王定彰，熊英
（馬鋼股份公司設(shè)計(jì)研究院環(huán)保所，馬鞍山 243000）

　　摘要：在高層建筑分區(qū)消火給水系統(tǒng)中，采用減壓閥組技術(shù)，可滿足各分區(qū)不同壓力的需求，取消中間水箱，較好地解決消防過(guò)程中的超壓?jiǎn)栴}。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；消防；減壓閥；消火栓
　　中圖分類號(hào)：TU998.13
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1009-2455（2000）04-0043-03

前言

　　我國(guó)目前高度在80～100m之間的建筑占有較大比例，對(duì)于這類建筑，為了保證最不利消火栓水壓的要求，消防水泵需提供較高的供水壓力，從而導(dǎo)致低層部分供水壓力偏高，下部消火栓超壓。解決這個(gè)問(wèn)題的方法有多種，通常多采用分區(qū)供水方式^[1]。分區(qū)供水的方式亦有多種，如并聯(lián)分區(qū)、串聯(lián)分區(qū)方式及無(wú)水箱供水方式。并聯(lián)分區(qū)與串聯(lián)分區(qū)方式皆需設(shè)置高位水箱和中間水箱，這會(huì)加大結(jié)構(gòu)荷載，占用寶貴的建筑主體面積，且增加造價(jià)。無(wú)水箱并聯(lián)供水方式雖然取消陽(yáng)光箱，但由于各分區(qū)皆分別設(shè)置了獨(dú)立的消防水泵，因而需要較大的泵房面積。這三種方式在分區(qū)交界處樓層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，上下兩分區(qū)的消防泵均需同時(shí)啟動(dòng)，因而需要較高的電機(jī)裝機(jī)容量。基于上述問(wèn)題，筆者認(rèn)為：采用減壓閥對(duì)高層消火栓給水系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)是一種經(jīng)濟(jì)、合理的供水分區(qū)方式。

1　消火栓給水系統(tǒng)分區(qū)減壓閥的選擇

　　《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定：消火栓給水系統(tǒng)中消火栓栓口的靜壓不小于0.80MPa^[2]，當(dāng)消火栓栓口出水壓力大0.50MPa^[2]時(shí)，消火栓出口處應(yīng)設(shè)減壓裝置。在高層建筑中，消火栓給水系統(tǒng)的消防水泵是根據(jù)規(guī)范，按建筑物類別和建筑高度選定其流量和揚(yáng)程。消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收完畢交與管理者后，為維護(hù)系統(tǒng)在有火警時(shí)能及時(shí)、正常投入使用，管理者必須按照有關(guān)規(guī)定對(duì)消火栓給水系統(tǒng)進(jìn)行定期試運(yùn)行。在系統(tǒng)試運(yùn)行或火災(zāi)初始時(shí)，因?yàn)殚_啟的消火栓數(shù)量少或僅為一支槍，這就產(chǎn)生了因消防水泵能力過(guò)大而引起系統(tǒng)的超壓。為了使設(shè)計(jì)既滿足規(guī)范的相關(guān)要求，同時(shí)又盡量避免消火栓系統(tǒng)在上述情況下的超壓發(fā)生，選擇合適的減壓閥，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)予以充分重視。圖１是使用減壓閥的高層消火栓給水系統(tǒng)圖式。
　　常用的減壓閥按結(jié)構(gòu)形式分為薄膜式、彈簧式和活塞式三種，按作用形式分為：比例式和定壓式。定壓式減壓閥中有一種既減動(dòng)壓，又減靜壓，且閥前壓力可任其變化，而閥后壓力可穩(wěn)定在所需壓力的減壓穩(wěn)壓閥。消火栓給水系統(tǒng)當(dāng)采用減壓閥進(jìn)行給水分區(qū)時(shí)，為滿足規(guī)范中關(guān)于消火栓栓口的靜、動(dòng)壓的要求，筆者認(rèn)為此時(shí)宜采用既能減動(dòng)壓又能減靜壓、且還具有穩(wěn)壓作用的可調(diào)式薄膜減壓閥。

