备压式七氟丙烷灭火系统应用中存在的问题.docx

李春强 , 王晓舟(公安部天津消防研究所 ,天津 300381)摘 要 :在分析储压式七氟丙烷灭火系统存在的问题基础上 ,阐述备压式七氟丙烷灭火系统产生的原因及必要性 。并将 备压式七氟丙烷与储压式七氟丙烷系统在设计参数 、计算方法 等方面进行比较 。从 设 计 计 算 方 法 、确 定 喷 头 的 最 低 工 作 压力 、灭火剂开始喷放时间 、驱动气体的用量 、组合分配系统中如何保证各防护区的实际喷放浓度达到规定要求等方面指出备 压式七氟丙烷应用中存在的一些问题 ,并提出改进建议 。关键词 :七氟丙烷 ; 备压式 ; 储压式 ; 灭火系统度增加 ,喷头喷放时喷口处压力突然降低 ,氮气从灭火剂中逸出 ,导致喷嘴的喷放效率降低 。而为了保证设计计 算精度 ,规范要求一级增压储存容器的系统喷头压力 pc0 . 6 m pa ( 绝对压力) ; 二级增压储存容器的系统的喷头压力 pc 0 . 7 m pa ( 绝对压力) ; 三级增压储存容器的 系统喷头压力 pc 0 . 8 m pa ( 绝对压力) 。同时要求喷头喷放压力大于中期压力的一半 ,即 : pc pm / 2 ;因此通 过增加增压压力来提高的输送距离并不显著 , 这就极大地限制了七氟丙烷灭火系统的使用 。为此 , 研制出了一 种新的可长距离输送七氟丙烷灭火剂的系统 备压式七氟丙烷灭火系统 。备压式七氟丙烷灭火系统将增压氮气 由原来的在储瓶内改为将增压气体单独存放在专门的高 压容器内 ,其储存压力可达 15 m pa , 通过减压将氮气按预先设置好的压力输送到灭火剂储瓶中 , 推动灭火剂喷 放灭火 ,这样备压式七氟丙烷储瓶的充装密度将可大幅 提高 。同时 ,由于七氟丙烷储瓶中平时无增压氮气 ,因此不会存在氮气在药剂中的溶解 , 这样灭火剂在管道中的 流动阻力将减少 , 喷放时灭火剂在喷放完毕前增压氮气以基本恒定的压力进入储瓶 , 该压力大大高于储压式七 氟丙烷系统的中期压力 。因此 , 备压式七氟丙烷的防护 距离将大大提高 ,最长推动距离超过 200 m 。3 与储压式七氟丙烷的比较对于储压式七氟丙烷系统 , 规范要求管网容积不得 大于液相容积的 80 % ,很大程度上限制了储压式七氟丙烷系统灭火剂的输送距离 ,对于机房类防护区 ,灭火体积 参数为 8 % ,灭火剂喷放时间为 8 s 的情况为例 , 管道灭 火剂的输送距离的计算参数见表 1 所示 。表 1 管道灭火剂输送距离计算参数表中图分类号 : x924 . 4 , tu89文献标志码 :b文章编号 :1009 - 0029 (2011) 09 - 0811 - 031 气体灭火系统的现状gb 50016 - 2006建筑设计防火规范与 gb 50045- 95高层民用建筑设计防火规范中规定了需使用气体 灭火系统的场所 。气体灭火系统在消防技术领域的各类 灭火系统中占有很重要的地位 。随着 hal on 替代技术的不断发展 , 对环境无损害 的以七 氟 丙 烷 为 代 表 的 卤 代 烃 类 气 体 灭 火 系 统 及 以 i g541 混合气体为代表的惰性气体灭火系统相继被开发出来 。目前 ,七氟丙烷气体灭火系统以其优异的灭火性 能 ,加上占地面积小 、毒性低 、工程造价低等特点已被广泛使用 。2 备压式七氟丙烷灭火系统的产生备压式七氟丙烷灭火系统是相对于储压式七氟丙烷 而言 的 , 根 据 gb 50370 - 2005气 体 灭 火 系 统 设 计 规范,储压式七氟丙烷储瓶的增压压力为 3 档 , 分别为一级 (2 . 5 + 0 . 1) m pa ( 表 压) 、二 级 ( 4 . 2 + 0 . 1 ) m pa ( 表 压) 、三级 ( 5 . 6 + 0 . 1) m pa ( 表压) 。对于系统管网长 、流损大的 ,可选用 4 . 2 m pa 及 5 . 6 m pa 增压级 ; 对于管网短 、流损小的 ,可选用 2 . 5 m pa 增压级 。