磁翻板液位計在應急消防中的應用

 

一、前言

       GB50016—2014《建筑設計防火規范》第8.44條：“設置臨時高壓給水系統的建筑應設置消防水箱（包括氣壓水罐、水塔、分區給水系統的分區水箱）”，消防水箱一般需要設置液位監控，比如磁翻板液位計側裝就地顯示或者遠程監控，“消防水箱應儲水10min的消防用水量。”但是很多建筑由于建筑藝術要求（如圓形頂的大劇院）或建筑支撐強度不夠（如鋼結構廠房或倉庫）等不能設置高位消防水箱，在這種情況下就選擇應急消防氣壓給水設備。

 

       傳統的應急消防氣壓給水設備的消防用水和壓縮氣體儲存在同一個氣壓水罐內，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消防管網，用于應急消防。這種結構的應急消防設備的氣壓水罐的體積往往較大，有的甚至用兩個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備占用空間，從而增加了泵房的建設費用與產品運輸和安裝難度，而且從氣壓水罐壓出的消防用水的壓力持續下降，消防壓力不穩定。這一技術難題給大量的工程消防泵房設計帶來了很大的困難。

 

       應急消防氣體頂壓給水設備就是把傳統應急消防氣壓給水設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行高倍壓縮，單獨儲存在高壓氣瓶組內，不但氣室的容積大幅度減小，而且實現了氣水完全分離。再通過大流量氣體減壓裝置減壓后，與氣壓水罐聯接。

 

二、應急消防氣體頂壓給水設備組成和工作原理

       應急消防氣體頂壓給水設備由氣壓水罐、穩壓裝置、集裝裝置、止氣裝置、磁翻板液位計液位監控和電控系統等組成。氣壓水罐中儲存消防用水，氣瓶組儲存氣體。設備運行時，穩壓裝置穩壓，整個系統內維持一定的壓力。當發生火情時，由弱電控制的頂壓裝置開起，把氣瓶組儲存的高壓氣體釋放出來，經大流量減壓裝置減壓到消防工作壓力狀態后，進入氣壓水罐，采用全置換頂壓方式置換出氣壓水罐內的水，頂入消防管網，進行應急消防滅火。該產品的具體工作原理如圖1所示，設備運行參數見表1。穩壓泵或隔膜氣壓罐穩壓泵工作時將水送至給水管網和氣壓水罐。由于系統泄漏等原因造成消防管網壓力下降，當消防管網系統壓力下降到設定穩壓壓力下限值SP 1時，穩壓泵或隔膜氣壓罐穩壓泵開始運行；當消防管網系統壓力上升至穩壓壓力上限值SP 2時，穩壓泵或隔膜氣壓罐穩壓泵停止運行。如此周而復始，對消防官網進行穩壓。

 

       當發生火情時，消防裝置投運，穩壓泵無法維持管網壓力，當消防管網系統壓力降至SP 3時或消防信號輸入，頂壓裝置開起，集裝裝置儲存的高壓氮氣經過減壓器減壓到設定的消防壓力P后進入氣壓水罐，將氣壓水罐里的消防用水頂入消防管網，并向消防管網提供穩定壓力P、持續10min的消防用水。當氣壓水罐中的液位下降到設定值SN 1時，止氣裝置關閉，防止氣壓水罐中的氣體進入消防管網，該設備運行結束。

 

三、應急消防氣體頂壓給水設備采用的設計理論與關鍵技術

       應急消防氣體頂壓給水設備是根據目前消防氣壓給水設備產品的現狀在理論和結構在以下幾個方面進行創新。

1. 首次采用氣、水分完全離方式

       在傳統應急消防氣壓給水系列產品中首次采用氣、水分完全離方式，如圖2和圖3所示。

 

       把傳統應急消防氣壓給水設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行高倍壓縮，單獨儲存在高壓氣瓶組內。一般情況下，應急消防氣體頂壓給水設備所配置的集裝裝置中的單個氣瓶容積為40L，zui高充氣壓力為11MPa，不低于10MPa。如果消防壓力為1.0MPa，應急消防用水為12m³，所需要的氣瓶數量為：根據波意爾定律 

          P1V1=P 2V2 （1）

         式中 P 1——消防工作標準壓力，即1.0MPa+0.1MPa； P 2——氣瓶中的氣體標準壓力，即10MPa+ 0.1MPa； V1——設備工作完畢后的氣體體積，即集裝裝置中氣瓶組的總容積與氣壓水罐置換水容 積之和，12m³+40L·n =12000L+40L·n，其中n為氣瓶數量；

