七氟丙烷气体灭火系统设计探讨

2007年中国科协年会投稿论文大空间防护区七氟丙烷灭火系统设计探讨张正敏 王琴 戴昱 荆显新 谭骏 商德民摘 要：对大空间防护区内七氟丙烷灭火系统的设计进行分析，提出了七氟丙烷灭火系统在大空间防护区的工程应用设计上应采取的一些措施，为七氟丙烷灭火系统在大空间防护区内的应用提供设计参考。关键词：七氟丙烷 大空间 防护区 管网2001年8月1日公安部发布了公消2001217号关于进一步加强哈龙替代品及其技术管理的通知，通知中FM200（七氟丙烷）气体自动灭火系统作为第一推荐使用产品，用于保护有人的场所，来扑灭A、B、C类以及电器火灾。FM200作为一种新型的替代卤代烷的洁净气体灭火剂，在我国由于其使用时间不长，设计施工的国家规范不是很全面，2006年5月实施的气体灭火系统设计规范（GB50370-2005）对其设计做了规定。在此之前实际工程中FM200的设计依据七氟丙烷洁净气体灭火系统设计及使用暂行规定、气体灭火系统施工及验收规范）（GB5026397）、生产厂家提供的FM200系统的各种技术数据及材料，设计中主要是参考广东省工程建设地方标准七氟丙烷（HFC227ea）洁净气体灭火系统设计规范（DBJ15-23-1999）、上海地方规程七氟丙烷（HFC227ea）洁净气体灭火系统技术规程）（DG/TJ08307-2002）及卤代烷1301灭火系统设计规范。现行的气体灭火系统设计规范（GB50370-2005）中规定：“当采用管网灭火系统时，一个防护区的面积不宜大于800m2，且容积不宜大于3600m3 ”，而在某些需要设置七氟丙烷气体灭火系统的防护区，由于建筑使用功能的特殊要求，面积或体积超出了规范对防护区的限定值，其建筑使用功能又无法将防护区分隔成几个防护区。因此，在设计中能否采取一些技术手段实现其应用，既保证防护区的消防安全，又不影响建筑的使用功能，是设计人员需要探讨的一个问题。1、 工程实例在一个铁路系统调度中心的七氟丙烷气体灭火系统设计方案中，有二个相同大小的防护区,分别位于0.00m层和8.00m层的同轴位上，每个区面、容积均超出规范；根据其使用功能要求，防护区已不可能再缩小。1.1 防护区的基本情况防护区的尺寸 防护区的净面积 F=982.15m2、防护区的层高H=8.0m，其中吊顶层1.5m 空间层6.0m 地板层0.5m；防护区总体积 V总 = FH = 7857.20m3 ，其中吊顶体积 V吊=FH1 = 1473.23 m3 、空间体积 V空=FH2 = 5892.90m3 、地板体积 V地=FH3 = 491.08m3 。防护区主要保护对象为计算机、通讯及电子监控设备；灭火药剂设计浓度 8%；喷放时间 8s；浸渍时间 3min。防护区围护结构及门窗的耐火耐压等级、开口的设计均满足气体灭火系统对防护区的要求和人员安全疏散要求。1.2 管道系统情况维持防护区不变，对两个防护区采用组合分配系统，每个防护区内吊顶、空间、地板三个封闭空间采用各自独立系统；空间层由于防护范围较大，分四路管道两个独立系统进行保护，空间层管道为不均衡管网布置，管道均采用镀锌无缝钢管。防护区管道示意图如下页：灭火剂设计用量计算式中 W防护区七氟丙烷灭火设计用量，kg； K海拔高度修正系数， K=1； V防护区的净容积，m3；C七氟丙烷灭火设计浓度，%；S七氟丙烷过热蒸气在101kPa和防护区最低环境温度下的比容，m3/kg。防护区最低环境温度T=20，则S0.1269+0.000513T=0.137161.3 七氟丙烷的药剂容积和管网管道内容积通过对防护区管道系统布置进行计算并校核，空间层选用Vb=120L钢瓶44只，吊顶层选用Vb=120L钢瓶12只，地板层选用Vb=120L钢瓶4只，储瓶额定增压压力Po4.2MPa。每个独立系统的管道内容积为：空间层的管道内容积：2Vp空3.496(m3) ； 吊顶层的管道内容积： Vp吊1.017(m3) ； 地板层的管道内容积： Vp地0.2896(m3) ；10储瓶内药剂容积为： 1.4 管道压力校核计算由于该防护区的空间层管道为非均衡管网，各长支管末段的管道内容积之和：吊顶层和地板层为独立的均衡管网。