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室内消防水泵的启动控制
——对新国标《消防给水及消火栓系统技术规范》的适用研究
Start control of indoor fire pump
——The Study on applicability of the new Technical code for fire protection water
supply and hydrant systems
赵克伟1，翟羽佳2，相坤2，华高英2，黄晓家3
（1,北京市消防局；2,中国建筑科学研究院；3,中国中元国际工程公司）
摘要：本文结合现行规范介绍了消防水泵启动控制的相关规定，针对《消防给水及消火栓系统技术规范》中的压力开关、流量开关在实际工程中的应用进行试验、研究并讨论，提出了一些可行的做法，以期为更好的执行新规范提供理论指导和技术支持。
关键词：消防水泵；自动启动；压力开关；流量开关
Abstract: In this study, the provisions related to the start control of indoor fire pump in
the current code was introduced. The application of pressure switch and flow switch in the
actual engineering was tested, studied and discussed, and then the feasible approaches
wasprovided, which supplied the theoretical guidance and technical support for the new
codeimplementation.
Key words: Fire pump; Automatic start; Pressure switch; Flow switch
编者按：《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB50974-2014)已于2014年10月1日实施，该规范首次提出了消防水泵自动启动的控制要求，现行的控制做法要做出相应改变，为了帮助工程技术人员更好的执行该规范，作者从工程实际出发，对相关技术问题做了理论分析并给出一些可行做法。
试验照片：
0 引言
近几十年来，北京发生过的重大、特大火灾，如玉泉家俱城、华龙灯饰城、央视新台址、喜隆多商场和百荣世贸城等火灾均出现了室内固定灭火系统没有按照设计要求正常工作的现象。消火栓系统和自动喷水灭火系统是建筑物最常用的固定灭火系统，而消防水泵的及时启动，是这些系统正常使用的必要条件，亦是灭火能否顺利进行的关键因素[1]。消防水泵的启动涉及系统设计、设备设施及维护管理等多方面内容，国家标准《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB50974-2014)（简称“新规范”）[2]已于2014年10月1日实施，对消防水泵的控制和操作有了更为严格的规定，其中条文：
11.0.4消防水泵应由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的流量开关，或报警阀压力开关等开关信号应能直接自动启动消防水泵。消防水泵房内的压力开关宜引入消防水泵控制柜内。
11.0.19消火栓按钮不宜作为直接启动消防水泵的开关，但可作为发出报警信号的开关或启动干式消火栓系统的快速启闭装置等。
为了帮助工程技术人员从本源去理解、运用规范条文，本文结合工程常规作法，从系统设计原理方面进行探讨并给出相应建议，以期为“新规范”的顺利实施，提供理论指导和技术支持。
1 消防水泵启动控制的常规方式及新规范要求
消防水泵的启动方式主要有远程启泵、泵房内启动和自动启泵等。
消防水泵远程启动方式主要是在消防中心设置按键，对于消火栓系统，原有的《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-05有明确规定，此按键要求专线控制；另外，对于临时高压给水系统的每个消火栓处应设直接启动消防水泵的按钮，通常由火灾报警系统联动控制总线，控制消防水泵启动；对于自动喷水灭火系统，当消防控制室人员在接到起火楼层水流指示器的信号后，可以加强对消防水泵启动控制，同时在消防中心也可根据火场的具体情况监控消防水泵的运行情况。远程启泵是对自动喷水灭火系统自动启泵方式的一种补充。
