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【摘要】目前，隧道消防系统往往采用高压消防系统供水。然而，由于一些山区公路隧道地形陡峭复杂，很难找到合适的位置建造高位水池。施工材料现场运输、管道现场安装难度很大，高位水池标高达不到要求。使用高压消防系统供水非常困难。而通常所用的稳高压供水系统由于受制于隔膜气压罐橡胶老化的影响，运行数年以后稳高压系统会因隔膜气压罐破裂故障，导致稳压泵不能及时补水，本文在稳高压系统的基础上利用变频稳压泵为隧道内消防管道提供恒定压力的消防用水，其原理是采用PID算法控制稳压变频水泵将低位水池流入的水直接加压供给隧道内消防管网，不仅可解决常高压、消防系统不能修建高位水池，外场管道安装难度大等困难，还可以解决稳高压系统中隔膜气压罐橡胶老化所带来的系统故障，而且还可降低成本，增加系统的稳定性。
【关键字】山区隧道;消防系统;稳高压系统;恒压供水系统;PLC;PID
1引言
消防供水系统作为高速公路隧道消防系统的核心，目前大多采用高低位水池给水系统，本文针对位于地势陡峭地区的山区高速公路隧道难以修建高位水池等问题，在稳高压系统的基础上提出了一种隧道恒压供水系统。对于高低位水池与隧道恒压供水系统的工作原理及优缺点进行对比分析，以论证隧道恒压供水的可行性及经济性，该系统适用于不能修建高位水池且地势陡峭的山区，具有良好的效果。
2高速公路隧道消防供水系统介绍
我国高速公路隧道消防供水系统大多采用常高压给水系统，其运行原理是先由取水设施取水至低位水池，然后通过水泵将低位水池中的水加压输送至高位水池，再由高位水池对隧道消防管网供水。
常高压给水系统是利用水位高压和自身重力流由高位水池向隧道内消防管网供水，使管网内总是保持灭火时所需流量和压力，扑灭火灾时可直接使用消防栓灭火，无需启动消防水泵增压。高位水池的高程是根据隧道最低处高程和最高处高程计算得到，其可满足消防栓出水的压力要求。为保证高位水池的高程及容积满足规范要求，其建造位置需地势平坦，地质结构稳定，且给水管道的路由要尽可能短，以减少水压损失。
但在部分山区，由于隧道口地势陡峭，难以找到合适的位置修建高位水池，且材料运输业非常困难，故导致高位水池修建成本较高。
JTG D70/2-2014《公路隧道设计规范》第10.2.7.1条规定“当无条件设置高位水池时，可采用稳高压供水系统。”因此，根据隧道现场地形情况及JTG D70/2-2014，实际工程中隧道消防系统采用恒压系统供水也是一种可替代稳高压系统的方案。
3恒压供水系统结构
恒压供水系统包括消防水源、消防低位水池、稳压泵（变频）、消防主泵（变频）、消防管网、消防水箱、液位计、压力表、压力控制器或压力传感器及消防控制柜等设施，如图1所示。
3.1 水源
根据JTG D70/2-2014，隧道消防用水可采用市政自来水、地下水或地表水。采用地表水时，应有保证枯水期的消防用水措施。
在部分山区，地质结构以岩石为主，地表水、地下水不充足，且水源距隧道较远。因此，若采用天然水源有困难，则可采用水车运输供水作为消防水源。
2.2 消防低位水池
消防低位水池作为消防系统用水储备，其容量必须满足消防用水要求。根据JTG D70/2-2014消防水池的容积应能容纳隧道内1次消防用水量外，还应能容纳隧道内冲洗所需的调节用水量。
3.3 稳压泵（变频）
稳压变频泵是在消火栓及消防水枪在开启的情况下，用于保持消火栓给水系统的压力稳定，使系统水压始终处于满足隧道消防要求的压力状态。一旦消火栓及消防栓开启，能提供满足隧道消防所需的水量和水压。
3.4 消防水泵（变频）
消防水泵是在消火栓及消防水枪开启后，对消防系统进行补水，使系统的水量和压力能够满足消防用水的要求，相对于普通软启或者直接启动的水泵，消防变频泵在启动或者停止的时候通过变频器变频启动与停止，避免水锤现象的发生，减少水泵直接启动对消防管网的压力冲击，从而提高消防管网的使用寿命，减少消防管网的故障率。
4恒压供水系统工作原理
