CN106730544A - 一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法，灭火系统主要是由依次连接的高压灭火剂存储瓶组、灭火剂输送管网和喷嘴组成，所述灭火剂输送管网包括主管、与高压灭火剂存储瓶组连接的引升管和高压软管、连接主管与喷嘴的支管，高压软管通过集流管连接到主管，本发明采用动态的设计计算方法，将高压液体从高压灭火剂存储瓶组流经灭火剂输送管网喷放到各个防护区喷嘴的过程中，灭火剂输送管网内各点液体的压力和流速连续变化的过程离散化处理，将一个连续的过程离散成由无数个时间步长∆t的时间片段叠加而成，每个时间步长内压力和流速视作恒定不变，分别计算每个时间步长内管网中各个节点液体的压力和速度。

Description

一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法

技术领域

本发明涉及一种气体灭火系统的设计方法，主要针对七氟丙烷气体灭火系统的设计方法。

背景技术

七氟丙烷气体灭火剂，又称HFC-227ea、FM-200，在一定的压强下呈液态储存。是一种无色、无味、不导电、无二次污染的气体，具有清洁、低毒、电绝缘性好，灭火效率高的特点，特别是它对臭氧层无破坏，在大气中的残留时间比较短，其环保性能明显优于卤代烷，是目前为止研究开发比较成功的一种洁净气体灭火剂，被认为是替代卤代烷1301、1211的最理想的产品之一。七氟丙烷气体灭火系统为物理灭火和化学灭火共同作用，能实现快速灭火。

七氟丙烷气体灭火剂是美国大湖公司研制生产的卤代烃灭火剂的一种，分子式为CF3CHFCF3。七氟丙烷气体灭火系统根据其使用环境要求的具体输送距离，其初始充装压力分为两个级别，当系统管网长、压力损失大的，可选取4.2MPa及5.6MPa增压级；管网短、压力损失小的，可选2.5MPa增压级。七氟丙烷的毒性较低，对人体产生不良影响的体积浓度临界值为9％，并允许在浓度为10.5％的情况下使用1min，一般采用8％、9％、10％这三个设计浓度，具体由保护区域的类型决定。对于一般的保护区灭火时间控制在8-10s的范围之内，有些特殊区域灭火时间要控制在8s以下，由具体防护区而定。通常情况下，若是固体表面火灾的预燃时间相对加长，则有可能发展成为深位火灾，这不利于FM-200灭火，同时气体与液体火灾的预燃时间一旦过长还有可能引起爆炸，这就要求灭火设计浓度应当增大为惰化设计浓度。由此可见，缩短灭火剂的喷放时间尤为重要。目前，国际上和一些发达国家的标准中，都将卤代烷的喷放时间规定为不大于10s。由于FM-200遇热时产生的主要成分为HF，其与空气中的水蒸气结合后会形成氢氟酸，其对一些精密的仪器和设备具有较强的侵蚀损害。按照有关试验结果表明，当卤代烷在火灾现场的喷放时间从10s缩短至5s时，分解产物约减少50％左右。故此，为了有效防止FM-200在灭火时对精密设备造成损害，应当将喷放时间缩短到8s，这一喷放时间的设定值经试验验证是可行的。

虽然七氟丙烷灭火系统的设计计算可以依据国家相应气体灭火系统设计规范，可是规范中的计算理论并不全面，只能进行总体设计，得不到精确的设计结果，往往会造成理论计算和实际应用存在较大的误差。本设计方法在遵循设计规范的前提下，进一步细化设计理论，进而到精确的设计结果和几个重要的系统参数。本专利设计方法的重难点在于：由于七氟丙烷气体灭火剂自身的性质所决定，灭火剂的喷放时间得控制在10s之内，这一直是设计计算过程中的一个难点，也是必须保证的一点；还有对于喷嘴承受的最大的工作压力的计算也一直不是很明确，但这又是系统的一个重要参数；另外，初始液面到达喷嘴的时间长度也一直没有计算方法。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种采用动态的设计计算的七氟丙烷气体灭火系统的设计方法。

一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法，灭火系统主要是由依次连接的高压灭火剂存储瓶组、灭火剂输送管网和喷嘴组成，所述灭火剂输送管网包括主管、与高压灭火剂存储瓶组连接的引升管和高压软管、连接主管与喷嘴的支管，高压软管通过集流管连接到主管。其特征在于：采用动态的设计计算方法，将高压液体从高压灭火剂存储瓶组流经灭火剂输送管网喷放到各个防护区喷嘴的过程中，灭火剂输送管网内各点液体的压力和流速连续变化的过程离散化处理，将一个连续的过程离散成由无数个时间步长Δt的时间片段叠加而成，每个时间步长内压力和流速视作恒定不变，分别计算每个时间步长内管网中各个节点液体的压力和速度，以此为基础进行气体灭火系统的设计计算。

该方法的设计计算过程如下：

(12)根据防护区的实际情况确定设计浓度和充装压力；

(13)计算并修正所需要的七氟丙烷气体需求量；

(14)确定灭火剂的喷放时间；

(15)根据设计用量和总的喷放时间，计算各个管段的平均流量；

(16)根据平均流量初选各个管段的管径；

(17)计算并验证喷嘴的中期工作压力，如果不符合修改管道直径，直到中期工作压力符合要求；

(18)根据喷嘴的中期工作压力初选喷嘴等效开口直径；

(19)以时间步长为一个确定过程，计算时间步长内的压力和流速，进而计算出时间步长内喷嘴喷放的药剂量，叠加计算得出灭火剂全部喷放完的总时间；

(20)判断计算的喷放时间和设计时间之间的误差，如果误差过大则修改喷嘴的等效开口直径，直到误差在可接受的范围内，得到喷嘴的最终等效开口直径和喷嘴的最大工作压力以及初始液面到达喷嘴的时间；

