三氟甲烷气体灭火系统设计探讨.doc

三氟甲烷气体灭火系统设计探讨南京理工大学 路景志江苏省消防局 唐晓亮摘要：本文论述了三氟甲烷（HFC-23）气体灭火系统设计中灭火剂用量计算，管网压力损失计算及喷头型号的选择方法。关键词：三氟甲烷 气体灭火系统 设计计算前 言三氟甲烷气体灭火系统是以三氟甲烷为灭火剂的自动灭火系统。三氟甲烷（HFC-23）是一种无色无味的气体，是洁净的气态化学灭火剂。它不含溴元素和氯元素，对大气中的臭氧层无破坏作用，（即ODP=0），是哈龙产品优秀的替代物之一。试验证明，三氟甲烷气体灭火系统可以用来扑灭固体表面火灾，可燃液体火灾、可燃气体火灾和电气火灾。三氟甲烷不导电，绝缘性好，特别是用来扑灭通讯机房、电气设备、磁带和资料等保护区的火灾更为有利。三氟甲烷气体是新型、高效、低毒灭火剂，NOAEL50，远超过其灭火浓度，是哈龙替代品中最安全的灭火剂，可以用在有人工作的场所。三氟甲烷灭火剂是液态贮存，气态释放，贮瓶间占用空间少，工程造价低，是惰性气体灭火系统（如IG541）不能比拟的。三氟甲烷蒸气压力高，不需要氮气加压可自行喷放，该气体密度小，可适用于楼层很高和管网很大的工程，这是七氟丙烷灭火系统不能相比的。三氟甲烷不含固体粉尘油渍和腐蚀性胶状物，灭火后现场没有残留物，不会造成对设备的污染或腐蚀。是气溶胶灭火系统（如EBM、SDE等）难以做到的。此外，三氟甲烷灭火系统使用温度范围广，环境温度为-2050，在我国北方广大寒冷地区使用，更能发挥其优越性。总之，三氟甲烷灭火系统具有优良的综合性能，它使用方便，经济、合理，是哈龙替代品中最优者。一、三氟甲烷的灭火原理及物理性能 三氟甲烷灭火剂是一种化学灭火剂，它能在火焰的高温中分解产生活性游离基，这些游离基参与物质燃烧过程中的化学反应，清除维持燃烧所必须的活性游离基OH、H等，并生成稳定的分子，如HO、CO以及活性较低的游离基R等，从而对燃烧反应起抑制作用，并使燃烧过程中的连锁反应链中断而灭火。也就是说，这类灭火剂对物质燃烧的化学反应历程实际上起着负催化剂的作用。灭火作用主要是化学作用过程。三氟甲烷（HFC-23）灭火剂是一种无色无味的气体，是洁净的气态化学灭火剂。它不含溴元素和氯元素，对大气中的臭氧层无破坏作用，（即ODP=0），是哈龙产品优秀的替代物之一。灭火药剂HFC-23产品名称FE-23开发者DUPONT分子式CHF3分子量70.01沸点-82临界温度25.9蒸发潜热Kcal/Kg57.2灭焰浓度12.40%设计浓度14.90%灭火剂量（Kg/m）0.52设计的上限浓度23.80%氧气浓度16.00%ODP值0NOAEL50LOAEL50LO5065最大工作压力（50）137Kgf/cm喷射时间10秒充填比1.21.5二、防护区的划分与管网布设1、防护区设置要求三氟甲烷的防护区为全淹没系统防护区。所谓防护区是指能满足灭火系统要求的有限封闭空间。防护区的划分应根据封闭空间的结构特点、数量和位置来确定。若相邻的两个或两个以上封闭空间之间的隔断不能阻止灭火剂流失而影响灭火效果，或不能阻止火灾蔓延，则应将这些封闭空间划分为一个防护区。三氟甲烷由于沸点低，液体密度和粘度小，输送压力高，所以传送距离远。一般对保护区的大小、管网长度和楼层高度无严格要求。经过最远点喷头压力计算，只要满足设计要求即可。对防护区环境温度要求，一般认为当防护区内温度低于灭火剂沸点时，施放的灭火剂将以液态形式存在。防护区的温度越低，灭火剂的汽化速度慢，这势必延长灭火剂在防护区内均化分布时间，即影响了它和火焰接触、分解的时间，降低了灭火速度。同时，还会造成灭火剂的流失。为了保证全淹没系统都能将建筑物内的火灾全部扑灭，防护区的建筑物构件应有足够的耐火时间，以保证在完全灭火所需时间内，不致使初起火灾蔓延成大火。完成灭火所需要的时间，一般包括火灾探测时间、探测出火灾后到施放灭火剂之前的延时时间、施放灭火剂时间、保持灭火剂设计浓度的浸渍时间。保持灭火剂设计浓度所需浸渍时间如下表所示。