但是 ,从实际应 用情况来看 ,储压式七氟丙烷灭火系统的一个非常大的缺陷是灭火剂输送距离较短 , 为了保证七氟丙烷灭火剂8 s 以内从喷嘴喷出 , 就必须维持末端 喷 嘴有 较 高 的压 力 ,从而使储压式七氟丙烷灭火剂通过管道输送的距离有限 。一般的储存压力为 2 . 5 m pa 的储压式灭火系统灭火剂的管道输送距离为 30 m 左右 ; 而 4 . 2 m pa 的储 压式灭火系统灭火剂的管道输送距离约为 45 m 。提高输送距离可通过降低充装密度或提高储瓶压力来实现 ,降低充装密度会使储存容器数量上升 ,大幅增加成本 ,而 提高增压压力必然造成氮气在七氟丙烷灭火剂中的溶解811消防科学与技术 2011 年 9 月第 30 卷第 9 期防护区 体积/ m3设计 流量/ kg/ s灭火剂 液相体 积/ m3最大管 网容积/ m3初选 管径/ mm设计 管径/ mm管容/ m3 / m最大 管长/ m20015 . 880 . 090 30 . 072 247 . 81500 . 002 036 . 8040031 . 750 . 180 50 . 144 467 . 62650 . 003 343 . 5460047 . 630 . 270 80 . 216 682 . 81800 . 005 043 . 1280063 . 500 . 361 10 . 288 895 . 621000 . 007 936 . 801 00079 . 380 . 451 30 . 361 1106 . 911000 . 007 945 . 991 500119 . 060 . 677 00 . 541 6130 . 941250 . 012 344 . 152 000158 . 750 . 902 60 . 722 1151 . 201500 . 017 740 . 88注 :表中初选管径按 d = 1012 q计算对于中期压力 , 根据 gb 50370 - 2005气体灭火系统设计规范中式 3 . 3 . 15 - 3 ,储压式系统的中期压力随 充装密度及管网容积的增加而减小 ,见图 1 所示 。烷系统灭火剂平时以较高的压力储存在储存容器中 , 随着灭火剂的喷出 ,贮存容器内的压力不断下降 ,必然引起 喷嘴前的压力降低使喷嘴和管道内七氟丙烷的质量流量变小 。此外 ,氮气在七氟丙烷中有一定的溶解性 ,溶解于液态七氟丙烷中的氮气随贮存容器内的压力而变化 。当 含有氮气的液态七氟丙烷压力降低时 ,一部分氮气逸出 , 形成两相流动 。当管网内的压力降到七氟丙烷饱和蒸气 压以下时 ,液态七氟丙烷还会迅速气化 ,使流体中的含气 量迅速增加 。含气量的增加使流体在流动过程中的体积 流量增加 ,造成了管道中压力降的非线性变化 。因此要求喷嘴的压力必须在饱和蒸气压之上 , 但是规定的喷嘴压力过高 ,必然造成总的有效阻力损失降低 ,降低灭火剂 输送距离 。因此应确定一个合理的喷嘴最低工作压力 。(3) 灭火剂开始喷放时间 。卤代烷 1211 灭火系统设计规范4 . 1 . 7 条规定 ,灭火剂从容器阀流出到充满管 道时间应小于 10 s , 但气体灭火系统设计规范中并没有气体充满管道时间的要求 , 这是因为储压式七氟丙烷 系统的管道距离较短 , 灭火剂充满管道时间既灭火剂开 始喷放时间较小 , 因 此 无 需规 定 灭 火剂 充 满 管道 时 间 。 但从上面的数据可以看到 , 备压式七氟丙烷的管道输送距离很长 ,灭火剂管道的容积大于灭火剂的液态容积 ,灭火剂从容器阀流出到开始喷放的时间较长 , 超过灭火剂 的喷放时间 ,对灭火效果将产生影响 。(4) 驱动气体的用量 。备压式七氟丙烷系统之所以能输送灭火剂到更远的距离 , 其本质就是驱动气体的用 量是储压式七氟丙烷驱动气体用量的几倍 。备压式七氟丙烷驱动气体用量计算是备压式七氟丙烷与储压式七氟 丙烷系统在设计计算中的主要区别之一 , 也是备压式七 氟丙烷系统设计的关键参数 。备压式七氟丙烷驱动气体 的用量可根据气体状态方程导出 , 驱动气体用量可用式 ( 1) 计算 :图 1 不同充装密度下七氟丙烷中期压力图从图 1 可以看出 , 如果按气体灭火系统设计规范推 荐的充装密度 800900 kg/ m3 ,对于 4 . 