(21)根据计算得到的喷嘴最大工作压力，判断其值是否符合要求，如果其值太小，则要修改灭火剂的充装率，重复上述计算直到得到合理的喷嘴最大工作压力值；

(22)计算防护区泄压口的面积；

其中，主要计算公式如下：

(5)确定灭火剂的设计浓度

七氟丙烷的毒性较低，对人体产生不良影响的体积浓度临界值为9％，并允许在浓度为10.5％的情况下使用1min，由规范可知：

一般电气房间、通用机房、电子计算机房等宜用8％的设计浓度；

油浸变压器室、带油开关的配电室、自备发电机的机房应该用9％的设计浓度；

图书、档案、票据和文物资料库等宜用10％的设计浓度；

(6)计算防护区灭火剂设计用量

其中，k一大气压力校正系数，k＝5.3788x10^-9H²-10197510^-4H+1(H表示海拔高度(m))；

V一防护区总容积(m^3)；

c₁一灭火剂设计浓度乘以100所得的值；

s-灭火剂过热蒸汽在101kPa大气压和防护区最低温度下的质量体积(m^3/kg)，s＝0.1269+0.0005131t(t为防护区工作环境温度)；

(7)确定设计灭火剂的喷放时间t0；

喷放时间的选取一般在8-10s之间，特殊环境要求喷放时间小于8s，具体根据实际情况而定。

(4)根据设计用量和总的喷放时间，计算各个管段的平均流量；

1)确定灭火剂钢瓶个数

不同的七氟丙烷气体灭火系统其选用的钢瓶种类也不同，七氟丙烷气体灭火系统钢瓶类型根据容积不同主要有70L、90L、100L、120L、150L和180L六种。不同的钢瓶容积不同，其外形尺寸也不同，同时其配套使用的容器阀、引升管和高压软管的规格也不同。

另外七氟丙烷灭火剂的最大充装率在规范中也有严格要求。如下：

一级增压储存容器，不应大于1120kg/m^3；

二级增压焊接结构储存容器，不应大于950kg/m^3；

二级增压无缝结构储存容器，不应大于1120kg/m^3；

三级增压储存容器，不应大于1080kg/m^3；

所以选用不同规格的灭火剂存储钢瓶，其初始计算的充装率也不相同。在组合分配问题中，选择的充装率需同时满足每个防护区的灭火剂浓度都不小于设计值，同时还应该满足每个防扩区的灭火剂浓度都不大于设计值的1.1倍。

由灭火剂的设计用量和灭火剂存储钢瓶的充装率，可以计算灭火剂存储钢瓶的个数，其计算公式为：

其中n₁一为钢瓶的个数；

ceil()一为向上取整的函数；

W一为灭火剂的设计用量；

V_b一为所选钢瓶的容积(m^3)；

n_c0一为初选钢瓶药剂的充装率(kg/m^3)；

在组合分配问题中，考虑到多个防护区共用一套瓶组及集流管装置，为了满足所有防护区的要求，最终选择的钢瓶个数为所有防护区中钢瓶数量最大的防护区所对应的钢瓶的个数，这样可以保证所有单个防护区的要求。

2)计算灭火剂的存储量和充装率

如上所述，灭火剂设计用量是为了保证防护区灭火浓度得到的计算量，工程实际应用中往往要考虑管网中和钢瓶中灭火剂的剩余量，所以灭火系统实际的存储量为：

W₀＝W+ΔW₁+ΔW₂ (1-3)

其中W₀一为系统灭火剂存储量(kg)；

W一为系统灭火剂设计用量(kg)；

ΔW₁一为存储瓶内灭火剂剩余量(kg)，根据实际应用经验有

ΔW₁＝3.5xn₁，其中n₁为钢瓶个数；

ΔW₂一为管道内的剩余药剂量(kg)，由于灭火剂喷放完成自后钢瓶中的高压氮气通过官网从喷嘴3喷出，故ΔW₂＝0；

根据灭火剂的实际存储量和钢瓶的个数，就可以求得灭火剂的实际充装率，这个值一般会小于初选的充装率，所以是符合要求的。其计算公式如下：

nc＝W0/(n₁V_b) (1-4)

其中n_c一为灭火剂的实际充装率(kg/m^3)；

W₀一为灭火剂的存储量(kg)；

n₁一为钢瓶的个数；

V_b一为钢瓶容积(m^3)；

根据实际计算所得的灭火剂的存储量，就可以得到单个钢瓶灭火剂的充装质量，这是指导生产实际充装量的参数。

3)计算各个管段的平均流量

管网的布置，主要是根据灭火剂瓶组间和灭火剂作用的防护区的实际位置确定的，所以管网布置要先于设计计算，最终再根据设计计算进行局部调整。根据灭火剂的设计用量和钢瓶的个数n₁，管网系统喷嘴3的个数和各级支管后喷嘴3的个数，及设计喷放时间，计算各个管段的平均流量：

引升管和高压软管的流量Q₁＝W/(n₁t₀) (1-5)

集流管和主管道平均流量Q_z＝W/t₀ (1-6)

各个支管平均流量Q_g＝W/(n₃t₀) (1-7)

喷嘴3平均流量Q_c＝W/(n₂t₀) (1-8)

