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备压式七氟丙烷灭火系统的设计计算方法


2008年第lO期

消防技术与产品信息



?消防技术?

备压式七氟丙烷灭火系统的设计计算方法
王煜彤
(天津市兆龙软件开发有限公司,天津300384)
摘要:阐述了备压式七氟丙烷灭火系统的设计方法和特点,以及核心技术氮气加压系统的设计计算方法,并通过实例进 行计算说明。 关键词:备压式;七氟丙烷灭火系统;设计计算

随着国际和我国对环保要求的日益强烈,除了严 格禁止卤代烷灭火剂的使用外。对二氧化碳灭火系统 的使用也将受到约束。因此,洁净气体灭火系统的使 用会日益广泛。目前,我国使用最为普遍的洁净气体 灭火系统是七氟丙烷和IG-541两类灭火系统。这两 类灭火剂性能的比较见下表1。
衰1两类灭火剂性能比较
灭火剂性能
ODP

剂的蒸气压力低,喷放过程中灭火剂基本上仍维持液 态,推动灭火剂流动的压力完全靠预先充入七氟丙烷 灭火剂储瓶中的高压氮气推动。由于充入储存容器中 的高压氮气量有限,开始喷放后随着储存容器中氮气 体积的膨胀,压力迅速降低,七氟丙烷灭火剂因动力不 足输送距离相当短。要想提高输送距离,只能靠减小 灭火剂的充装量来增加氮气的充装量,但这样做又会

七氟丙烷
O 2 050

IG一54l O

使储存容器数量增加。为了解决这一问题,我国在洁 净气体灭火系统设计规范中将充装压力增加了一级,
即5.6 MPa。即使如此,“储压式七氟丙烷灭火系统”的

GWP ALT(年) NOAEL(%) LI)AEL(%) LC50(%)

0 O 43

31—42 9

输送距离仍受到很大限制。 为解决这一问题,近年来国外开发了“备压式七氟 丙烷灭火系统”。这种系统与“储压式七氟丙烷灭火系 统”的主要区别在于前者不是将氮气预先充入七氟丙

10.5 >80

52

储存压力(MPa) 最小设计浓度(%) 灭火剂储存状态


2.514.2/5.6 7

15/20

烷储瓶中而是将氮气另存在专用氮气储瓶内。喷放时 氮气以比较恒定的压力连续注入七氟丙烷储瓶内,用 以推动七氟丙烷灭火剂的流动。由于备压式系统可持 续维持一定推动压力而不是随着喷放过程压力逐渐降 低,所以能大大提高其输送距离。 备压式七氟丙烷灭火系统的工作原理相当简单, 对我国来说硬件生产也不存在任何困难,但是这一系 统的推广却并不容易。其核心问题在于国外一直没有 公开氦气充压系统的设计计算方法;我国规范中也没 有给出备压式七氟丙烷灭火系统的设计方法,因此,此 类工程(如国家博物馆)基本上被国外公司所垄断。 为了突破这一瓶颈,我们必须自主创新研究备压 式七氟丙烷灭火系统的设计方法,特别是氮气的存储 和供给系统的设计计算方法。 1

37.5

液态 化学
短 较高

气态 物理


灭火方式

输送距离 系统总成本



注:ODP_一破坏具氧层的潜能值;Cw卜温度效应的潜能值;AI卜一在大

气中的存活寿命;NOAE卜无毒性反应的最大高浓度;LOAE卜有毒性
反应的最低浓度;Ic5卜近似致命浓度。
国外使用的情况大致上是美国使用比较经济的七 氟丙烷灭火系统较多,而西欧各国则比较喜欢使用更 加环保的113.541灭火系统。 目前我国使用七氟丙烷灭火系统较多。主要也是 考虑经济因素。但近年来使用113.541灭火系统的趋 势正在加大,其重要原因之一是因为七氟丙烷灭火系 统的输送距离较小。防护区面积和容积较大时,即使 充装压力为4.2 MPa。其最大输送距离也难以达到
40