若建筑物的耐火极限低于这一时间，则有可能在火灾扑灭前被烧坏，使防护区的密闭性受到破坏，造成灭火剂流失而导致灭火失败。各种灭火剂保持设计浓度所需浸渍时间灭 火 剂 名 称火 灾 类 别浸 渍 时 间HFC-227HFC-2313011211可燃固体表面火灾10可燃气体及甲、乙、丙液体火灾，电气火灾1二氧化碳部分电气火灾10固体深位火灾20为了防止保护区外发生的火灾蔓延到防护区内，防护区的围护结构及门窗的耐火极限不应低于0.50h，吊顶内不低于0.25h。防护区应为密闭形式，如必须开口时，应设置自动关闭装置，开口面积不应大于防护区总表面积的3%，且开口不应设在底面。在一个密闭的防护区内迅速施放入大量的气体灭火剂时，空间内的压强将会迅速增加。如果防护区建筑构件不能承受这个压强，则会被破坏，并造成灭火失败。因此，必须规定其最低耐压强度。据美国提供的试验资料，建筑物最高允许压强，轻型建筑为1200 Pa，标准建筑为2400 Pa，拱顶建筑为4800 Pa。全密闭的防护区应设置泄压口。为防止灭火剂从泄压口流失，泄压口底部距室内地面高度不应小于室内净高的2/3。对三氟甲烷灭火系统，泄压口的面积按下式计算，即A = 0.0872式中：A为泄压口面积,m；P为防护区围护结构的允许压强，Pa；Q为喷射速率，Kg/s。 大多数全淹没系统的防护区都不是完全密闭的。有门、窗缝隙的防护区，一般都不需要开泄压口，因灭火剂能通过门、窗缝隙泄压，从而不致于使室内压力过高。此外，巳设有防爆泄压口的防护区，也不需要再开泄压口。2、管网布置三氟甲烷灭火系统，按其管网布置形式可分为均衡管网系统和非均衡管网系统。均衡管网系统具备以下条件：（1）从储存容器到每个喷头的管道长度应大于最长管道长度的90%；（2）从储存容器到每个喷头的管道长度应大于管道计算长度的90%（管道计算长度=实际管长+管件当量长度）；（3）每个喷头的平均质量流量相等。不具备上述条件的管网系统为非均衡管网系统。对于气体灭火系统，管道宜布置成均衡系统。均衡系统特点是：（1）有利于灭火剂释放后的均化，使防护区各部分空间能迅速达到浓度要求。（2）管网对称布置能简化管网流体计算和管道剩余量的计算，但这并不意味着不能采用非均衡系统。在非均衡系统中，准确计算和选择喷头孔径是很重要的。在美国和英国的规范中均提出：在非均衡系统中，重要的是每个喷头应选用合适的孔径，以利于在计算确定的最终端压力下，产生出规定的流量速率。三、系统的设计与计算全淹没系统包括三个部分：贮存容器、管道及喷头。系统设计计算的任务是：确定贮存容器的个数、充装比，各管段、管径和喷头的孔口面积。系统设计计算必须达到的目标是：整个系统应在规定的时间内，将需要的灭火剂用量施放到防护区，并使之在防护区内均匀分布。系统设计的总原则是：管道直径应满足输送设计流量的要求，同时，管道最终压力也应满足喷头入口压力不低于最低工作压力要求。喷头的入口压力，一般不宜低于2.0Mpa，最小不应小于1.4 Mpa。设计计算步骤如下：（1）根据灭火剂总用量和单个贮存容器的容积，及其充装比，求出贮存器个数。（2）根据管路布置，确定管段计算长度。管段计算长度为管段沿程长度和管道附件当量长度之和。管道附件当量长度如下表所示：管道附件的当量长度管道公称直径（mm）螺 纹 连 接焊 接45弯头(m)90弯头(m)三通的直通部分(m)三通的侧通部分(m)45弯头(m)90弯头(m)三通的直通部分(m)三通的侧通部分(m)150.20.50.30.90.10.20.20.7200.30.70.41.30.20.40.31.0250.41.00.61.80.20.50.41.4320.61.40.82.50.30.70.61.9400.71.60.93.10.40.80.72.3501.02.21.34.20.51.11.03.2651.33.01.75.50.61.51.34.2801.63.72.16.80.81.81.65.21001.12.52.27.31251.43.32.89.51501.84.13.511.7（3）计算输送干管平均质量流量。（4）初定管径。（5）计算管路终端压力。