其中，n₁为存储瓶的数量，n₂为喷嘴3的个数，n₃为各个支管后接的喷嘴3个数。

(5)确定各个管段的管径

其中引升管和高压软管的参数和钢瓶是配套的，其它各个管段的管径根据各管段的平均流量确定：

当Q＜＝6.0kg/s d＝(12～20)sqrtQ

当6＜Q＜160.0kg/s d＝(8～16)sqrtQ

一般符合要求的会有2-4个管径的值，考虑到喷放时长和成本因素的双重上影响，优先选择偏中间的值。

(6)计算过程中点压力

其中P₀一为钢瓶的充装压力；

V₀一为全部储存容器气相总容积；

其中n_c一为灭火剂的充装率；

r一为七氟丙烷液体的密度；

V_p一为管网的总容积；

(7)计算液体的压力损失

压力损失由管道压力损失和高程压力损失组成

其中管道压力损失：

其中l包括管道的实际长度和其中存在局部损失的当量长度，λ为沿程损失系数，其计算公式为：

其中k₂为管道的绝对粗糙度，对于镀锌钢管取0.1-0.2mm。

速度的根据前面确定的平均流量确定：

综合整理得到压力损失的计算公式为：

高程压力损失为：

P_h＝10^-6rgH

其中H为喷嘴到液面的高度

(8)计算并验证喷头的工作压力

喷头的工作压力为

P_c＝Pm-∑ΔP-P_h

验算喷头的工作压力是否符合要求，为了保证液体从喷嘴处喷出的时候有一定的流动性，以使得灭火器能充满整个防护区，喷嘴处液体的压力有一点的约束条件

有：

P_c≥0.7MPa(二级增压)

P_c≥P_m/2(P_m为过程中点容器内压力)

管网选择的管径只有符合喷嘴工作压力的要求才是合格的，如果喷嘴的工作压力值过小则需要扩选管道的管径，直到符合工作压力的要求。

(9)初选喷嘴等效开口直径

根据计算得到的喷嘴的工作压力值计算喷嘴等效开口直径：

其中，Q_c一为喷嘴的平均流量；

q_c一为等效孔口单位面积喷射率，其值根据P_c的值计算得到。

(10)计算喷放时间

七氟丙烷气体灭火剂的喷放过程为一个动态的过程，钢瓶中提供动力的高压氮气随着药剂量的减少其体积和压力都是实时变化的，所以要确定每一状态其压力随体积变化的规律，这里根据：R-K实际气体状态方程确定：

其中R一为气体常数，值为8.314J/(mol.k)；

T一为绝对温度，值为273.15+t；

a、b一为常数，对于N2有：a＝1.5574Pa.m⁶K^0.5/mol，b＝0.0268x10^-3m³/mol；

V_m一为摩尔体积，即1mol气体所占的体积。

高压的七氟丙烷灭火剂在管网中流动，会有一部分气化，从而形成气液两相流，但是从实验的数据分析，由于系统喷放时间极短，其气化量极小，为了简便运算，通常以液态来代替计算。

液体在高压气体的作用在管网中高速流动，运用伯努利方程确定流动状态，选取钢瓶中的液面和喷嘴出口处为两个计算面，有：

其中：Z₀＝H₀一为液面的高度；

Z_p＝H一为喷嘴的高度；

P₀一为液面压力；

P_p一为喷嘴压力，值为大气压；

α₀＝α_p＝1一为速度修正系数；

h_w0-p一是管道压力损失。

公式中压力损失由沿程压力损失h_f和局部压力损失h_j组成，局部压力损失的计算根据当量长度，同样运用沿程压力损失的计算公式求取：

其中λ为管道的沿程阻力系数：

其中Δ一为管壁的绝对粗糙度，对于镀锌钢管取0.1-0.2mm；

Re一为雷诺系数，由流体的特性和流速决定；

对于高速流体，Re的值非常大，所以沿程阻力系数主要取决于管壁的绝对粗糙度的大小，即：

整理可得沿程阻力的计算公式为：

其中v一为喷嘴处的速度(m/s)；

d_p一为喷嘴等效开口直径(mm)；

d一为所计算的管段的直径(mm)；

l一为等径管段实际长度和当量程度的和(m)；

把压力损失的公式带入到伯努利方程，可得方程中只有喷嘴处的速度一个未知数，这样就可以求得实时压力下喷嘴处的速度v。

根据喷嘴处速度就可以求得时间步长Δt内的喷放量：

ΔW＝n₂πdp²vΔtr/4000000

其中n₂一为喷嘴的个数；

d_p一为喷嘴等效开口直径；

把每一个时间步长内灭火剂的喷放量累积，循环上面的计算，直到叠加的灭火剂喷放量等于灭火剂的设计用量，即可得到总的喷放时间time。

(11)计算喷嘴的最大工作压力

根据上一步得到的总的喷放时间与初始设定的喷放时间进行对比，如果两个时间相差太多则缩小或者扩充喷嘴的等效开口直径，重复上面的迭代步骤，知道计算喷放时间和理论设定的喷放时间在可接受的范围内，确定最终的喷嘴等效开口直径。

Pmax＝P-hfmaxrg

其中P一为灭火剂充满管网时钢瓶中的压力；

P_max一为喷嘴的最大工作压力；

hf_max一为最大速度时的压力损失；

(12)计算初始液面到达喷嘴的时长

由上可得符合要求的喷嘴等效开口直径所得到的初始速度，由连续性方程可以求得药剂在每一段管径的流动速度，从而求得每一段的流动时间，每一段管段的流动时间求和就可以得到总时间，则初始液面到达喷嘴的时长为：

其中l_i一为任意管段的设计长度(m)；

v一为对应管段的速度(m/s)，其值由喷嘴处的速度求得；

(13)防护区泄压口的设计计算

七氟丙烷气体灭火系统喷放过程中，防护区的压力会持续增大，为了防止防护区的气体压力升高太大，通常在防护区的墙壁上开泄压口。泄压口面积计算根据GB 50370-2005《气体灭火系统设计规范》给出的计算公式，其计算方法如下：

