申炳炎，黃新天
(天津市建工設(shè)計(jì)院，天津300193)

　　 摘要：通過(guò)新型滅火系統(tǒng)——七氟丙烷滅火系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)潔凈氣體滅火系統(tǒng)在設(shè)計(jì)應(yīng)用中遇到的問(wèn)題提出幾點(diǎn)粗淺看法。
　　關(guān)鍵詞：氣體滅火系統(tǒng)；七氟丙烷；均衡管網(wǎng)
　　中圖分類號(hào)：TU892
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)10-0035-03

　　1  氣體滅火系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

　　傳統(tǒng)哈龍產(chǎn)品——鹵代烷1211及1301在我國(guó)氣體消防行業(yè)的應(yīng)用歷史中占有非常重要的地位，目前系統(tǒng)的裝備量約占?xì)怏w滅火系統(tǒng)總裝備量的80%以上。
　　由于哈龍滅火劑是破壞大氣臭氧層的主要因素，為了保護(hù)人類共同的生存環(huán)境，造福子孫后代，我國(guó)政府于1989及1991年分別簽署了《關(guān)于保護(hù)臭氧層的維也納公約》、《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，并決定于2005年停產(chǎn)1211，2010年停產(chǎn)1301。這標(biāo)志著淘汰哈龍，開(kāi)發(fā)新型滅火劑已成為大勢(shì)所趨。
　　哈龍?zhí)娲夹g(shù)發(fā)展的一個(gè)方面是用已有的其他滅火系統(tǒng)替代哈龍滅火系統(tǒng)，如采用二氧化碳、水噴霧、泡沫、干粉、易安龍(氣溶膠)滅火系統(tǒng)等。這些滅火系統(tǒng)有的存在技術(shù)陷,尚未形成正式的技術(shù)規(guī)范和市場(chǎng)；有的盡管較為成熟，但難以解決滅火劑的污染問(wèn)題，只能在那些“非必要場(chǎng)所”替代哈龍滅火系統(tǒng)，如傳統(tǒng)滅火劑二氧化碳，雖然其應(yīng)用歷史較長(zhǎng),且技術(shù)已經(jīng)規(guī)范化，但其最低設(shè)計(jì)濃度高于對(duì)人體的致死濃度，故在保護(hù)經(jīng)常有人的場(chǎng)所時(shí)須慎重采用。
　　另一個(gè)發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)不污染被保護(hù)對(duì)象、不破壞大氣臭氧層、溫室效應(yīng)小、對(duì)人體無(wú)害的滅火劑，即“潔凈氣體”滅火劑和相應(yīng)的滅火系統(tǒng)，這是當(dāng)前發(fā)展的主流。
目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的第一代用于替代哈龍的潔凈氣體滅火劑共有14種，包括七氟丙烷(HFC—227ea)。其中以含一個(gè)氫原子的氟代烷(HFC)的綜合性能較為理想，具有一定的開(kāi)發(fā)價(jià)值，但目前的開(kāi)發(fā)水平尚未達(dá)到“全代用”哈龍滅火劑的要求，其性能尚有不足之處，只能成為鹵代烷的過(guò)渡性替代物。

　　2  潔凈氣體滅火系統(tǒng)