（6）根据每个喷头流量和入口压力，算出喷头等效孔口面积。根据等效孔口面积，选定喷头产品的规格。1、HFC-23气体灭火剂设计用量计算（1）请按下面的公式计算气体所需量G = K1V + K2SG：气体所需量（Kg）K1：设计系数V：防护区划的体积（m）K2：开口部系数（= 3.9 Kg/m）S：开口部面积（m）设计浓度（%）与设计系数（K1 = W/V）的关系如下：K= W/V = C：设计浓度（%）S：容积比（= 0.3403 m/ Kg HFC-23的Latm 21.1时的数值）下面是设计浓度（C）与设计系数（K1）的曲线图 2、管网计算(1)管径确定在初选输送管道内径时，可根据管道设计流量按下表选定:主配管管径的选定表（单位：Kg/sec）公称直径 主配管长度25 m50 m32 mm4.52.540 mm6.54.550 mm11.57.565 mm18.013.080 mm29.022.0100 mm51.038.0125 mm76.060.0150 mm100.082.0管网计算时，宜采用平均设计流量，管网中主干管的平均设计流量，应按下列计算：Q= 式中Q主干管平均设计流量（Kg/s）；W防护区三氟甲烷的灭火（或惰化）设计用量（Kg）；t三氟甲烷的喷放时间（s）。通常不应大于10秒；管网中支管的平均设计流量，应按下式计算：Q = 式中Q支管平均设计流量（Kg/s）；N安装在计算支管流程下游的喷头数量（个）；Q单个喷头的设计流量（Kg/s）；(2)三氟甲烷的中期容器压力应根据下表计算：中期容器压力P（Kg/cm）充装比（L/ Kg）1.201.301.401.50P（Kg/ cm）31.532.333.033.7充装密度（Kg/L）0.8330.7690.7140.67（3）管道压力降计算三氟甲烷灭火剂沿管网流动压力降计算比较复杂，这里提供两种计算方法供参考。(a)气液两相流进行逐次计算;(b)按液相流动叠加计算。这里首先介绍三氟甲烷在管道中的流动呈气液两相流管道压力损失计算方法。(公式推导见附录)管道内三氟甲烷的平均设计流量Q与压力系数Y、密度系数Z的关系，应按（A）式计算确定。管道内任一点的压力系数Y、密度系数Z与该点的压力P、三氟甲烷密度的关系，按B式和C式计算。Q= （A）Q三氟甲烷平均设计流量（Kg/s）；D管道内径（cm）；L从储存容器到计算点的管道计算长度（m）;Y压力系数（Kg/Lcm）；Z密度系数；Y=- （B）Z=-1n （C）P中期容器压力（Kgf/ cm）；P 管道内任一点的压力（Kgf/ cm）；压力为P处的三氟甲烷密度（Kg/L）；压力为P处的三氟甲烷密度（Kg/L）；任一管段末端的压力系数，应按下式计算。Y= Y+A1Q+B(Z-Z)QY 管段始端的压力系数（Kg/Lcm）；Y 管段末端的压力系数（Kg/Lcm）；Z 管段始端的密度系数Z 管段末端的密度系数其中： A=B=三氟甲烷的压力系数和密度系数 充装比 （L/Kg）压力（Kgf/cm）压力系数Y（Kg/1cm）密度系数Z1.201.301.401.501.201.301.401.5033.70.0390.00333.40.3060.02033.00.0400.6550.0030.04432.60.3980.9950.0280.06932.40.5731.1620.0410.08232.30.0110.6601.2450.0010.0470.08832.00.2830.9181.4900.0200.0660.10731.50.0240.7251.3361.8880.0020.0540.0990.13931.00.4781.1521.7412.2730.0370.0880.1320.17230.50.9171.5652.1322.6460.0720.1230.1670.20530.01.3401.9642.5103.0070.1080.1580.2010.24029.51.7482.3482.8753.3550.1450.1940.2370.27429.