其中F_x一为泄压口的面积；

Q_x一为灭火剂在防护区的平均喷放速率；

P_f一为维护结构承受内压的允许压强(Pa)。

下面对本发明作进一步的阐述：

一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法，灭火系统主要是由火灾检测装置、管路控制启动装置、启动瓶组、高压灭火剂存储瓶组、灭火剂输送管网、喷嘴组成，其喷放过程为：防护区的火灾检测装置感应到现场温度升高或者烟雾的浓度上升，信号由管路控制启动装置进行处理，经过一段时间的延迟，电路控制打开启动瓶组的瓶头阀，启动瓶组中高压氮气打开灭火剂存储瓶组的容器阀，灭火剂在存储瓶中高压氮气的作用下流经管网从喷嘴喷放到防护区，实现快速灭火。七氟丙烷灭火剂高压状态以液态存储于钢瓶中，喷放时在高压氮气的作用下喷放到各防护区，在管网中可视为依然以液态流动。该计算方法采用动态的设计计算方法，将高压液体从存储瓶流经管道喷放到各个防护区过程中，管网系统内各点液体的压力和流速连续变化的过程离散化处理，将一个连续的过程离散成由无数个时间步长Δt的时间片段叠加而成，每个时间步长内压力和流速视作恒定不变，分别计算每个时间步长内管网中各个节点液体的压力和速度，以此为基础进行气体灭火系统管网系统的设计计算。

本发明七氟丙烷气体灭火系统的设备主要由三部分组成，分别是火灾自动报警系统、电子控制系统、管网系统。自动报警系统主要是由传感器和电子控制系统组成，其中传感器主要是用来检测保护区域的温度和烟雾的浓度，处理传输信号给电子控制系统，达到一定的温度或者烟雾浓度，电子系统则会发出警报，提示进行人员疏散，同时把信号传输给自动电子控制系统。电子控制系统主要由控制电路、启动瓶组瓶头阀和灭火剂存储瓶组容器阀组成，其接受自动报警系统的信号，在经过一定的时间延迟之后，通过其控制系统打开启动瓶组的瓶头阀，启动瓶组中的高压氮气作用打开灭火剂瓶组的瓶头阀，使灭火剂从存储瓶中流出。

管网系统主要是由瓶组、管网和喷头组成，其作用主要是存储并输送高压灭火剂，以及通过喷头实现灭火剂的喷淋，把灭火剂喷放到指定的保护区域，从而实现灭火。

七氟丙烷气体灭火系统主要分为无管网系统和有管网系统。无管网系统主要指柜式七氟丙烷系统，有管网系统又分为单元独栋系统和组合分配系统。考虑到经济原因，在条件允许下可以把相近的防护区设置为组合分配系统，但由于七氟丙烷灭火系统传输距离不宜过长的局限性，组合分配系统不宜超过8个防护区。

七氟丙烷气体灭火系统有以下优势：

(1)七氟丙烷灭火剂高压下呈液态存储于钢瓶中，可以节约空间，减小成本；

(2)灭火剂在规定的灭火浓度下对人体基本无害，能适应经常有人工作的防护区；

(3)七氟丙烷不含固体粉尘、油渍，是液态储存气态释放，喷放后可自然排出或由通风系统迅速排出，现场无残留物；

(4)七氟丙烷灭火剂的喷射时间是小于10秒，故大大减少了火灾时设备的损坏度，为业主减少损失；

(5)灭火操作简单可靠：有自动、手动和机械三种启动方式，确保了任何情况下均可灭火。

七氟丙烷气体灭火系统适用于电子计算机房、通讯机房、资料处理及贮存中心、紧急电力供应设施、发电机房、昂贵的医疗设施、图书馆和档案库、文物资料珍藏库等场所。适合扑救可然液体和可熔化固体的火灾、可燃固体的表面火灾、电气火灾等。

设计计算方法说明

中华人民共和国建设部、国家质量技术监督检验检疫总局于2006年3月联合发布了有关七氟丙烷气体灭火系统的设计规范，即GB 50370-2005《气体灭火系统设计规范》(以下简称《规范》)。《规范》对我国七氟丙烷气体灭火系统的设计计算、施工以及工程验收提供了统一的、规范的依据，促进了本行业的规范化发展。《规范》也首次给出了七氟丙烷气体灭火系统管网设计计算方法。

七氟丙烷气体灭火系统工程实际应用中，为了实现安全、可靠灭火的目的，在设计过程中必须满足以下条件：

(1)为了确保能实现灭火，七氟丙烷灭火系统的灭火设计浓度不应小于灭火浓度的1.3倍，惰化设计浓度不应小于惰化浓度的1.1倍；

(2)为了保证防护区人员的安全，防护区实际应用的浓度不应大于灭火设计浓度的1.1倍；

(3)在通讯机房和电子计算机房等防护区，设计喷放时间不应大于8s，在其他防护区，设计喷放时间不应大于10s；

(4)为了确保足够的喷放压力，单位容积的充装量应该进行合理的选值；

(5)灭火剂喷放过程中，喷嘴处的最大工作压力的值不宜过大；

(6)一个组合分配系统所保护的防护区不应超过8个；

为了达到如上的要求，提高气体灭火系统的安全性和稳定性，再加上其喷放时间极短，七氟丙烷气体灭火系统在实际工程应用中，需要进行严格且精确的管网设计计算。与哈龙、二氧化碳、IG541等气体灭火系统的水力计算相比，七氟丙烷气体灭火系统的设计计算有如下特点：