系统中设计用量：W1空储瓶内剩余量，其中为七氟丙烷蒸气20密度，取31.18kg/m3；为七氟丙烷储瓶数量，个；为单个贮瓶的容积，m3；W2空管网内剩余量，储瓶内七氟丙烷药剂总量为： 空间层防护区的灭火系统，是由同一信号源控制的两个相对独立的系统，因此只计算一个系统，1.4.1 充装率计算 1.4.2 每组储瓶气相总容积1.4.3 “过程中点”容器内压力1.5.4 管道阻力损失计算管道的阻力损失按下式计算：式中 计算管段阻力损失，MPa； L 管段计算长度，m（计算管段的沿程实际长度与管道上的管件和阀件局部损失当量长度之和）； Qp 管道流量，kg/s； D 管道内径，mm。其计算结果见下表。 1.5.5 高程压头计算 式中H为空间层、吊顶层和地板层三层喷头高度相对“过程中点”时贮瓶液面的位差分别是9.2m、10.7m、3.2m，则空间层系统管道阻力损失计算结果管段管长（m）管径（mm）管道内径(mm)流量(kg/s)计 算长度(m)单位阻损失(MPa/m)阻力损失(MPa)备 注a-b0.5403910.61467.600.01030.0783b-c5.44150152128.4249.940.00190.0184c-d9.808150152233.49820.390.00610.1248d-e49.25125128116.74969.410.00380.2605e-f5.42510010258.37510.530.00310.03232*2段f-g2.70807929.1876.800.00290.01992*4段g-h2.713656614.5945.820.00190.01092*8段h-i1.5540397.2975.360.00740.03982*16段0.5849a-i = P吊顶层系统管道阻力损失计算结果管段管长（m）管径（mm）管道内径(mm)流量(kg/s)计 算长度(m)单位阻损失(MPa/m)阻力损失(MPa)备 注a-b0.540399.7297.600.01030.0783b-c2.54212512864.2124.3420.00110.0049c-e38.20125128116.74946.700.00380.1753e-f10.8010010258.37415.900.00310.04892段f-g5.40807929.1879.500.00290.02784段g-h7.20505019.45812.660.01430.18108段h-i1.5050509.7291.500.00360.005412段i-j2.9032334.8656.530.00790.051824段0.5734a-j= P地板层系统管道阻力损失计算结果管段管长（m）管径（mm）管道内径(mm)流量(kg/s)计 算长度(m)单位阻损失(MPa/m)阻力损失(MPa)备 注a-b0.540399.7297.600.01030.0783b-c1.447807921.4041.9470.00160.0031c-e30.285807938.91648.2950.00520.2512e-f5.10505019.4587.600.01430.10872段f-g10.8540399.72912.950.01320.17084段g-h2.7032334.8654.350.00790.03458段h-i5.62525252.4328.180.00860.07016段0.7165a-i = P1.6 喷头工作压力计算 综上所述，设计中实现了：（1） 管网的管道内容积小于贮存容器内灭火药剂容积的80%；（2） 喷头末端压力不小于0.7MPa；（3） 喷头末端压力不小于“过程中点”储存容器内的压力的一半；（4） 管网中第一分流点至各喷头的管道阻力损失，其相互差值小于20；（5） 通过单位面积流量计算确定喷口的面积使得各个喷头取相等的流量。