2　可調(diào)式薄膜減壓閥工作原理

2.1　靜壓減壓工作原理
　　可調(diào)式薄膜減壓閥構(gòu)造如圖2示
　　當(dāng)下游不用水(Q=0)時(shí)，減壓閥處于靜壓狀態(tài)，其中心閥瓣活動(dòng)體受力為：
　　彈簧對(duì)隔膜的作用力:Fs↓
　　出口壓強(qiáng)P₂作用在隔膜上的作用力：F₂=P₂·S₂↑
　　出口壓強(qiáng)P₂作用在閥瓣上的作用力：F₃=P₂^.S₁↑
　　進(jìn)口壓強(qiáng)P₁作用在閥瓣上的作用力：F₁=P₁^.S₁↓
　　閥口周邊對(duì)閥瓣的反作用力:N(下降，開啟后N變?yōu)?)
　　列平衡方程:F₂+F₃=F_s+N+F₁
　　即:P₂(S₂+S₁)=Fs+N+P₁^.S₁
　　方程中，S1、S2為常數(shù)，F(xiàn)s調(diào)定后也為一定數(shù)。因此在閥門關(guān)閉前，當(dāng)上游壓強(qiáng)P₁處于某一定值，隨著下游P₂增加到設(shè)定值(此值可通過(guò)彈簧預(yù)先調(diào)定)時(shí)，閥瓣與閥口接觸。將產(chǎn)生N力(N大小以保證閥口關(guān)閉為限)時(shí)，使閥口保持關(guān)閉狀態(tài)；反之當(dāng)P₂降低時(shí)，因水力作用，閥口自動(dòng)打開，從而保證下游P₂不受上游P₁影響，而維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力值。只要正確選定S₂和S₁，并調(diào)定Fs，即可確定P₂值的大小及其與P₁的關(guān)系，這就是所謂的減靜壓原理。
　　從上述的工作原理看，通常所說(shuō)的“減靜壓”從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)是不準(zhǔn)確的，因?yàn)椤皽p”字含有能量損失之意，而在上述靜止?fàn)顟B(tài)下并無(wú)能量損失。因此，實(shí)際上這種減壓閥減靜壓是利用水力平衡原理使減壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)來(lái)隔斷上下游聯(lián)系并維持(或控制)一個(gè)較低的、穩(wěn)定的下游壓力值，而不同于比例式減壓閥由閥門的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定其減靜壓的比例。
2.2　動(dòng)壓減壓工作原理
　　由靜壓狀態(tài)列平衡方程：
　　P₂(S₂+S₁)=F₂+N+P₁.S₁
　　知：當(dāng)下游用水Q＞0時(shí)，下游壓力P₂將下降，而上游P₁仍為一定數(shù)，因此Ｎ將減少至消失，減壓閥開啟，由此得到動(dòng)態(tài)減壓狀態(tài)下的力平衡(積分)方程(假定P₁與P₂分界線仍為閥口圓周)：
　　P₂(S₂+S₁)=Fs+P₁.S₁

　　在此狀況下，取上游水流斷面A1-A1和下游水流斷面A2-A2列出能量方程：
　　H₁+P₁/γ+V₁²/2g=H₂+P₂/γ+V₂²/2g+∑h
　　上式中：H₁=H₂，V₁=V_2?此入、出口流速≤閥口流速?

　　從圖3可以看出，在減壓閥開啟狀態(tài)下，減壓閥的壓力損失主要是在閥口過(guò)流斷面處，水流通過(guò)閥口從圓周縫隙向外流，產(chǎn)生了能量的損失。減壓閥所減的壓力即是水流通過(guò)減壓閥口所造成的能量損失。因此，動(dòng)壓減壓原理是使減壓閥處于一個(gè)能量損失過(guò)流件的狀態(tài)。對(duì)減壓閥而言，該縫隙是自動(dòng)可調(diào)的，不像減壓孔板那樣(孔口固定不變)，這也是可調(diào)式減壓閥的可調(diào)之處，也是在使用減壓閥時(shí)，設(shè)定的閥前、閥后壓力并不可過(guò)大的原因。
2.3　閥后壓力P₂隨閥前壓力P₁變化關(guān)系
　　由動(dòng)壓減壓平衡方程式：P₂(S₂+S₁)=Fs+P₁.S₁
　　得：P₂=S₁/(S₁+S₂).P₁+Fs/(S₁+S₂)
　　因：Fs=kx
　　式中：k—彈簧彈性模量
　　　　　x—彈簧的位移
　　故:P₂=S₁/(S₁+S₂).P₁+kx/(S₁+S₂)
　　兩邊取微分:△P₂=S₁/(S₁+S₂)^.△P₁+k/(S₁+S₂)△x
　　∵P₁、P₂變化△P₁、△P₂時(shí)，△x很小
　　∵S₂≥S₁　　∴值很小，實(shí)際上大約為8%。即△P₂＝△P₁×8%
　　即閥前P₁變化△P₁后，閥后P₂的變化只有0.08△P₁。
　　由此可見(jiàn)：閥前壓力P₁變化對(duì)閥后壓力P₂影響很小，穩(wěn)壓效果明顯，減壓閥實(shí)際上又起到了穩(wěn)壓閥的作用。

