消防控制系统常见问题探讨

李睿

摘要：消防系统设计是消防安全的重要保障。在有消防水泵的消防系统当中，消防水泵的正常启动是消防系统运行最为重要的一环。本文对消防水泵自动启动控制系统中的压力开关、流量开关设定值展开讨论和研究，并得出结论。

关键词：压力开关；流量开关；消火栓系统；自喷系统；高位水箱；稳压泵

1.研究背景

近年来，我国大量的消防安全伤亡事故发生在以矿山开采、危险化学品生产、建筑施工、交通运输等为主的高危行业，以及以中小企业为主的制造与加工业等行业。消防系统设计是消防安全的重要保障。在有消防水泵的消防系统当中，消防水泵的正常启动是消防系统运行最为重要的一环。

《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014（后文简称《消水规》）第11.0.4条规定：“消防水泵应由消防水泵出水干管上设置的压力开关、高位水箱出水管上的流量开关，或报警阀压力开关等开关信号直接自动启动消防水泵。”第11.0.5条规定：“消防水泵应能手动启停和自动启动。”第11.0.6条规定：“稳压泵应由消防给水管网或气压水罐上设置的稳压泵自动启停泵压力开关或压力变送器控制。”

本文将对消防水泵自动启动控制系统的设计展开讨论和研究。

2.压力开关的作用及设定位置

压力开关是一种简单的压力控制装置，当被测压力达到额定值时，压力开关可发出警报或控制信号。压力开关的工作原理：当系统内压力高于或低于额定的安全压力时，压力开关器内碟片瞬时发生移动，通过连接导杆推动开关接头接通或断开，当压力降至或升额定的恢复值时，碟片瞬复位，开关自动复位，从而实现对介质压力的检测、显示、报警和控制信号输出。

压力开关通常设置在消防水泵出（输）水干管上。自喷系统的压力开关除了设置在消防水泵出水干管上，报警阀处也设有压力开关，此压力开关与报警阀配套供应。

压力开关规范中没有设置数量的要求，但由于水泵的出水干管有2条，所以建议采用2个压力开关，以便在一条干管检修的情况下仍能自动启动消防水泵。

压力开关一般可采用电接点压力表、压力传感器等。电接点压力表基于测量系统中的弹簧管在被测介质的压力作用下，迫使弹簧管之末端产生相应的弹性变形一位移，借助拉杆经齿轮传动机构的传动并予放大，由固定齿轮上的指示(连同触头)逐将被测值在度盘上指示出来。与此同时，当其与设定指针上的触头(上限或下限)相接触(动断或动合)的瞬时，致使控制系统中的电路得以断开或接通，以达到自动控制和发信报警的目的；压力传感器是 将压力转换为电信号输出的传感器。初级的压力传感器是压力引 起应变产生毫伏信号变化，如果传感器内带有放大整形电路，输 出标准电压或电流信号，这样的传感器称为压力变送器。压力传感器有很多种类，目前比较常见的是压阻式和压电式传感器。

3.流量开关的作用及设定位置

流量开关主要用于在管路中监控系统水流量的大小。在水流量高于或者低于某一个设定点时候触发输出报警信号，系统获取信号后即可作出相应的指示动作。流量开关的工作原理：当介质管路内有水流动，水流量高于设定值时，水流开关内的磁芯受水流推动产生位移，磁芯位移带动磁源产生磁控作用使水流开关输出“通”信号，该信号输入控制系统，经控制系统实现控制作用。

流量开关设置在高位水箱出水管上。

常用的消防流量开关包括机械式流量开关、电子式流量开关。

机械式流量开关根据水流量和压力来触发机械开关。它们适用于较小的消防系统，需要定期维护和清洗以确保其准确性。

电子式流量开关使用电子传感器来检测水流量和压力，并输出数字信号。这些信号可以通过接触器或PLC控制其他消防设备。相较于机械式流量开关，电子式流量开关的准确度更高。