2 m pa 储压式七 氟丙烷系统 ,中期压力将小于 2 m pa ,实际允许的管网压 力降小于 1 m pa ;而对于 4 . 2 m pa 的备压式七氟丙烷系 统 ,灭火剂 喷 放 时 间 内 储 瓶 内 的 压 力 基 本 维 持 在 4 . 2m pa ,允许的管网压力降是储压系统的几倍 ,因此灭火剂 的输送距离要长很多 。上述流量与管径不变时灭火剂的输送距离数据见表 2 所示 。表 2 流量与管径不变时灭火剂输送距离数据表4 应用中存在的问题尽管备压式七氟丙烷相对于储压式七氟丙烷具有很 大优势 ,但在具体应用中还是存在一些技术问题 。(1) 系统的设计计算方法 。管网沿程阻力计算方法对于备压式七氟丙烷系统的整体设计是至关重要的 , 目 前由于没有备压式七氟丙烷系统设计规范 , 因此备压式 七氟丙烷 的 管 网 沿 程 阻 力 计 算 方 法 没 有 统 一 的 标 准 。气体灭火系统设计规范中储压式七氟丙烷的管网阻力计算公式是按单相流体阻力公式简化而来的 , 备压式七 氟丙烷系统由于灭火剂中无溶解的氮气 , 因此灭火剂在管道中的流动为单相流体 , 规范中给定的公式应能满足 备压式七氟丙烷管网计算 。通过与国外备压式七氟丙烷 管网计算结果的对比 , 按规范公式的计算结果与国外公司实际应用中的计算结果基本一致 ,也证明了这一点 。(2) 如何确定喷头的最低工作压力 。储压式七氟丙812 pz ( v p + v r )( 1)v c =pc - pz式中 : pz 为减压阀后压力 ; pc 为驱动气体储存压力 ; v p为管网总容积 ;v r 为灭火剂储存容器总容积 ; v c 为驱动 气体的总容积 。(5) 组合分配系统中如何保证各防护区的实际喷放浓度达到规定要求 。由于储压式七氟丙烷系统内压力随 温度变化很大 , 尤其是高充装密度时 。当储存容器工作温度 ( 即环境温度) 上升到某一温度之后 , 储瓶内压力随温度的增加会由缓增变为陡增 , 会危及储存容器的使用3安全 ,因此储压式系统的最大充装密度为 1 120 kg/ m 。而备压式七氟丙烷系统平时储瓶内无需氮气增压 , 瓶内 压力不会随温度的升高而大幅度增加 , 充装量最大可达整个容器的 90 % 。充装量的提升无疑使得灭火剂储存容fire science and technology , sept ember 2011 ,vol 30 ,no . 9 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 设计流量/ kg/ s设计管径/ mm2 . 5 m pa 备压式系统 灭火剂的输送距离/ m4 . 2 m pa 备压式系统 灭火剂的输送距离/ m15 . 885010017931 . 75659917747 . 638013023363 . 5010023642179 . 38100151270119 . 06125215385158 . 75150313561注 :局部阻力按沿程阻力的 100 %计取 ,未考虑高程损失器的数量大为减少 , 即节约了占地面积又减少了工程造价 。然而对于组合分配系统 ,由于各防护区的容积不同 ,灭火剂设计用量很难满足在高充装密度情况下均为 n 个 储瓶内的灭火剂总和 ,灭火剂喷放瓶数只能向上圆整 ,在 此情况下 ,尤其是小的防护区 ,灭火剂的实际喷放浓度将超出安全范围 ,危害人员生命安全 ,因此必须加以重视 。5 建议与解决方法(1) 采用降低充装密度的方法提高输送距离将造成 工程投资的大幅增加 , 因此备压式七氟丙烷的应用将会呈现爆发式的增加 。另外气体灭火系统设计规范已经施行多年 ,许多厂家对备压式七氟丙烷的管道流动特性 做了大量工作 ,积累了很多试验数据 ,这些都为备压式七氟丙烷系统标准的编制提供了很好的技术条件 。因此应尽快出台相关的设计标准 。