设增压泵，但在选用增压泵产品时应确保质量可靠。

5　结语

　　无论是气压罐还是增压泵，提供的都是火灾初期消火栓和喷头的水压保障，而初期灭火的成功是控制火灾的关键，可将火灾造成的损失降低到最低限度。

　　综上所述，高层建筑的高位消防水箱增压设施的设计，应根据具体工程对照规范确定；增压泵的流量、扬程及气压罐的总容量等参数还应根据不同的工况来确定，而不是机械套用，做到符合规范、运行可靠、经济合理。

气压罐：

N为隔膜式B为补气式L为立式W为卧式

工作压力0.6MPa,1.0MPa,1.6MPa,2.5Mpa

型号

φm/m

Hm/m

NZS400L

400

1000

NZS500L

500

1500

NZS600l

600

1900

NZS800L

800

2300

NZS1000l

1000

2500

NZS1200L

1200

3000

NZS1400L

1400

3100

NZS1600L

1600

3200

NZS2000L

2000

3600

型号规格

Lm/m

Hm/m

NZS1000W

2100

1200

NZS1200W

2500