給水減壓閥在工程中應(yīng)用探討

傅星幃

(福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著高層建筑越來越多，建筑高度越來越高，給水減壓閥及減壓分區(qū)在建筑設(shè)計(jì)中也越來越常見。在給水及消防系統(tǒng)中，合理地選用減壓閥及設(shè)置減壓分區(qū)以保證給水及消防系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性，是我們?cè)O(shè)計(jì)上需要研究及探討的課題。本文主要介紹了給水減壓閥分類、具體使用范圍以及設(shè)計(jì)過程需要注意的一些細(xì)節(jié)。

1 給水減壓閥分類[1]

減壓閥根據(jù)工作原理可以分為3種：比例式減壓閥、可調(diào)式減壓閥及雙級(jí)減壓閥。

其中可調(diào)式減壓閥根據(jù)工作原理及結(jié)構(gòu)形式又可以分為4種：直接作用式穩(wěn)壓減壓閥、先導(dǎo)式穩(wěn)壓減壓閥、直接作用式壓差減壓閥及先導(dǎo)式壓差減壓閥。

2 各類型給水減壓閥特點(diǎn)

2.1 比例式減壓閥

比例式減壓閥，閥后壓力與閥前壓力呈一固定比例。其減壓效果好、閥體體積小、不需人工調(diào)節(jié)、維護(hù)安裝便捷、價(jià)格低、使用壽命長，適用于進(jìn)口壓力穩(wěn)定、出口壓力值穩(wěn)定性要求不高的場所。

2.2 可調(diào)式減壓閥

穩(wěn)壓式減壓閥出口的壓力相對(duì)穩(wěn)定，適用于進(jìn)口有一定變化，但是對(duì)出口壓力值的穩(wěn)定性要求較高的場合。當(dāng)設(shè)置減壓分區(qū)需采用可調(diào)式減壓閥時(shí)應(yīng)選用穩(wěn)壓式減壓閥。

壓差式減壓閥進(jìn)口與出口的動(dòng)態(tài)減壓差相對(duì)穩(wěn)定，適用于進(jìn)口壓力穩(wěn)定，且動(dòng)態(tài)減壓差小于0.15MPa場所，一般在減壓分區(qū)內(nèi)供水壓力超過0.2MPa進(jìn)戶管上設(shè)置，不能作為分區(qū)減壓閥使用。

直接式減壓閥結(jié)構(gòu)相對(duì)先導(dǎo)式減壓閥更簡單，體積更小，但對(duì)應(yīng)的減壓管道口徑較小(DN<50)；通常多用于減壓分區(qū)內(nèi)供水壓力超過0.2MPa進(jìn)戶管、單個(gè)用水區(qū)域及減壓管徑小于DN50管道上。

先導(dǎo)式減壓閥相比直接作用式減壓閥增加了先導(dǎo)閥，利用水力控制主閥實(shí)現(xiàn)減壓效果。其精度比直接作用式減壓閥更高。在壓力值精度要求較高的場合，或需減壓管道管徑較大(DN≥50)，建議采用先導(dǎo)式減壓閥。

相比比例式減壓閥，可調(diào)式減壓閥運(yùn)作反應(yīng)靈敏，但是閥門構(gòu)造相對(duì)比例式減壓閥更加復(fù)雜，閥體體積較大，價(jià)格相對(duì)較高。

2.3 雙級(jí)減壓閥

雙級(jí)減壓閥是由兩級(jí)串聯(lián)減壓裝置組合而成的減壓閥。用于單個(gè)減壓閥減壓比無法滿足設(shè)計(jì)要求的情況。一般前級(jí)為比例式減壓，后級(jí)為穩(wěn)壓式減閥。單級(jí)減壓的性能與同類型單級(jí)減壓閥相同。

3 給水減壓閥主要技術(shù)參數(shù)(表1)

表1 給水減壓閥主要技術(shù)參數(shù)[1]