　　從應(yīng)用方式講，目前潔凈氣體滅火系統(tǒng)僅開(kāi)發(fā)了適用于有限封閉空間的全淹沒(méi)系統(tǒng)；按系統(tǒng)的組成來(lái)講，目前有預(yù)制滅火系統(tǒng)和管網(wǎng)滅火系統(tǒng)。管網(wǎng)滅火系統(tǒng)可以是單元獨(dú)立系統(tǒng)，也可以是組合分配系統(tǒng)，其工作原理與鹵代烷滅火系統(tǒng)及二氧化碳滅火系統(tǒng)類似。
　　目前只有七氟丙烷及IG541系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)少數(shù)重點(diǎn)工程中有所應(yīng)用，并有多個(gè)生產(chǎn)廠商具備小批量生產(chǎn)能力，其他系統(tǒng)尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例。
　　 2.1  系統(tǒng)選擇的原則
　?、?nbsp; ODP值最小原則，即對(duì)臭氧層的耗損最小。
　?、?nbsp; C值最小原則，即滅火濃度小，滅火劑用量少。
　　③  GWP值最小原則，即溫室效應(yīng)小。
　?、?nbsp; ALT值最小原則，即在大氣中存留期短，潛在危險(xiǎn)小。
　?、?nbsp; NOAEL值最大原則，即毒性低。
　　五個(gè)原則具體執(zhí)行時(shí)應(yīng)綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧，結(jié)合具體條件決定。
　　2.2  系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路
　　潔凈氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與鹵代烷滅火系統(tǒng)頗為類似，可歸納為：設(shè)計(jì)滅火用量(M)→管道流量(Q)→管道內(nèi)徑(D)→管道規(guī)格→管道計(jì)算長(zhǎng)度(L)→中期容器壓力(P_m)→管道節(jié)點(diǎn)壓力(P_j)→噴頭等效孔口面積(F)→噴頭規(guī)格→滅火劑儲(chǔ)存量(M_c)→儲(chǔ)瓶數(shù)量(N_p)。
　　系統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地計(jì)算出管道內(nèi)各點(diǎn)的壓力，從而合理選擇滅火劑的貯存壓力、滅火劑的充裝密度、各管段的管徑和各個(gè)噴嘴的孔口面積。管網(wǎng)阻力計(jì)算的“最終”結(jié)果是在保證滅火劑噴射時(shí)間及滿足噴頭最低入口壓力前提下，盡可能選擇較小的貯存壓力、較大的充裝密度、較小的管徑，以降低工程造價(jià)。
　　2.3  七氟丙烷滅火系統(tǒng)
　　七氟丙烷(HFC—227ea)常溫下呈氣態(tài)，無(wú)色、無(wú)嗅、不導(dǎo)電、無(wú)腐蝕、無(wú)環(huán)保限制、大氣存留期較短、可液化貯存(貯存年限為30年)。其滅火機(jī)理與鹵代烷相同，為中斷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，通過(guò)滅火劑對(duì)燃燒反應(yīng)的化學(xué)抑制作用，即負(fù)催化作用而迅速滅火；其特點(diǎn)是沸點(diǎn)低、氣化快、分布均勻、滅火速度快，這對(duì)搶救貴重物品及精密電子設(shè)備是有利的。HFC227在電子設(shè)備房設(shè)計(jì)滅火濃度為8%，低于其NOVEL濃度9%，對(duì)人體安全。其性能特點(diǎn)近似于鹵代烷1301，在有人場(chǎng)所比1301更安全，是第一代哈龍?zhí)娲镏芯C合性能最好且應(yīng)用條件最成熟的滅火系統(tǒng)，是當(dāng)前首選的哈龍?zhí)娲?。它的不足之處是不能滅固體深位火災(zāi)。
　　2.4  工程應(yīng)用實(shí)例
　　山東東營(yíng)勝利明珠電視塔地下發(fā)射機(jī)房及變配電室(包括UPS電源)的基本情況如下：
發(fā)射機(jī)房：面積190 m²，容積926 m³。
變配電室：面積136 m²，容積659 m³。
該工程設(shè)計(jì)于1997年，原設(shè)計(jì)采用1301全淹沒(méi)組合分配系統(tǒng)，1999年底設(shè)備安裝階段建設(shè)單位提出改用其他永久性替換系統(tǒng)，以滿足設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不被淘汰。
　　2.4.1  系統(tǒng)選擇
　　在選擇滅火劑時(shí)，考慮到設(shè)備的重要性及使用年限、原有貯瓶站的面積及改造條件，決定采用國(guó)產(chǎn)滅火劑HFC227、IG541和CO₂其中的一種，方案比較見(jiàn)表1。

