一、前言

       GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第8.44條：“設(shè)置臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)的建筑應(yīng)設(shè)置消防水箱（包括氣壓水罐、水塔、分區(qū)給水系統(tǒng)的分區(qū)水箱）”，消防水箱一般需要設(shè)置液位監(jiān)控，比如磁翻板液位計(jì)側(cè)裝就地顯示或者遠(yuǎn)程監(jiān)控，“消防水箱應(yīng)儲(chǔ)水10min的消防用水量。”但是很多建筑由于建筑藝術(shù)要求（如圓形頂?shù)拇髣≡海┗蚪ㄖ螐?qiáng)度不夠（如鋼結(jié)構(gòu)廠房或倉庫）等不能設(shè)置高位消防水箱，在這種情況下就選擇應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備。

 

       傳統(tǒng)的應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備的消防用水和壓縮氣體儲(chǔ)存在同一個(gè)氣壓水罐內(nèi)，其中壓縮氣體占用氣壓水罐2/3以上的容積，消防用水占用氣壓水罐容積不到1/3，利用壓縮氣體的膨脹把消防用水壓進(jìn)消防管網(wǎng)，用于應(yīng)急消防。這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)急消防設(shè)備的氣壓水罐的體積往往較大，有的甚至用兩個(gè)或者更多的氣壓水罐組合才能滿足要求，這樣就大大增加了設(shè)備占用空間，從而增加了泵房的建設(shè)費(fèi)用與產(chǎn)品運(yùn)輸和安裝難度，而且從氣壓水罐壓出的消防用水的壓力持續(xù)下降，消防壓力不穩(wěn)定。這一技術(shù)難題給大量的工程消防泵房設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。

 

       應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備就是把傳統(tǒng)應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備的氣壓水罐中的壓縮氣體分離出來，利用波意爾定律和空氣可壓縮的特性將氣體進(jìn)行高倍壓縮，單獨(dú)儲(chǔ)存在高壓氣瓶組內(nèi)，不但氣室的容積大幅度減小，而且實(shí)現(xiàn)了氣水完全分離。再通過大流量氣體減壓裝置減壓后，與氣壓水罐聯(lián)接。

 

二、應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備組成和工作原理

       應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備由氣壓水罐、穩(wěn)壓裝置、集裝裝置、止氣裝置、磁翻板液位計(jì)液位監(jiān)控和電控系統(tǒng)等組成。氣壓水罐中儲(chǔ)存消防用水，氣瓶組儲(chǔ)存氣體。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)維持一定的壓力。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，由弱電控制的頂壓裝置開起，把氣瓶組儲(chǔ)存的高壓氣體釋放出來，經(jīng)大流量減壓裝置減壓到消防工作壓力狀態(tài)后，進(jìn)入氣壓水罐，采用全置換頂壓方式置換出氣壓水罐內(nèi)的水，頂入消防管網(wǎng)，進(jìn)行應(yīng)急消防滅火。該產(chǎn)品的具體工作原理如圖1所示，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見表1。穩(wěn)壓泵或隔膜氣壓罐穩(wěn)壓泵工作時(shí)將水送至給水管網(wǎng)和氣壓水罐。由于系統(tǒng)泄漏等原因造成消防管網(wǎng)壓力下降，當(dāng)消防管網(wǎng)系統(tǒng)壓力下降到設(shè)定穩(wěn)壓壓力下限值SP 1時(shí)，穩(wěn)壓泵或隔膜氣壓罐穩(wěn)壓泵開始運(yùn)行；當(dāng)消防管網(wǎng)系統(tǒng)壓力上升至穩(wěn)壓壓力上限值SP 2時(shí)，穩(wěn)壓泵或隔膜氣壓罐穩(wěn)壓泵停止運(yùn)行。如此周而復(fù)始，對消防官網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)壓。

 

       當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，消防裝置投運(yùn)，穩(wěn)壓泵無法維持管網(wǎng)壓力，當(dāng)消防管網(wǎng)系統(tǒng)壓力降至SP 3時(shí)或消防信號輸入，頂壓裝置開起，集裝裝置儲(chǔ)存的高壓氮?dú)饨?jīng)過減壓器減壓到設(shè)定的消防壓力P后進(jìn)入氣壓水罐，將氣壓水罐里的消防用水頂入消防管網(wǎng)，并向消防管網(wǎng)提供穩(wěn)定壓力P、持續(xù)10min的消防用水。當(dāng)氣壓水罐中的液位下降到設(shè)定值SN 1時(shí)，止氣裝置關(guān)閉，防止氣壓水罐中的氣體進(jìn)入消防管網(wǎng)，該設(shè)備運(yùn)行結(jié)束。