注：減壓比是減壓閥進(jìn)出口壓力的比值，分為動(dòng)壓比及靜壓比。特別需要注意的是所有類型的減壓閥(除了雙級(jí)減壓閥)減壓比均不宜大于3∶1。對(duì)于比例式減壓閥設(shè)計(jì)人員通常都會(huì)復(fù)核減壓閥減壓比，使減壓比滿足設(shè)計(jì)要求；但是在使用可調(diào)式減壓閥時(shí)設(shè)計(jì)人員常常只根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015-2003(2009年版)第3.4.9條，第1款“可調(diào)式減壓閥的閥前與閥后的最大壓差不宜大于0.40MPa，要求環(huán)境安靜的場所不應(yīng)大于0.3MPa?！盵2]核對(duì)閥前與閥后的最大壓差，忽略了若可調(diào)式減壓閥減壓比大于3∶1同樣有可能會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。例如減壓閥出口壓力為0.1MPa時(shí)，即使減壓差小于0.4MPa，仍然有氣蝕的可能。

4 生活給水系統(tǒng)案例分析

該案例為高層公共建筑，建筑高度小于100m，其中17F至24F為酒店。17F樓面相對(duì)標(biāo)高66.15m(相對(duì)本樓±0.00，以下標(biāo)高同)，24F樓面相對(duì)標(biāo)高為91.7m。酒店設(shè)置集中熱水系統(tǒng)，考慮冷熱水壓力平衡，冷熱水系統(tǒng)采用相同的分區(qū)，且冷熱水壓力差不宜大于0.02MPa。如分別采用兩組變頻泵組供給冷水及開式熱水系統(tǒng)用水，考慮到變頻泵組出口壓力波動(dòng)值通?！?.05MPa，因此兩套變頻泵組分別供給冷水及開式熱水系統(tǒng)用水無法有效地保證冷熱水壓力值平衡。若采用一臺(tái)變頻泵組，同時(shí)供給冷水及閉式熱水系統(tǒng)用水，雖然可以保證冷熱水壓力平衡，但閉式熱水系統(tǒng)的維護(hù)運(yùn)營相對(duì)復(fù)雜，且投資造價(jià)相對(duì)大于開式熱水系統(tǒng)。

在該樓屋面有條件設(shè)置冷熱水箱的基礎(chǔ)上，設(shè)置冷熱供水箱。冷水及熱水箱底相對(duì)標(biāo)高相同，均為104.75m。由地下室工頻進(jìn)水泵供水。水箱進(jìn)水泵停泵水位相對(duì)標(biāo)高106.95m。

因生活熱水分區(qū)與冷水分區(qū)相同，同時(shí)熱水系統(tǒng)較冷水系統(tǒng)增加了循環(huán)回水管道，所以僅以熱水系統(tǒng)進(jìn)行比選分析。

4.1 熱水方案一

由于21F樓面相對(duì)標(biāo)高80.75m與水箱停泵水位最不利相對(duì)標(biāo)高106.95m相差26.20m，致使21F及以下各用水點(diǎn)的供水壓力(扣除水損后的動(dòng)壓)大于規(guī)范0.20MPa限定值，需設(shè)置減壓閥減壓。方案一考慮采用集中減壓方式，在17F至20F設(shè)置了減壓分區(qū)。因?yàn)椴⒙?lián)減壓的方式適用于干管和總管減壓，而且增加了供水的保證率，綜合熱水管道的設(shè)置方式，在21F(相對(duì)標(biāo)高80.75m)樓板下并聯(lián)設(shè)置先導(dǎo)式穩(wěn)壓減壓閥組，閥后壓力值0.09MPa，同時(shí)在17F設(shè)置熱水循環(huán)泵，如圖1所示。

圖1 熱水方案一系統(tǒng)示意圖

根據(jù)方案一的減壓分區(qū)，扣除水損后， 17F及21F供水壓力(動(dòng)壓)依然大于0.2MPa。對(duì)照表1，比例式減壓閥、穩(wěn)壓減壓閥最小的動(dòng)態(tài)減壓差△P≥0.15MPa，供水壓力扣除動(dòng)態(tài)減壓差后，供水壓力值不足。為了確保減壓閥在設(shè)計(jì)流量時(shí)出口壓力穩(wěn)定且考慮到供水支管管徑均不大于DN50。所以采用單閥直接作用式壓差減壓閥作為支管減壓，控制供水壓力不大于0.2MPa。

4.2 熱水方案二

因21F及以下各用水點(diǎn)的供水壓力值大于0.20MPa需要配置減壓，方案二考慮熱水支管上設(shè)置減壓閥，在各熱水配水管上配置分支減壓閥，為了盡可能保證減壓閥后出水壓力穩(wěn)定，17F至20F設(shè)置單閥直接作用式穩(wěn)壓減壓閥，21F設(shè)置單閥直接作用式壓差減壓閥，將壓力值減壓至0.20MPa以下。同時(shí)，屋面上設(shè)置熱水循環(huán)泵，如圖2所示。

