IG541 灭火系统工程应用研究与系统设计

　　1　引言

　　IG541气体灭火系统是利用IG541 (由氮气、氩气、二氧化碳等特殊惰性气体通过简单的物理方式混合而成的一种新型气体灭火系统)作为灭火介质。因其具有诸多优点，特别是对洁净灭火剂的使用，自1994年该系统投入使用以来，已在世界五大洲的几十个国家和地区得到广泛应用，我国也已有多个工程项目采用，且基本以进口产品为主。因其与其它气体灭火系统又有区别，所以灭火剂以纯气态存储，其喷放过程属于气体单相流，是一种可压缩气体流动，尽管产品硬件可以借鉴其它气体灭火系统，但系统设计上仍有一定的借鉴。, 特别是管网流体计算, 涉及大量的可压缩知识, 国内国外在这方面的现有资料也非常缺乏, 在我国目前尚没有进行过系统的工程应用研究, 使得这一问题成了国内诸多生产厂家的最大头疼, 也直接制约着国产装置在我国市场的推广工作。为了寻求该系统设计计算的数学理论模型, 为了我国消防事业的发展, 同时考虑产品开发的进度, 我单位与在空气动力研究方面比较权威的西北工业大学航空动力与热力工程系 703 教研室进行了技术合作。

　　2　系统工程应用研究

　　21　研究方案的确定

　　IG541 灭火系统工程应用研究的目的是寻求系统工程应用设计的管网流体计算的数学理论模型, 把系统灭火剂喷放过程的动态问题静态化。这样就可以简化系统工程应用设计, 用一种比较简单的数学理论模型对该灭火系统进行工程设计计算, 达到设计与实际工程应用的情况相符合或比较接近。寻求这种理论模型的关键是对喷嘴和减压装置 (孔板) 流量特性的测试,通过这两类主要系统部件的详细流量特性的测试, 便可以对系统灭火剂喷放过程的流动特性有清晰的了解, 进而为系统工程应用的喷嘴与减压装置最佳组合选型提供依据, 为用户提供一套可靠的系统设计。

　　由于该系统灭火剂以高压 (15M Pa) 气态方式储存, 灭火剂喷放过程中在管道中的流动属非定常流动, 要了解此过程中的流体运动参数(如压力、密度、温度、速度、流量等) , 必须采取试验与气动力学结合的方法, 通过对压力和温度的实时测量, 计算出密度、速度及流量等参数。并且由于该过程灭火剂压力是连续变化的, 传统的数据采集方法难以胜任, 所以在数据采集方面, 我们采用了高精度的动、静态压力传感器配以工业控制计算机进行数据的实时采集与控制系统。

　　在减压装置的减压特性试验中, 采用阀前、后的管道截面中心位置处分别放置“皮托管”, 测定出该截面处的总压和静压, 采用热电偶电阻测量实验环境温度作为气瓶内的总温, 按照气动知识计算出质量流量, 绘制出减压特性曲线; 喷嘴试验亦采用“皮托管”测量总压和静压, 经计算整理得出喷嘴的流量特性曲线。

　　22　喷嘴特性测试试验

　　在 IG541 灭火系统管网设计中, 需要对设计管网各部件的流体力学特性有清晰的了解。喷嘴型号主要根据喷嘴的喷射压力与喷射流量的关系或喷射压力与比流量之间的关系等进行确定, 上述这些关系必须通过试验手段来获取。

　　221　测试原理

　　由气体动力学可知, 对于完全气体, 单一管路中任意流动截面, 其流量都相等。因此流量测定理论上可在管路任意截面上进行。

　　本试验采用“截面平均速度法”进行流量测定。该方法是在选定的流动截面上,按切贝切夫法或线性法在布置的测点上测出各点的气流速度, 取其平均值作为该截面的平均速度, 再乘以该截面面积, 即可得到流量(体积流量)。在本次喷嘴流量测量中, 由于管道流动