 

三、應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備采用的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)

       應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備是根據(jù)目前消防氣壓給水設(shè)備產(chǎn)品的現(xiàn)狀在理論和結(jié)構(gòu)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新。

1. 首次采用氣、水分完全離方式

       在傳統(tǒng)應(yīng)急消防氣壓給水系列產(chǎn)品中首次采用氣、水分完全離方式，如圖2和圖3所示。

 

       把傳統(tǒng)應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備的氣壓水罐中的壓縮氣體分離出來，利用波意爾定律和空氣可壓縮的特性將氣體進(jìn)行高倍壓縮，單獨(dú)儲(chǔ)存在高壓氣瓶組內(nèi)。一般情況下，應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備所配置的集裝裝置中的單個(gè)氣瓶容積為40L，zui高充氣壓力為11MPa，不低于10MPa。如果消防壓力為1.0MPa，應(yīng)急消防用水為12m³，所需要的氣瓶數(shù)量為：根據(jù)波意爾定律 

          P1V1=P 2V2 （1）

         式中 P 1——消防工作標(biāo)準(zhǔn)壓力，即1.0MPa+0.1MPa； P 2——氣瓶中的氣體標(biāo)準(zhǔn)壓力，即10MPa+ 0.1MPa； V1——設(shè)備工作完畢后的氣體體積，即集裝裝置中氣瓶組的總?cè)莘e與氣壓水罐置換水容 積之和，12m³+40L·n =12000L+40L·n，其中n為氣瓶數(shù)量；

 V2——集裝裝置中氣瓶組的總?cè)莘e，即40L·n。代入式（1）可得

 

（1.0MPa+0.1MPa）（40L·n+12000L）=40L·n（10MPa+0.1MPa） （2）

 

       經(jīng)計(jì)算得 n≈36.67。由于10min消防應(yīng)急用水12m³為zui小規(guī)定的水量，氣瓶數(shù)量圓整后為n=40。

 

       由上述計(jì)算得出，應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備消防前的氣室容積僅為傳統(tǒng)的消防氣壓給水設(shè)備的氣室容積的1/10，并且消防壓力越小，氣室的壓縮比例越大。又由于傳統(tǒng)的應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備所需要的壓縮氣體占用氣壓水罐2/3以上的容積，從而得出應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備氣壓水罐的容積僅為傳統(tǒng)的消防氣壓給水設(shè)備中的氣壓水罐的1/3，既減小了設(shè)備占用空間，又降低了氣壓水罐的運(yùn)輸和安裝難度。

 

       磁翻板液位計(jì)在應(yīng)急消防中起到的是液位測量監(jiān)控和報(bào)警作用，應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備采用了穩(wěn)壓效果好、技術(shù)非常成熟的穩(wěn)壓泵與隔膜氣壓罐組合的穩(wěn)壓方式，代替了傳統(tǒng)的應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備通常采用空壓機(jī)或補(bǔ)氣泵和補(bǔ)氣罐組合的穩(wěn)壓方式，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備穩(wěn)壓系統(tǒng)氣、水完全分離。

 

2. 首次使用大流量氣體減壓技術(shù)

       大流量減壓技術(shù)（見圖4）在氣體輸配工業(yè)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)已經(jīng)成熟，但在消防氣壓給水產(chǎn)品中使用尚屬首次。

 

       為了保證在消防壓力狀態(tài)下的消防水的流量，在氣瓶組和頂壓裝置之間設(shè)置高壓減壓裝置。從氣瓶組釋放出來的壓縮氣體經(jīng)減壓裝置減壓到消防壓力后，再經(jīng)頂壓裝置進(jìn)入氣壓水罐，把氣壓水罐中的消防用水壓進(jìn)消防管網(wǎng)進(jìn)行消防，并且為了保證設(shè)備消防用水的輸出流量，氣瓶組釋放氣體的流量必須大于消防用水的流量。因此，根據(jù)消防用水的輸出流量，計(jì)算設(shè)備中氣瓶組減壓器或減壓閥的口徑和數(shù)量，選擇合適輸出氣體流量的減壓器或減壓閥，以保證氣體的流量能滿足置換出消防用水的流量。

 

       目前在應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備集裝裝置氣瓶組中的減壓方式有兩種，一種方式是把所有的氣瓶出口串聯(lián)起來，在氣體匯流排管道上集中采用一組或多組減壓器進(jìn)行減壓；另一種方式是在每個(gè)氣瓶出口處安裝一件減壓閥進(jìn)行減壓。無論哪一種減壓方式，都必須保障減壓器或減壓閥的總的氣體輸出流量。

 

