减压阀在高层建筑消火栓系统中的应用

王定彰，熊英
（马钢股份公司设计研究院环保所，马鞍山 243000）

　　摘要：在高层建筑分区消火给水系统中，采用减压阀组技术，可满足各分区不同压力的需求，取消中间水箱，较好地解决消防过程中的超压问题。
　　关键词：高层建筑；消防；减压阀；消火栓
　　中图分类号：TU998.13
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009-2455（2000）04-0043-03

前言

　　我国目前高度在80～100m之间的建筑占有较大比例，对于这类建筑，为了保证最不利消火栓水压的要求，消防水泵需提供较高的供水压力，从而导致低层部分供水压力偏高，下部消火栓超压。解决这个问题的方法有多种，通常多采用分区供水方式^[1]。分区供水的方式亦有多种，如并联分区、串联分区方式及无水箱供水方式。并联分区与串联分区方式皆需设置高位水箱和中间水箱，这会加大结构荷载，占用宝贵的建筑主体面积，且增加造价。无水箱并联供水方式虽然取消阳光箱，但由于各分区皆分别设置了独立的消防水泵，因而需要较大的泵房面积。这三种方式在分区交界处楼层发生火灾时，上下两分区的消防泵均需同时启动，因而需要较高的电机装机容量。基于上述问题，笔者认为：采用减压阀对高层消火栓给水系统进行分区是一种经济、合理的供水分区方式。

1　消火栓给水系统分区减压阀的选择

　　《高层民用建筑设计防火规范》中规定：消火栓给水系统中消火栓栓口的静压不小于0.80MPa^[2]，当消火栓栓口出水压力大0.50MPa^[2]时，消火栓出口处应设减压装置。在高层建筑中，消火栓给水系统的消防水泵是根据规范，按建筑物类别和建筑高度选定其流量和扬程。消防系统设计、施工、验收完毕交与管理者后，为维护系统在有火警时能及时、正常投入使用，管理者必须按照有关规定对消火栓给水系统进行定期试运行。在系统试运行或火灾初始时，因为开启的消火栓数量少或仅为一支枪，这就产生了因消防水泵能力过大而引起系统的超压。为了使设计既满足规范的相关要求，同时又尽量避免消火栓系统在上述情况下的超压发生，选择合适的减压阀，设计者应当予以充分重视。图１是使用减压阀的高层消火栓给水系统图式。
　　常用的减压阀按结构形式分为薄膜式、弹簧式和活塞式三种，按作用形式分为：比例式和定压式。定压式减压阀中有一种既减动压，又减静压，且阀前压力可任其变化，而阀后压力可稳定在所需压力的减压稳压阀。消火栓给水系统当采用减压阀进行给水分区时，为满足规范中关于消火栓栓口的静、动压的要求，笔者认为此时宜采用既能减动压又能减静压、且还具有稳压作用的可调式薄膜减压阀。

2　可调式薄膜减压阀工作原理

2.1　静压减压工作原理
　　可调式薄膜减压阀构造如图2示
　　当下游不用水(Q=0)时，减压阀处于静压状态，其中心阀瓣活动体受力为：
　　弹簧对隔膜的作用力:Fs↓
　　出口压强P₂作用在隔膜上的作用力：F₂=P₂·S₂↑
　　出口压强P₂作用在阀瓣上的作用力：F₃=P₂^.S₁↑
　　进口压强P₁作用在阀瓣上的作用力：F₁=P₁^.S₁↓
　　阀口周边对阀瓣的反作用力:N(下降，开启后N变为0)
　　列平衡方程:F₂+F₃=F_s+N+F₁
　　即:P₂(S₂+S₁)=Fs+N+P₁^.S₁
　　方程中，S1、S2为常数，Fs调定后也为一定数。因此在阀门关闭前，当上游压强P₁处于某一定值，随着下游P₂增加到设定值(此值可通过弹簧预先调定)时，阀瓣与阀口接触。将产生N力(N大小以保证阀口关闭为限)时，使阀口保持关闭状态；反之当P₂降低时，因水力作用，阀口自动打开，从而保证下游P₂不受上游P₁影响，而维持一个稳定的压力值。只要正确选定S₂和S₁，并调定Fs，即可确定P₂值的大小及其与P₁的关系，这就是所谓的减静压原理。
　　从上述的工作原理看，通常所说的“减静压”从严格意义上来说是不准确的，因为“减”字含有能量损失之意，而在上述静止状态下并无能量损失。因此，实际上这种减压阀减静压是利用水力平衡原理使减压阀处于关闭状态来隔断上下游联系并维持(或控制)一个较低的、稳定的下游压力值，而不同于比例式减压阀由阀门的结构参数决定其减静压的比例。
2.2　动压减压工作原理
　　由静压状态列平衡方程：
　　P₂(S₂+S₁)=F₂+N+P₁.S₁
　　知：当下游用水Q＞0时，下游压力P₂将下降，而上游P₁仍为一定数，因此Ｎ将减少至消失，减压阀开启，由此得到动态减压状态下的力平衡(积分)方程(假定P₁与P₂分界线仍为阀口圆周)：
　　P₂(S₂+S₁)=Fs+P₁.S₁

　　在此状况下，取上游水流断面A1-A1和下游水流断面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≤阀口流速?

