论干粉灭火系统的应用

宋旭东
公安部天津消防科学研究所，天津　300381

　　摘要：简述了干粉灭火系统是卤代烷灭火系统的一种良好替代系统，干粉灭火技术是可信赖的灭火技术，概述了干粉灭火系统的组成，指出了生产厂家应提供给用户的必要图表，提出了工程应用设计计算方法。
　　关键词：消防、消防设备、干粉系统、干粉、灭火系统
　　中图分类号：TU998.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2000)03-0030-04

Application of Dry-Powder Extinguishing System
SONG Xu-dong

　　Abstract：Dry-powder extinguishing system is a substitute system for haloalkane extinguishing system and is a trustable extinguishing technology．Components of the dry-powder extinguishing system are outlined with necessary charts to be supplied by producers to users pointed out and method for design calculations in engineering application proposed．
　　Key words：fire-fighting，fire-fighting equipment，dry-powder system，dry powder，extinguishine system

１　干粉灭火技术是可以信赖的灭火技术

　　干粉灭火技术是由干粉供应源借助输送管路连接到固定喷咀上通过喷咀喷放干粉的灭火技术。它适用于扑救下列火灾：灭火前可切断气源的气体火灾；液体火灾和可熔化的固体火灾；固体表面火灾。干粉灭火系统所用干粉灭火剂，按其适应的火灾类别，可分为BC干粉和ABC干粉，目前应用较多的是BC干粉，特别是碳酸氢钠干粉。
　　干粉灭火系统，与水灭火系统、气体灭火系统、泡沫灭火系统并列，是传统的四大固定式灭火系统之一。干粉灭火技术开发于20世纪50年代前期，按其应用方式可分为全淹没灭火系统和局部应用灭火系统。全淹没灭火系统应用于扑救封闭空间内的火灾，局部应用灭火系统应用于扑救不需封闭空间条件的具体保护对象（目的物）的非深位火灾。因此，无论从开发时间看，还是从技术成熟性看，干粉灭火技术都是可以信赖的灭火技术。美国、前苏联和日本早已开发出完善的干粉灭火系统，并制定出标准规范，普及应用。

2　干粉灭火系统是卤代烷灭火系统的一种良好替代系统

　　干粉灭火剂的灭火机理是化学抑制作用，通过惰化火焰中的活性自由基，实现断链灭火，这比起物理窒息作用灭火表现出良好的灭火速率。试验表明，干粉的灭火速率是卤代烷的2.5倍，是二氧化碳的4倍，是泡沫的20倍，是水的40倍。
　　干粉灭火剂对大气臭氧层没有破坏作用，并且不受地理环境条件的限制，更适宜缺水和严寒地区选用。另外，干粉灭火剂的价格比较低，特别是碳酸氢钠干粉，比卤代烷灭火剂便宜得多，表现出良好的价格效率。
　　我国虽然也开发了干粉灭火系统，但是不够完善，工程应用数据不全，不便于设计人员选用。再加没有设计规范，影响了干粉灭火系统在我国的普及应用。此外，影响干粉灭火系统普及应用的，还有两个障碍：其一是干粉灭火剂制造工艺中，对干粉吸潮结块问题解决得不好，其二是干粉灭火系统中，干粉灭火剂输送是采用气力输送，而粉体气力输送属气固二相流高科技，有一定难度。现在，干粉吸潮结块问题已经解决，粉体气力输送问题可以解决，面临卤代烷灭火系统的替代系统选择，应该考虑进一步开发干粉灭火系统。为了解决卤代烷灭火系统的替代系统，美国又对其干粉灭火系统规范做了修订，欧联盟也在制定统一的干粉灭火系统标准规范，以便普及干粉灭火系统应用。我们纵使步人后尘，也比错过良机好得多。希望消防设备制造厂家，认真考虑开发干粉灭火系统，它是卤代烷灭火系统的一种良好替代系统。

3　干粉灭火系统概述

　　干粉灭火系统组成如图1所示。其基本部件应包括：干粉储罐（干粉储存容器）、容器阀（总阀）、选择阀（球阀）、管网、喷头，载气储瓶（图中氮气储瓶）、瓶头阀、减压阀、管道等。

