七氟丙烷灭火系统在大空间防护区的设计探讨

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，提出了灭火系统在大空间防护区的工程应用设计上采取的两项措施，为灭火系统在大空间防护区内的应用创造条件。
关键词：大空间防护区     灭火系统     管网      压力

    在目前众多的哈龙替代气体灭火系统中，通过近几年来的工程应用可以看出无论是在国内还是在国外，推广使用广泛的是七氟丙烷灭火系统。目前我国尚无强制性的国家标准指导其工程应用，工程的设计依据以广东省工程建设地方标准DBJ15-23-1999《七氟丙烷洁净气体灭火系统设计规范》（以下简称《规范》）执行，该《规范》第3.0.1条 第2点规定：“当采用管网灭火系统时，一个防护区的面积不宜大于500m2，容积不宜大于2000m3”。但是在许多实际工程中，超过2000 m3的大空间防护区较多，特别是我国还处于一个经济发展中的国家，为节省工程投资提倡采用组合分配系统，这就使得组合分配式七氟丙烷灭火系统在大空间防护区内的管网设计较大，灭火剂在整套系统中的输送、喷放时间较长，喷头工作压力难以满足《规范》中第5.2.10条“喷头工作压力的计算结果，应符合下列规定：1、一般Pc>0.8（Mpa,绝压），zui小Pc≥0.5（Mpa，绝压）；2、Pc≥Pm/2（Mpa,绝压）”的规定，不利于将火灾扑灭在初期。针对以上情况，采取下述方法：
一、缩短灭火系统的喷放时间
    大空间防护区的火灾特点是可燃物多、燃烧猛烈、蔓延迅速，火灾造成的损失大，灭火系统的设计确保灭火剂从储存容器阀门启动后至喷嘴喷射完毕的时间越短越好。这段时间包含三个时间段，*为灭火剂从储存容器容器阀喷出的时间；第二为灭火剂从容器阀流出至充满管道的时间；第三为灭火剂从喷嘴喷出的时间，《规范》第5.1.6条对灭火剂的喷放时间规定不大于10秒，对*、二两段时间未作具体的规定，在灭火剂的输送中，该两段时间也是影响整个系统灭火时机的关键时间段。*时间段灭火剂的喷放时间可根据公式①进行推算出来，其条件应满足储存容器在zui大充装率、充装压力的情况下进行：
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其中，t――灭火剂从储存容器喷出时间（s）       M――设计灭火用量（Kg）
Fc――阀门通孔面积（cm2）                Uc――阀门通孔的流量系数     
Y――灭火剂的液体密度（Kg/m3）           Pc――工作压力（Mpa）
    灭火剂在实际喷放过程中是一个较为复杂的过程，储存容器内的压力随着灭火剂的喷放逐渐降低，在此采用较保守的方法，工作压力取灭火剂从储存容器喷放完毕瞬间的压力，这样实际的喷放时间不会超过该值，根据公式计算并通过一些生产厂家试验验证的结果表明，容器阀阀门通径的设计与储存容器相匹配，可使该段时间控制在5秒内。合理地控制第二时间段也是必要的，限制灭火剂充满管网的时间也就是间接限制了灭火剂管道的长度，因为灭火剂充满管道的时间与管道中灭火剂的平均质量流量存在一定的关系。输送灭火剂的管道过长，使管网阻力损失增加，降低了喷嘴的工作压力，从而减小了灭火剂施放强度。该段时间的规定可参照原GBJ110-87《卤代烷1211灭火系统设计规范》第4.1.7条的要求：“灭火剂从容器阀流出到充满管道的时间不宜大于10秒”。在实际的工程设计中，对该时间段无法进行准确的计算，因为灭火剂储存容器打开后，灭火剂进入管道即急剧加速流动，一部分灭火剂被气化，这是一个较为复杂的过程，与*时间段的计算思路相同，采用较为保守的一种计算方法。采用喷嘴开始喷射灭火剂时管道内体积流量做为灭火剂充满管道的平均体积流量进行计算，
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其中，t――灭火剂充满管网的时间（s）         V1――管网的体积（m3）      
     V2――灭火剂喷放时的体积流量（m3/s）
    因为灭火剂充注管道的流速不会小于系统管网全部充满灭火剂时的流速，即不会小于喷嘴开始喷射灭火剂的流速，所以根据该公式可计算出灭火剂充满管道所需时间的zui大值，实际需要的时间不会大于此值。因此，在工程设计上为缩短灭火剂在管道中的输送时间，对管网的设计进行充分验算使灭火剂从储存容器开始喷出至充满管道的时间不大于15秒。
二、提高储存容器的充装压力
    上面简述了灭火剂在管道中的输送、喷放时间，以确保灭火剂在短时间内施放到防护区内，在保证喷放时间的同时，喷嘴的末端压力也是影响灭火剂喷放，达到快速灭火的一个重要因素，其结果应满足《规范》中第5.2.10的规定。但是由于大空间防护区的管网较大，管网的沿程阻力损失等因素使得在某些实际工程设计中喷嘴的工作压力无法满足《规范》中规定的要求，为达到该要求可采取以下两种措施：*，提高储存容器的充装压力，国内外的相关资料亦有相应的论述（某些专家提倡的压力级别为6.3Mpa），喷嘴末端压力的计算是采用喷放七氟丙烷设计用量50％时的“过程中点”储存容器内压力和该点的瞬时流量进行计算，减去管网中的沿程阻力损失即得出。喷放“过程中点”储存容器内压力可按公式（3）进行计算（采用该计算方法的前提条件是系统管网的内容积应满足《规范》中第5.1.5的规定：“系统管网的管道内容积不宜大于该系统七氟丙烷储存容积量的80％”）：
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其中Pm――喷放“过程中点”储存容器内压力（Mpa,绝压）
P0――储存容器额定增压压力（Mpa）      V0――喷放前全部储存容器内的气相总容积（m3）
W――设计灭火用量（Kg）              VP――管网管道内的容积（m3）
Y――灭火剂液体密度（Kg/m3）
    从式中可看出，提高储存容器额定增压压力P0，其余参数不发生变化的情况下，喷放“过程中点”储存容器内压力升高。而沿程阻力损失只与管径的大小及流量有关,因此，在管网和设计流量不发生改变的情况下，提高储存容器的额定充装压力可满足管网容积较大的需求。除此以外，在喷嘴末端压力满足规范的情况下，提高储存容器的充装压力即可缩短灭火剂的喷放时间，使灭火剂受防护区内的环境温度，火灾时接触火焰的表面积都较小,有效的减少灭火剂分解物氢氟酸的产生，对人体、设备的侵蚀也越低。当然，充装压力的提高，对灭火系统设备的耐压提出了更高的要求，然而从制造厂家而言并无多大的技术障碍，产品的生产成本比以前有所增加，但差别不是很大。第二种措施是增大储存容器内的气相总容积，从公式（3）可看出，Vo增大，Pm在其余参数不发生改变的情况下其值也随着增大。但是，储存容器内的气相容积变大意味着储存容器的充装率下降，对同一规格的储存容器而言，充装同一设计用量的灭火剂的瓶组数增多，相应配套的部件也随之增多，系统设计显得不经济。该方法虽可满足要求，但用于大空间的防护区由于灭火设计用量较大，采用低充装率使瓶组数增多，增加系统设备的工程造价，应尽量少采用。
三、结束语
    因此，七氟丙烷灭火系统在大空间防护区内扑救初期火灾工程设计上可采取以下两点措施：
（1）对管网进行精密设计、验证计算，缩短灭火剂从储存容器喷出至充满管网的时间；
（2）提高储存容器的充装压力。