IG-541-灭火系统的设计及计算方法

IG-541 灭火系统的设计及计算方法王致新、王煜彤【关键词】洁净气体灭火剂【论文摘要】IG-541是近年来得到广泛应用的性能较为优越的一种“洁净气体”灭火剂。它是由52%氮气，40%氩气和8%二氧化碳组成的混合气体。密度略大于空气，无毒，无色，无味，惰性，无腐蚀性，且不导电，既不支持燃烧又不和大部分物质产生反应，所以可称为纯天然的洁净气体灭火剂。 一前言IG-541是近年来得到广泛应用的性能较为优越的一种“洁净气体”灭火剂。它是由52%氮气，40%氩气和8%二氧化碳组成的混合气体。密度略大于空气，无毒，无色，无味，惰性，无腐蚀性，且不导电，既不支持燃烧又不和大部分物质产生反应，所以可称为纯天然的洁净气体灭火剂。IG-541的灭火机理属于物理灭火方式。施放后靠把氧气浓度降低到不能支持燃烧来扑灭火灾。正常情况下，室内空气中含有21%的氧气和小于1%的二氧化碳。一旦发生火灾时，如果能将着火房间内氧气的浓度降低到15%以下，大部分普通可燃物就会停止燃烧。另一方面，将IG-541气体喷放到保护区后，在氧气浓度降低到12.5%以下的同时，还可使二氧化碳的浓度提高到4%左右。大气中二氧化碳浓度的增加可加快人体呼吸速率和加大吸收氧气的能力。也就是说，用二氧化碳来刺激人体更深和更快的进行呼吸，从而可补偿环境气氛中较低的氧浓度，使处于室内的人员生存条件大大改善，不至于因窒息而死亡。由于IG-541是由大气中存在的气体混合组成的，所以它既没有臭氧耗损潜能值（ODP）。也不会对地球的温室效应产生影响，更不会产生具有长久大气寿命的化学物质。从环保角度讲是一种较为理想的洁净灭火剂。同时它也是一种有效的灭火剂，用全淹没方式能扑灭封闭空间的A类表面火，B类易燃液体火灾及C类电气火灾。但是，由于IG-541是单相气体灭火剂，所以它不能作局部喷射使用，也不能以灭火器方式使用。与其他气体灭火系统相比，IG-541灭火系统所用的灭火剂体积相当大，因而需要更多的储气瓶和更粗的管道。此外，它的管道压力也特别高。如果系统设计不当，喷放时还会因管道中的IG-541气体流速达到音速而产生音障，流动受到很大的阻力；超过音速时所产生的爆震还会使系统遭到破坏。应用范围：IG-541灭火系统适用于扑救下列火灾：可燃液体和可熔化固体的火灾；可燃气体的火灾；可燃固体的表面火灾；电气火灾。IG-541灭火系统适用于保护封闭空间的场所，其典型火灾危险场所：电气和电子设备室；通讯设备室；国家保护文物中的金属、纸绢质制品和音像档案库；易燃和可燃液体储存间；喷放灭火剂之前可切断可燃、助燃气体气源的可燃气体火灾危险场所；经常有人工作的防护区。IG-541不适用于扑救下列火灾：硝化纤维、火药等含氧化剂的化学制品火灾；钾、钠、镁、钛、铀、锆等活泼金属火灾；氢化钾、氢化钠等金属氢化物火灾。由于IG-541灭火系统具有很多独特优点，因而近年来国内外使用日益广泛。但是，如果不能进行快速、精确的设计计算，这种系统的灭火可靠性就无法保证。遗憾地是，IG-541灭火系统的设计计算方法迄今仍被国外个别产品供应商所控制。因此，我国迄今还无法编制出自己的具有自主知识产权的IG-541灭火系统设计计算方法。不久前，作为地方性工程建设规范，上海市制订了“惰性气体IG-541灭火系统技术规程”。不过这套技术规程中也未能提供管网设计计算方法。因此，我国唯一的这套地方性IG-541工程设计规程中针对我国的具体情况还是只能无奈地规定：“IG-541系统管网流体计算应为气体单相流，并宜采用专用的计算机软件计算。设计单位和产品供应商应对计算结果负责。”在这套规程的条文说明中又进一步说：“这样的计算用手工来完成是不可能的。因此规定宜采用计算机软件计算。