消防水泵控制柜上设置手动直接启泵按钮和机械应急启泵装置。“新规范”条文11.0.7中将“消防控制柜或控制盘应设置专用线路连接的手动直接启泵按钮”作为强制性规定。当火灾发生时，若消防泵控制柜的电路发生了故障而使消防泵不能启动时，机械力使接触器闭合，这种方式使主电路的主接触器被强制压下，即接通了消防水泵的电机馈电电源，水泵被强行启动，而不是按原来电路安排的启动程序。国家标准《低压开关设备和控制设备固定式消防泵驱动器的控制器》（21208-2007）[3]（本标准在采用IEC/TS62091:2003时，已根据我国国情作了修改）对这种启动方式做了规定。该标准还规定：“在试图启动一个有故障的电动机/消防泵并使其持续运行时，可以“牺牲”主电路导体及元件（即允许暂时性或永久性的损坏）”，应该指出这是一种应急启动，无降压过程，过大的电流也可能使接触器触头出现熔焊、粘连等情况。故只能在扑救火灾需要的情况下授权进行，消防验收及日常检查不能对其试验。
自动启泵通常是利用压力或者流量传感器，监测系统压力或者流量变化，实现维持系统日常工作压力的稳压泵启停、消防主泵启动的自动控制。“新规范”条文11.0.4规定：消防水泵应由水泵出水干管上设置的压力开关、高位消防水箱出水管上的流量开关，或报警阀压力开关等开关信号应能直接自动启动消防水泵。消防水泵房内的压力开关宜引入控制柜内。
对于自动喷水灭火系统，消防主泵的启动控制，由设置在湿式报警阀信管上的压力开关控制完成（图1）。此管平时无水，压力开关处于无压状态，开关前面有延迟器，不会受到管网压力波动的影响。一旦喷头动作湿式报警阀在压力水作用下开启，信号管充水，压力开关动作，启动消防水泵。此压力开关从无压到一个固定压力值的变化，几乎没有误动作的可能，非常准确。
对于“新规范”条文11.0.4规定报警阀压力开关直接自动启动消防水泵正是这种情况，而通过流量开关、压力开关自动启动消防水泵，存在着一定的问题将在下面章节论述。
图1 湿式报警阀
2 执行新规范条文11.0.19
消火栓箱设置启泵按钮是一种常规做法，通过火灾报警及其联动控制系统的总线控制模块启动消防水泵，同时显示启泵按钮的具体位置。然而“新规范”条文11.0.19中规定“消火栓按钮不宜作为直接启动消防水泵的开关”，并做出如下解释：“本规范对临时高压消防给水系统的定义是能自动启动消防水泵，因此消火栓箱报警按钮启泵投资大；目前我国居住小区、工厂企业等消防水泵是向多栋建筑给水，消火栓箱报警按钮的报警系统经常因弱点信号的损耗而影响系统的可靠性。”
消火栓按钮启泵是多重启泵方式之一，是系统可靠运行的重要一环。如果完全否定该常规作法，按照规范要求利用管网压力或者流量开关自动启泵，其可靠性还有待实践验证，因此建议消火栓按钮启泵可作为备选启泵方式之一，允许其与自动启泵方式并存。在数栋大楼共用一个消火栓给水系统时，可以通过技术手段解决弱电信号损耗的问题。此外，需要特别注意将消防水泵控制柜调到自动档位，否则水泵无法启动。
3 执行新规范条文11.0.4
“新规范”对消防水泵的自动启动进行了技术规定，并要求设置压力开关或者流量开关，压力开关或者流量开关的设置位置会影响水泵自动启动的有效性，以下主要针对压力开关和流量开关的设置位置及工作原理进行分析探讨。
3.1压力开关的设置位置
3.1.1压力开关启动消防水泵的问题分析
当消防系统的稳压装置设置在消防水泵房内时，消火栓系统局部示意图如图2所示，压力开关通常设置在消防水泵出水主干管上（如A点所示）。稳压泵压力流量特性图和系统压力变化点如图3所示。消防主泵及稳压泵的三个压力控制点分别是，稳压泵启动压力（P2），稳压泵停泵压力（P0），消防水泵启动压力（P4）。当压力开关设置在A点时，稳压泵控制过程为：平时由于室内消火栓系统常采用单向阀回水以及管道渗漏等原因，系统内压力会有所减小(P2)，此时设在气压水罐上的触点压力表或压力开关自动启动稳压泵补水(P1)，当压力恢复到设定值(P0)后，稳压泵停止工作；当火灾发生室内消火栓被使用，系统一支消火栓出水量为5L/s，压力降低稳压泵再次启动，此时稳压泵的供水量大于日常的补水量，压力降到P3。尽管稳压泵供水能力有限，不能满足楼内消火栓所需水量，但是管道压力仍未降低到消防主泵启动压力(P4)，主泵并不会开启。
图2 消火栓系统下部局部示意图
图3 稳压泵压力流量特性图和系统压力变化点
3.1.2解决办法