(1)灭火剂的喷放时间极短，一般小于10s，有的甚至要求小于5s；

(2)七氟丙烷在管道中的流动可以简化为液态单相流，而其它的为气态流动；

(3)七氟丙烷液态药剂靠同一钢瓶中的高压氮气提供动力，在管道中做高速流动；

(4)提供动力的高压氮气的压力随体积实时变化，七氟丙烷液体的流动为非稳态流动；

正是由于七氟丙烷气体灭火系统在设计计算中存在如上的几个特点，使得管网的水力计算不但复杂，而且设计的精度要求也很高，不能直接采用其它气体灭火系统的设计计算方法。

七氟丙烷气体灭火系统现在的市场占有率为52％，国内目前为止已有34家生产气体灭火系统的厂家通过国家的3C认证。说明其优秀的灭火性能、安全的使用效能、良好的环保性能，已得到广泛的认可，并且将来的发展趋势和发展前景都一片大好。

七氟丙烷气体灭火剂是美国大湖公司研制生产的卤代烃灭火剂的一种，分子式为CF3CHFCF3，它无色无味，在一定的压强下呈液态储存。自七氟丙烷灭火剂被发掘出其良好的灭火性能，能有效的替代哈龙灭火剂，在国内外受到高度的关注，已有众多的消防企业单位投入了相当多的人力和物力对七氟丙烷灭火系统的设计计算进行了研究。目前国外主要依据NFPA2001《洁净气体灭火系统标准》设计计算七氟丙烷气体灭火系统，而国内主要依据GB 50370-2005《气体灭火系统设计规范为设计计算七氟丙烷气体灭火系统。其主要的设计计算思想是：

(1)根据防护区初始条件计算设计用量和钢瓶数量；

(2)计算每条管路的平均流量，根据平均流量选择管径；

(3)计算管路的压力损失，从而判断喷嘴的中期工作压力是否符合设计要求；

(4)计算喷头等效开口直径，确定喷头的规格。

结合工程实际运用，分析其计算思路，发现其存在的主要问题是：

(1)由于七氟丙烷气体灭火系统的设计喷放时间非常短，一般在10s以下，所以计算得到的喷嘴等效开口直径并没有验证其实际的喷放时间，造成的误差可能很大；

(2)根据流量选择的管径不只有一个符合的值，选小了喷放时间会过长，无法满足喷放时间的要求，选大了工程的成本会增加；

(3)其用于验证的中期压力的值，在工程实际运用中是一个很难把控的瞬态值，其作为参考的实际意义并不大；

(4)计算压力损失的公式采用经验公式，其准确性尚待考证，有的用按图选取，这样不利于软件的实现；

在工程实际运用中，为确保系统能在指定的设计时间内喷放完，工程设计人员往往选择管径的原则就是选大一号，这样会造成极大的浪费，同时喷嘴的等效开口直径也会在计算值的基础上扩大几十个丝，这样设计的结果是能够保证灭火剂的喷放时间，但是在造成成本增加的同事，也会加大设计的误差。

本发明为七氟丙烷气体灭火系统管网设计计算方法，是在遵循《规范》静态设计计算的基础下，提出喷放过程的动态计算方法，能对静态设计的管网参数进行压力以及喷放时间的验证，根据计算结果进行修正，从而最终确定管网的参数。

七氟丙烷气体灭火系统是由钢瓶内的高压氮气提供动力，驱动液体灭火剂在管网中流动最终从喷嘴喷放到防护区，实现灭火的过程，如图(1)。在整个喷放过程中钢瓶中的高压氮气的体积和压力都是实时变化的，这就造成管网中任意一点灭火剂的压力、流速都是实时变动的。整个过程从钢瓶容器阀打开到喷放完成，可以分为三个阶段：

(1)启动瓶组控制灭火剂存储钢瓶的容器阀打开，到灭火剂充满整个管网，灭火剂的液面到达喷嘴，这一阶段的时间很短，具体由管网的具体参数确定；

(2)各个喷嘴开始喷放灭火剂到防护区，直到灭火剂的设计用量喷放完成，防护区药剂浓度达到设计浓度，这一阶段钢瓶中高压氮气的体积和压力，管网中每一点的压力和流速都是实时变化的；

(3)高压氮气的喷放以及钢瓶中剩余七氟丙烷灭火剂的气化和喷放；

管网的设计计算主要是针对第一阶段计算初始灭火剂液面到达喷嘴的时间以及喷嘴的最大工作压力，及第二阶钢瓶中高压氮气的压力随气体体积变化的规律以及喷嘴处的实时喷放速度进行研究。因此在满足工程设计精度要求的前提下，假设灭火剂从存储钢瓶的容器阀流出到充满管网，灭火剂液面到达喷嘴，之后所有喷嘴一起喷放，即忽略了喷嘴的不均匀分布。

动态设计计算的基本思想是：灭火剂的喷放过程是一个实时的动态过程，在这个过程中钢瓶内高压氮气的体积和压力，喷嘴处灭火剂的压力和流速都是实时变化的，把这个连续变化的过程离散化处理，如图(2)说所示，即将整个喷放过程分解成由无数个小的时间片段组成，每个时间片段看做一个时间步长，由于时间步长的取值相对于整个喷放过程的总时长是一个极小的量，可以看做在一个时间步长内氮气的体积和压力，管网内各点灭火剂的压力和流速都是一个不变的值，这个时间步长的取值越小计算结果就越精确，不过时间步长越小计算量会越大、计算时间就会越长，所以可以考虑到计算机的性能合理取值。

所以关键的算法就是确定每一个时间步长内钢瓶中高压氮气压力和体积以及喷嘴处灭火剂流速。可以根据高压氮气的体积求得其压力值，根据氮气的压力值求得喷嘴处的流速，根据流速计算一个时间步长内药剂的喷放量，累加每一个时间步长的药剂喷放量，直到灭火剂喷放总量为设计总量，药剂喷放过程完成，累加所有的时间步长即可得到系统的总的喷放时间。