02.1412.7193.2273.6910.1830.2310.2730.31028.52.5193.0763.5674.0150.2210.2680.3090.34628.02.8833.4203.8944.3280.2600.3070.3470.38327.53.2333.7514.2094.6290.3000.3450.3850.42027.03.5704.0704.5124.9200.3400.3850.4240.45826.53.8924.3764.8045.1990.3820.4250.4630.49726.04.2024.6695.0845.4680.4230.4660.5030.53625.54.4994.9515.3535.7260.4650.5070.5440.57625.04.7845.2225.6125.9740.5080.5490.5850.61724.55.0575.4815.8606.2120.5520.5920.6270.65824.05.3175.7306.0976.4400.5960.6350.6690.70023.55.5675.9676.3256.6590.6410.6790.7130.74223.05.8056.1956.5436.8680.6860.7230.7560.78622.56.0336.4126.7517.0690.7320.7690.8010.83022.06.2516.6206.9517.2610.7790.8140.8460.87421.56.4586.8187.1417.4450.8260.8610.8910.91921.06.6567.0087.3237.6210.8740.9080.9380.96520.56.8457.1887.4977.7880.9220.9550.9841.01020.07.0257.3617.6637.9480.9721.0031.0321.05719.57.1967.5257.8218.1011.0211.0521.0791.10419.07.3587.6817.9728.2471.0701.1001.1271.15118.57.5137.8308.1158.3861.1201.1501.1761.19918.07.6617.9728.2528.5191.1711.1991.2241.24717.57.8018.1078.3838.6451.2211.2491.2731.29617.07.9348.2358.5078.7651.2721.2991.3221.34416.58.0618.3578.6258.8801.3231.3491.3721.39216.08.1818.4738.7378.9891.3731.3981.4211.44115.58.2958.5848.8449.0931.4231.4481.4691.48915.08.4048.6898.9469.1921.4731.4971.5181.53714.58.5088.7899.0449.2871.5221.5451.5651.58314.08.6068.8849.1369.3771.5701.5921.6121.63013.58.7008.9769.2259.4631.6171.6391.6571.67513.08.7909.0639.3109.5461.6631.6831.7021.71812.58.8769.1469.3919.6251.7071.7261.7441.76012.08.9589.2269.4699.7011.7491.7671.7841.79911.59.0379.3039.5439.7741.7871.8051.8221.83611.09.1149.3779.6169.8451.8231.8411.8561.87010.59.1879.4499.6869.9131.8561.8721.8871.90010.09.2599.5189.7539.9791.8841.9001.9131.926上升配管的压力补偿应根据下式计算出的Yh加上用(D)式求得的Y来确定。