4.1 消防水池补水
置于低位水池内的液位仪将水池内的水位信号传输至消防控制柜，消防控制柜对这些信号进行上限、报警、下限等限值设定。当消防控制柜检测到消防水池内水位下限时，立即启动蓄水池潜水泵给水池补水或者发出水池低液位报警。当水位达到上限时，消防控制柜则会关闭潜水泵以停止补水。
4.2 稳压变频泵的工作原理
稳压变频泵在消防系统休眠模式下工作，通过PLC读取压力传感器压力值，经过PID运算后控制变频器带动稳压变频泵运行，使消防栓出口水压保持在0.8Mpa，稳压变频泵设置为1主1备，当主稳压变频泵出现故障时自动切换至备用稳压泵运行。
4.3 消防变频水泵的工作原理
当消防管网水压不足且稳压变频水泵长时间向消防管网进行补水以后消防管网内压力仍不能达到0.8Mpa时，PLC自动停止稳压变频泵，同时启动消防变频水泵對隧道消防管网进行补水，当管网压力达到0.8Mpa，消防变频水泵降低至最低运行频率后，PLC自动关闭消防变频水泵，同时启动稳压变频水泵工作，消防变频水泵设置为1主1备，当消防水泵故障时自动切换到备用水泵工作。
5恒压供水系统的优势
恒压供水系统与高压消防系统相比，具有如下优势。
5.1解决部分山区高位水池修建困难的问题
在部分山区，由于地势极为陡峭，致使修造高位水池时材料运输困难，或不能找到面积合适、地势结构稳定的位置修建高位水池。
5.2降低高速公路建设成本
在一些地形较为平坦、隧道落差较大的地区，需要铺设较长的消防管道。如果取消高位池的建设，不仅节省了建设成本本身，还节省了隧道外场消防管线的费用以及高位池建设便道和维护便道所带来的相关征地费用。恒压供水系统与常高压供水系统证件设备费用及相关施工费用对比如表1所示。 由表1数据可看出，采用稳高压供水系统比常高压供水系统可节约造价30-40万元。
5.3 系统的稳定性得到提高
1）恒压供水系统减少了高位水池至隧道口的消防管道，从而减小了因管道系统弯道产生的阻力而导致的压力损失。
2）恒压供水系统中减少了高位水池至隧道洞口的外场管道路由，从而减小了因外场管道排泄压及故障导致的不安全性。
3）恒压供水系统使隧道消防主泵在休眠模式下始终保持隧道消防所需的水量和水壓，提高了消防系统的稳定性。
4）可通过实时检测消防管网的压力，实时调整稳压变频泵的运行频率，保证隧道内消防管网的压力值在正常范围内。
5）可通过实时检测消防管网的压力，在实现管网压力稳定的同时，实现隧道内管网压力的动态越阶响应。
5.4 有利于消防系统的运营维护
恒压供水系统更加集成化、智能化。不仅减少了消防管网的长度，而且将动力及控制设备安装于消防泵房内，有助于系统维护和故障排除。
6高速公路隧道恒压供水系统应用中的经验、教训
高速公路隧道恒压供水系统的稳定性依托于机电设备的稳定性，需对所采用的机电设备在设计、施工及运营维护等多方面进行关注。
设计时，需对高压水泵的机械性能、压力传感器及消防控制柜的逻辑性以及其他相关机电设备制定较为完整的技术指标要求，并对相关设备及系统功能进行详细描述。同时，将系统电力负荷级别设置为I级，条件允许的情况下可在消防控制柜内配置双电源切换装置。
施工中，须严格按照设计技术指标要求进行设备采购。宜采用具有相关工程用用实例的产品，同时需对消防控制柜、压力传感器及其他重点设备进行相关检测。
运营中，维护人员需定期检测设备的运行情况，对设备进行维护保养，如检测到设备报警，需立即派出故障。当设备达到使用寿命后考虑设备更新、升级。
7结语
消防系统是隧道机电施工的重点工程，需对其予以重视，并提高其稳定性，以便将施工损失率降至最低。稳高压供水系统虽然能够解决部分山区修建高位水池困难的问题，但长期来看稳高压系统中由于隔膜气压罐长时间受压力变化影响，橡胶储气罐容易受损，而与稳定的高压供水系统相比，恒压供水系统更有利于节约成本，提高系统的稳定性，值得在山区公路隧道消防供水系统中推广应用。
【参考文献】
[1]赵双红; 陈帅.稳高压供水系统在山区高速公路隧道消防系统中的应用[J].公路交通技术，2015（06）：118-121.