3. 首次推出全置換頂壓理念

       采用氣、水分完全離的方式，把消防用水儲(chǔ)存在氣壓水罐中，把置換消防用水所需的氣體儲(chǔ)存在高壓氣瓶內(nèi)，在氣瓶組和氣壓水罐之間設(shè)置頂壓裝置。頂壓裝置由控制柜文本控制器面板中設(shè)定的壓力控制或消防中心的消防信號控制。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，由于消防裝置投運(yùn)，穩(wěn)壓裝置無法維持管網(wǎng)壓力，當(dāng)管網(wǎng)壓力降到控制文本控制面板中設(shè)定的壓力或有消防信號輸入時(shí)，頂壓裝置開起，把氣瓶內(nèi)壓縮氣體釋放出來，經(jīng)過減壓裝置減壓后，再經(jīng)頂壓裝置進(jìn)入氣壓水罐，把氣壓水罐中的消防用水從氣壓水罐中頂入消防管網(wǎng)，并向消防管網(wǎng)提供持續(xù)10min的消防用水。當(dāng)氣壓水罐中的液位下降到設(shè)定的液位后，止氣裝置關(guān)閉，氣壓水罐內(nèi)除很少一部分水外都充滿氣體，這就是全置換頂壓理念。該產(chǎn)品由于應(yīng)用了全置換頂壓技術(shù)，不但大大減小了氣壓水罐的容積和氣室空間，而且提高了產(chǎn)品的自動(dòng)化控制技術(shù)程度，使產(chǎn)品運(yùn)行更加可靠穩(wěn)定、維護(hù)更簡便。

 

4. 止氣功能

       應(yīng)急消防氣頂頂壓給水設(shè)備采用氣體把氣壓水罐中的水頂入消防管網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)急滅火，如果設(shè)備沒有止氣裝置，氣體在把氣壓水罐中的水全部頂出后就會(huì)進(jìn)入消防管網(wǎng)，這是消防規(guī)范所禁止的。

 

       傳統(tǒng)的應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備采用在氣壓水罐出水口管道內(nèi)設(shè)置浮球組合，氣壓水罐內(nèi)消防用水即將排除的時(shí)候，浮球自動(dòng)下降而落到密封面上，從而阻止氣體進(jìn)入消防管網(wǎng)。這種方式的止氣裝置在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)泄漏、抖動(dòng)等運(yùn)行不可靠的現(xiàn)象。

 

       應(yīng)急氣體頂壓給水設(shè)備的止氣裝置由氣動(dòng)蝶閥、旁通管路和氣源管路組成（見圖5），而氣源由集裝裝置提供。氣動(dòng)蝶閥通過磁翻板液位計(jì)超低液位開關(guān)控制自動(dòng)、快速關(guān)閉，從而防止氣體進(jìn)入消防管網(wǎng)。

 

5. 在強(qiáng)電源切斷的情況下正常運(yùn)行、起動(dòng)

       在發(fā)生火情的時(shí)候，外強(qiáng)電源往往被切斷，做為應(yīng)急消防產(chǎn)品，必須保證在外強(qiáng)電源切斷的情況下也要自動(dòng)起動(dòng)進(jìn)行滅火。

 

       應(yīng)急消防頂壓給水設(shè)備控制柜（見圖6）文本面板、PLC系統(tǒng)運(yùn)行、消防過程中需要運(yùn)行的頂壓裝置、止氣裝置、壓力檢測和液位檢測等電源都是DC24V。該產(chǎn)品配套控制柜中設(shè)置一用一備蓄電池組，可為設(shè)備控制柜所需要的控制電力提供DC24V的電源，并且保證在強(qiáng)電源切斷后蓄電池可提供90h的控制電力用電量，從而保證在發(fā)生火情的時(shí)候，強(qiáng)電源被切斷的情況下，設(shè)備能自動(dòng)起動(dòng)進(jìn)行消防。

 

四、結(jié)語

       應(yīng)急消防氣體頂壓給水設(shè)備在應(yīng)急消防氣壓給水產(chǎn)品中首次應(yīng)用氣水完全分離方式、大流量氣體減壓技術(shù)和全置換頂壓理念等創(chuàng)新理念和技術(shù)，整個(gè)結(jié)構(gòu)和工作流程在應(yīng)急消防氣壓給水產(chǎn)品都屬首次設(shè)計(jì)，節(jié)省空間，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，是一種能代替高位水箱的新型固定滅火產(chǎn)品。適用于一些不適合設(shè)置高位水箱，但又必須設(shè)置高位水箱的場所，如機(jī)場、劇院等，也可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的應(yīng)急消防氣壓給水設(shè)備。