备压式七氟丙烷灭火系统的设计方
法和特点
(1)备压式七氟丙烷灭火系统的设计浓度、管网布

m。造成这一问题的主要原因在于:七氟丙烷灭火

万方数据



王煜彤:备压式七氟丙烷灭火系统的设计计算方法

2008年第10期

置、设计用量、灭火剂储存量及管网计算方法与储压式 七氟丙烷灭火系统完全相同,可根据GB
50370.2005



氮气加压系统的设计计算方法
目前备压式七氟丙烷灭火系统设计的难点及核心

《气体灭火系统设计规范》或美国NFPA 2001(Clean
Agent Extinguishing

Systems)的规定执行。

技术在于氮气加压系统的设计计算方法。主要包括: 氮气瓶充装压力、密度;七氟丙烷储瓶中氮气的增压压 力及其控制方法;需要注入七氟丙烷储瓶中及输出管 道的氮气总量;七氟丙烷喷放结束时氮气瓶中的剩余 压力;氮气总需求量以及氮气输送集流管管径和孔板 直径的确定等等。这些技术实际上也被国外某些大公 司以保护知识产权为理由所垄断,从而造成我国生产 企业难以快速、独立发展备压式七氟丙烷灭火系统的 关键。 我公司是专业从事消防工程设计软件研发的企 业,并且是我国洁净气体灭火系统设计计算方法方面 的研究中心。通过多年努力在洁净气体灭火系统设计 方面取得了许多重大研究成果。通过对储压式和备压 式七氟丙烷灭火系统的独立研究,我们已成功地解决 了备压式七氟丙烷灭火系统,包括氮气加压系统的设 计计算方法。下面通过一个工程实例,用我们创新开 发的计算方法和软件与美国某公司对同一备压式七氟 丙烷灭火系统进行设计计算进行对比来说明它的可靠 性和可行性。 首都博物馆新馆总建筑面积63
36.4 390

(2)因为备压式七氟丙烷灭火系统的灭火剂储瓶 中无须充装增压氮气,所以七氟丙烷在储瓶内的充装 密度最高可达l 大充装密度1 的数量。 (3)因常温下七氟丙烷的蒸气压约为0.3 MPa,所 以备压式七氟丙烷灭火系统灭火剂储瓶中的压力应略 高于0.3 MPa以防止药剂在储瓶中汽化。 (4)开始喷放后,氮气从外设的氮气瓶通过专用管 道经孔板减压后注入灭火剂储存容器中,其压力范围 可用孔板孔径调整控制在2。2.7 MPa范围内。因孔 板后压力不仅与孔板孔径有关而且与孔板前压力有 关,所以选定的孔板后的压力在喷放过程中约有0.2.
0.3 248

ks/m3,明显高于储压式系统的最

120

kg/m3,因而可节省灭火剂储存容器

MPa左右的变化。 (5)由于备压式七氟丙烷灭火系统氮气通过孔板

后的增压压力基本上是恒定的,所以七氟丙烷的输送 距离可明显增加,甚至可达到150 m以上。此外,备压 式系统的初始计算压力应按氮气的增压压力计算。由 于这一起点计算压力是恒定的,所以管网压力损失的 计算方法与储压式系统相同,但无需计算中期压力,因 此计算要比储压式系统简单。备压式系统设计的难点 主要在于氮气加压系统的设计和计算。 (6)国外对七氟丙烷灭火系统喷头最低工作压力 的要求是O.49 MPa,这一点与我国规范规定的0.6—
0.8

m2建筑高度

m,地上5层,地下2层。工程性质为现代化大型

综合性博物馆,馆内珍藏我国五千年历史的重要文物。 藏品库是全馆的核心,特别是珍品文物、精品字画、文 房四宝、竹木漆器等都需要气体灭火系统加以保护。 地下文物库共有29个,总面积近l万m2,且要求储瓶 间必须设置在文物库区的安全通道之外,输送距离最
长达150 in,无法采用储压式七氟丙烷灭火系统。后经

MPa有较大差别。此外,国外标准中都没有给出储

压式七氟丙烷灭火系统中期压力的计算方法,按照我 国规范对储压式七氟丙烷灭火系统中期压力的计算方 法计算得到的中期压力与国外设计计算方法并不相 同,所以喷头压力的计算结果也不会相同。 (7)由于储压式七氟丙烷灭火系统中高压氮气直 接充入灭火剂储存容器内,部分氮气会溶于液态七氟 丙烷中,喷放时在流经垂直三通时易于因气液两相比 重不同产生的相分离造成流量误差。所以储压式七氟 丙烷灭火系统不允许使用垂直分流三通。但由于备压 式七氟丙烷灭火系统不是将氮气预先充入灭火剂储瓶 中,所以喷放过程中液态灭火剂中溶入的氮气极少,基 本上不存在相分离问题,因而国外允许在备压式系统 中使用三通垂直分流。其中大三通的不平衡分流量允 许达到15%一85%,远高于储压式系统的30%一70% 的规定。

投标竞争,美国一家公司所设计的备压式七氟丙烷灭 火系统中标,并提供了设计计算书…。下面,我们根据 美国NFPA 2001标准对同一工程进行了对比性设计 计算。
2.1原始数据