同时考虑到这样的计算机软件并未商业化，多数掌握在产品供应商手中，一般的设计单位暂时还无法取得。因此规定设计单位和产品供应商共同对计算结果负责。”我们是首批通过国家认证的63家软件企业之一，也是国内唯一专业从事消防工程软件开发的单位。对于IG-541灭火系统，我们的主要任务就要要打破国际垄断，独立解决问题并取得自主知识产权，使我国的IG-541灭火系统更经济、更可靠、更迅速地独立自主地发展起来。我们希望我国的IG-541灭火系统硬件生产企业能和我们共同努力，尽快地打破IG-541技术的国际垄断。现在，我们自主研究开发的这套IG-541灭火系统的设计计算方法和在此基础上开发的IG-541灭火系统设计计算软件已经获得了知识产权；即将投放市场。二、系统组件及要求1.系统组件IG-541全淹没灭火系统主要由储存钢瓶，钢瓶架，启动钢瓶，减压装置，选择阀组成。储存装置宜由储存容器、容器阀、高压软管、单向阀、安全泄压阀、集流管和压力指示器等组成并由支架固定。2.组件的基本要求A储存容器应能承受最高环境温度下灭火剂的储存压力，储存容器上应设泄压装置。对于主、备用系统或组合分配系统，应在集流管上的封闭管段上设置安全泄压装置。当储存绝对压力为15MPa（20）时，其泄压动作压力值应为20.6251.031MPa。B储存容器应设压力指示器。当储存容器中充装的IG-541压力损失超过10%时，应及时补充。C备用量的储存容器应与系统管网相连，应能与主储存容器切换使用。D储存容器上应设耐久的固定标牌，标明每个储存容器的编号、容积、充装压力和充装日期等。E储存容器间宜靠近防护区或有人值班处，其出口应直通室外或疏散走道；储存容器间的室内温度应为0-50，并应保持干燥和良好通风，避免阳光直接照射；F组合分配系统中，每个防护区都应设置能自动启动的选择阀。当一个防护区设有二个以上选择阀时，应有确保手动启动装置同时开启的措施。G灭火剂输送管道应采用GB/T8163输送流体用无缝钢管。H.灭火剂输送管道可采用螺纹连接、法兰连接或焊接。公称直径等于或小于80mm的管道，宜采用螺纹连接；公称直径大于80mm的管道，宜采用法兰连接。三、防护区1.防护区围护结构及门、窗的耐火极限不应低于0.50h，吊顶的耐火极限不应低于0.25h；防护结构及门窗的允许压强不宜低于1.2kPa；2.防护区不宜有不能关闭的开口。开口面积应小于防护区总表面积的3%，且不能设置在底面。防护区内与其它空间相通的开口，除泄压口外，应能在灭火剂喷放前自动关闭；否则应将防护区扩大到与之相通的空间或采取防止或补偿灭火剂流失的措施；3.应确定防护区预期最高和最低环境温度，以计算所需要的灭火剂量。对于通常有人工作的防护区应注意在预期最高环境温度时计算的浓度值不应超过规定的无毒性反应的最高浓度（NOAEL）。四、泄压口密闭性良好的防护区应设置泄压口，泄压口应设置在防护区室内净高2/3以上，且应高于保护对象，并宜设在外墙上。泄压口宜具有泄放多余压力后自动关闭以及防止火灾蔓延的性能。泄压口的最小面积：Af=0.0135Q/P1/2式中：Af泄压口面积（m2）；Q防护区内IG-541的峰值流量（m3/min）Q=GM0/t其中G=2.7M0（m3）为灭火剂的实际充装量t（min）为喷射时间；P围护结构承受内压的允许压强（Pa）根据围护结构的类型确定，一般轻型围护结构为1.20kPa，中型围护结构为2.4kPa，重型围护结构为4.8kPa。五、组合分配系统的要求1.每个防护区必须单独设计；2.灭火剂设计用量按该系统所保护的防护区中灭火剂需要量最大者确定；3.选择阀可安装在减压孔板的上游或下游。如果减压孔板处于选择阀的上游，则减压孔板到第一个三通的长度不应小于管径的10倍。