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　　IG541 滅火系統工程應用研究與系統設計

　　1　引言

　　IG541氣體滅火系統是利用IG541 (由氮氣、氬氣、二氧化碳等特殊惰性氣體通過簡單的物理方式混合而成的一種新型氣體滅火系統)作為滅火介質。因其具有諸多優點，特別是對潔凈滅火劑的使用，自1994年該系統投入使用以來，已在世界五大洲的幾十個國家和地區得到廣泛應用，我國也已有多個工程項目采用，且基本以進口產品為主。因其與其它氣體滅火系統又有區別，所以滅火劑以純氣態存儲，其噴放過程屬于氣體單相流，是一種可壓縮氣體流動，盡管產品硬件可以借鑒其它氣體滅火系統，但系統設計上仍有一定的借鑒。, 特別是管網流體計算, 涉及大量的可壓縮知識, 國內國外在這方面的現有資料也非常缺乏, 在我國目前尚沒有進行過系統的工程應用研究, 使得這一問題成了國內諸多生產廠家的最大頭疼, 也直接制約著國產裝置在我國市場的推廣工作。為了尋求該系統設計計算的數學理論模型, 為了我國消防事業的發展, 同時考慮產品開發的進度, 我單位與在空氣動力研究方面比較權威的西北工業大學航空動力與熱力工程系 703 教研室進行了技術合作。

　　2　系統工程應用研究

　　21　研究方案的確定

　　IG541 滅火系統工程應用研究的目的是尋求系統工程應用設計的管網流體計算的數學理論模型, 把系統滅火劑噴放過程的動態問題靜態化。這樣就可以簡化系統工程應用設計, 用一種比較簡單的數學理論模型對該滅火系統進行工程設計計算, 達到設計與實際工程應用的情況相符合或比較接近。尋求這種理論模型的關鍵是對噴嘴和減壓裝置 (孔板) 流量特性的測試,通過這兩類主要系統部件的詳細流量特性的測試, 便可以對系統滅火劑噴放過程的流動特性有清晰的了解, 進而為系統工程應用的噴嘴與減壓裝置最佳組合選型提供依據, 為用戶提供一套可靠的系統設計。

　　由于該系統滅火劑以高壓 (15M Pa) 氣態方式儲存, 滅火劑噴放過程中在管道中的流動屬非定常流動, 要了解此過程中的流體運動參數(如壓力、密度、溫度、速度、流量等) , 必須采取試驗與氣動力學結合的方法, 通過對壓力和溫度的實時測量, 計算出密度、速度及流量等參數。并且由于該過程滅火劑壓力是連續變化的, 傳統的數據采集方法難以勝任, 所以在數據采集方面, 我們采用了高精度的動、靜態壓力傳感器配以工業控制計算機進行數據的實時采集與控制系統。

　　在減壓裝置的減壓特性試驗中, 采用閥前、后的管道截面中心位置處分別放置“皮托管”, 測定出該截面處的總壓和靜壓, 采用熱電偶電阻測量實驗環境溫度作為氣瓶內的總溫, 按照氣動知識計算出質量流量, 繪制出減壓特性曲線; 噴嘴試驗亦采用“皮托管”測量總壓和靜壓, 經計算整理得出噴嘴的流量特性曲線。

　　22　噴嘴特性測試試驗

　　在 IG541 滅火系統管網設計中, 需要對設計管網各部件的流體力學特性有清晰的了解。噴嘴型號主要根據噴嘴的噴射壓力與噴射流量的關系或噴射壓力與比流量之間的關系等進行確定, 上述這些關系必須通過試驗手段來獲取。

　　221　測試原理

　　由氣體動力學可知, 對于完全氣體, 單一管路中任意流動截面, 其流量都相等。因此流量測定理論上可在管路任意截面上進行。

　　本試驗采用“截面平均速度法”進行流量測定。該方法是在選定的流動截面上,按切貝切夫法或線性法在布置的測點上測出各點的氣流速度, 取其平均值作為該截面的平均速度, 再乘以該截面面積, 即可得到流量(體積流量)。在本次噴嘴流量測量中, 由于管道流動