【关键字】山区隧道;消防系统;稳高压系统;恒压供水系统;PLC;PID
1引言
消防供水系统作为高速公路隧道消防系统的核心，目前大多采用高低位水池给水系统，本文针对位于地势陡峭地区的山区高速公路隧道难以修建高位水池等问题，在稳高压系统的基础上提出了一种隧道恒压供水系统。对于高低位水池与隧道恒压供水系统的工作原理及优缺点进行对比分析，以论证隧道恒压供水的可行性及经济性，该系统适用于不能修建高位水池且地势陡峭的山区，具有良好的效果。
2高速公路隧道消防供水系统介绍
我国高速公路隧道消防供水系统大多采用常高压给水系统，其运行原理是先由取水设施取水至低位水池，然后通过水泵将低位水池中的水加压输送至高位水池，再由高位水池对隧道消防管网供水。
常高压给水系统是利用水位高压和自身重力流由高位水池向隧道内消防管网供水，使管网内总是保持灭火时所需流量和压力，扑灭火灾时可直接使用消防栓灭火，无需启动消防水泵增压。高位水池的高程是根据隧道最低处高程和最高处高程计算得到，其可满足消防栓出水的压力要求。为保证高位水池的高程及容积满足规范要求，其建造位置需地势平坦，地质结构稳定，且给水管道的路由要尽可能短，以减少水压损失。
但在部分山区，由于隧道口地势陡峭，难以找到合适的位置修建高位水池，且材料运输业非常困难，故导致高位水池修建成本较高。
JTG D70/2-2014《公路隧道设计规范》第10.2.7.1条规定“当无条件设置高位水池时，可采用稳高压供水系统。”因此，根据隧道现场地形情况及JTG D70/2-2014，实际工程中隧道消防系统采用恒压系统供水也是一种可替代稳高压系统的方案。
3恒压供水系统结构
恒压供水系统包括消防水源、消防低位水池、稳压泵（变频）、消防主泵（变频）、消防管网、消防水箱、液位计、压力表、压力控制器或压力传感器及消防控制柜等设施，如图1所示。
3.1 水源
根据JTG D70/2-2014，隧道消防用水可采用市政自来水、地下水或地表水。采用地表水时，应有保证枯水期的消防用水措施。
在部分山区，地质结构以岩石为主，地表水、地下水不充足，且水源距隧道较远。因此，若采用天然水源有困难，则可采用水车运输供水作为消防水源。
2.2 消防低位水池
消防低位水池作为消防系统用水储备，其容量必须满足消防用水要求。根据JTG D70/2-2014消防水池的容积应能容纳隧道内1次消防用水量外，还应能容纳隧道内冲洗所需的调节用水量。
3.3 稳压泵（变频）
稳压变频泵是在消火栓及消防水枪在开启的情况下，用于保持消火栓给水系统的压力稳定，使系统水压始终处于满足隧道消防要求的压力状态。一旦消火栓及消防栓开启，能提供满足隧道消防所需的水量和水压。
3.4 消防水泵（变频）
消防水泵是在消火栓及消防水枪开启后，对消防系统进行补水，使系统的水量和压力能够满足消防用水的要求，相对于普通软启或者直接启动的水泵，消防变频泵在启动或者停止的时候通过变频器变频启动与停止，避免水锤现象的发生，减少水泵直接启动对消防管网的压力冲击，从而提高消防管网的使用寿命，减少消防管网的故障率。
4恒压供水系统工作原理
4.1 消防水池补水
置于低位水池内的液位仪将水池内的水位信号传输至消防控制柜，消防控制柜对这些信号进行上限、报警、下限等限值设定。当消防控制柜检测到消防水池内水位下限时，立即启动蓄水池潜水泵给水池补水或者发出水池低液位报警。当水位达到上限时，消防控制柜则会关闭潜水泵以停止补水。
4.2 稳压变频泵的工作原理