4.在设计组合分配系统集流管时，必须在启动管路上安装单向阀。六、IG-541灭火系统的管网布局1.喷嘴的数量和口径应满足喷嘴最大保护半径和灭火剂喷放量的要求；2.喷嘴的最大安装高度为6.0m，超过6.0m时应在高度方向另外加设喷嘴；3.管道容积与储存容器的最大容积比：66；4.喷嘴孔径与其连接管道直径之比应在20至70范围内；5.集流管中减压孔板孔径与其连接管道直径之比应在13至55范围内；6.管道分流应采用三通，通过三通的IG-541最大允许分流百分比为95%:5%。而且对于直流三通，其旁路出口必须为两路分流中较小部分。7.多个储瓶应分组安装。通常一条管径为50mm的集流管大致可接10个储瓶；根据所需的储瓶总数，设计的几条集流管并连后汇集到直径更大的总集流管。减压孔板应设在总集流管中。孔板上下游的直管段长度应符合有关规定。孔板的孔径与连接管径之比应在13-55%范围内。8.由于IG-541灭火系统喷放的灭火剂是单相气体，体积流量相当大而且管段下游的压力逐渐降低。因此，在管径不变的一个管段中，随着管长增加和下游压力的降低，IG-541气体的体积也增大，因而流速也增加。在管径不变的一个管段中，随着管长增大下游的流速也增大。当管长增大到一定程度时，从某一截面开始，管段流速甚至会超过音速并产生突破音速时的爆震现象。为了防止产生爆震，经常采用的方法是：将总集流管下游的主干管管径增大一挡，以降低流速。因此，对于IG-541系统的管道，选择管径的基本原则是：输送相同体积流量的IG-541时，短管可选择较小的管径；而长管的管径则应较大。上海市的惰性气体IG-541灭火系统技术规程条文说明中IG-541灭火系统管道流量允许范围表内给出了各种规格管材6.1m的短管和30m长管的允许最大流量和最小流量。从表中可以看出：同一管径不同管长时，允许的流量与管长成反比的根本原因就在于要避免产生音障问题。但这一问题一直被人们有意或无意地忽略和掩盖了。精确控制流速小于音障的临界管长可按下式计算：Lmax=(1-Mc2)/1.517Mc2+0.8276ln1.2585Mc2/(1+0.2585Mc2)D/4f(mm)Mc流体在管段上游节点处的马赫数(马赫数Mc=流速/音速)Mc=3.972Q/D2TnTn=管段上游节点处的温度(K)；Tn=4.098Pn/D管径(m)f摩擦系数.f=1/41.742log(0.2/D)2管段上游节点处的密度(kg/m3)Pn-管段上游节点处的压力有关音障及其计算问题的详情请参见我们在亚洲消防与保安2002年第12期中发表的“IG-541灭火系统设计中的音障问题”。七、IG-541灭火系统设计计算的必要性目前国内对IG-541灭火系统是否确有必要进行精确的设计计算问题有两种不同的意见。前一段时间，有一种颇有影响的流行观点认为：“IG-541灭火系统的结构形式虽然与二氧化碳及卤代烷灭火系统大体相同，但在系统设计计算上要方便许多”。甚至认为：只要管网容积不大于该系统所用储瓶的总容积，“系统流程所有的计算，包括喷射时间的计算都可以不用做了”(摘自某IG-541灭火系统说明书)。另外一种意见则认为：IG-541灭火系统中使用的灭火剂数量、流量及输送管道规模都相当大，压力也是固定灭火系统中最高的；而且管件的当量长度值与沿程损失之比也相当大，绝对不能忽略，不进行设计计算无法确保质量。如果IG-541系统的设计计算果真如前一种论点所说的那样轻易地就“可以不用做了”，那么国外的著名消防公司为何还要把IG-541灭火系统的设计计算方法视为珍宝，垄断起来，即使在美国NFPA标准中也要为其计算方法保密。因为缺乏设计计算方法，我国上海市地方标准惰性气体IG-541灭火系统技术规程中也无可奈何地将设计计算问题推到国外那一家公司去。