　　截面較小, 故在噴嘴上游 3D 距離的管道截面上(2) 噴嘴流量計算

　　0齊的管道壁面上沿徑向對稱開設兩個靜壓測試孔707R 處, 安裝一個總壓測針, 在與總壓測針孔口平通=k + 1121 -pk-k 112(5)

　　,k -1p 0

　　過壓力傳感器測出該截面的平均總壓和平均靜壓, 使1

　　用測溫熱電偶測量實驗現場的大氣溫度作為氣瓶內的(k1 -k + 1 21p 0 A 總溫。根據可壓縮氣體的伯奴利方程求出該截面上的

　　平均速度其中(6)

　　m --噴嘴流量 --速度系數

　　k--比熱比(對 IG541 氣體, k= 1 46) p 0--噴嘴噴射總壓 p --噴嘴噴射靜壓

　　T 0--噴流總溫

　　R --氣體常數, 對 IG541 的R = 243 9

　　(3) 實驗測試結果:

　　我們共進行了 3、、、、、、、10、11、12、13、14、

　　15、16、18、20、22、24 號等各種型號噴嘴試驗, 繪制了總壓噴射時間曲線、靜壓噴射時間曲線、噴嘴壓力圖1　噴嘴流量測試裝置示意圖流量等曲線, 為工程應用設計軟件的編寫提供依據。圖總、靜壓及總溫測量采樣由計算機自動完成, 整個 2 為噴嘴進口壓力與平均流量關系曲線。

　　流量。噴嘴流量測量裝置示意圖如圖P靜壓孔g總0表壓、,、再乘以該截面面積靜、壓力傳感器g信號適調器, 即可求出該截面的平均1 所示?；瘜儆诜侵芷趧討B壓力變化傳感器測量這種壓力變化mαΚ=2α ΚR k2+ 1) 4 Κ5 ,26會產生一定的動態測量誤,7采用靜態k8 -9 1Κ1(k準靜態-1T)0壓力2

　　過程流程如下:2. 2. 3　試驗結論

　　P0總壓測針 壓力傳感器 信號適調器 本項實驗的主要環節是壓力測量。由于噴射過程 A D 轉換、采集 數據保存、顯示 數據處理、繪制曲線 中壓力在 60 s 內從 15M Pa 降到 0M Pa, 這種壓力變

　　A D 轉換、采集 數據保存、顯示 數據處理、繪制曲線 差。

　　T0熱電偶 A D 轉換、采集 數據保存、顯示 由圖 2 可以看出: 噴嘴進口壓力與流量基本呈線性數據處理 變化。當噴嘴型號小于7 時, 噴嘴壓力-流量曲線的線性

　　2.2. 2　數據處理與測試結果較差, 測量值較分散; 當噴嘴型號大于 7 時, 其線性很好。

　　(1) 總壓、靜壓計算建議在選用噴嘴時盡可能選用稍大型號的噴嘴。

　　P 0表壓 =(V 總 -V 0) × K 傳導 (1) P 表壓 =(V 靜 -V 0) × K 傳導 (2) P 0 = P 0表壓 + P 大氣壓(3)

　　P = P 表壓 + P 大氣壓(4)

　　式中

　　P 0--總壓(絕壓)

　　PP 表壓--儀器測量出的總、靜壓(表壓)

　　P 大氣壓--環境大氣壓

　　VVV 0--分別為對應傳感器輸出電壓值和初始值

　　K 傳導--傳感器傳導系數圖2　噴嘴進口壓力與平均流量關系曲線

　　23　減壓裝置特性測試試驗(3) 孔板減壓特性計算

　　2.　測試原理p = p 1 - p 2 (7) 減壓裝置的減壓特性除了取決于孔板幾何特征 式中　 、 分別為孔板上、下游的靜壓。

　　外還取決于所流過的流體類型來流的雷諾數流量試驗測試結果

　　(或來流速度 因此為了測試減壓裝置的減壓特性 本項試驗共進行了 、 、 、 等必須測出其在某一對應流量下該孔板上、下游的靜壓 規格的 種型號減壓孔板減壓特性多次試驗最后整差或總壓差。 理成壓差局部損失隨流量變化曲線。