根据如上求得的喷放时间与设计的喷放时间对比，如喷放时间的误差过大，则要修改喷嘴的等效开口直径。如果计算的喷放时间远大于设计喷放时间，则要增大该喷嘴的等效开口直径；如果计算的喷放时间远小于设计喷放时间，则要缩小该喷嘴的等效开口直径。重复上述过程，直到所有喷嘴的计算喷放时间与设计喷放时间的误差在允许的误差范围之内。

根据以上的计算结果，利用管网系统的压力流量特性，求得初始状态下喷嘴的最大工作压力和初始液面到达喷嘴的时长，计算结束。

附图说明

图1是本发明涉及七氟丙气体灭火系统管网结构示意图。

图2是本发明设计中把连续压力时间变化曲线离散为无数个时间步长的示意图。

图3是伯努利方程应用于本论文选取两个工作面的示意图。

图4是高压灭火剂在管道中流动，由于管壁粗糙造成液体压力损失的示意图。

图5是管网系统喷嘴结构示意图。

图6是初始摩尔体积计算流程图。

图7是灭火系统灭火剂喷放过程喷放时间计算流程图。

具体实施方式

一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法，灭火系统主要是由高压灭火剂存储瓶组1、灭火剂输送管网2、喷嘴3组成，还包括火灾检测装置、管路控制启动装置和启动瓶组，其喷放过程为：防护区的火灾检测装置感应到现场温度升高或者烟雾的浓度上升，信号由管路控制启动装置进行处埋，经过一段时间的延迟，电路控制打开启动瓶组1的瓶头阀，启动瓶组中高压氮气打开灭火剂存储瓶组1的容器阀，灭火剂在高压灭火剂存储瓶组1的存储瓶中高压氮气的作用下通过引升管7、高压软管8流和集流管4，经管网2的主管5到各支管6，并从喷嘴3喷放到防护区，实现快速灭火。七氟丙烷灭火剂高压状态以液态存储于钢瓶中，喷放时在高压氮气的作用下喷放到各防护区，在管网中可视为依然以液态流动。该计算方法采用动态的设计计算方法，将高压液体从存储瓶流经管道喷放到各个防护区过程中，管网系统内各点液体的压力和流速连续变化的过程离散化处理，将一个连续的过程离散成由无数个时间步长Δt的时间片段叠加而成，每个时间步长内压力和流速视作恒定不变，分别计算每个时间步长内管网中各个节点液体的压力和速度，以此为基础进行气体灭火系统管网系统的设计计算。

七氟丙烷气体灭火系统的设计计算流程如下：

(1)确定保护区域，并根据具体环境划分为不同的防护区；

(2)确定防护区七氟丙烷灭火系统管网2的布置；

(3)计算防护区的体积；

(4)根据防护区的具体环境，确定工作温度、海拔高度、设计浓度以及设计喷放时间；

(5)根据防护区的体积和设计浓度，计算防护区灭火剂设计用量；

(6)根据设计用量、选择的钢瓶容积以及灭火剂的初始充装率，计算高压灭火剂存储瓶组1中灭火剂存储钢瓶个数以及实际充装率；

(7)计算灭火剂的实际灭火浓度，并判断修改；

(8)根据灭火剂的设计用量，计算不同管段的平均流量；

(9)根据每个管段的平均流量，计算初选管网2管径；

(10)根据流量和管径计算管网压力损失；

(11)计算并判断喷嘴3的中期工作压力，修改管网2管径；

(12)根据符合要求的喷嘴3中期工作压力，计算喷嘴3等效开口直径；

(13)运用动态迭代方法计算管网2的喷放时间；

(14)判断计算喷放时间和设计喷放时间的误差，修改喷嘴3的等效开口直径，直到时间的误差在允许范围，得到最终的喷放时间和喷嘴3等效开口直径；

(15)根据管网压力损失计算的方法，计算并判断初始喷嘴3的最大工作压力；

(16)根据初始喷嘴3的喷放速度，计算初始液面到达喷嘴3的时间；

(17)判断喷嘴3的最大工作压力是否符合要求值，如果不符合，修改灭火剂钢瓶的充装率，重复上述过程，直到符合设计要求；

整个计算过程，根据设计要求，在计算的过程中，需要对计算结果不断进行判断，根据判断结果同步进项修改，是一个非封闭式有限循环的过程，直到所有参数都符合设计要求，计算终止，得到最终的设计计算结果，进而指导工程实际应用。

设计计算实现

根据七氟丙烷气体灭火系统如上的设计计算流程，其具体的设计计算流程实现如下：

(1)确定灭火剂的设计浓度

七氟丙烷气体灭火系统可作用于有人工作的场所，但是在灭火系统启动之前都会进行人员疏散，以免造成中毒。七氟丙烷的毒性较低，对人体产生不良影响的体积浓度临界值为9％，并允许在浓度为10.5％的情况下使用1min，一般采用8％、9％、10％这三个设计浓度，具体由保护区域的类型决定。在同一套组合分配的系统中，不同的保护环境也要设置不同的灭火剂浓度。

工程应用中，灭火剂设计浓度的选值由规范可知：

一般电气房间、通用机房、电子计算机房等宜用8％的设计浓度；

油浸变压器室、带油开关的配电室、自备发电机的机房应该用9％的设计浓度；

图书、档案、票据和文物资料库等宜用10％的设计浓度；

(2)计算灭火剂总的设计用量

根据不同防护区的具体作用环境，选择灭火剂的设计浓度，确定防护区的体积、作用温度和海拔高度等参数，就可以计算出防护区灭火剂设计用量。在实际喷放过程中，由于系统泄压口的存在，当防护区的压力与大气压的压力形成一定的差值的时候，泄压口开始泄压，所以一般是情况下是边喷放边泄压。目前通用的七氟丙烷气体灭火系统灭火剂用量的计算方法是采用美国火灾防护协会NFPA 2001《洁净气体灭火系统标准》上采用的计算方法，计算公式为：