　　载气为干粉驱动气体，可以用惰性气体，如氮气、氩气、氦气等，也可以用二氧化碳气，目前应用较多的是氮气和二氧化碳气。平时，载气储存于载气储瓶中，灭火时，打开瓶头阀，经减压阀减压到干粉输送压力，通过管道送入干粉储罐。
　　干粉储罐内由载气增压（增压时间一般不超过20s）到输送压力、打开容器阀，输出干粉与载气固气二相流，固气二相流经选择阀—管道—喷头，喷向防护区或具体保护对象。
　　设干粉输送压力为P_y（P_y≤2.5 MPa），管网起点（容器阀出口处）压力为P_o，那么，对干粉储罐来讲，P_y就是它的输入压力，也是其工作压力；P_o就是它的输出压力，也是管网起点压力。干粉储罐释放过程中，将会有内阻压力损失：△P_y＝P_y－P_o，这种损失是将干粉由静态加速到动态和克服虹吸管对固气二相流的阻力而付出的能量损失，其压力损失大小与P_y有关，与罐内结构有关，与输出流量Q_o有关，它是干粉储罐的内阻特性。因此，设备制造厂家应给出类似直流电源的内阻特性曲线（输出特性曲线）：P_o＝f（Q_o）。
　　固气二相流的粉气比μ，随输送压力和干粉储罐内部结构的不同而不同。μ值不但影响着不同管径单位管道长度的压力损失△P/m值，而且决定着载气用量。因此，设备制造厂家也应给出设备的μ值、管道附件的当量长度数值表和不同管径单位管道长度压力损失曲线：△P/m＝f（μ，D，Q）。
　　喷头分全淹没喷头和局部应用喷头。全淹没喷头的应用参数主要是喷头入口压力P_T和喷头流量Q_i；局部应用喷头的应用参数，除P_T和Q_i外，又增加了喷头保护面积AT。喷头保护面积为：在使油盘杆弦高（液面至缘口距离）150 ｍｍ盘内正庚烷或符合GB489规定的70^#汽油不产生飞溅的条件下，能在20s内灭火的面积，对应的喷头流量就是它的Q_i值。架空型喷头的保护面积随安装高度的不同而不同，槽边型喷头的保护面积随喷头的流量不同而不同。因此，设备制造厂家还应给出喷头特性曲线。
　　国内少有的干粉灭火系统制造厂家目前均没提供出以上图表，无疑影响了其设备的推广应用和自身的经济效益。