　　為了便于工程應用本試驗通過測量減壓孔板上、 　試驗結論下游的靜壓差來確定孔板的減壓特性。在噴嘴前測量 通過本次試驗整理出一系列的孔板特性曲線并噴流流量最后給出減壓孔板的壓力損失-流量 提出了減壓裝置孔板孔徑計算的經驗公式為系統工的關系特性曲線。程應用軟件的開發提供了一定的依據。

　　在集氣管下游安裝減壓孔板在減壓孔板上游適 　理論模型建立當位置 同一截面上對稱開設兩個靜壓采樣孔在 通過進行以上兩項一系列的試驗并在多次系統減壓孔板下游適當位置 處的截面上開設一個靜 滅火試驗的基礎上結合我們多年來在氣體滅火方面壓采樣孔。測量孔板上、下游的靜壓為 、。在噴嘴 積累的經驗最終建立了該系統設計的數學理論模型:

　　前處設置總壓管和靜壓孔測量總壓、靜壓。通過測　滅火劑用量計算

　　溫熱電偶測量實驗現場總溫 根據流量公式 、 滅火劑用量計算的基礎是防護區容積和設計滅火 (求出噴嘴流量。試驗過程的壓力、溫度采樣由計算 劑濃度防護區容積可按實際容積計算。如果保護區內機自動完成具體流程如下的可移除實物的容積達到總容積的 則需修正防 p護區容積按實際有效容積計算。計算時采用的經驗公

　　A式公式參考了的規定如下:

　　p靜壓孔 壓力傳感器 信號適調器x = 2. 303 Vlg 100100 CV sK 0(8)

　　60,3.3.)03AD12總壓測針熱電偶DD21))(轉換、采集轉換、采集3D, ),((51))),A3g壓力傳感器((　減壓孔板減壓特性測量試驗裝置示意圖D62))轉換、采集數據保存、顯示數據保存、顯示, (3), (5(D,:4)) 信號適調器T數據保存、顯示0,,, 數據處理、繪制曲線數據處理、繪制曲線p 1 p32P , (5, ) ,2.22.式中03742. 002393.4.4(85VCS:x13(4;;p),242.t1 ,(,4.4.p,232 ,s0 ISOIG,,,?20)14520541tS,,mDN3 2kg1:,25,2000DN(V- V32,25) DN,%42,40)(,,8DN,,1,50,

　　T--設計滅火劑用量,m 3; 數據處理--防護區最終凈容積,m 3;

　　減壓孔板減壓特性測量試驗裝置如圖所示。--蒸氣比容。用式 S = 065799 +

　　2.　數據處理與測試結果計算其中 為防護區的最低環境溫度℃;

　　(總壓、靜壓計算--滅火劑設計濃度。最小設計濃度按公式 、 、 、 計算得出。經常有人工作場所的最大設計濃度為 (流量計算一般無人場所其濃度可以超過。對于按公式 、 求得。全淹沒系統防護區的圍護必須嚴密以便在一段時間內保持所要求的濃度來撲滅火災;

　　V -- ℃時的比容,V s = 07058 m 3

　　kg;

　　K --氣壓修正系數。見下頁表。

　　2. 　水力計算

　　由于滅火系統的壓力源為非恒定源整個滅火劑噴放過程是動態過程給系統的工程設計造成難度我們通過一系列的試驗驗證、比較認為系統的水力計算管網計算) 采用中期壓力和管道平均流量計算結果比較符合實際。

　　圖　中期壓力的確定

　　表1　IG-541 全淹沒系統滅火劑用量表(淹沒系數表) (℃) (m 3gkg) 34% 38% 42% 463% 50% 542% 58% 3g362%

　　溫度比容 S對應滅火設計濃度C 每m 防護區所需的 IG 541 用量(mm )