　　截面较小, 故在喷嘴上游 3D 距离的管道截面上(2) 喷嘴流量计算

　　0齐的管道壁面上沿径向对称开设两个静压测试孔707R 处, 安装一个总压测针, 在与总压测针孔口平通=k + 1121 -pk-k 112(5)

　　,k -1p 0

　　过压力传感器测出该截面的平均总压和平均静压, 使1

　　用测温热电偶测量实验现场的大气温度作为气瓶内的(k1 -k + 1 21p 0 A 总温。根据可压缩气体的伯奴利方程求出该截面上的

　　平均速度其中(6)

　　m --喷嘴流量 --速度系数

　　k--比热比(对 IG541 气体, k= 1 46) p 0--喷嘴喷射总压 p --喷嘴喷射静压

　　T 0--喷流总温

　　R --气体常数, 对 IG541 的R = 243 9

　　(3) 实验测试结果:

　　我们共进行了 3、、、、、、、10、11、12、13、14、

　　15、16、18、20、22、24 号等各种型号喷嘴试验, 绘制了总压喷射时间曲线、静压喷射时间曲线、喷嘴压力图1　喷嘴流量测试装置示意图流量等曲线, 为工程应用设计软件的编写提供依据。图总、静压及总温测量采样由计算机自动完成, 整个 2 为喷嘴进口压力与平均流量关系曲线。

　　流量。喷嘴流量测量装置示意图如图P静压孔g总0表压、,、再乘以该截面面积静、压力传感器g信号适调器, 即可求出该截面的平均1 所示。化属于非周期动态压力变化传感器测量这种压力变化mαΚ=2α ΚR k2+ 1) 4 Κ5 ,26会产生一定的动态测量误,7采用静态k8 -9 1Κ1(k准静态-1T)0压力2

　　过程流程如下:2. 2. 3　试验结论

　　P0总压测针 压力传感器 信号适调器 本项实验的主要环节是压力测量。由于喷射过程 A D 转换、采集 数据保存、显示 数据处理、绘制曲线 中压力在 60 s 内从 15M Pa 降到 0M Pa, 这种压力变

　　A D 转换、采集 数据保存、显示 数据处理、绘制曲线 差。

　　T0热电偶 A D 转换、采集 数据保存、显示 由图 2 可以看出: 喷嘴进口压力与流量基本呈线性数据处理 变化。当喷嘴型号小于7 时, 喷嘴压力-流量曲线的线性

　　2.2. 2　数据处理与测试结果较差, 测量值较分散; 当喷嘴型号大于 7 时, 其线性很好。

　　(1) 总压、静压计算建议在选用喷嘴时尽可能选用稍大型号的喷嘴。

　　P 0表压 =(V 总 -V 0) × K 传导 (1) P 表压 =(V 静 -V 0) × K 传导 (2) P 0 = P 0表压 + P 大气压(3)

　　P = P 表压 + P 大气压(4)

　　式中

　　P 0--总压(绝压)

　　PP 表压--仪器测量出的总、静压(表压)

　　P 大气压--环境大气压

　　VVV 0--分别为对应传感器输出电压值和初始值

　　K 传导--传感器传导系数图2　喷嘴进口压力与平均流量关系曲线

　　23　减压装置特性测试试验(3) 孔板减压特性计算

　　2.　测试原理p = p 1 - p 2 (7) 减压装置的减压特性除了取决于孔板几何特征 式中　 、 分别为孔板上、下游的静压。

　　外还取决于所流过的流体类型来流的雷诺数流量试验测试结果

　　(或来流速度 因此为了测试减压装置的减压特性 本项试验共进行了 、 、 、 等必须测出其在某一对应流量下该孔板上、下游的静压 规格的 种型号减压孔板减压特性多次试验最后整差或总压差。 理成压差局部损失随流量变化曲线。