圖2 熱水方案二系統(tǒng)示意圖

4.3 兩種方案的比選

熱水方案一采用分區(qū)設(shè)置減壓閥組，相比熱水方案二的各支管減壓閥在土建造價(jià)方面具有優(yōu)勢(shì)。

但因減壓閥設(shè)置在熱水供水干管上，導(dǎo)致17F至20F在閥后回水主管的壓力小于20F以上的管網(wǎng)回水壓力，所以需設(shè)置兩套熱水循環(huán)泵增壓，兩個(gè)熱水分區(qū)的回水分別循環(huán)至熱水箱。相對(duì)方案二的熱水系統(tǒng)方案一增加能耗和設(shè)施(多設(shè)置了一套循環(huán)泵；17F～20F減壓分區(qū)的熱水循環(huán)泵揚(yáng)程還需考慮減壓閥減壓損耗)。

其次，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015-2003(2009年版)第5.5.10條，第3款“循環(huán)水泵應(yīng)選用熱水泵，水泵殼體承受的工作壓力不得小于其所承受的靜水壓力加水泵揚(yáng)程?！盵2]在熱水系統(tǒng)減壓閥僅設(shè)置于非循環(huán)管上(方案一21F～24F及方案二)，為了減少泵殼承受的靜水壓力；節(jié)省酒店樓層使用空間；在水泵氣蝕余量滿足水泵負(fù)壓吸水的情況下，優(yōu)先設(shè)置熱水循環(huán)水泵于大屋面。但是設(shè)置分區(qū)減壓閥組后(方案一17F～20F)降低了減壓分區(qū)的靜壓及動(dòng)壓，為了避免熱水循環(huán)泵負(fù)壓吸水時(shí)，汽蝕余量無法提供足夠的吸水高度，導(dǎo)致無法形成循環(huán)，需降低熱水循環(huán)泵設(shè)置高度，在17F增設(shè)設(shè)備用房，該系統(tǒng)增加了循環(huán)泵泵殼壓力，占用酒店樓層使用面積且存在噪音隱患。

綜合節(jié)能、減少循環(huán)泵能耗和投資、建筑布局合理性等因素，設(shè)計(jì)上考慮采用熱水方案二的熱水系統(tǒng)。

若該工程僅有冷水系統(tǒng)，未設(shè)置熱水系統(tǒng)，不需要考慮熱水循環(huán)回水泵時(shí)，采用方案一可以減少減壓閥數(shù)量，也便于后期的維護(hù)，方案一是較好的解決方式。

另外，熱水系統(tǒng)設(shè)置的減壓閥應(yīng)注意采用熱水型減壓閥，因?yàn)椴徽撌潜壤綔p壓閥還是可調(diào)試減壓閥，它們的密閉部件、閥腔的隔膜等均有橡膠制品。熱水系統(tǒng)中的供水溫度一般都大于50℃，而普通型的橡膠制品若是長期處于高溫環(huán)境下工作，會(huì)導(dǎo)致減壓效果下降、密封性能降低。為了保證密閉性及減壓效果，則需頻繁地更換相應(yīng)的零部件，這對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行及維修成本都帶來不便和負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，按國家標(biāo)準(zhǔn)《橡膠密封件給、排水管及污水管道用接口密封圈材料規(guī)范》HG/T3091-2000(適用于水介質(zhì)溫度達(dá)50℃管道所使用的橡膠密封件)及國家標(biāo)準(zhǔn)《橡膠密封件-110℃熱水供應(yīng)管道的管接口密封圈-材料規(guī)范》HG/T 3097-2006(2012)(適用于水介質(zhì)溫度達(dá)110℃管道所使用的橡膠密封件)的要求選擇相應(yīng)材質(zhì)的減壓閥組件。

5 消防給水系統(tǒng)案例分析

工程為高層公共建筑(建筑高度小于100m)，最高層25層樓面相對(duì)標(biāo)高95.35m，消防水箱底相對(duì)標(biāo)高106.6m，消防水箱最高水位相對(duì)標(biāo)高108.1m；地下室底面相對(duì)標(biāo)高-5.0m，低區(qū)減壓閥組安裝位置相對(duì)標(biāo)高-1m，地下室消防水池最高水位相對(duì)消防水泵吸水口高度為2m。裙房共6層，6層樓面相對(duì)標(biāo)高23.2m。