稳压变频泵在消防系统休眠模式下工作，通过PLC读取压力传感器压力值，经过PID运算后控制变频器带动稳压变频泵运行，使消防栓出口水压保持在0.8Mpa，稳压变频泵设置为1主1备，当主稳压变频泵出现故障时自动切换至备用稳压泵运行。
4.3 消防变频水泵的工作原理
当消防管网水压不足且稳压变频水泵长时间向消防管网进行补水以后消防管网内压力仍不能达到0.8Mpa时，PLC自动停止稳压变频泵，同时启动消防变频水泵對隧道消防管网进行补水，当管网压力达到0.8Mpa，消防变频水泵降低至最低运行频率后，PLC自动关闭消防变频水泵，同时启动稳压变频水泵工作，消防变频水泵设置为1主1备，当消防水泵故障时自动切换到备用水泵工作。
5恒压供水系统的优势
恒压供水系统与高压消防系统相比，具有如下优势。
5.1解决部分山区高位水池修建困难的问题
在部分山区，由于地势极为陡峭，致使修造高位水池时材料运输困难，或不能找到面积合适、地势结构稳定的位置修建高位水池。
5.2降低高速公路建设成本
在一些地形较为平坦、隧道落差较大的地区，需要铺设较长的消防管道。如果取消高位池的建设，不仅节省了建设成本本身，还节省了隧道外场消防管线的费用以及高位池建设便道和维护便道所带来的相关征地费用。恒压供水系统与常高压供水系统证件设备费用及相关施工费用对比如表1所示。 由表1数据可看出，采用稳高压供水系统比常高压供水系统可节约造价30-40万元。
5.3 系统的稳定性得到提高
1）恒压供水系统减少了高位水池至隧道口的消防管道，从而减小了因管道系统弯道产生的阻力而导致的压力损失。
2）恒压供水系统中减少了高位水池至隧道洞口的外场管道路由，从而减小了因外场管道排泄压及故障导致的不安全性。
3）恒压供水系统使隧道消防主泵在休眠模式下始终保持隧道消防所需的水量和水壓，提高了消防系统的稳定性。
4）可通过实时检测消防管网的压力，实时调整稳压变频泵的运行频率，保证隧道内消防管网的压力值在正常范围内。
5）可通过实时检测消防管网的压力，在实现管网压力稳定的同时，实现隧道内管网压力的动态越阶响应。
5.4 有利于消防系统的运营维护
恒压供水系统更加集成化、智能化。不仅减少了消防管网的长度，而且将动力及控制设备安装于消防泵房内，有助于系统维护和故障排除。
6高速公路隧道恒压供水系统应用中的经验、教训
高速公路隧道恒压供水系统的稳定性依托于机电设备的稳定性，需对所采用的机电设备在设计、施工及运营维护等多方面进行关注。
设计时，需对高压水泵的机械性能、压力传感器及消防控制柜的逻辑性以及其他相关机电设备制定较为完整的技术指标要求，并对相关设备及系统功能进行详细描述。同时，将系统电力负荷级别设置为I级，条件允许的情况下可在消防控制柜内配置双电源切换装置。
施工中，须严格按照设计技术指标要求进行设备采购。宜采用具有相关工程用用实例的产品，同时需对消防控制柜、压力传感器及其他重点设备进行相关检测。
运营中，维护人员需定期检测设备的运行情况，对设备进行维护保养，如检测到设备报警，需立即派出故障。当设备达到使用寿命后考虑设备更新、升级。
7结语
消防系统是隧道机电施工的重点工程，需对其予以重视，并提高其稳定性，以便将施工损失率降至最低。稳高压供水系统虽然能够解决部分山区修建高位水池困难的问题，但长期来看稳高压系统中由于隔膜气压罐长时间受压力变化影响，橡胶储气罐容易受损，而与稳定的高压供水系统相比，恒压供水系统更有利于节约成本，提高系统的稳定性，值得在山区公路隧道消防供水系统中推广应用。
【参考文献】
[1]赵双红; 陈帅.稳高压供水系统在山区高速公路隧道消防系统中的应用[J].公路交通技术，2015（06）：118-121.