　　为了便于工程应用本试验通过测量减压孔板上、 　试验结论下游的静压差来确定孔板的减压特性。在喷嘴前测量 通过本次试验整理出一系列的孔板特性曲线并喷流流量最后给出减压孔板的压力损失-流量 提出了减压装置孔板孔径计算的经验公式为系统工的关系特性曲线。程应用软件的开发提供了一定的依据。

　　在集气管下游安装减压孔板在减压孔板上游适 　理论模型建立当位置 同一截面上对称开设两个静压采样孔在 通过进行以上两项一系列的试验并在多次系统减压孔板下游适当位置 处的截面上开设一个静 灭火试验的基础上结合我们多年来在气体灭火方面压采样孔。测量孔板上、下游的静压为 、。在喷嘴 积累的经验最终建立了该系统设计的数学理论模型:

　　前处设置总压管和静压孔测量总压、静压。通过测　灭火剂用量计算

　　温热电偶测量实验现场总温 根据流量公式 、 灭火剂用量计算的基础是防护区容积和设计灭火 (求出喷嘴流量。试验过程的压力、温度采样由计算 剂浓度防护区容积可按实际容积计算。如果保护区内机自动完成具体流程如下的可移除实物的容积达到总容积的 则需修正防 p护区容积按实际有效容积计算。计算时采用的经验公

　　A式公式参考了的规定如下:

　　p静压孔 压力传感器 信号适调器x = 2. 303 Vlg 100100 CV sK 0(8)

　　60,3.3.)03AD12总压测针热电偶DD21))(转换、采集转换、采集3D, ),((51))),A3g压力传感器((　减压孔板减压特性测量试验装置示意图D62))转换、采集数据保存、显示数据保存、显示, (3), (5(D,:4)) 信号适调器T数据保存、显示0,,, 数据处理、绘制曲线数据处理、绘制曲线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--设计灭火剂用量,m 3; 数据处理--防护区最终净容积,m 3;

　　减压孔板减压特性测量试验装置如图所示。--蒸气比容。用式 S = 065799 +

　　2.　数据处理与测试结果计算其中 为防护区的最低环境温度℃;

　　(总压、静压计算--灭火剂设计浓度。最小设计浓度按公式 、 、 、 计算得出。经常有人工作场所的最大设计浓度为 (流量计算一般无人场所其浓度可以超过。对于按公式 、 求得。全淹没系统防护区的围护必须严密以便在一段时间内保持所要求的浓度来扑灭火灾;

　　V -- ℃时的比容,V s = 07058 m 3

　　kg;

　　K --气压修正系数。见下页表。

　　2. 　水力计算

　　由于灭火系统的压力源为非恒定源整个灭火剂喷放过程是动态过程给系统的工程设计造成难度我们通过一系列的试验验证、比较认为系统的水力计算管网计算) 采用中期压力和管道平均流量计算结果比较符合实际。

　　图　中期压力的确定

　　表1　IG-541 全淹没系统灭火剂用量表(淹没系数表) (℃) (m 3gkg) 34% 38% 42% 463% 50% 542% 58% 3g362%

　　温度比容 S对应灭火设计浓度C 每m 防护区所需的 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　系统测试

　　软件编写完成以后, 为验证系统设计软件的正确性、实用性, 我们以西安灭火设备研究所的燃烧室为例, 采用软件对该防护区进行了系统设计, 于 2001 年 8～ 9 月组织进行了多次灭火试验, 试验时A、B 类火一并进行, 实验非常成功, 有效灭火时间为 19 s, 灭火剂有效喷放时间为 54 s, 跟系统软件设计结果基本吻合; 配合产品送检, 我们于 2001 年 9、10 月在天津消防科研所再次进行了灭火试验,A 类火灭火时间 16 9 s, 未复燃,B 类火灭火时间仅 4 s, 试验结果与软件设计相吻合, 进一步验证了该项目研究的理论模型的正确性, 系统设计软件的可行性。另外我们还结合实际工程设计, 对软件进行了三次升级, 现行版本为 1 3 版。