3　減壓閥使用方法

　　由上述對(duì)薄膜式減壓閥工作原理的分析可知，此種減壓閥具有穩(wěn)定的靜、動(dòng)壓減壓效果和較明顯的穩(wěn)壓效果。但使用時(shí)也應(yīng)注意：對(duì)于較大減壓比如超過(guò)5:1場(chǎng)合，為了減輕每個(gè)閥的負(fù)擔(dān)，減輕閥內(nèi)氣蝕和磨損，延長(zhǎng)使用壽命，宜采用兩個(gè)減壓閥串聯(lián)減壓；對(duì)于流量變化較大的場(chǎng)合，宜采用雙閥并聯(lián)，這樣可使每個(gè)減壓閥處于合適的流量負(fù)載狀態(tài)，避免噪音；薄膜式減壓閥宜水平安裝。對(duì)于并聯(lián)使用的減壓閥閥組，宜采用不同的口徑，并正確設(shè)定不同的閥后壓力，以使兩個(gè)閥門根據(jù)流量由小到大(由正常到高峰)先后投入使用。在一些資料中較少有并聯(lián)閥組閥后壓力設(shè)定的介紹，為方便讀者，下面就介紹一個(gè)并聯(lián)閥組閥后壓力的設(shè)定。

　　圖4為不同口徑的減壓閥并聯(lián)使用時(shí)的圖式，圖5為DN65和DN100閥后壓降與流量關(guān)系曲線。首先來(lái)分析一下并聯(lián)閥組的運(yùn)行工況。
　　當(dāng)Q≤45m³/h時(shí),P_22set＜P₂＜P_21set，小閥DN65關(guān)閉，只有DN100開啟，此時(shí)Q＝Q1，全部流量由大閥承擔(dān)。
　　當(dāng)Q＞45m³/h時(shí),P₂＜P_22set，小閥DN65開啟投入使用。Q＝Q1+Q2，全部流量由二閥共同承擔(dān)。
　　此時(shí)減壓閥組流通能力提高，其合成曲線更加平穩(wěn)，閥后偏移壓降減小，噪音降低，是較理想的工作狀況。注意：并聯(lián)時(shí)二閥設(shè)定壓力差值
　　△P_2set＝△P_21set- P_22set以0.02～0.05MPa為合適，并參考各減壓閥具體曲線來(lái)設(shè)定。

4　結(jié)語(yǔ)

　　消火栓給水系統(tǒng)需要進(jìn)行分區(qū)時(shí)，宜采用具有減壓穩(wěn)壓功能的減壓閥；當(dāng)減壓閥組閥前后壓差過(guò)大時(shí)，宜采用串聯(lián)使用方式，當(dāng)閥組后流量變化大時(shí)，宜采用不同口徑的減壓閥并聯(lián)使用方式，且需合理設(shè)定兩閥的閥后壓差；薄膜式減壓閥宜水平安裝。
　　由于減壓閥的獨(dú)特性能，它還可以廣泛應(yīng)用于較大工廠的廠區(qū)消防給水系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：
　　[1]錢維生．高層建筑給水排水工程[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1989．
　　[2]GB 50045-95,層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S]．

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作者簡(jiǎn)介：
　　王定彰(1966-)，男，工程師；
　　熊英　(1965-)，女，工程師。