其中，k一海拔修正系数，k＝5.3788x10^-9H²-101975x10^-4H+1(H表示海拔高度(m))；

V一防扩区总容积(m^3)；

c₁一灭火剂设计浓度乘以100所得的值；

s-灭火剂过热蒸汽在101kPa大气压和防护区最低温度下的质量体积(m^3/kg)，s＝0.1269+0.0005131t(t为防护区工作环境温度)。

(3)确定设计灭火剂的喷放时间t0；

通常情况下，若是固体表面火灾的预燃时间相对加长，则有可能发展成为深位火灾，这不利于FM-200灭火，同时气体与液体火灾的预燃时间一旦过长还有可能引起爆炸，这就要求灭火设计浓度应当增大为惰化设计浓度。由此可见，缩短灭火剂的喷放时间尤为重要。目前，国际上和一些发达国家的标准中，都将卤代烷的喷放时间规定为不大于10s。由于FM-200遇热时产生的主要成分为HF，其与空气中的水蒸气结合后会形成氢氟酸，其对一些精密的仪器和设备具有较强的侵蚀损害。按照有关试验结果表明，当卤代烷在火灾现场的喷放时间从10s缩短至5s时，分解产物约减少50％左右。故此，为了有效防止FM-200在灭火时对精密设备造成损害，应当将喷放时间缩短到8s，这一喷放时间的设定值经试验验证是可行的，具体根据实际情况而定。

(4)确定灭火剂钢瓶个数

不同的七氟丙烷气体灭火系统其选用的钢瓶种类也不同，七氟丙烷气体灭火系统钢瓶类型根据容积不同主要有70L、90L、100L、120L、150L和180L六种。不同的钢瓶容积不同，其外形尺寸也不同，同时其配套使用的容器阀、引升管和高压软管8的规格也不同。

另外七氟丙烷灭火剂的最大充装率在规范中也有严格要求。如下：

一级增压储存容器，不应大于1120kg/m^3；

二级增压焊接结构储存容器，不应大于950kg/m^3；

二级增压无缝结构储存容器，不应大于1120kg/m^3；

三级增压储存容器，不应大于1080kg/m^3；

所以选用不同规格的灭火剂存储钢瓶，其初始计算的充装率也不相同。在组合分配问题中，选择的充装率需同时满足每个防护区的灭火剂浓度都不小于设计值，同时还应该满足每个防护区的灭火剂浓度都不大于设计值的1.1倍。

由灭火剂的设计用量和灭火剂存储钢瓶的充装率，可以计算灭火剂存储钢瓶的个数，其计算公式为：

其中n₁一为钢瓶的个数；

ceil()一为向上取整的函数；

W一为灭火剂的设计用量；

V_b一为所选钢瓶的容积(m^3)；

n_c0一为初选钢瓶药剂的充装率(kg/m^3)；

在组合分配问题中，考虑到多个防护区共用一套瓶组及集流管4装置，为了满足所有防护区的要求，最终选择的钢瓶个数为所有防护区中钢瓶数量最大的防护区所对应的钢瓶的个数，这样可以保证所有单个防护区的要求。

(5)计算灭火剂的存储量和充装率

如上所述，灭火剂设计用量是为了保证防护区灭火浓度得到的计算量，工程实际应用中往往要考虑管网中和钢瓶中灭火剂的剩余量，所以灭火系统实际的存储量为：

W₀＝W+ΔW₁+ΔW₂ (1-3)

其中W₀一为系统灭火剂存储量(kg)；

W一为系统灭火剂设计用量(kg)；

ΔW₁一为存储瓶内灭火剂剩余量(kg)，根据实际应用经验有

ΔW₁＝3.5xn₁，其中n₁为钢瓶个数；

ΔW₂一为管道内的剩余药剂量(kg)，由于灭火剂喷放完成自后钢瓶中的高压氮气通过官网从喷嘴3喷出，故ΔW₂＝0；

根据灭火剂的实际存储量和钢瓶的个数，就可以求得灭火剂的实际充装率，这个值一般会小于初选的充装率，所以是符合要求的。其计算公式如下：

nc＝W0/(n₁V_b) (1-4)

其中n_c一为灭火剂的实际充装率(kg/m^3)；

W₀一为灭火剂的存储量(kg)；

n₁一为钢瓶的个数；

V_b一为钢瓶容积(m^3)；

根据实际计算所得的灭火剂的存储量，就可以得到单个钢瓶灭火剂的充装质量，这是指导生产实际充装量的参数。

(6)计算各个管段的平均流量

管网的布置，主要是根据灭火剂瓶组间和灭火剂作用的防护区的实际位置确定的，所以管网布置要先于设计计算，最终再根据设计计算进行局部调整。根据灭火剂的设计用量和钢瓶的个数n₁，管网系统喷嘴3的个数和各级支管后喷嘴3的个数，及设计喷放时间，计算各个管段的平均流量：

引升管和高压软管8的流量Q₁＝W/(n₁t₀) (1-5)

集流管4和主管道平均流量Q_z＝W/t₀ (1-6)

各个支管平均流量Q_g＝W/(n₃t₀) (1-7)

喷嘴3平均流量Q_c＝W/(n₂t₀) (1-8)

其中，n₁为存储瓶的数量，n₂为喷嘴3的个数，n₃为各个支管后接的喷嘴3个数。

(7)确定各个管段的管径

各管段的管径是管网系统的主要参数，只有确定了每一管段的管径才能进行水力计算。七氟丙烷气体灭火系统的管网用的是镀锌钢管，主要用到的钢管内径尺寸有15mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、65mm、80mm、100mm、125mm、150mm。管网系统中引升管和高压软管8的参数和钢瓶是配套的，所以选定钢瓶类型，引升管和集流管4的直径和长度就是确定的，其它各个管段的管径根据各管段的平均流量确定：