4　干粉灭火系统设计计算

　　干粉灭火系统设计计算可按下述步骤进行。
4.1　干粉灭火剂设计用量计算
4.1.1　对全淹没系统计算
　　
　　式中?M—干粉灭火剂设计用量，kg；
　　　　　K₁—全淹没系数，kg/m³；对碳酸氢钠干粉取0.65 kg/m³；
　　　　　V—防护区净容积，m³；
　　　　　V_V—防护区容积，m³；
　　　　　V_G—防护区内不燃烧体和难燃烧体的总体积，m³；
　　　　　V_Z—不能切断的通风系统的附加体积，m³；
　　　　　Q_Z—通风系统流量，m³/s；
　　　　　t—喷放时间，s；取30s；
　　　　　K_2i—开口补偿系数，kg／m²；
　　　　　A_V—防护区的内侧面、底面、顶面?包括其中的开口?的总内表面积，m²；
　　　　　A_oi—开口面积，m²。
4.1.2　对局部应用系统面积法计算
　　M＝Q_i·N·t　　?（4）
　　式中：Q_i—单个喷头干粉流量，kg/s；
　　　　　N—喷头数量。
　　喷头数量应根据单个喷头保护面积和使保护对象计算面积内不留空的原则确定。
4.1.3　对局部应用系统体积法计算
　　M＝V₁·q_v·t　　　　　　　　　　　(5)
　　V₁＝(a+3)(b+3)(h+1.5)　　　　　　(6)
　　q_v＝1.2-(0.2A_p/A_w)　　　　　　　 (7)
　　A_w＝[(a+3)+(b+3)](h+1.5)·2 　　 (2)
　　式中?V₁—具体保护对象计算体积，m³；
　　　　　q_v—局部应用喷射强度，kg/（s·m³）；
　　　　　A_w—围封面积，m2；
　　　　　A_p—围封结构中存在的实体围封面面积，m²；
　　　　　a、b、h—分别为具体保护对象的长、宽、高，m。
4.2　管道流量依干管流量按对称分配计算，干管干粉流量计算
　　Q₀＝M/t ?　　　　　　(9)
　　式中：Q₀—干管干粉流量，kg/s。
4.3　管道内径可按下式确定：
?　D＝K_d·Ｑ^0.5　　　　　（10）
　　式中?D—管道内径，ｍｍ；
　　　　　K_d—管径系数，取值范围（因μ值而异）10～22；
　　　　　Q—管道干粉流量，kg/s。
4.4　管道计算长度计算
　　L＝L_y＋L_i ?(11)
　　L_i＝F(D)?(12)
　　式中:?L—管道计算长度，m；
　　　　　L_y—管道实际长度，m；
　　　　　L_i—管道附件当量长度，m。
4.5　均衡管网对称度计算
　　S＝（L_max－L_min）/L_min　　　(13)
　　式中?Ｓ—管网对称度；
　　　　　L_max—对称管网中管道计算长度的最大值，m；
　　　　　L_min—对称管网中管道计算长度的最小值，m。
　　计算结果应满足 S≤5％的条件，否则应调整管网布局。
4.6　管道节点压力计算
　　P_J＝P_J-1-L·(ΔP/m)-9.81×10^-6·ρ_H·L_γ·sinγ　　(|γ|≤90°)　　　　(14)
　　ΔP/m＝F（μ，D，Q）
　　
　　P₀=f(Q₀)　　　　　　　(16)
式中?P_J—第ｉ段管道末端的节点压力，MPa；
　　　　　P_J-1—第ｉ段管道首端的节点压力，MPa；
　　　　　ΔP/m—管道单位长度压力损失，MPa／m；
　　　　　ρ_H—固气二相流密度，kg/m³；
　　　　　γ—管道流向与水平面所成的角，（°）；水平以上取正值，水平面以下取负值；
　　　　　ρ_H—干粉密度，kg/m³；
　　　　　μ—粉气比；
　　　　　ρ_g—常态载气密度，kg/m³。
　　计算所得喷头入口压力应满足公式（17），否则应返回本文中的4.3节。
　　P_T≥min（P_T）? ?（17）
　　式中?P_T—喷头入口压力，MPa；
　　min(PT)—喷头入口压力最小值，MPa，可取0.1 MPa。
4.7　喷头孔口面积计算
　　F＝Q_i/J ?　　（18）
　　J＝f(P_T)? ?（19）
　　式中?F—喷头孔口面积，mm²；
　　　　　J—喷头孔口单位面积的干粉流量，kg/(s·mm²）。
　　喷头规格依据喷头孔口面积选取系列值。
　　如果产品样本中对每个喷头都给出Q_i－P_T曲线，那么可不求取F值，直接由曲线选定喷头规格。
4.8　干粉灭火剂储存量计算
　　M_c＝M＋M_s ?（20）
　　式中?M_c—干粉灭火剂储存量，kg；
　　　　　M_s—干粉储罐内干粉剩余量，kg。
4.9　载气设计用量计算
　　M_g＝M/μ+M_gr　　　　　　　　　(21)
　　M_gr＝V_c·ρ_g(10P_γ+1)　　　　(22)
　　式中?M_g—载气设计用量，kg；
　　　　　M_gr—干粉储罐内载气剩余量，kg；
　　　　　V_c—干粉储罐容积，m³。
4.10　载气储瓶数量计算
4.10.1　采用氮气时储瓶数量计算
　　N_p＝M_g/[V₀·ρ_g(P_c-P_y)10]　　(P_c≤15MPa)　　　　　(23)
4.10.2　采用二氧化碳时储瓶数量计算
　　N_p＝M_g/{V_0[α-ρ_g(10P_y+1)]}　　　　　　(24)
　　式中?N_p—载气储瓶数量；
　　　　　V₀—载气储瓶容积，m³；
　　　　　P_c—氮气充装压力，MPa；
　　　　　_α—二氧化碳充装系数，kg/m³。
4.11　防护区泄压口面积计算
　　
　　式中?A_x—防护区泄压口面积，m²；
　　　　　P_x—防护区围护结构允许压强，Pa；
　　　　　v_H—防护区内干粉、载气和空气的混合物平均比容，m³/kg；
　　　　　ρ_air—空气密度，kg/m³；
　　　　　C_H—防护区内干粉载气混合物的体积含量。

5　结束语

　　本文旨在抛砖引玉，为制订规范收集信息。但愿此砖能激起浪花无限，得到消防设备生产、设计、应用等单位的热烈响应，从而使传统的干粉灭火系统不再被冷落，为防灾发挥应有作用。欢迎广开言路，纠正错误。

作者简介
　　宋旭东（1944－　），男，副研究员。