为解决当压力开关设置在A点（图2）时，火灾时消防水泵无法自动启动的问题，建议将压力开关设置在消防主泵的出水干管和稳压泵出水干管连接点之后（A1处）或稳压泵出水干管（B处）上（图2）。该做法的原理如下：稳压泵动作时，A点管段内无水流动作，故所测压力为静水压，B点管段有水流动作，既可以测定静水压，也可以测定侧向动水压（是否有水流动主要取决于是动用消火栓造成的水压下降，还是由于管道渗漏及单向阀回水造成的系统压力下降。前者有水流经B点，后者稳压泵出水主要注入气压水罐，而不流经B点）。根据文丘里效应，稳压泵动作时，水流经过A1点管段或B点管段时，其侧向水压小于静水压，流速越大差值越明显。这使其在实际工程中，当消火栓使用初期，稳压泵工作时，A1点或B点的压力达到P4点以下，启动主消防泵。
为准确反映火灾初期，A点静水压和A1或者B点动水压的压力差异，以及对比B点水流的侧向和迎水流方向或背水流方向动水压的不同，我们利用消火栓供水系统进行试验。由于装备有限，仅采用消防水带、分水器、消防水枪和消防车组成简单的试验装置，并对其中的部分工况进行了重复试验，以保证该试验结果的可靠性，系统压力试验示意图及结果分别如图4和表1所示。
图4 压力试验示意图
表1压力试验结果 工况1-1试验设定水压0.5Mpa，压力表2指针为逆水流方向安装 射水前压力（Mpa） 射水时压力（Mpa） 压力差值（Mpa） 压力表1 0.52 0.48 0.04 压力表2 0.55 0.51 0.04 压力表3 0.53 0.49 0.04 压力表4 0.5 0.42 0.08 工况1-2试验设定水压0.5Mpa，压力表2指针为逆水流方向安装 射水前压力（Mpa） 射水时压力（Mpa） 压力差值（Mpa） 压力表1 0.52 0.48 0.04 压力表2 0.56 0.51 0.05 压力表3 0.53 0.48 0.05 压力表4 0.5 0.41 0.09 工况1-3试验设定水压0.5Mpa，压力表2指针为逆水流方向安装 射水前压力（Mpa） 射水时压力（Mpa） 压力差值（Mpa） 压力表1 0.53 0.5 0.03 压力表2 0.55 0.51 0.04 压力表3 0.53 0.48 0.05 压力表4 0.5 0.41 0.09 工况2-1 试验设定水压0.4Mpa，压力表2指针为逆水流方向安装 射水前压力（Mpa） 射水时压力（Mpa） 压力差值（Mpa） 压力表1 0.41 0.39 0.02 压力表2 0.45 0.44 0.01 压力表3 0.43 0.39 0.04 压力表4 0.4 0.36 0.04 工况2-2试验设定水压0.4Mpa，压力表2指针为逆水流方向安装 射水前压力（Mpa） 射水时压力（Mpa） 压力差值（Mpa） 压力表1 0.41 0.38 0.03 压力表2 0.45 0.42 0.03 压力表3 0.43 0.39 0.04 压力表4 0.4 0.33 0.07 工况3试验设定水压0.5Mpa，压力表2指针为顺水流方向安装 射水前压力（Mpa） 射水时压力（Mpa） 压力差值（Mpa） 压力表1 0.51 0.47 0.04 压力表2 0.55 0.52 0.03 压力表3 0.53 0.5 0.03 压力表4 0.5 0.45 0.05 工况4试验设定水压0.4Mpa，压力表2指针为顺水流方向安装 射水前压力（Mpa） 射水时压力（Mpa） 压力差值（Mpa） 压力表1 0.42 0.39 0.03 压力表2 0.44 0.42 0.02 压力表3 0.43 0.4 0.03 压力表4 0.4 0.35 0.05
注明：
1．消火栓出口水压均为0.2Mpa，压力表1靠近消防车位置，然后依次为压力表2和压力表3，压力表4连接水枪
2．压力表1、表4为经过校验的消防勘察专用设备，也是作为本文的主要参考数据，射水前后其压力变化相差近一倍。
3．压力表2和表3接口处接一段90度细铜管，使其可测量迎水流方向及背对水流方向水压，便于比较。
3.2流量开关设置位置
3.2.1流量开关启动消防水泵的问题分析
流量开关常用于工业自动化控制与暖通空调等工程，可监控不同温度油、水等各种液体及气体的流量增加与流量减少，其品种繁多，型号复杂且价格差异很大。用在消防给水系统中的流量开关一般为叶片式（挡片式、挡板式等，如图5所示），仅用来监控水流量的增加。作为消防给水系统的控制设备，急需结合本系统的特定使用条件与需求，制定消防专项标准并进行质量评估，以保证其使用安全与可靠，其最终要纳入消防产品质量认证体系中去。
图5 档板式流量开关（左）和叶片式/挡片式流量开关（右）
表2是两个常见的市售流量开关产品，对安装于管径为100毫米及150毫米的消防水箱出水管处，流量范围可以进行调节，其调节范围是：