　　从图3可以看出，在减压阀开启状态下，减压阀的压力损失主要是在阀口过流断面处，水流通过阀口从圆周缝隙向外流，产生了能量的损失。减压阀所减的压力即是水流通过减压阀口所造成的能量损失。因此，动压减压原理是使减压阀处于一个能量损失过流件的状态。对减压阀而言，该缝隙是自动可调的，不像减压孔板那样(孔口固定不变)，这也是可调式减压阀的可调之处，也是在使用减压阀时，设定的阀前、阀后压力并不可过大的原因。
2.3　阀后压力P₂随阀前压力P₁变化关系
　　由动压减压平衡方程式：P₂(S₂+S₁)=Fs+P₁.S₁
　　得：P₂=S₁/(S₁+S₂).P₁+Fs/(S₁+S₂)
　　因：Fs=kx
　　式中：k—弹簧弹性模量
　　　　　x—弹簧的位移
　　故:P₂=S₁/(S₁+S₂).P₁+kx/(S₁+S₂)
　　两边取微分:△P₂=S₁/(S₁+S₂)^.△P₁+k/(S₁+S₂)△x
　　∵P₁、P₂变化△P₁、△P₂时，△x很小
　　∵S₂≥S₁　　∴值很小，实际上大约为8%。即△P₂＝△P₁×8%
　　即阀前P₁变化△P₁后，阀后P₂的变化只有0.08△P₁。
　　由此可见：阀前压力P₁变化对阀后压力P₂影响很小，稳压效果明显，减压阀实际上又起到了稳压阀的作用。

3　减压阀使用方法

　　由上述对薄膜式减压阀工作原理的分析可知，此种减压阀具有稳定的静、动压减压效果和较明显的稳压效果。但使用时也应注意：对于较大减压比如超过5:1场合，为了减轻每个阀的负担，减轻阀内气蚀和磨损，延长使用寿命，宜采用两个减压阀串联减压；对于流量变化较大的场合，宜采用双阀并联，这样可使每个减压阀处于合适的流量负载状态，避免噪音；薄膜式减压阀宜水平安装。对于并联使用的减压阀阀组，宜采用不同的口径，并正确设定不同的阀后压力，以使两个阀门根据流量由小到大(由正常到高峰)先后投入使用。在一些资料中较少有并联阀组阀后压力设定的介绍，为方便读者，下面就介绍一个并联阀组阀后压力的设定。

　　图4为不同口径的减压阀并联使用时的图式，图5为DN65和DN100阀后压降与流量关系曲线。首先来分析一下并联阀组的运行工况。
　　当Q≤45m³/h时,P_22set＜P₂＜P_21set，小阀DN65关闭，只有DN100开启，此时Q＝Q1，全部流量由大阀承担。
　　当Q＞45m³/h时,P₂＜P_22set，小阀DN65开启投入使用。Q＝Q1+Q2，全部流量由二阀共同承担。
　　此时减压阀组流通能力提高，其合成曲线更加平稳，阀后偏移压降减小，噪音降低，是较理想的工作状况。注意：并联时二阀设定压力差值
　　△P_2set＝△P_21set- P_22set以0.02～0.05MPa为合适，并参考各减压阀具体曲线来设定。

4　结语

　　消火栓给水系统需要进行分区时，宜采用具有减压稳压功能的减压阀；当减压阀组阀前后压差过大时，宜采用串联使用方式，当阀组后流量变化大时，宜采用不同口径的减压阀并联使用方式，且需合理设定两阀的阀后压差；薄膜式减压阀宜水平安装。
　　由于减压阀的独特性能，它还可以广泛应用于较大工厂的厂区消防给水系统中。

参考文献：
　　[1]钱维生．高层建筑给水排水工程[M]．上海：同济大学出版社，1989．
　　[2]GB 50045-95,层民用建筑设计防火规范[S]．

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作者简介：
　　王定彰(1966-)，男，工程师；
　　熊英　(1965-)，女，工程师。