　　-250. 5980. 4910. 5650. 6440. 7270. 8180. 9161. 0241. 142

　　-200. 6100. 4810. 5530. 6300. 7130. 8020. 8991. 0041. 119

　　-150. 6220. 4720. 5430. 6200. 6990. 7870. 8820. 9851. 098

　　-100. 6340. 4620. 5320. 6060. 6860. 7720. 8650. 9661. 077

　　-50. 6460. 4540. 5230. 5960. 6730. 7570. 8480. 9481. 057

　　00. 6580. 4460. 5130. 5840. 6610. 7440. 8330. 9311. 038

　　50. 6700. 4380. 5030. 5740. 6490. 7310. 8180. 9141. 019

　　100. 6820. 4300. 4950. 5630. 6380. 7170. 8030. 8981. 001

　　150. 6940. 4230. 4860. 5540. 6270. 7050. 7890. 8830. 984

　　200. 7060. 4150. 4780. 5450. 6160. 6920. 7760. 8680. 968

　　250. 7180. 4080. 4700. 5350. 6050. 6820. 7630. 8530. 952

　　300. 7300. 4020. 4620. 5270. 5960. 6700. 7510. 8390. 935

　　350. 7420. 3960. 4550. 5180. 5860. 6590. 7390. 8260. 920

　　400. 7540. 3890. 4470. 5100. 5770. 6480. 7270. 8120. 905

　　450. 7650. 3840. 4410. 5020. 5670. 6400. 7160. 8000. 892

　　500. 7770. 3770. 4340. 4950. 5600. 6300. 7050. 7880. 880

　　550. 7890. 3720. 4280. 4870. 5520. 6200. 6950. 7760. 866

　　600. 8010. 3670. 4220. 4800. 5430. 6110. 6840. 7650. 853

　　650. 8130. 3610. 4150. 4730. 5350. 6020. 6740. 7540. 840

　　700. 8250. 3560. 4090. 4660. 5270. 5940. 6650. 7420. 828

　　750. 8370. 3510. 4030. 4590. 5200. 5850. 6550. 7310. 816

　　800. 8490. 3450. 3980. 4530. 5120. 5760. 6450. 7300. 804

　　850. 8610. 3410. 3920. 4460. 5050. 5680. 6370. 7220. 794

　　900. 8730. 3350. 3870. 4410. 4980. 5600. 6280. 7010. 783

　　950. 8850. 3310. 3820. 4340. 4910. 5530. 6190. 6920. 772

　　2. 5　系統測試

　　軟件編寫完成以后, 為驗證系統設計軟件的正確性、實用性, 我們以西安滅火設備研究所的燃燒室為例, 采用軟件對該防護區進行了系統設計, 于 2001 年 8～ 9 月組織進行了多次滅火試驗, 試驗時A、B 類火一并進行, 實驗非常成功, 有效滅火時間為 19 s, 滅火劑有效噴放時間為 54 s, 跟系統軟件設計結果基本吻合; 配合產品送檢, 我們于 2001 年 9、10 月在天津消防科研所再次進行了滅火試驗,A 類火滅火時間 16 9 s, 未復燃,B 類火滅火時間僅 4 s, 試驗結果與軟件設計相吻合, 進一步驗證了該項目研究的理論模型的正確性, 系統設計軟件的可行性。另外我們還結合實際工程設計, 對軟件進行了三次升級, 現行版本為 1 3 版。

