新型洁净气体灭火系统的设计与应用

申炳炎，黄新天
(天津市建工设计院，天津300193)

　　 摘要：通过新型灭火系统——七氟丙烷灭火系统的应用实例，对洁净气体灭火系统在设计应用中遇到的问题提出几点粗浅看法。
　　关键词：气体灭火系统；七氟丙烷；均衡管网
　　中图分类号：TU892
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)10-0035-03

　　1  气体灭火系统的发展趋势

　　传统哈龙产品——卤代烷1211及1301在我国气体消防行业的应用历史中占有非常重要的地位，目前系统的装备量约占气体灭火系统总装备量的80%以上。
　　由于哈龙灭火剂是破坏大气臭氧层的主要因素，为了保护人类共同的生存环境，造福子孙后代，我国政府于1989及1991年分别签署了《关于保护臭氧层的维也纳公约》、《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，并决定于2005年停产1211，2010年停产1301。这标志着淘汰哈龙，开发新型灭火剂已成为大势所趋。
　　哈龙替代技术发展的一个方面是用已有的其他灭火系统替代哈龙灭火系统，如采用二氧化碳、水喷雾、泡沫、干粉、易安龙(气溶胶)灭火系统等。这些灭火系统有的存在技术陷,尚未形成正式的技术规范和市场；有的尽管较为成熟，但难以解决灭火剂的污染问题，只能在那些“非必要场所”替代哈龙灭火系统，如传统灭火剂二氧化碳，虽然其应用历史较长,且技术已经规范化，但其最低设计浓度高于对人体的致死浓度，故在保护经常有人的场所时须慎重采用。
　　另一个发展方向是开发不污染被保护对象、不破坏大气臭氧层、温室效应小、对人体无害的灭火剂，即“洁净气体”灭火剂和相应的灭火系统，这是当前发展的主流。
目前，国际标准化组织推荐的第一代用于替代哈龙的洁净气体灭火剂共有14种，包括七氟丙烷(HFC—227ea)。其中以含一个氢原子的氟代烷(HFC)的综合性能较为理想，具有一定的开发价值，但目前的开发水平尚未达到“全代用”哈龙灭火剂的要求，其性能尚有不足之处，只能成为卤代烷的过渡性替代物。

　　2  洁净气体灭火系统

　　从应用方式讲，目前洁净气体灭火系统仅开发了适用于有限封闭空间的全淹没系统；按系统的组成来讲，目前有预制灭火系统和管网灭火系统。管网灭火系统可以是单元独立系统，也可以是组合分配系统，其工作原理与卤代烷灭火系统及二氧化碳灭火系统类似。
　　目前只有七氟丙烷及IG541系统在国内少数重点工程中有所应用，并有多个生产厂商具备小批量生产能力，其他系统尚无应用实例。
　　 2.1  系统选择的原则
　　①  ODP值最小原则，即对臭氧层的耗损最小。
　　②  C值最小原则，即灭火浓度小，灭火剂用量少。
　　③  GWP值最小原则，即温室效应小。
　　④  ALT值最小原则，即在大气中存留期短，潜在危险小。
　　⑤  NOAEL值最大原则，即毒性低。
　　五个原则具体执行时应综合考虑，统筹兼顾，结合具体条件决定。
　　2.2  系统的设计思路
　　洁净气体灭火系统的设计思路与卤代烷灭火系统颇为类似，可归纳为：设计灭火用量(M)→管道流量(Q)→管道内径(D)→管道规格→管道计算长度(L)→中期容器压力(P_m)→管道节点压力(P_j)→喷头等效孔口面积(F)→喷头规格→灭火剂储存量(M_c)→储瓶数量(N_p)。
　　系统管网计算的关键在于准确地计算出管道内各点的压力，从而合理选择灭火剂的贮存压力、灭火剂的充装密度、各管段的管径和各个喷嘴的孔口面积。管网阻力计算的“最终”结果是在保证灭火剂喷射时间及满足喷头最低入口压力前提下，尽可能选择较小的贮存压力、较大的充装密度、较小的管径，以降低工程造价。
　　2.3  七氟丙烷灭火系统
　　七氟丙烷(HFC—227ea)常温下呈气态，无色、无嗅、不导电、无腐蚀、无环保限制、大气存留期较短、可液化贮存(贮存年限为30年)。其灭火机理与卤代烷相同，为中断燃烧的链式反应，通过灭火剂对燃烧反应的化学抑制作用，即负催化作用而迅速灭火；其特点是沸点低、气化快、分布均匀、灭火速度快，这对抢救贵重物品及精密电子设备是有利的。HFC227在电子设备房设计灭火浓度为8%，低于其NOVEL浓度9%，对人体安全。其性能特点近似于卤代烷1301，在有人场所比1301更安全，是第一代哈龙替代物中综合性能最好且应用条件最成熟的灭火系统，是当前首选的哈龙替代品。它的不足之处是不能灭固体深位火灾。
　　2.4  工程应用实例
　　山东东营胜利明珠电视塔地下发射机房及变配电室(包括UPS电源)的基本情况如下：
发射机房：面积190 m²，容积926 m³。
变配电室：面积136 m²，容积659 m³。
该工程设计于1997年，原设计采用1301全淹没组合分配系统，1999年底设备安装阶段建设单位提出改用其他永久性替换系统，以满足设计使用年限内不被淘汰。
　　2.4.1  系统选择
　　在选择灭火剂时，考虑到设备的重要性及使用年限、原有贮瓶站的面积及改造条件，决定采用国产灭火剂HFC227、IG541和CO₂其中的一种，方案比较见表1。