室內(nèi)消火栓系統(tǒng)分為高低兩區(qū)，每區(qū)最大靜水壓力均小于100m。裙房6層及以下為低區(qū)，7層以上為高區(qū)，低區(qū)環(huán)網(wǎng)的供水由高區(qū)環(huán)網(wǎng)經(jīng)減壓后供給，如圖3所示。

圖3 消火栓系統(tǒng)示意圖

消火栓栓口動(dòng)壓不應(yīng)小于0.35MPa，經(jīng)計(jì)算消火栓低區(qū)環(huán)網(wǎng)所需壓力值0.70MPa(位于低區(qū)減壓閥出口處壓力值)。該樓消防用水量40L/S。消防泵揚(yáng)程1.6MPa(40L/S工況時(shí))，對(duì)應(yīng)零流量揚(yáng)程為2.03MPa。

5.1 消防方案一

經(jīng)計(jì)算水泵至低區(qū)減壓閥組處動(dòng)壓P1=1.51MPa(在系統(tǒng)流量為40L/S時(shí)，扣除減壓閥與消防水泵的高差及管道水損)。當(dāng)消防系統(tǒng)減壓閥進(jìn)口壓力超過1.20MPa時(shí)宜采用先導(dǎo)式減壓閥，但若采用先導(dǎo)式減壓閥，其閥前與閥后的最大壓差不宜大于0.40MPa，而低區(qū)消火栓環(huán)網(wǎng)所需的壓力值為0.70MPa。若考慮僅并聯(lián)設(shè)置4組減壓閥組時(shí)(根據(jù)規(guī)范要求，每一供水分區(qū)應(yīng)設(shè)不少于兩組減壓閥組，每組減壓閥組宜設(shè)置備用減壓閥)[3]，先導(dǎo)式減壓閥組無法滿足需要，所以考慮并聯(lián)設(shè)置四組比例式減壓閥組。

比例式減壓閥組的出口靜壓及動(dòng)壓采用下面的公式計(jì)算：

靜壓：P2j=P1/Bj

動(dòng)壓：P2=K×P1/Bj

式中：P2j——出口靜壓(MPa)；

P2——出口動(dòng)壓(MPa)；

P1——進(jìn)口壓力(MPa)；

Bj——靜壓比；

K——?jiǎng)訅赫蹨p系數(shù)，K=0.7～0.9，該工程K采用0.9。

Bj=K×P1/P2=0.9×1.51/0.7=1.94，小于2∶1，故，低區(qū)減壓閥組采用靜壓比為3∶2比例式減壓閥組。3∶2比例式減壓閥組閥后壓力值P2=K×P1/Bj=0.9×1.51×2/3=0.906MPa。

校核消防系統(tǒng)最大工作壓力(取消防水泵零流量時(shí)的壓力、消防水泵吸水口最大靜壓之和)低區(qū)減壓閥組進(jìn)口處工作壓力P1max=2.03(消防水泵零流量揚(yáng)程)+0.02(消防水泵吸水口最大靜壓)-0.03(減壓閥與消防水泵出水口標(biāo)高高差)=2.02MPa。低區(qū)減壓閥后比例式減壓閥組出口處工作壓力P2max=K×P1max/Bj=0.9×2.02×2/3=1.212MPa。

校核屋面消防水箱穩(wěn)壓?？紤]減壓閥出口靜壓為減壓閥密封關(guān)閉后(無流量通過時(shí))的出口壓力，在減壓閥接近封閉時(shí)，流量很小，水損忽略不計(jì)，則低區(qū)減壓閥組進(jìn)口壓力P1x=1.066(消防水箱關(guān)閥水位)+0.01(減壓閥組相對(duì)±0.00高差)=1.076MPa，低區(qū)減壓閥組后靜壓P2j=P1x/Bj=1.076×2/3=0.717MPa。滿足水滅火設(shè)施最不利點(diǎn)處的靜水壓力。