 V2——集裝裝置中氣瓶組的總容積，即40L·n。代入式（1）可得

 

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

 

       經計算得 n≈36.67。由于10min消防應急用水12m³為zui小規定的水量，氣瓶數量圓整后為n=40。

 

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

 

       磁翻板液位計在應急消防中起到的是液位測量監控和報警作用，應急消防氣體頂壓給水設備采用了穩壓效果好、技術非常成熟的穩壓泵與隔膜氣壓罐組合的穩壓方式，代替了傳統的應急消防氣壓給水設備通常采用空壓機或補氣泵和補氣罐組合的穩壓方式，實現了應急消防氣體頂壓給水設備穩壓系統氣、水完全分離。

 

2. 首次使用大流量氣體減壓技術

       大流量減壓技術（見圖4）在氣體輸配工業中應用廣泛，技術已經成熟，但在消防氣壓給水產品中使用尚屬首次。

 

       為了保證在消防壓力狀態下的消防水的流量，在氣瓶組和頂壓裝置之間設置高壓減壓裝置。從氣瓶組釋放出來的壓縮氣體經減壓裝置減壓到消防壓力后，再經頂壓裝置進入氣壓水罐，把氣壓水罐中的消防用水壓進消防管網進行消防，并且為了保證設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，根據消防用水的輸出流量，計算設備中氣瓶組減壓器或減壓閥的口徑和數量，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。

 

       目前在應急消防氣體頂壓給水設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起來，在氣體匯流排管道上集中采用一組或多組減壓器進行減壓；另一種方式是在每個氣瓶出口處安裝一件減壓閥進行減壓。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，把消防用水儲存在氣壓水罐中，把置換消防用水所需的氣體儲存在高壓氣瓶內，在氣瓶組和氣壓水罐之間設置頂壓裝置。頂壓裝置由控制柜文本控制器面板中設定的壓力控制或消防中心的消防信號控制。當發生火情時，由于消防裝置投運，穩壓裝置無法維持管網壓力，當管網壓力降到控制文本控制面板中設定的壓力或有消防信號輸入時，頂壓裝置開起，把氣瓶內壓縮氣體釋放出來，經過減壓裝置減壓后，再經頂壓裝置進入氣壓水罐，把氣壓水罐中的消防用水從氣壓水罐中頂入消防管網，并向消防管網提供持續10min的消防用水。當氣壓水罐中的液位下降到設定的液位后，止氣裝置關閉，氣壓水罐內除很少一部分水外都充滿氣體，這就是全置換頂壓理念。該產品由于應用了全置換頂壓技術，不但大大減小了氣壓水罐的容積和氣室空間，而且提高了產品的自動化控制技術程度，使產品運行更加可靠穩定、維護更簡便。

 

4. 止氣功能

       應急消防氣頂頂壓給水設備采用氣體把氣壓水罐中的水頂入消防管網進行應急滅火，如果設備沒有止氣裝置，氣體在把氣壓水罐中的水全部頂出后就會進入消防管網，這是消防規范所禁止的。

 

       傳統的應急消防氣壓給水設備采用在氣壓水罐出水口管道內設置浮球組合，氣壓水罐內消防用水即將排除的時候，浮球自動下降而落到密封面上，從而阻止氣體進入消防管網。這種方式的止氣裝置在使用過程中經常出現泄漏、抖動等運行不可靠的現象。

 

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

 

5. 在強電源切斷的情況下正常運行、起動

       在發生火情的時候，外強電源往往被切斷，做為應急消防產品，必須保證在外強電源切斷的情況下也要自動起動進行滅火。

 

       應急消防頂壓給水設備控制柜（見圖6）文本面板、PLC系統運行、消防過程中需要運行的頂壓裝置、止氣裝置、壓力檢測和液位檢測等電源都是DC24V。該產品配套控制柜中設置一用一備蓄電池組，可為設備控制柜所需要的控制電力提供DC24V的電源，并且保證在強電源切斷后蓄電池可提供90h的控制電力用電量，從而保證在發生火情的時候，強電源被切斷的情況下，設備能自動起動進行消防。

 

四、結語

       應急消防氣體頂壓給水設備在應急消防氣壓給水產品中首次應用氣水完全分離方式、大流量氣體減壓技術和全置換頂壓理念等創新理念和技術，整個結構和工作流程在應急消防氣壓給水產品都屬首次設計，節省空間，運行穩定、可靠，是一種能代替高位水箱的新型固定滅火產品。適用于一些不適合設置高位水箱，但又必須設置高位水箱的場所，如機場、劇院等，也可以完全代替傳統的應急消防氣壓給水設備。