IG-541灭火系统规范中存在的一些问题.doc

IG-541灭火系统的计算方法问题王致新、王煜彤 （天津市兆龙软件开发有限公司 天津市 300384）摘要：对IG-541灭火系统的起点计算压力、减压孔板的孔径以及孔板厚后管段下游节点压力等计算方法进行了研究和探讨关键词：IG-541灭火系统；起点计算压力；减压孔板；孔板后管段下游节点压力洁净气体灭火系统的设计计算方法是当前国际消防工程设计领域的前沿技术。国外一些企业投入大量人力物力进行这方面的研究，并将研究结果作为知识产权加以保护。外国的有关标准、规范甚至国际标准中都不给出洁净气体灭火系统管网的设计计算方法和计算公式。但是，国外对洁净气体灭火系统的硬件产品进行检测和认定时却特别要求必须有该系统的设计计算软件，否则不予受理1。此外，国外工程招标时，没有管网计算书也根本无法投标。其原因主要在于：进入21世纪后环境问题已成为国际上最重要的问题之一。随着卤代烷灭火系统被禁用和近年来世界经济的复苏及快速发展，洁净气体灭火系统的出现和发展具有极大的国际市场和商业利益。在巨大的市场利益驱动下，洁净气体灭火系统垄断和反垄断的斗争日趋激烈。国外以没有系统设计软件的硬件产品无法确保系统工作的可靠性为理由从国家政策上支持一些有实力的大型企业在开发系统产品硬件的同时结合本企业产品研究计算方法和根据研究结果开发系统设计计算的专用软件。因此，国外洁净气体灭火系统事实上已被少数企业所垄断。IG-541灭火系统的设计计算虽然具有较大的技术难度，但具有更大的经济效益，所以国外个别企业利用其技术优势长期垄断包括我国在内的国际市场。例如：上海市的10条地铁中，所有IG-541灭火系统都被某一家外国公司所垄断。他们垄断市场的法宝就是计算方法和使用这一方法进行设计计算的专用计算软件。由于国外标准中不再给出管网的设计计算方法，所以我国洁净气体灭火系统设计规范的制定也受到很大制约。但是，我国经济发展的强烈需求迫切要求编制洁净气体灭火系统的国家规范。在这种形势下2006年3 月2日，我国发布了GB 50370 2005气体灭火系统设计规范，并于2006年5月1日开始实施。由于缺乏国外相关资料和深入的独立研究，这一规范实施后，在实际设计工作中逐渐发现了一些问题，特别是对设计计算方法可靠性的质疑。本文将我们工作中发现的，以及通过调查所了解到的一些问题加以说明，并对些问题产生的原因进行分析和研究。1、 IG-541灭火系统起点计算压力的确定方法问题IG-541等各种惰性气体灭火系统灭火剂在容器内是高压气态存储，可认为这类灭火剂在存储、膨胀和流动过程中都是理想气体。由于喷放时在储存容器中的膨胀过程无功耗且在很短的喷放时间内通过容器壁与外界的换热几乎为零，所以是典型的绝热过程。这类气体灭火剂开始喷放后在储瓶中的膨胀过程因有气体灭火剂的流出所以属于热力学中的“开口系统”。各国IG-541灭火系统设计标准中都规定：IG-541灭火剂的喷放时间是喷放至设计用量的95%时所用的时间。因此，IG-541灭火系统的起点计算压力若按“中期压力”计算应该是喷放灭火剂设计用量95%的一半（即47.5%）时储存容器内的压力。但是，我国气体灭火系统设计规范中IG-541灭火系统的起点计算压力采用的是“孔板前压力”。国家规范中IG-541灭火系统 “孔板前压力” 的计算公式为： Pm = P0 0.525V0/ (V0+ V1+ 0.4V2) 1.45 -(1)从公式的形式看，它也是“中期压力”的概念，很像是灭火剂喷放设计用量47.5%时的“中期压力”与存储压力之间的绝热膨胀关系。(1)式中的系数0.525是喷放灭火剂存储量95%的一半时储存容器内的体积，分母是包含储存容器内和孔板前管道内的容积再加上孔板后管道容积的40%。这40%是考虑到孔板后压力降低，气体体积膨胀的估算值。可是，分子用0.525V0表征喷放前容器内的容积显然是错误的。另一方面，(1)式并不是严格定义的管网计算中的起点计算压力。因为对于单相气体灭火系统，起点计算压力应该是储存容器内的压力，并非孔板前压力。因为容器出口到孔板前还有瓶头阀、软管以及具有一定长度的集流管等。对于不同系统，孔板前管道容积均不相同。即使孔板前管道容积相同，由于管长、管径不同，不同生产厂同规格管接件的当量管长不同，这些管件的压力损失也不相同。此外，分母中V1并未加任何系数，这就表明该公式默认孔板前压力与储存容器内的压力相同，这显然是不正确的。因为喷放过程中气体通过瓶头阀和软管后的压力损失是不可忽略的。因此，即使孔板前管道容积相同的管网采用同一的孔板前压力作为起点计算压力也是不妥当的。2、 孔板孔径的确定方法气体灭火系统设计规范中对IG-541灭火系统规定：减压孔板后的压力应按下式计算： P2 = P1 -(2)P1 及P2 - 减压孔板前、后的压力 - 落压比（IG-541气体的临界落压比 = 0.52）。一级充压（15Mpa）的系统，可在 = 0.520.60中选用；二级充压（20Mpa）的系统，可在 = 0.520.55中选用。 