IG-541灭火系统的设计计算是否必须进行？设计计算要解决的核心问题又何在呢？IG-541是单相气体流，为了尽量减小储存容器的容积，就必须尽可能地提高储存压力。现在通用的储存压力为15Mpa。与此同时，为了减小IG-541在管道内传输过程中的压力，又必须在储罐出口处通过减压单向阀将压力从15MPa快速减小到7MPa。然后再进入集流管。与其它固定灭火系统相比较，IG-541灭火系统不仅系统压力高、管网尺寸也庞大得多。此外，即使是在设计计算条件下，喷嘴出口处的压力也需要降到近2MPa。可见，压力下降的幅度非常之大。压力大幅度下降带来的必然结果是：IG-541气体在管道中流动的同时，其体积迅速膨胀，因而在管径不变的管道中，质量流量不变的条件下，随着管长的增加，IG-541在管道中的体积流量和流速都将迅速增大。当管长增加到某一数值时，流速就会达到音速。一旦某一管段中的某个截面的流速达到了音速，就会出现“音障”阻碍流体流动，流速突破音障时还将产生剧烈的“爆震”。这两种现象都可能给系统造成严重破坏，甚至失去灭火能力。目前，我国已建成的一些IG-541灭火系统集流管中未设减压孔板，其结果是开始喷放时管道中的瞬时压力特别高、压降特别大，高压在较长的管道中渲泄时体积流量和流速也随之增加，且增大的梯度也相当大。因此，这种不设孔板的设计方案会带来整个系统的沿程压降梯度都相当大、爆震问题也特别严重。但是，这一问题一直未得到国内同行的充分注意。此外，由于IG-541的管网一般都比较庞大，干管和支管一般都比较长，所以国外IG-541灭火系统的集流管中除了必须采用减压孔板外，通常还要将孔板下游主干管的管径加粗，用以降低IG-541在干管中的流速。理论计算表明：产生爆震的管道长度与管径成正比。即管径越大，产生爆震的危险越小。遗憾地是：迄今，还有些人对这一问题的严重性认识不足。甚至还有人说：“不至于那么严重吧，超音速？哪至于？”现在来看一个示例：某个典型的IG-541灭火系统，其储存压力为15MPa，减压单相阀出口压力为7MPa，集流管管径为100mm，设计时考虑两种情况：分别代表集流管中设和不设减压孔板。1集流管中不设减压孔板：为了便于比较，假定设计工况下，在集流管应设孔板处的断面上压力为3.5MPa，瞬时流量为平均流量1200kg/min，这时集流管中应设孔板断面的下游1.33m处的流速就已经达到了音速。2集流管中设减压孔板：如果同一系统在集流管中安装了应有的减压孔板，在集流管管径不变的条件下，达到音速的管长可增大6倍。如果更进一步，再将孔板下游集流管的管径增大，则达到音速的临界管长会随着管径的增大成正比增加。从上海市地方标准惰性气体IG-541灭火系统技术规程条文说明中的IG-541灭火系统管道流量允许范围表内即可清楚地看出，对于不同管径的各类管材，管径相同且管长分别为30.5m和6.1m时，亦即管长增大到原来的6倍时，该管段允许的最大体积流量也增大了6倍。可见在IG-541灭火系统中流速大是一个突出特点，并且很容易产生音障和爆震。这种情况绝对不能忽视。我国已建成的许多IG-541系统都忽视了这个问题。其突出表现是在集流管中未设减压孔板，并且忽视了孔板下游集流管的管径是否该加大的问题，从而导致IG-541在下游管道中快速降压和流速迅速增大，以至喷放时产生爆震的问题比较普遍也相当严重。由此可见，IG-541灭火系统必须进行严格设计计算，否则可能产生的严重问题也就十分明显了。另一方面，国外在设计IG-541灭火系统时都要求进行设计计算。由于IG-541灭火系统是单相气体流动，而且在1分钟左右的喷射过程中管网中的压力和流量都同时迅速下降，要保证IG-541能在适当时间内以适当的压力和流量喷射到保护区内，其流体力学计算过程要比水灭火系统复杂得多。