　　3　系統設計

　　中期壓力與氣瓶充裝壓力和氣瓶容積以及包括氣瓶在內的管路總容積有關, 它是水力計算的基礎。 作為系統壓力計算的一種檢驗, 我們還提出了初始壓力的概念, 采用下面的公式計算 p 1V 1 ?p ini = (9) V 樣, IG541 滅火系統設計只有具備了先進性、合理性、經濟性, 才能真正起到減少火災的危害, 保護人身生命和財產安全的作用。 在大量的系統工程應用研究試驗的基礎上, 結合我公司的產品特點, 并參考 ISO 14520、N FPA 2001 等相關標準, 提出下列系統設計的基本思路和方法。 ?三通、合流三通、孔板、噴頭等于 滅火系統管路中產生壓力損失的部件主要有　管路壓力損失計算年 月底全部完成并組織進行了數次的驗, 不同部件的壓力損失計容滅火機理--該系統系物理滅火方式, 11 , 是靠降低式中, p ini為初期壓力, p 1 和V 1 為氣瓶充裝壓力和氣瓶 31　系統概述 容積,V 為包括氣瓶在內的管路總容積。IG541 滅火系統是近年來新發展起來的一種新型 2. 4. 4 氣體滅火系統, 是當前鹵代烷滅火系統的主要替代品 : 之一也是現有所有氣體滅火系統中唯一可在環境保器閥、導管、單向閥、集氣管、選擇閥、直管、變徑、分流 護方面打滿分的“綠色”滅火系統。 算采用不同的方法。 防護區內的氧氣濃度到不支持燃燒來撲滅火災。 在上述試驗和數學理論模型的整理基礎上, 由我系統類型--系統設計只能采用全淹沒方式(由們組織人力對該系統工程應用軟件進行了集中開發, 于滅火劑噴放屬氣體單相流, 故不能采用局部應用噴 2001 7 , 射使用) , 有組合分配系統或單元獨立系統兩種使用形證, 并于 2001 年 10 月經過天津消防科研所送檢滅火 式。 系統的檢測, 取得很好效果。

　　同其他氣體滅火系統一　　應用范圍--能撲救封閉空間內的A 類表面火、 B 類易燃液體火及C 類電氣火; 不能用來撲救D 類可燃金屬及易反應的金屬火 (如: 鉀、鈉、鈣、鎂、鈦、鋯等) , 含有氧化劑的化合物, 如硝酸纖維火、金屬氫化物等火災。典型采用的防護區有: 計算機房、地板夾層、磁帶庫、通訊交換機房、拱頂房、工藝處理設備間、所有經常有人工作的場所或不是經常有人但非常靈敏或無法更換的電子設備區域等。系統主要技術參數:

　　儲存間溫度范圍: 0℃～ 50℃ 儲存壓力(20℃): 15 0M Pa

　　滅火劑噴放時間: 不宜大于 60 s, 不得超過 80 s 噴嘴末端壓力: ≥2 管道容積與鋼瓶容積比

　　從孔板到第一個三通接頭的長度不小于管徑。

　　32　設計思路

　　確定并劃分防護區→滅火劑用量計算→確定滅火劑儲瓶型號及數量→確定滅火劑儲瓶設備間→布置噴嘴→管網布置→管網計算→確定噴頭及減壓孔板型號 →提供詳細的施工圖和材料明細表→提供施工、驗收的技術要求及驗收標準。

　　33　系統設計

　　為了合理設計 IG541, 必須嚴格遵循以下步驟進行。

　　3.3. 1　防護區的確定--消防的關鍵要點之一確地確定防護區和進行全面的調查否適合保護該防護區。

　　3.3. 2　計算防護區的最終凈容積--防護區的最終凈容積= 凈容積 (即:

　　) - 實體可移動物體總體積。如果實體可移動物體總體積小于凈容積的 25% 物體的體積。

　　3.3. 3　確定最小設計濃度-- 火災的最小設計濃度為

　　庚烷、丙酮、異丙醇和甲苯

　　375%。

　　3.3.4　滅火劑用量計算--可按滅火劑用量計算公式求得或采用查表法。公式同

　　查表法直接按滅火劑設計濃度和預期的最低防護區環境溫度從淹沒系數表中查得淹沒系數區的最終凈容積即可。 3.3.5　確定鋼瓶數 n

　　換算容量(70 L 鋼瓶的換算容量為

　　3. 3. 6　計算系統實際滅火劑量--X= 鋼瓶數量× 鋼瓶換算容積。

　　整加 1; 即: : n =IN T (X gV 0) + 16。m 實

　　3. 3. 7　驗證實際滅火濃度--驗證實際滅火濃度是否處于8% 的設計濃度范圍內。根據實際滅火劑量和預期最高防護區溫度, 可按公式(8) 反求出濃度C 亦可按淹沒系數表求得。