4.不同系统中压力开关的启动值

压力开关的启动值与消防系统及系统配置的稳压设施有关。常规的消防系统包括消火栓消防系统和自喷消防系统，稳压设施包括高位消防水箱、稳压泵和气压罐。设置高位消防水箱的消防系统，当不满足《消水规》第5.2.2条第1～4款规定时，需要设置稳压泵，当满足第5.2.2条第1～4款规定时，则可不设置稳压泵。我们将根据不同的系统和有无稳压泵的情况对压力开关的启动值展开分析探讨。

4.1有稳压泵的消火栓系统压力开关的启动值

设有稳压泵的消火栓系统较为常见，根据稳压泵的设置位置，可分为稳压泵上置（稳压泵布置于屋面，见图1）和稳压泵下置（稳压泵布置于地下泵房，见图2）。

对于上置稳压泵的消火栓系统，根据《消水规》5.3.3.3，稳压泵的启泵压力Ps1＞15-H1，且≥H2+7；稳压泵的停泵压力Ps2= Ps1/0.8；根据《消水规》5.3.3.2，消防泵的启泵压力，即压力开关的启动值为P= Ps1+ H1+H-(7～10)。

图1  稳压泵上置的消火栓系统

图2  稳压泵下置的消火栓系统

对于下置稳压泵的消火栓系统，根据《消水规》5.3.3.3，稳压泵的启泵压力Ps1＞H+15，且

≥H3+10；稳压泵的停泵压力Ps2= Ps1/0.85；根据《消水规》5.3.3.2，压力开关的启动值为P= Ps1 -(7～10)。

4.2无稳压泵的消火栓系统压力开关的启动值

当系统内无稳压泵时，平时的压力靠高位消防水箱来维持，火灾时，水箱水位不断降低，直至达到压力开关达的启动值，消防水泵启动。但实际上，消火栓的使用导致的水箱水位降低的过程非常缓慢，假设水箱的平面尺寸为3m×5m，一支消火栓的流量为5L/s，不考虑水箱补水的情况下，水位下降0.5m，需要3×5×0.5÷5×1000=1500s，即需要25分钟，即使两支消火栓同时使用也需要12.5分钟，在分秒必争的火灾初期，这是难以接受的，同时由于水位变化值较小，普通的压力开关也无法动作。推荐选用压力变化值0.002Mpa的特殊压力开关，即水位下降0.2m时压力开关启动。无稳压泵的消火栓系统，消防水泵出水干管的压力开关可能无法及时启动消防水泵，同时设置流量开关，系统的安全性更有保障，显然，系统应以流量开关作为消防泵启动的主要控制元件。

4.3自喷系统压力开关的启动值

自喷系统消防水泵出水干管处的压力开关设置与消火栓系统相同，同时报警阀处也设有压力开关，系统主要依靠报警阀处的压力开关启泵。根据《自动喷水灭火系统 第10部分:压力开关》（GB5135.10-2006）：普通型压力开关的动作压力为0.035～0.05MPa；预作用装置压力开关动作压力为0.03～0.05Mpa；特殊型压力开关的动作压力范围由厂家确定。

4.4合用系统压力开关的启动值

设计过程中会遇到合用的特殊消防系统，这种系统，消火栓系统和自喷系统合用消防水泵、管网以及稳压设施，管道在报警阀前分开。合用系统也是在消防水泵出水干管上和报警阀处设置压力开关。出水干管压力开关的启动值，当有稳压泵时，可参考单独的消火栓系统；当无稳压泵时，干管压力开关可能无法及时启动，自喷系统需要通过报警阀处的压力开关，消火栓系统需要水箱出口的流量开关作为主要控制元件启动消防水泵。

5.不同系统中流量开关的启动值

流量开关的启动值较难掌控，启动值设置过小，在管网发生漏损时容易发生误启动，设置过大，发生火灾时，容易导致启泵不及时延误灭火。流量开关的启动值与消防系统有关。

5.1消火栓系统流量开关的启动值

流量开关启动值有一定的取值范围，对于消火栓系统，其下限值为管网的漏损量，其上限值为一支消火栓的用水量。管网漏损量是个不可控量，根据《消水规》5.3.2第1、2款的规定,按1%～3%的消防设计流量考虑，且不小于1L/s，即流量开关的下限值为1L/s。