下降配管的压力不进行补偿。上升配管的长度不超过2m时，该上升配管的压力也不进行补偿。yh = （D）yh上升配管的压力补偿值（Kg/Lcm）上升配管中起点处的三氟甲烷密度（Kg/L）Lh上升配管段的长度（m）喷头的等效孔口面积应按下式计算。A=A 喷头的等效孔口面积（cm）Q 单个喷头的设计流量（Kg/s）Q 喷头的喷射率（Kg/ scm）喷嘴的选定：每一个喷嘴的防护区域根据下表进行选定。每一个喷嘴的最大流量喷 嘴 型 号流量（Kg/sec）喷 嘴 型 号流量（Kg/sec）FL-201.43.0FLK-201.43.0FL-251.84.0FLK-251.84.0FL-324.310.0FLK-324.310.0FL-405.513.0FLK-405.513.0三氟甲烷灭火系统当采用单相流计算时，宜采用下列公式计算，三氟甲烷管流采用镀锌钢管的阻力损失，可按下式计算，=式中P计算管段阻力损失（Mpa）L计算长度（m）（为计算管段中沿程长度与局部损失的当量长之和）；Qp计算管段中的管道流量（Kg/s）；D管道内径（mm）；初选管径时，可按平均设计流量参考前面管径选择表进行选取.也可根据流量Q按图表选取合适尺寸。喷头工作压力，应按公式计算：Pc=P-式中 Pc = 喷头工作压力（Mpa）P20时的贮存压力（Mpa）系统总阻力总损失（Mpa）N计算管段数量P高程压差（Mpa）高程压头，应按公式计算：P=10rHg、式中H喷头相对液面高度（m）r三氟甲烷液体密度（Kg/m）g重力加速度（m/s）喷头孔口面积，可按下式计算：F= 其中F喷头孔口面积（cm） 、 P喷头工作压力（Mpa）q单个喷头的喷射率（Kg/SCm） 、 u喷头流量系数（由试验确定）实例计算一、按气液两相流计算有一通讯机房高3.2m、长15 m、宽8 m、设用三氟甲烷灭火系统保护。按下例步骤进行计算：1、 确定灭火设计浓度，取C =16.2%。2、 计算保护空间的实际容积，V = 3.2158 = 384m.3、 计算灭火剂设计用量,W = K() 其中 K=1、t = 20CS = 0.3404m/ W = () =2184、设定灭火剂喷放时间，取t=8秒5、设定喷头布置与数量，选用FLK型喷头，其保护半径R=7m，故设定喷头为4 只，按保护区平面均匀喷洒布设。6、选定灭火剂储瓶规格及数量，选JR-70/52储瓶四只。7、绘出系统管网计算图。8、管道平均流量：（1）主干管QBC= W/t = 27.25kg/s（2）支管QCD= QBC/2 =13.625kg/s QDE=6.8kg/s9、选择管网管道直径，以管道平均流量依前表中查得：DBC= 65 DCD= 50 DDE=40mm 10、过程中期压力选取 查表得：Pm = 32.3（kg/cm） 11、管段的计算长度：（1） AC段： 沿程长度 L1 =2.1+1.4+2+0.5+0.5+1.2+15=22.6m 当量长度 L2 =9.8+4.5+3.54+1.1=33.4m 计算长度 L=L1+L2=56m（2） CD段： 沿程长度 L1=4m 当量长度 L2 =4+0.9=4.9m 计算长度 L=L1+L2=8.9m（3） DE段：沿程长度 L1 =1.5m 当量长度 L2 =3.2+0.7=3.9m 计算长度L=L1+L2=5.4m12、压力损失计算：系数 A=0.8510 B=910-4C点： Y= YA +ALQ+B(Z-Z) Q= 0.011 +0.85105627.25+910-40.00127.25 = 0.011 + 3.535+ 0.0001=3.547 P= 27.8 Z= 0.390D点： A=3.410 B=25.910-4Y=3.547+13.4108.913.65+25.910-4 (0.39-0.001)13.625=3.547+0.567+0.168=4.282 则P=26.8(kg/cm) ZD=0.40E点： Ad= Bd=YE