　　由以上分析可知，IG541系统造价高且瓶组过多占地大，对于该工程地下室狭窄空间难以扩容的瓶站来说是难以接受的；另外发射机房是经常有人的场所，采用灭火浓度高于对人体致死浓度的CO₂系统显然也是不适宜的；相对而言，HFC227系统从灭火效能、占地面积等各方面情况均接近于1301系统，仅在药剂价格上稍高一些，但总投资还是可以让人接受的，最终入选。
　　2.4.2  系统设计的理论依据
　　系统的设计目前只能按《七氟丙烷(HFC—227ea)洁净气体灭火系统设计规范》(建议草案)(以后简称规范)及《气体灭火系统施工及验收规范》进行。
HFC227灭火系统在释放灭火剂短暂过程中的流体计算是比较复杂的。由于其流动状态为非稳定流又是气液二相流，造成了管道中压力降的非线性变化，管网内任一点的压力、流量和密度均随时间而变化，管网内各管段任一点压力的确定均是多变量参数的求解，这些参数的求解是依赖于一组超静定方程式，必须先假定一些参数才能求出其他参数。
　　2.4.3  系统的组成与工作原理 
　　灭火系统由储存装置(灭火剂贮瓶、容器阀、单向阀、集流管等)、管道系统(送气管路、选择阀、喷头等)、增压系统(氮气贮瓶、瓶头阀、氮气管路等)、自控系统(灭火控制盘、手动控制盒、自动报警系统)四部分组成。
系统设自动控制、手动控制和机械应急操作三种启动方式。
　　2.4.4  系统的设计计算
　　计算过程的控制及设计参数的选定需要一定的经验和技巧，现介绍如下：
　　①  关于贮存压力。规范只给定二级贮存压力(2.5±0.125) MPa和(4.2±0.125) MPa。选择贮存压力主要从经济合理性考虑，在防护区面积较小、系统管路较短时，可选用2.5 MPa贮存压力，以降低工程造价；在防护区面积较大、系统管道较长(干管长度超过20 m)时，选用2.5 MPa贮存压力难以保证要求的灭火剂喷射时间，或灭火剂充装密度太小时，应选用4.2 MPa压力以允许管道有较大压力降，满足设计限定条件。对待具体工程，应通过计算比较未确定贮存压力。
　　②  关于充装密度。充装密度系指贮存容器内灭火剂质量与容器容积之比。一般来讲，贮存压力等级高而整个管网容积较小、管道较短，可采用较大充装密度；反之则应采用较小的充装密度。具体设计时，笔者认为，初选充装密度宜选用较小值，组合分配系统初选充装密度为800 kg/m3时，计算结果较易达到要求，而单元独立系统初选值可控制在1 000 kg/m3。
　　③  关于管网内灭火剂的百分比。管网内灭火剂百分比是用来表示管网的容积对中期容器压力影响大小的一个参数，在确定贮存压力等级和灭火剂充装密度时必须考虑管网内灭火剂百分比的影响。管网内灭火剂的百分比大时，应选用较小的充装密度和较高的贮存压力。
　　④  关于管网布置。应尽量将管网均衡布置，以简化管网流体计算，提高灭火剂在防护区的均布程度，另外还可减少管网剩余量以节省投资。
为了较准确地控制流量分配，避免灭火剂的密度在各分流支管中产生较大差异，影响计算精度，应按规范对三通管件分流条件的限制和要求合理配管。

　　3  问题探讨

　　本文仅从设计的角度对实施该规范时，在具体设计操作中所遇到的问题进行讨论。
　　①  计算过程过于繁琐。由于该物质呈气液两相流，均衡管网可采用解析法，按照规范给出的方法经多次迭代人工计算得出结果；非均衡管网的实际应用计算目前只能采用生产厂商提供的软件在计算机上进行。计算所耗时间与计算的成果不成正比，因而迫切要求正式规范出台时能使计算方法简化，实实在在地给设计减少工作压力。
　　②  关于均衡管网的定义不明确。规范第4.2.3条中的“均衡管网”从文字上可以浅义理解为“系统从气源至各个喷头(气液分界点)的长度相等时管网为均衡管网，可不计算管网剩余用量”；而规范第5.1.5条中定义的“均衡管网”可以浅义理解为“在管网上，从第一分流点至各喷头的管网阻力损失，其相互间最大差值≯20%时为均衡管网，而与管道实际长度无关”。这二条规范在用词上似有不妥之处，希望能统一说法。
　　③  关于喷头安装的规定有待商榷。由于七氟丙烷气体蒸气压低，密度比空气小，喷射不久气体就会上浮，因而气体喷射方向应是喷向下部空间保护物的。规范第6.2.3条规定“喷头宜贴近防护区顶面安装，距顶面最大距离应≯0.5 m”。而很多防护区不设吊顶，且梁高均＞0.5 m，势必造成管道走梁下喷头上返安装的情况，并非直接喷向下部保护空间，因而此条规定是否必要，值得推敲。另外，规范6.2.3条对喷头的平面布置给出的原则是“当防护区高度h＜1.5m时，喷头的保护半径应≯3.5 m；当防护区高度h≥1.5 m时，喷头的保护半径应≯5 m”。通常，气体灭火系统一般尽量布成均衡系统或接近于均衡系统，因而喷头布置较为规则，基本为正方形或长方形布置；如果能给出喷头的最大布置间距及距墙柱的最小距离，则在设计操作时应比单纯给定保护半径更直接，更方便。
　　④  关于瓶站排风系统的规定。规范第8.0.6条“地下贮瓶间应设机械排风装置，排风口应设在下部直通室外”。贮瓶间是灭火的心脏部位，平时应是关闭的，只有专业人员方可进入，可以认为规定此条的目的在于防止泄漏气体浓度上升，对人员产生危害。但是，排风口设于下部时显然不利于排除对空气相对密度小的七氟丙烷气体。

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　　收稿日期：2000-05-22