(2) 由于备压式七氟丙烷系统灭火剂在管道内的流 动为单项流 ,灭火剂中无溶解氮气 ,因此灭火剂在流动过 程中不会出现氮气随压力降低而出现的逐渐释放过程 ,相同喷嘴的喷 放 效 率更 高 , 可 参 照卤 代 烷 1211 设 计 规 范 ,喷头的最低喷放压力只需为饱和蒸气压加上一定的 安全系数即可 。(3) 初期火灾的控制是灭火的关键 ,同时越早喷放灭 火剂灭火 ,灭火时火场中产生的 h f 浓度越低 , 因此有必要规定备压式七氟丙烷系统灭火剂从容器阀流出到喷嘴 开始喷放灭火剂的时间 , 如 10 s 。或者规定灭火剂管道 的最长输送距离来限制灭火剂从容器阀流出到喷嘴开始喷放灭火剂的时间 。(5) 备压式七氟丙烷系统由于单个储存容器中储存 的灭火剂较储压式七氟丙烷单个容器中储存的灭火剂增加很多 ,对于较小的防护区造成喷放浓度过高 ,防止对防 护区内人员造成伤害 , 同时喷放过高浓度的灭火剂也是 一种浪费 ,对于这种情况可考虑采用 : 第一 , 组合分配系统中不再防护很小防护区 , 这些小防护区使用预置灭火 装置进行防护 ,省去的启动装置 、选择阀 、管网及安装费 用与预置灭火装置的造价相当 , 不会造成工程造价的提高 ;第二 ,选择合适的灭火剂储存容器 , 将各防护区喷放 的灭火剂浓度控制在规定的范围内 ; 第三 ,增加一个小的 补偿瓶并单独引管进入需要的防护区 , 将防护区的喷放的灭火剂浓度控制在规定的范围内 。problems in the a ppl ica t ion of preparedpressure type heptaf l uoropropane ext inguishing systeml i ch un2qia ng , wa n g xiao2zho u( tia njin fire re sea rch instit ute of m ps , tia njin 300381 , china)abstract :af ter a nalyzing t he p ro blems in accumulato r2t ype hep2 taf l uo rop rop ane extingui shi ng system , ela bo rate t he rea so ns a nd nece ssit y of p rep ared p re ssure t yp e hep taf l uo rop ropa ne system. the p repa red p re ssure t yp e and accumulato r t yp e hep taf l uo ro2 p rop ane system were co mp ared in design pa ra meter s a nd calcu2 latio n met ho ds. pro blems in t he applicatio n of p repa red p res2 sure t yp e hep taf l uo rop ropa ne system , such a s calculatio n met h2 o d de sign , deciding t he lo we st wo r king p ressure of sp rinkler , time of extingui shing agent starting to sp ray , amo unt of driving ga s , making sure t he act ual co ncent ratio n in each p ro tectio n zo ne reach t he requirement of standar d in co mbined di st ributio n system , et al . were p ut fo rwa r d , a nd imp ro ving met ho ds were suggested.key words : hep t af l uo rop ropa ne ; p rep ared p re ssure t yp e