表2市售不同管径流量开关的流量范围（L /s）
厂家
100mm
150mm
备注
甲
2.5~ 4.6
5.0~10.5
迟滞0.33
乙
3.5~15.3
9.1~30.0
迟滞0.33
国家规范要求室内消火栓系统所配置的消防水枪（包括消防软管卷盘之小水枪）喷嘴直径为16mm或19mm，其额定流量分别为2.5和5.0L/s，然而市售的两种常见流量开关均无法保证全部动作，其中150毫米出水管上所设水流开关全部不能动作，100毫米出水管上的水流开关不能保证全部动作。
水流指示器是将水流信号转换成电信号的一种报警装置,常用于自动喷水灭火系统。水流指示器作为消防专用产品有国家行业标准对其严格的限制，其灵敏度要求流量小于或等于15.0L/min时，水流指示器不应报警；报警流量应该是在15.0L/min到37.5L/min之间，到37.5L/min（0.62L/s）时，必须报警。将水流指示器的报警信号，转化为消防水泵的控制信号是可行的，需要注意的是防止其过于灵敏而产生误动作，本节将主要对其可靠性进行论述。
3.2.2解决方法
消火栓系统屋顶水箱及上部管网布置如图6所示，其中：
（1）当稳压装置设在消防水泵房时，实线部分屋顶水箱通过检查阀及单向阀与室内消火栓系统连接，利用系统下部的气压水罐及稳压泵维持系统的平时压力。按照“新规范”要求：高位消防水箱出水管（A）处应设置流量开关；
（2）当稳压装置设在屋顶高位消防水箱间时，实线加虚线部分，将系统下部的气压水罐及稳压泵移到系统上部，这种情况的优点在于其不承受系统竖向重力所带来的压力，提高了气压水罐的有效容积，降低了稳压泵的能耗。
图6 消火栓系统上部的两种基本类型
对于第一种类型，流量开关的安装只是系统下部压力开关开启消防水泵形式的补充。因为正常情况下无论是维持系统的压力启动稳压泵，还是火灾初期使用消火栓，使其系统压力降低时启动稳压泵都没有水体流经此流量开关，只有下部稳压泵出现问题不能正常工作时，才由屋顶水箱供水，水体才流经此流量开关。
对于第二种类型，其运行与流量开关的关系较为复杂。首先，由于管路渗漏单向阀回水等原因造成压力下降，气压水罐上的压力开关或触点压力表启动稳压泵，水体主要注入气压水罐，只有极少量流经流量开关；其次，消火栓出水时，气压水罐首先提供消防水量，此时水流不经过流量开关；当气压罐内的水量逐渐减少，系统压力降低启动稳压泵后，水流经过流量开关。（需要说明的是，第二种情况中系统下部消防主泵前的压力开关，只能作为上面流量开关的一种补充，因为大部分情况此压力开关处压力不会降低。）
为解决流量开关无法及时动作的情况，建议如下：⑴将其移至流量开关B处；⑵消防水箱的出水管直径不宜过大，一般为100毫米或150毫米（初期火灾的扑救水量规范没有规定，通常只是使用一只消火栓，对于自动喷水灭火系统四支喷头动作灭火/控火成功率已达85%），过大的管径流量开关的“流量增加值”增大，无法控制消防水泵；⑶在没有研发适合消防系统的“大管径，小流量值”流量开关的情况下，暂以水流指示器代替之；⑷无论是流量开关还是借用品水流指示器，都要经迟滞后才能启动消防水泵。采用电气延迟办法解决该问题，延迟时间为2~90秒可调。
对于设有高位消防水箱和稳压装置的消防系统，消防水泵的启动控制过程如下：⑴日常由于系统渗漏、单向阀回流造成的系统水量损失，由气压罐内补充，水流指示器或压力开关不动作；
⑵当气压罐内水位下降到一定程度，系统内压力下降，气压罐上的压力开关或触点压力表启动稳压泵，向气压罐内补水，此时无水流经过水流指示器；
⑶当室内消火栓出水进行灭火时，首先由气压罐向系统供水，水量为一支水枪的水量（2.5或5.0l/s），远远大于水流指示器的最大不动作流量，经延迟0~90秒后，启动消防水泵；
⑷此外，当气压水罐内的水量无法满足水枪连续出水时，由气压水罐上的压力开关或触点压力表启动稳压泵供水，水流经过水流指示器，启动消防水泵；
综上所述，我们建议室内消火栓系统依照“新规范”条文11.0.4中规定消防水泵应由水泵出水干管上设置的压力开关、高位消防水箱出水管上的流量开关的自动启动消防水泵的方式如图7所示:
图7 水泵的自动启动方式示意图
参考文献:
[1]桂毅.消防水泵控制系统研究[J].安装,2010,(6):47-48.
[2]消防给水及消火栓系统技术规范[S].北京：中国计划出版社,2014.
[3]低压开关设备和控制设备固定式消防泵驱动器的控制器.北京：中国标准出版社,2007.
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