2、 防护区的面积、容积的限定的探讨查阅相关标准、规范条文说明，对防护区的面积、容积的限定原因解释可归纳如下：（1）保证防护区内人员有足够的安全撤离时间；（2）设备投资及工程造价；（3）保证管网的管道内容积小于贮存容器内七氟丙烷药剂容积的80%；（4）缩短灭火药剂的喷放时间；（5）国产系统主要部件难以保证更大保护防护区对其的要求。对于设置七氟丙烷气体灭火系统的封闭区域，面积或容积气体灭火系统设计规范（GB50370-2005）中规定：“当采用管网灭火系统时，一个防护区的面积不宜大于800m2，且容积不宜大于3600m3 ”笔者认为应区别对待面积和体积的超标问题。七氟丙烷气体灭火系统防护区的面积限定，笔者认为只要能保证工作人员在火灾报警后30s内撤离防护区，可放宽 “一个防护区的面积不宜大于800m2”的限制。在建筑结构设计中虽然可以通过对其通道及出口合理布局以满足保证工作人员在火灾报警后30s内撤离防护区，但随着面积增加管道长度势必增加，灭火药剂从储存容器到喷头的时间过长、灭火剂管网的管道内容积增大难以通过管网计算，因而保护面积必定受到限制。七氟丙烷气体灭火系统防护区的容积，由于喷头的保护高度及保护半径在一定的范围内，客观上已经受到了限制。上海地方规程七氟丙烷（HFC227ea）洁净气体灭火系统技术规程（DG/TJ08307-2002）未对防护区的面积、容积加以限定，笔者认为有一定的合理性。3、 探讨防护区的面积、容积增大后采取的技术措施防护区面积、容积增大后，要保证灭火剂在规定的时间内喷放完毕，必须采用一定的措施，具体措施主要有：(1) 将灭火剂钢瓶分为两组，甚至三、四组，由同一信号源控制多个选择阀和多个启动钢瓶。火灾发生时，由多个管道系统将灭火剂同时输送到防护区内，能保证在规定的喷放时间内防护区内的灭火剂达到灭火浓度；(2) 采取加大系统管径、喷头数、喷口面积的办法，来保证管网系统在规定的时间内将灭火剂喷放完毕，并均匀分布到防护区域；(3) 降低七氟丙烷药剂充装率。采用第一种方法时，相当于将防护区划分为几个完全相同的小防护区进行计算，计算通过率较高；第二、第三种方法因管网管道较长，管径较大等原因，计算结果很难同时满足喷头压力PcPm/2以及管网的管道内容积小于贮存容器内药剂容积的80%的规定要求，计算通过率低，只适用于容积相对较小的防护区。具体设计中，可按以下方法进行：当防护区的面积800m2，根据目前国产大部分气体灭火剂喷头的保护高度不大于6.5m的现状，受到喷头的保护高度的限制，容积不会超标过大。此类情况下，可采用加大系统管径、喷头数、喷口面积的办法来处理。当防护区的面积800m2，设置了吊顶和静电地板，在防护区内会存在两个或两个以上封闭空间，除主体的封闭空间外，其他封闭空间多为吊顶上或静电地板下，防护区的总容积由各封闭空间的容积之和确定。每个封闭空间可设置独立的管路和喷头，对管网复杂、管道内容积较大情况，可采用双瓶组或多瓶组的方法，满足规范对喷放时间、压力等的要求。在本案中，经反复计算对比最后确定的设计方案是：维持防护区不变，对两个防护区采用组合分配系统，按一个防护区确定灭火剂用量，系统设置上对吊顶、空间、地板层分别采用独立系统，其中空间层用两组灭火剂钢瓶，由两个启动钢瓶和由一信号源控制的六个选择阀，用十二路管道将灭火剂输送到防护区内，采用合理的充装率，以保证其喷放时间（8s）满足要求，一旦发生火灾，自动报警系统报警并发出灭火指令，30s后两个电磁阀同时启动两组灭火剂钢瓶，在规定时间内防护区内的灭火剂达到浓度要求。 由于本案中保护空间大，其面积、容积均已超出规范规定，保护区域场所内人员多、情况复杂，合理设置其通道及出口，经火灾场景摸拟，30s内工作人员可完全撤离。保护区是铁路的一个重要调度指挥中心，24小时有人值守，灭火控制采用人工确认手动控制方法，在火灾确认后同时由两人按动启动按钮方可实施喷放，避免由于误报警、误动作等因素造成误喷放，以确保系统、人员的安全及铁路运行调度指挥的正常运行。参考文献1、国家建设部 气体灭火系统设计规范