　　由以上分析可知，IG541系統(tǒng)造價(jià)高且瓶組過(guò)多占地大，對(duì)于該工程地下室狹窄空間難以擴(kuò)容的瓶站來(lái)說(shuō)是難以接受的；另外發(fā)射機(jī)房是經(jīng)常有人的場(chǎng)所，采用滅火濃度高于對(duì)人體致死濃度的CO₂系統(tǒng)顯然也是不適宜的；相對(duì)而言，HFC227系統(tǒng)從滅火效能、占地面積等各方面情況均接近于1301系統(tǒng)，僅在藥劑價(jià)格上稍高一些，但總投資還是可以讓人接受的，最終入選。
　　2.4.2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)
　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前只能按《七氟丙烷(HFC—227ea)潔凈氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(建議草案)(以后簡(jiǎn)稱規(guī)范)及《氣體滅火系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行。
HFC227滅火系統(tǒng)在釋放滅火劑短暫過(guò)程中的流體計(jì)算是比較復(fù)雜的。由于其流動(dòng)狀態(tài)為非穩(wěn)定流又是氣液二相流，造成了管道中壓力降的非線性變化，管網(wǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的壓力、流量和密度均隨時(shí)間而變化，管網(wǎng)內(nèi)各管段任一點(diǎn)壓力的確定均是多變量參數(shù)的求解，這些參數(shù)的求解是依賴于一組超靜定方程式，必須先假定一些參數(shù)才能求出其他參數(shù)。
　　2.4.3  系統(tǒng)的組成與工作原理 
　　滅火系統(tǒng)由儲(chǔ)存裝置(滅火劑貯瓶、容器閥、單向閥、集流管等)、管道系統(tǒng)(送氣管路、選擇閥、噴頭等)、增壓系統(tǒng)(氮?dú)赓A瓶、瓶頭閥、氮?dú)夤苈返?、自控系統(tǒng)(滅火控制盤、手動(dòng)控制盒、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng))四部分組成。
系統(tǒng)設(shè)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和機(jī)械應(yīng)急操作三種啟動(dòng)方式。
　　2.4.4  系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
　　計(jì)算過(guò)程的控制及設(shè)計(jì)參數(shù)的選定需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧，現(xiàn)介紹如下：
　?、?nbsp; 關(guān)于貯存壓力。規(guī)范只給定二級(jí)貯存壓力(2.5±0.125) MPa和(4.2±0.125) MPa。選擇貯存壓力主要從經(jīng)濟(jì)合理性考慮，在防護(hù)區(qū)面積較小、系統(tǒng)管路較短時(shí)，可選用2.5 MPa貯存壓力，以降低工程造價(jià)；在防護(hù)區(qū)面積較大、系統(tǒng)管道較長(zhǎng)(干管長(zhǎng)度超過(guò)20 m)時(shí)，選用2.5 MPa貯存壓力難以保證要求的滅火劑噴射時(shí)間，或滅火劑充裝密度太小時(shí)，應(yīng)選用4.2 MPa壓力以允許管道有較大壓力降，滿足設(shè)計(jì)限定條件。對(duì)待具體工程，應(yīng)通過(guò)計(jì)算比較未確定貯存壓力。
　?、?nbsp; 關(guān)于充裝密度。充裝密度系指貯存容器內(nèi)滅火劑質(zhì)量與容器容積之比。一般來(lái)講，貯存壓力等級(jí)高而整個(gè)管網(wǎng)容積較小、管道較短，可采用較大充裝密度；反之則應(yīng)采用較小的充裝密度。具體設(shè)計(jì)時(shí)，筆者認(rèn)為，初選充裝密度宜選用較小值，組合分配系統(tǒng)初選充裝密度為800 kg/m3時(shí)，計(jì)算結(jié)果較易達(dá)到要求，而單元獨(dú)立系統(tǒng)初選值可控制在1 000 kg/m3。
　?、?nbsp; 關(guān)于管網(wǎng)內(nèi)滅火劑的百分比。管網(wǎng)內(nèi)滅火劑百分比是用來(lái)表示管網(wǎng)的容積對(duì)中期容器壓力影響大小的一個(gè)參數(shù)，在確定貯存壓力等級(jí)和滅火劑充裝密度時(shí)必須考慮管網(wǎng)內(nèi)滅火劑百分比的影響。管網(wǎng)內(nèi)滅火劑的百分比大時(shí)，應(yīng)選用較小的充裝密度和較高的貯存壓力。
　　④  關(guān)于管網(wǎng)布置。應(yīng)盡量將管網(wǎng)均衡布置，以簡(jiǎn)化管網(wǎng)流體計(jì)算，提高滅火劑在防護(hù)區(qū)的均布程度，另外還可減少管網(wǎng)剩余量以節(jié)省投資。
為了較準(zhǔn)確地控制流量分配，避免滅火劑的密度在各分流支管中產(chǎn)生較大差異，影響計(jì)算精度，應(yīng)按規(guī)范對(duì)三通管件分流條件的限制和要求合理配管。