一支消火栓的用水量和栓口压力有如下关系（见《给水排水设计手册》第2册）：

Hxh——消火栓栓口的水压（kPa）；

hd——消防水带的水头损失（kPa）；

Hq——水枪喷嘴造成一定长度的充实水柱所需水压（kPa）；

Ad——水带的比阻，见表1；

表1水带比阻Ad值                           

Ld——水带的长度（m）；

qxh——水枪喷嘴射出流量（L/s）；

B ——水枪水流特性系数，见表2；   

表2水枪水流特性系数B值

由此可得出，

根据《消水规》7.4.2的要求，常规选择DN65的衬胶水带，喷嘴直径19mm，水带长度25m，对应的Ad值为0.0172，B值为0.158，Ld值为25。Hxh的取值，当有稳压泵时最小值为15m即150 kPa；当无稳压泵时，根据《消水规》5.2.2第1～3款的规定，不同类型的建筑物Hxh有不同的最小取值。不同Hxh对应的qxh计算结果见表3。为避免因管网漏损引起的水泵误启动，建议启动值尽量取大值，同时表中所列的栓口水压Hxh为规范要求中的最小值，实际计算应以Hxh的实际值为准。

5.2自喷系统流量开关的启动值

对于自喷系统，流量开关的下限值也为1L/s，其上限值为一个喷头的用水量。根据《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2017）（后文简称《喷规》）9.1.1，

q——喷头流量（L/min）；

P——喷头工作压力（MPa）；

K——喷头流量系数。

稳压措施	建筑类型	栓口水压 Hxh（kPa）	水带比阻 Ad	水带长度 Ld(m)	水流特性系数 B	水枪喷嘴射出流量 qxh(L/s)
高位水箱	高层住宅、二类高层公共建筑、多层公共建筑；体积小于20000m3的工业建筑	70	0.0172	25	0.158	3.22
	一类高层公共建筑；体积大于等于20000m3的工业建筑	100	0.0172	25	0.158	3.85
	高度超过100m的公共建筑	150	0.0172	25	0.158	4.71
稳压泵组	所有建筑	150	0.0172	25	0.158	4.71

表3                              消火栓水量计算

根据《喷规》5.0.1，《消水规》5.2.2.4，当靠高位水箱稳压时，喷头工作压力最小值为0.10MPa；根据《消水规》5.3.3.3，当靠稳压泵稳压时，喷头工作压力最小值为0.15MPa。根据《喷规》6.1.1，常用喷头的流量系数为80、115。喷头水量的计算结果见表4。

表4           喷头水量计算

稳压措施	喷头工作压力 P（MPa）	喷头流量 系数K	喷头流量 q（L/s）
高位水箱	0.10	80	1.33
	0.10	115	1.92
稳压泵组	0.15	80	1.63
	0.15	115	2.35

由表4的计算结果可以看出，自喷系统流量开关启动的上限值与下限值（1L/s）太过接近，很容易造成水泵误启动，其应作为启泵的辅助元件，以报警阀处的压力开关为主要启泵元件。

实际工程中，还要考虑管径对流量开关启动值的影响。根据《消水规》5.2.6.9，高位水箱出水管管径不应小于DN100，即流量开关设置处的最小管径为DN100。根据《消水规》12.2.8.4，管道流速0.1m/s～10 m/s时，流量开关应能可靠启动。对于DN100的管道，流量开关的最小启动值为0.79L/s；对于DN150的管道，流量开关的最小启动值为1.77L/s；对于DN200的管道，流量开关的最小启动值为3.14L/s。

5.3合用系统流量开关的启动值

消火栓系统和自喷系统的流量开关启动值范围差异较大，当系统合用时，设置两条水箱出水母管，再以支管形式分别接至消火栓系统和自喷系统，系统虽然合用，但却有独立的流量开关，可按照各自的系统设置流量开关启动值。当然，这对于较为简单的消防系统是可行的，但对于较为复杂的消防系统，如有多个建筑物均设置消火栓和自喷的消防系统，水箱出水管的布置会变得冗长繁杂。

6结语

不同的消防系统，自动启动的控制方式是存在差异的。设计人员通过对规范的研读、专业知识的理解、系统的掌握，发现并总结这些差异，使我们的设计更趋完善。