(1)防护区长×宽×高:18.3 容积768.6 m3。 (2)防护区温度:20℃。 (3)设计浓度:7%。 (4)海拔高度:0
In。

m×10 m×4.2 nl;总

(5)选用的七氟丙烷储瓶容积245 L;充装率:
1.240 kg/Lo

(6)喷头数:4个。 (7)喷放时间:10
s。

万方数据

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(8)氮气瓶容积:70L;充装压力:12.4 作压力:2.12

MPa。

(3)七氟丙烷的总储量:M=2×303.8=607.6

kg。

(9)氮气增压工作压力:2.06.2.17 MPa;平均工
MPa。

原设计中未考虑储瓶剩余量。并认为灭火剂在10 s内 全部喷出。在这一条件下的“实际喷射浓度”为:CI- SM/[V(1+SW/V)]=9.77%(未考虑储瓶剩余量是不 正确的。若考虑剩余量则实际喷射浓度应小于9.77%, 为了进行对比我们的计算中选取了与外国公司相同的 设计浓度)。该系统的计算简图如图l所示。

2.2七氟丙烷管网计算 (1)设计用量:根据美国NFPA 2001标准计算, W=VC/[S(100一C)]

式中:形——灭火设计用量,kg;

卜一总容积,m3;
C——设计浓度,%; S——灭火剂过热蒸气压101 kPa大气压和防护
区最低环境温度下的质量体积,m3/kg。 由下式计算:S=0.126
0.136 9 kg/ms。 9+0.000 5
I=

计算得:形=768.6×7/[0.136 9×(100—7)]=
422.58 kg。

图1系统计算简图

(4)沿程损失:NFPA 2001标准中和外国公司的计 算书中均未给出沿程损失的计算方法和计算公式。根 据我国气体灭火系统设计规范给定的公式进行计算的 结果如表2所示。
衷2灭火系统沿程损失

(2)七氟丙烷储瓶数:245 L储瓶,充装率为
1.240

kg/L时的储药量为245×1.24=303.8 kg,所以需

要的储瓶数为N=2。
管段号
l一2 3 4—7 8一lO lI

节点1
0 2 3 7 10 ll ll 10 16 16

节点2
2 3 7 1l ll ll 15 16 18 20

流量(kg,s)
304 608 608 608 304 152 152 404 152 152

计算管长(m)
29.72 25.43 49.59 125.02 8.78 7.56 7.56 8.78 7.56 7.56

管径(m)
80 100 80 65 65 50 50 65 50 50

上游节点压力(MPa)
2.12 2.015 81

下游节点压力(MPa)
2.015 81

1.932 25 1.254 78 0.558 99 O.S46 77

1.932 25 1.254 78 0.558 99

12一(I) 14一(2)
16

0.546 77 0.546 77 0.558 99 0.546 77 0.546 77

0.495 9 0.495 9 0.558 99 0.495 9 0.495 9

17一(3) 19一(4)

原设计计算书中仅给出了喷头流量和压力的计算 结果:N,一N4四个喷头的流量均是152 k|;,s;喷头压力 均是0.510


衰3计算结果对比
外国公司的 计算结果 兆龙软件公司 的计算结果
4 O.26 50.5l

MPa。其计算结果与我们的计算结果相
8 MPa,相

氮气瓶数量(个) 氮气总需求量(i113) 氮气孔板孔径(mm)

4 0.28 50.58

比,在流量相同的条件下喷头压差为:0.014

对差为2.9%。说明我国规范中沿程损失的计算方法 与国外软件的计算方法基本一致,差别不大。 2.3氮气增压系统的设计计算 已知条件是:N:气瓶容积为70 L;充装压力:
12.4

经证明了我们所提出的计算方法的可靠性。我公司愿 与硬件生产企业合作共同推进我国备压式七氟丙烷灭 火系统的快速发展。 参考文献:
[1]郭汝艳.首都博物馆新馆气体消防系统设计[M].2006消 防技术便览.中共中央党校出版社出版,184.189.
收稿日期:2008.05.12;修回日期:2008.08—26

MPa;氦气增压工作压力:2.06—2.17 MPa;平均

工作压力:2.12 MPa。两种计算方法的主要计算结果 的对比如表3。 参考文献中并未给出详细计算过程,仅提供了这 三项计算结果,为了便于比较,笔者也仅仅列出了相应 的计算结果,而略去了计算过程。 通过以此项工程为代表的多项工程的对比计算已

作者地址:天津市新技术产业园区(环外)海泰绿色产业基地
K2.2.60l

电话:(022)85689418

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