　　3　系统设计

　　中期压力与气瓶充装压力和气瓶容积以及包括气瓶在内的管路总容积有关, 它是水力计算的基础。 作为系统压力计算的一种检验, 我们还提出了初始压力的概念, 采用下面的公式计算 p 1V 1 ?p ini = (9) V 样, IG541 灭火系统设计只有具备了先进性、合理性、经济性, 才能真正起到减少火灾的危害, 保护人身生命和财产安全的作用。 在大量的系统工程应用研究试验的基础上, 结合我公司的产品特点, 并参考 ISO 14520、N FPA 2001 等相关标准, 提出下列系统设计的基本思路和方法。 ?三通、合流三通、孔板、喷头等于 灭火系统管路中产生压力损失的部件主要有　管路压力损失计算年 月底全部完成并组织进行了数次的验, 不同部件的压力损失计容灭火机理--该系统系物理灭火方式, 11 , 是靠降低式中, p ini为初期压力, p 1 和V 1 为气瓶充装压力和气瓶 31　系统概述 容积,V 为包括气瓶在内的管路总容积。IG541 灭火系统是近年来新发展起来的一种新型 2. 4. 4 气体灭火系统, 是当前卤代烷灭火系统的主要替代品 : 之一也是现有所有气体灭火系统中唯一可在环境保器阀、导管、单向阀、集气管、选择阀、直管、变径、分流 护方面打满分的“绿色”灭火系统。 算采用不同的方法。 防护区内的氧气浓度到不支持燃烧来扑灭火灾。 在上述试验和数学理论模型的整理基础上, 由我系统类型--系统设计只能采用全淹没方式(由们组织人力对该系统工程应用软件进行了集中开发, 于灭火剂喷放属气体单相流, 故不能采用局部应用喷 2001 7 , 射使用) , 有组合分配系统或单元独立系统两种使用形证, 并于 2001 年 10 月经过天津消防科研所送检灭火 式。 系统的检测, 取得很好效果。

　　同其他气体灭火系统一　　应用范围--能扑救封闭空间内的A 类表面火、 B 类易燃液体火及C 类电气火; 不能用来扑救D 类可燃金属及易反应的金属火 (如: 钾、钠、钙、镁、钛、锆等) , 含有氧化剂的化合物, 如硝酸纤维火、金属氢化物等火灾。典型采用的防护区有: 计算机房、地板夹层、磁带库、通讯交换机房、拱顶房、工艺处理设备间、所有经常有人工作的场所或不是经常有人但非常灵敏或无法更换的电子设备区域等。系统主要技术参数:

　　储存间温度范围: 0℃～ 50℃ 储存压力(20℃): 15 0M Pa

　　灭火剂喷放时间: 不宜大于 60 s, 不得超过 80 s 喷嘴末端压力: ≥2 管道容积与钢瓶容积比

　　从孔板到第一个三通接头的长度不小于管径。

　　32　设计思路

　　确定并划分防护区→灭火剂用量计算→确定灭火剂储瓶型号及数量→确定灭火剂储瓶设备间→布置喷嘴→管网布置→管网计算→确定喷头及减压孔板型号 →提供详细的施工图和材料明细表→提供施工、验收的技术要求及验收标准。

　　33　系统设计

　　为了合理设计 IG541, 必须严格遵循以下步骤进行。

　　3.3. 1　防护区的确定--消防的关键要点之一确地确定防护区和进行全面的调查否适合保护该防护区。

　　3.3. 2　计算防护区的最终净容积--防护区的最终净容积= 净容积 (即:

　　) - 实体可移动物体总体积。如果实体可移动物体总体积小于净容积的 25% 物体的体积。

　　3.3. 3　确定最小设计浓度-- 火灾的最小设计浓度为

　　庚烷、丙酮、异丙醇和甲苯

　　375%。

　　3.3.4　灭火剂用量计算--可按灭火剂用量计算公式求得或采用查表法。公式同

　　查表法直接按灭火剂设计浓度和预期的最低防护区环境温度从淹没系数表中查得淹没系数区的最终净容积即可。 3.3.5　确定钢瓶数 n

　　换算容量(70 L 钢瓶的换算容量为

　　3. 3. 6　计算系统实际灭火剂量--X= 钢瓶数量× 钢瓶换算容积。

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

　　3. 3. 7　验证实际灭火浓度--验证实际灭火浓度是否处于8% 的设计浓度范围内。根据实际灭火剂量和预期最高防护区温度, 可按公式(8) 反求出浓度C 亦可按淹没系数表求得。

　　3. 3. 8　确定系统喷放时间--按公式(8) 反求出通常环境温度下的浓度,查表 2 得出系统喷放时间(m in)。

　　3. 3. 9　估算系统流量--为了确定系统的流量, 应按灭火剂设计用量除以以分钟为单位的全部喷放时间。即: 设计用量÷喷放时间。

　　估算所需的孔板尺寸--按表 4 来确定孔板

　　确定喷嘴数量--把防护区的长度除以 6 m 再用防护区的宽度除以 6 m 取整加一, 把以上两个结果相乘得到喷头数量。说明单个喷嘴的最大覆盖面积为 ×6 m;

　　当防护区的高度大于60 m

　　计算每个防护区的喷嘴流量--系统流量÷

　　3. 3. 13(从离

　　, 依次对系统

　　, 用、2、

　　估算管道及喷嘴尺寸--从喷嘴往回计算来 , 并标注

　　Q

　　3., 式中F

　　P

　　,in) ,为

　　可由建筑图中得到,如果

　　管网计算--依据管网平面图、系统图及有运用计算机程序来确定最终的管道

　　(541 灭火系系统管网计灭火系统设计管网计算只能采用计算机程序来完成。该计算机程序是通

　　在大量的工程应用研究试验的基础

　　校核实际系统性能--核查修改后的各项指

　　标是否与实际系统要求相符合, 若不符应重新确定参 表2　IG-541 系统喷放时间表数并计算。核算项目如下: 灭火浓度喷放时间 s 灭火浓度喷放时间 s 灭火浓度 喷放时间 s ?在最高温度时药剂浓度应处于允许的范围内 37. 5% 30. 0 39. 6% 47. 5 41. 7% 65. 0 (在有人场所为 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 药剂量高于需要的初始设计药剂量; 38. 4% 37. 5 40. 5% 55. 0 42. 6% 72. 5 管网计算所得的喷放时间等于或小于各防护区 38. 7% 40. 0 40. 8% 57. 5 42. 8% 75. 0 列出的喷放时间。 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　结果整理--根据最终的计算结果, 整理出完整的施工图纸及详细 的材料清单。 表3　气压修压系数 3. 4　组合分配系数 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 在认为所有的防压力(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 护区不会同时着火时 修正系数 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

　　, 组合分配系统能用来保护多个防护区; 对每个防护区必须进行单独的系统设计;

　　集流管的设计应能保证最大防护区灭火剂流量的需要;

　　对于组合分配系统计算应从最大防护区系统开始, 计算完成后再依次完成其余系统的计算;

　　选择阀既能安装于孔板上游, 亦可安装于孔板下游;

　　孔板与选择阀之间的最大距离为 6 m; 孔板处于选择阀上游时, 它们之间的最小距离为 10 倍管径。

　　35　附录

　　见表 3 4 5。

　　虽然我们作了部分 IG541 灭火系统工程应用研究工作, 但笔者认为远远不够, 而且我们所作的研究主要针对自己企业的产品, 不足以适合其他生产厂家的产品, 所以该系统的工程应用研究还将是一项艰巨任务, 只有所有的消防企业、研究部门同心协力、共同努力, 视消防事业发展为己任, 才能真正把我国消防工业发展壮大。