　　3. 3. 8　確定系統噴放時間--按公式(8) 反求出通常環境溫度下的濃度,查表 2 得出系統噴放時間(m in)。

　　3. 3. 9　估算系統流量--為了確定系統的流量, 應按滅火劑設計用量除以以分鐘為單位的全部噴放時間。即: 設計用量÷噴放時間。

　　估算所需的孔板尺寸--按表 4 來確定孔板

　　確定噴嘴數量--把防護區的長度除以 6 m 再用防護區的寬度除以 6 m 取整加一, 把以上兩個結果相乘得到噴頭數量。說明單個噴嘴的最大覆蓋面積為 ×6 m;

　　當防護區的高度大于60 m

　　計算每個防護區的噴嘴流量--系統流量÷

　　3. 3. 13(從離

　　, 依次對系統

　　, 用、2、

　　估算管道及噴嘴尺寸--從噴嘴往回計算來 , 并標注

　　Q

　　3., 式中F

　　P

　　,in) ,為

　　可由建筑圖中得到,如果

　　管網計算--依據管網平面圖、系統圖及有運用計算機程序來確定最終的管道

　　(541 滅火系系統管網計滅火系統設計管網計算只能采用計算機程序來完成。該計算機程序是通

　　在大量的工程應用研究試驗的基礎

　　校核實際系統性能--核查修改后的各項指

　　標是否與實際系統要求相符合, 若不符應重新確定參 表2　IG-541 系統噴放時間表數并計算。核算項目如下: 滅火濃度噴放時間 s 滅火濃度噴放時間 s 滅火濃度 噴放時間 s ?在最高溫度時藥劑濃度應處于允許的范圍內 37. 5% 30. 0 39. 6% 47. 5 41. 7% 65. 0 (在有人場所為 37 5%～ 42 8% ); 37. 8% 32. 5 39. 9% 50. 0 42. 0% 67. 5 38. 1% 35. 0 40. 2% 52. 5 42. 3% 70. 0 藥劑量高于需要的初始設計藥劑量; 38. 4% 37. 5 40. 5% 55. 0 42. 6% 72. 5 管網計算所得的噴放時間等于或小于各防護區 38. 7% 40. 0 40. 8% 57. 5 42. 8% 75. 0 列出的噴放時間。 39. 0% 42. 5 41. 1% 60. 0 43. 1% 77. 5 39. 3% 45. 0 41. 4% 62. 5 43. 4% 80. 0 3. 3. 18　結果整理--根據最終的計算結果, 整理出完整的施工圖紙及詳細 的材料清單。 表3　氣壓修壓系數 3. 4　組合分配系數 海拔(km) - 0. 92 - 0. 61 - 0. 30 0　 0. 30 0. 61 0. 91 1. 22 1. 52 1. 83 2. 13 2. 45 2. 74 3. 05 在認為所有的防壓力(cmHg) 84. 0 81. 2 78. 7 76. 0 73. 3 70. 5 67. 8 65. 0 62. 2 59. 6 57. 0 55. 0 52. 8 50. 5 護區不會同時著火時 修正系數 1. 11 1. 07 1. 04 1. 00 0. 96 0. 93 0. 89 0. 86 0. 82 0. 78 0. 75 0. 72 0. 69 0. 66

　　, 組合分配系統能用來保護多個防護區; 對每個防護區必須進行單獨的系統設計;

　　集流管的設計應能保證最大防護區滅火劑流量的需要;

　　對于組合分配系統計算應從最大防護區系統開始, 計算完成后再依次完成其余系統的計算;

　　選擇閥既能安裝于孔板上游, 亦可安裝于孔板下游;

　　孔板與選擇閥之間的最大距離為 6 m; 孔板處于選擇閥上游時, 它們之間的最小距離為 10 倍管徑。

　　35　附錄

　　見表 3 4 5。

　　雖然我們作了部分 IG541 滅火系統工程應用研究工作, 但筆者認為遠遠不夠, 而且我們所作的研究主要針對自己企業的產品, 不足以適合其他生產廠家的產品, 所以該系統的工程應用研究還將是一項艱巨任務, 只有所有的消防企業、研究部門同心協力、共同努力, 視消防事業發展為己任, 才能真正把我國消防工業發展壯大。