　　3  問(wèn)題探討

　　本文僅從設(shè)計(jì)的角度對(duì)實(shí)施該規(guī)范時(shí)，在具體設(shè)計(jì)操作中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行討論。
　?、?nbsp; 計(jì)算過(guò)程過(guò)于繁瑣。由于該物質(zhì)呈氣液兩相流，均衡管網(wǎng)可采用解析法，按照規(guī)范給出的方法經(jīng)多次迭代人工計(jì)算得出結(jié)果；非均衡管網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用計(jì)算目前只能采用生產(chǎn)廠商提供的軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。計(jì)算所耗時(shí)間與計(jì)算的成果不成正比，因而迫切要求正式規(guī)范出臺(tái)時(shí)能使計(jì)算方法簡(jiǎn)化，實(shí)實(shí)在在地給設(shè)計(jì)減少工作壓力。
　?、?nbsp; 關(guān)于均衡管網(wǎng)的定義不明確。規(guī)范第4.2.3條中的“均衡管網(wǎng)”從文字上可以淺義理解為“系統(tǒng)從氣源至各個(gè)噴頭(氣液分界點(diǎn))的長(zhǎng)度相等時(shí)管網(wǎng)為均衡管網(wǎng)，可不計(jì)算管網(wǎng)剩余用量”；而規(guī)范第5.1.5條中定義的“均衡管網(wǎng)”可以淺義理解為“在管網(wǎng)上，從第一分流點(diǎn)至各噴頭的管網(wǎng)阻力損失，其相互間最大差值≯20%時(shí)為均衡管網(wǎng)，而與管道實(shí)際長(zhǎng)度無(wú)關(guān)”。這二條規(guī)范在用詞上似有不妥之處，希望能統(tǒng)一說(shuō)法。
　?、?nbsp; 關(guān)于噴頭安裝的規(guī)定有待商榷。由于七氟丙烷氣體蒸氣壓低，密度比空氣小，噴射不久氣體就會(huì)上浮，因而氣體噴射方向應(yīng)是噴向下部空間保護(hù)物的。規(guī)范第6.2.3條規(guī)定“噴頭宜貼近防護(hù)區(qū)頂面安裝，距頂面最大距離應(yīng)≯0.5 m”。而很多防護(hù)區(qū)不設(shè)吊頂，且梁高均＞0.5 m，勢(shì)必造成管道走梁下噴頭上返安裝的情況，并非直接噴向下部保護(hù)空間，因而此條規(guī)定是否必要，值得推敲。另外，規(guī)范6.2.3條對(duì)噴頭的平面布置給出的原則是“當(dāng)防護(hù)區(qū)高度h＜1.5m時(shí)，噴頭的保護(hù)半徑應(yīng)≯3.5 m；當(dāng)防護(hù)區(qū)高度h≥1.5 m時(shí)，噴頭的保護(hù)半徑應(yīng)≯5 m”。通常，氣體滅火系統(tǒng)一般盡量布成均衡系統(tǒng)或接近于均衡系統(tǒng)，因而噴頭布置較為規(guī)則，基本為正方形或長(zhǎng)方形布置；如果能給出噴頭的最大布置間距及距墻柱的最小距離，則在設(shè)計(jì)操作時(shí)應(yīng)比單純給定保護(hù)半徑更直接，更方便。
　?、?nbsp; 關(guān)于瓶站排風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)定。規(guī)范第8.0.6條“地下貯瓶間應(yīng)設(shè)機(jī)械排風(fēng)裝置，排風(fēng)口應(yīng)設(shè)在下部直通室外”。貯瓶間是滅火的心臟部位，平時(shí)應(yīng)是關(guān)閉的，只有專業(yè)人員方可進(jìn)入，可以認(rèn)為規(guī)定此條的目的在于防止泄漏氣體濃度上升，對(duì)人員產(chǎn)生危害。但是，排風(fēng)口設(shè)于下部時(shí)顯然不利于排除對(duì)空氣相對(duì)密度小的七氟丙烷氣體。

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　　收稿日期：2000-05-22