国家规范中对IG-541灭火系统还规定：减压孔口面积按下式计算： Fi = Qk/0.95kP1(1.38 - 1.69) 0.5 -（3）Qk - 减压孔板设计流量k - 减压孔板流量系数根据（2）和（3）式即可从要求的落压比计算出减压孔板的孔径。首先来看这一公式在实用中碰到的问题：根据方程（3），如果其它条件不变，仅考虑落压比的影响。规范规定落压比的最大变化范围是0.520.60。因此，(1.38 - 1.69) 0.5所对应的最大变化范围是：0.2728 0.2690，二者之间的差不到1.4%。由于孔口直径与面积的平方根成正比，所以对孔口直径的影响就更小。因此在规定的可用落压比范围内，孔板孔径的变化范围很小。这种孔径变化很小却可调整出落压达15%左右的计算结果，这一结果和一般概念以及实际情况之间的差别相当大。许多设计师在实际设计中都对这一问题感到难以置信，并提出了对此计算公式可靠性的质疑。造成这一情况的根本原因在于使用（3）式计算减压孔板面积和孔径的方法可能有误。气体灭火系统设计规范规范编制说明3.4.8-6中说（3）式的理论根据是“亚临界压差流量计算公式”。可是，从基础理论上说，“亚临界压差流量计算公式”并非针对减压孔板而是针对气流流经渐缩喷管出口所提出的公式，而且其前提条件是气体在喷管出口处的流动状态是定熵流动2 。实际上，理想气体流经减压孔板的过程并不是“喷管的可逆绝热膨胀过程（定熵流动过程）”，而是“孔板的绝热节流过程”。绝热节流过程不是可逆的定熵流动过程，而是不可逆的熵增过程。其不可逆熵增产生的根源是孔板收缩口附近强烈扰动所造成的不平衡，以及漩涡、扰流 引起的耗散效应。从宏观上看，压降是熵增产生的直接原因，且压降越大，熵增越大2。这就是说：规范可能是由于忽视了公式的针对性，所以导致了使用（3）式产生的问题。这一问题的严重性在于：错误计算孔板面积和孔径会导致孔板后压力较大的计算误差。如果实际压力远大于计算压力，但根据计算压力选用了薄壁管，就可能引起喷放过程中管道破裂；反之，如果实际压力远小于计算压力，则会导致喷头压力过低，无法控火、灭火。 3、 孔板后下游节点压力的计算方法 气体灭火系统设计规范中对孔板后管段的压力损失计算方法未加以特别说明，这就是说它和一般管段的计算方法完全相同。实际上，气体刚刚通过孔板时流速大大提高，静压降低的同时动压增加。但是，孔板后管段的管径比孔板的孔口大，气体在管段中流动时流速比通过孔板时小，一部分动压又将转变为静压。由于气体灭火系统的流速大，且在孔板处和孔板后管段内的流速变化也相当大，这一动、静压相互转变的过程绝对不应忽略不计。所以孔板后管段的压力损失计算方法应不同于一般管段。若不考虑这一因素，常会导致孔板后管段下游节点压力的计算结果和试验结果之间的重大差别。4、 一般管段沿程损失的计算方法 气体灭火系统设计规范中规定的IG-541灭火系统沿程损失计算方法所沿用的思路仍是20世纪50年代初美国Henson 博士提出、后来被美国NFPA 12 二氧化碳灭火系统设计标准一直沿用至今的计算方法。这种计算方法的致命弱点是复杂、繁琐、容易产生错误。模仿这一方法制定的IG-541灭火系统沿程损失计算方法的理论依据是否坚实可靠？计算结果是否与实验结果相符？这种传统计算方法的思路是否可以从根本上加以改进？5、 爆震问题 IG-541灭火系统管网中灭火剂在管道中随着压力下降流速增大。如果在细长管道或孔板后较长的汇流管中流速超过当地音速就会引发“爆震”造成管道破坏。ANSUL公司在设计说明中专门给出了对应于不同管径和两种给定流量时的最大允许管长，但并未说明其原因。我国气体灭火系统设计规范中未涉及IG-541灭火系统管道的最大允许管长问题。但从确保系统安全出发，爆震是否可能发生和如何预防的问题应当加以考虑。 结论本文对在贯彻执行我国气体灭火系统设计规范中发现的一些有关IG-541灭火系统设计计算方法问题进行了分析，并找出了一些原因。上述五方面的原因是造成我国IG-541灭火系统计算方法可靠性问题的主要因素。这些问题必须尽快加以解决。天津市兆龙软件开发有限公司是我国专业从事消防工程设计软件研发的基地，其国际首创的著名产品消防工程CAD得到我国众多设计院、工程公司、生产企业和一些著名国外企业及合资企业的广泛使用，并在国内外工程设计中取得了巨大经济效益。此外，独创开发、具有干冰冻结和爆震预警功能的低压CO2灭火系统设计软件也已进入市场并成功地应用于实际工程设计中。最近，通过多年努力，在IG-541灭火系统的基础理论上实现了重大突破，成功地解决了上述这些问题并打破国际垄断创新开发了全新的IG-541灭火系统设计软件。这一软件通过对比验证获得成功并已取得自主知识产权。希望我国独立创新研发的这一重大新成果能尽快得到有关方面认证，以便为我国IG-541灭火系统的发展做出应有贡献。 参考文献 1 The Loss Prevention Certification Board: “L