因而，不进行足够精确的设计计算，就无法确保灭火系统能按规范要求进行工作。这也就是国外标准中迄今不公开设计计算方法，一直为个别公司的设计计算方法保密以便维护其技术垄断地位的主要原因。这也是我国独立解决了IG-541设计计算方法和开发出具有自主知识产权的IG-541灭火系统设计计算软件的重大意义之所在。有了具有自主知识产权的设计计算软件，不仅解决了我国国内所有IG-541灭火系统的质量保证问题，同时还解决了我国设计单位设计国外IG-541灭火系统的知识产权问题。打破IG-541灭火系统设计计算方法的国际垄断，还意味着我国的设计部门可直接打入国外IG-541灭火系统的设计市场，我国的IG-541硬件产品也可随之进入国外消防工程市场，从而可带来巨大的经济效益。对此我们必须有充分的认识。八、IG-541灭火系统设计计算要解决的核心问题从以上分析可见，IG-541灭火系统必须进行设计计算的主要原因有二：其一是防止发生爆震；其二是传统流体力学计算。这也就是IG-541灭火系统设计计算要解决的核心问题。1首先来看防止发生爆震问题。由于IG-541在管网内是单相气态流动，所以计算时可按计入摩擦损失的等熵绝热流动过程处理。等熵绝热过程方程为P/K=N（常数）P压力密度对于IG-541N=593.38K=1.447随着压力的下降，气体体积迅速膨胀。所以同一管段中，下游体积流量和流速都要比上游大。管段越长，产生音障的危险越大。所以在IG-541灭火系统的设计计算中，管段的管长因受到音障的限制而变成极为敏感的一个参数。首先应计算各管段上游节点处流速的马赫数（马赫数M=流速/音速）M流体在管段上游节点处的马赫数M=3.972Q/D2nTn0.5=V/(KRTn)0.5=4Q/Dn(KRTn)0.5Q管段流量（kg/s）D管径(m)f摩擦系数f=1/41.74-2log(0.2/D)2n管段上游节点处的密度(kg/m3)Tn管段上游节点处的温度(K)Tn=4.098Pn/n(K)Pn管段上游节点处的压力代入后M=0.0662Q/D2nQ/D2n(4.098Pn/n)=0.0327QN1/K/D2Pn(1+l/K)/2即流体在管段上游节点处的马赫数M=13.847Q/(D2Pn0.845)由此式可见：流量大、管径小和压力低时管段的马赫数就大，达到音障的危险也就越大。同时还应注意到：流体在管段上游节点处的马赫数不仅不能达到1，而且还应为流体在管段下游膨胀产生的流速增加留有余地。所以设计IG-541灭火系统时还应对管段的临界长度进行校验。临界长度Lmax=(1-M2)/1.517M2+0.8276ln1.2585M2/(1+0.2585M2)D/4f(mm)即使流体在管段上游节点处的马赫数未达到1，当管段的长度超过这一临界长度时也会因达到音速而产生音障并且在突破音障时会发生爆震。上海市地方标准惰性气体IG-541灭火系统技术规程条文说明中的IG-541灭火系统管道体积流量允许范围表内的数值就是根据这一原理生成的，而且从表中的数据可明显看出，管径不变的条件下不产生爆震所允许的极限体积流量与管长成反比。正是上述临界长度的公式定量地反映了这一关系。或者说，表面上看大量数据来历颇为神秘的IG-541灭火系统管道体积流量允许范围表中的数据都与这一关系式直接相关。2管网沿程损失和局部损失的计算问题曾经有一种流行的看法认为：因为IG-541灭火系统是单相气体流动，所以就可以省去管网压力损失的设计计算。事实上，由于IG-541在气体灭火系统中工作压力最高，喷射时压降梯度也很大。设计计算时系统压力从15MPa的储存压力一直降到喷口处接近2MPa。