5.2 消防方案二

方案一為并聯(lián)設(shè)置4組比例式減壓閥的情況，現(xiàn)考慮設(shè)置4組串聯(lián)在一起的減壓閥。因?yàn)榇?lián)減壓的減壓閥，宜采用不同類型的減壓閥；且第二級(jí)減壓閥宜采用先導(dǎo)式減壓閥。所以在方案一的3∶2比例式減壓閥組后再串聯(lián)一組先導(dǎo)穩(wěn)壓式減壓閥組，閥后壓力設(shè)置為P3=0.70MPa。

在40L/S的工況下，

△P=P2-P3=0.906-0.70=0.206MPa，滿足穩(wěn)壓減壓閥動(dòng)態(tài)減壓差。且減壓比小于3∶1。

校核消防系統(tǒng)最大工作壓力，低區(qū)減壓閥組3∶2比例式減壓閥出口處水壓P2max=1.212MPa；先導(dǎo)穩(wěn)壓式減壓閥組閥后水壓P3max=0.70MPa,減壓比小于3∶1。雖然規(guī)范要求可調(diào)式減壓閥閥前與閥后的最大壓差不宜大于0.40MPa，要求環(huán)境安靜的場所不應(yīng)大于0.3MPa，但考慮到水泵零流量工況持續(xù)時(shí)間很短，平時(shí)減壓閥組僅處于準(zhǔn)工作狀態(tài)，氣蝕和噪音不是首要考慮因素，該減壓閥符合設(shè)計(jì)要求。

校核屋面消防水箱穩(wěn)壓，低區(qū)減壓閥進(jìn)口壓力P1x=1.076MPa，P2x=K×P1/Bj=0.9×1.076×2/3=0.645MPa，由于先導(dǎo)穩(wěn)壓式減壓閥設(shè)置的壓力值為0.70MPa，故不能滿足先導(dǎo)式穩(wěn)壓減壓閥動(dòng)態(tài)減壓差，所以考慮獨(dú)立設(shè)置低區(qū)穩(wěn)壓管道，供給低區(qū)消火栓環(huán)網(wǎng)穩(wěn)壓。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置有消防穩(wěn)壓設(shè)備時(shí)，也可以考慮相應(yīng)提高消防穩(wěn)壓設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力，使穩(wěn)壓壓力值提高，滿足先導(dǎo)式穩(wěn)壓減壓閥動(dòng)態(tài)減壓差。

5.3 兩種方案比選

方案一雖然比方案二少設(shè)置了4個(gè)串聯(lián)的先導(dǎo)式穩(wěn)壓減壓閥及獨(dú)立的低區(qū)穩(wěn)壓管道，但是方案一的最大工作壓力P2max=1.212MPa大于P3max=0.70MPa。若采用方案一，低區(qū)消火栓環(huán)網(wǎng)管道系統(tǒng)工作壓力值需抬高，系統(tǒng)承壓能力加大，對(duì)造價(jià)的影響較大，所以設(shè)計(jì)上考慮采用方案二的消火栓系統(tǒng)。

6 結(jié)語

隨著給水減壓閥在高層建筑的生活給水及消防給水系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，減壓閥的選型、減壓值的設(shè)定對(duì)生活及消防給水系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

在實(shí)際工程應(yīng)用中采用循環(huán)回水的熱水系統(tǒng)宜位于非循環(huán)熱水支管上設(shè)置減壓，能有效節(jié)能、減少循環(huán)泵能耗并且循環(huán)泵的設(shè)置位置更加靈活；而非循環(huán)給水系統(tǒng)中分區(qū)集中設(shè)置減壓閥則能有效節(jié)約初始投入資金，且便于后期維護(hù)。

而在消防給水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用過程中，應(yīng)根據(jù)各運(yùn)行工況下不同減壓閥的壓力值狀態(tài)，選取合適的減壓閥用于降低減壓分區(qū)的工作壓力、節(jié)省工程造價(jià)。針對(duì)部分減壓閥導(dǎo)致穩(wěn)壓壓力值不能滿足設(shè)計(jì)需要的情況，可以采用增加穩(wěn)壓壓力值或?qū)υ摲謪^(qū)獨(dú)立設(shè)置減壓，使消防系統(tǒng)滿足計(jì)要求。

根據(jù)不同工程情況核對(duì)減壓閥的要求及減壓閥使用的局限性，合理地選用減壓閥和設(shè)定減壓值，使生活及消防給水系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定、節(jié)能、安全可靠等目標(biāo)，是設(shè)計(jì)人員義不容辭的責(zé)任。

參考文獻(xiàn)

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