造成大幅度压降的原因正是管网的沿程损失和局部损失。此外，与其它灭火系统有巨大不同的一点是：IG-541灭火系统的局部损失与沿程损失相比所占比例要大的多，往往是“不算不知道，一算吓一跳！”不进行精确的管网计算，不仅无法确保不发生爆震问题，而且无法保证喷口压力和喷射时间这两项基本设计要求。显然，难题主要在于如何才能快速、精确地进行这一计算。这一技术一直被国外某一家公司所垄断。天津市兆龙软件开发有限公司是我国唯一专业从事消防工程设计软件开发的高新技术企业。由兆龙公司独立开发并具有自主知识产权的消防工程CAD在国内已具有较大影响。经过两年的艰苦努力，我们最近又成功地开发了IG-541灭火系统的设计计算软件并已在2003年5月在国家版权局登记获得了知识产权。因此，我国的IG-541灭火系统的设计计算方法已经获得解决，设计计算软件即将投放市场。设计单位可用此软件极为方便地对均衡和非均衡IG-541灭火系统进行精确的设计计算，并能打印出详尽的设计计算书。九、设计计算过程1灭火剂设计用量IG-541灭火剂设计用量按下式计算：M=2.303Vs/Slog(100/100-C)VK（1）式中：M灭火剂设计用量（m3）；SIG-541过热蒸汽比容（m3/kg），可由下式求得:S=0.65799+0.00239T，T防护区内预期最低环境温度（）；C灭火剂设计浓度；V防护区的净容积（m3）；VS20时灭火剂的比容，0.707m3/kg。K海拔高度系数。当防护区所处位置高度的大气压与标准大气压之差超过11%时，应考虑海拔高度修正系数的影响。K=5.3788x10-9H-1.1975x10-4H+1其中H为海拔高度（m）确定灭火剂设计浓度时，应符合以下规定：A扑灭可燃液体火灾、可熔化固体火灾、可燃气体火灾、可燃固体的表面火灾、电气火灾的最小设计浓度应为37.5%；B部分可燃液体的最小设计浓度可按上海市IG-541设计规程中的附录B确定；C经常有人工作的防护区的最大设计浓度为43%，并应在防护区预期最高环境温度条件下按（1）式进行复核。D存在多种可燃物时，灭火剂的设计浓度应根据可燃物中数量较多、火灾危险性较大的可燃物的设计浓度来确定；E对有爆炸危险的防护区应采用惰化浓度。部分可燃物的最小惰化浓度可按上海市设计规程中的附录C确定。F当防护区为不间断保护的重要场所，或者在48小时内补充灭火剂有困难者，应设置备用量。备用量应为100%灭火剂设计用量。G上海市IG-541设计规程中还规定：IG-541灭火系统储存容器和管网中的剩余量不予计算。2平均设计流量灭火剂的喷放时间应保证在60秒内达到最小设计浓度的95%。不同设计浓度下的喷射时间可按下面给出的附表确定：附表IG-541灭火剂的喷射时间浓度%（V/V）时间（s）浓度%（V/V）时间（s）37.530.040.857.537.832.541.160.038.135.041.462.538.437.541.765.038.740.042.067.539.042.542.370.039.345.042.672.539.647.542.875.039.950.043.177.540.252.543.480.040.555.0 （1）主干管的平均设计流量Qm=M/t（kg/min）(2)式中，M防护区设计用量,kgt喷放时间，min（2）单个喷头的平均设计流量Qp=Qm/Np(kg/min)(3)式中，Np喷头总数。个Qm主干管的平均设计流量。（3）各支管的平均设计流量NpQz=Qp(kg/min)(4)1Np该支管流程下游的喷头数量。Qp单个喷头的平均设计流量(kg/min)。3设计计算的基本原则（1）按等熵绝热、有摩擦的恒定一元气体单相流动过程计算（2）集流管中孔板下