当Q＜＝6.0kg/s

当6＜Q＜160.0kg/s

由于这样的计算方法选取的是符合要求的一个范围值，一般符合要求的会有2-4个管径的值，考虑到喷放时长和成本因素的双重影响，选取的原则是：如果有两个管径值符合要求，则选择管径小的那个；如果有三个管径值符合要求，则选择中间那个；如果有四个管径值符合要求，则选择第二个。

(8)计算过程中点钢瓶压力

其中P₀为钢瓶的充装压力(MPa)；

V₀为全部储存容器气相总容积(m^3)；

r为七氟丙烷液体的密度；

V_p为管网的总容积；

(9)计算液体的压力损失

灭火剂在高压氮气的推动下，在管网中高速流动，流动过程中经过管道及阀或弯头或三通等局部部件有压力损失，其压力损失大小是由流体流速、管壁粗糙度、管网管径、管道长度等决定。压力损失由管道压力损失和高程压力损失组成

其中管道压力损失：

其中长度l包括管道的实际长度和其中存在局部损失的当量长度，λ为沿程损失系数，由工程实际可知，七氟丙烷气体灭火系统的灭火剂在管网中是以高速流动的，所以沿程阻力系数主要由管道的绝对粗糙度决定，其计算公式由卡门经验公式确定：

其中k₂一为管道的绝对粗糙度，对于镀锌钢管取0.1-0.2mm；

速度则根据前面确定的平均流量确定：

综合整理得到压力损失的计算公式为：

其中ΔP一为管段的压力损失(MPa)；

Q一为管段的平均流量(kg/s)；

d一为管段的管径(mm)；

l一为管段的总长度(m)；

高程压力损失为：

P_h＝10^-6rgH (1-17)

其中H一为喷嘴3到液面的高度；

(10)计算并验证喷头的中期工作压力

喷头的工作压力为

P_c＝Pm-∑ΔP-P_h (1-18)

验算喷头的工作压力是否符合要求，为了保证液体从喷嘴3处喷出的时候有一定的流动性，以保证灭火器能充满整个防护区，喷嘴3过程中点的工作压力有一定的约束条件，有：

P_c≥0.7MPa(二级增压)

P_c≥P_m/2(P_m为过程中点容器内压力)

管网系统管径的大小决定压力损失的大小，喷嘴3中期工作压力的值符合要求，所对应的管网系统管径才是符合要求的。如果喷嘴3的中期工作压力值过小则需要增大管道的管径，直到符合工作压力的要求。

(11)初选喷嘴3等效开口直径

喷嘴3的等效开口直径对于后期水力计算是一个决定性因素。等效开口直径的值过大则总的喷放时间会过短，等效开口直径的值过小则总的喷放时间过长，所以合理的等效开口直径可以减小水力计算的计算量。根据计算得到的喷嘴3的工作压力值计算喷嘴3等效开口直径：

其中，Q_c一为喷嘴3的平均流量；

q_c一为等效孔口单位面积喷射率，其值根据Pc的值计算得到。

q_c的值《规范》上给定的是一些离散的值，为了方便编程计算，应用matlab仿真软件，把多个离散的点拟合成光滑的曲线，选取尽量逼近离散点的函数表达形式，对比之后发现4次函数的拟合效果比较理想，其拟合曲线的函数表达形式如下：

当P0＝2.5MPa，q_c＝0.2017P_c ⁴-1.137P_c ³+1.68P_c ²+2.417P_c-1.207；

当P0＝4.2MPa，q_c＝-0.01369P_c ⁴+0.2582P_c ³-1.689P_c ²+5.782P_c-2.406；

当P0＝5.6MPa，q_c＝-0.05724P_c ⁴+0.7287P_c ³-3.689P_c ²+9.674P_c-5.308；

(12)计算喷放时间

通过前面的计算，灭火系统管网的所有参数都可以确定了，水力计算过程主要是根据前面计算结果所得到的管网参数计算灭火剂的喷放时间(time)。用水力计算得到是喷放时间与设计喷放时间进行对比(time-t0)，如两个值得偏差在可接受的范围，则管网中尺寸参数合格，如果两个值的偏差较大，则需要修改喷嘴3的等效开口直径，直至计算喷放时间接近设计喷放时间。

七氟丙烷气体灭火剂的喷放过程为一个动态的过程，钢瓶中高压氮气驱动液体灭火剂在管网中流动，高压氮气随着药剂量的减少其体积变大，压力变小，则管网中灭火剂的流速也变小。所以在整个喷放过程中，氮气的体积、压力，管网中灭火剂的压力、流速都是不断变化的。这种变化量放在一个动态的过程很难确定，所以考虑把连续的动态过程离散成无数个静态的时间片段，在这些极短的时间片段Δt内，可以看作每个变化量都是恒定的，如图(2)。把每个时间步长Δt内喷嘴3处药剂的喷放量累加，直到喷放量等于灭火剂的设计用量，累加时间步长得到总的喷放时间。这种计算方法虽然是一种近似计算，但是只要时间步长的取值足够小，计算结果就可以无限接近实际实际运行结果。

首先要确定钢瓶中高压氮气的变化规律。钢瓶中高压氮气的体积和压力都是实时变化的，而氮气的总量是不变的，用这个不变量可以确定两个变量之间的关系。氮气的性质接近理想气体，可是如果直接用理想气体状态方程，会造成一定的误差，为了更精确的计算结果，这里根据R-K实际气体状态方程确定；

其中：

其中R一为气体常数，值为8.314J/(mol.k)；

T一为绝对温度，值为273.15+b

a、b一为常数，对于N2有a＝1.5574Pa.m^6K^0.5/mol，b＝0.0268x10^-3m^3/mol；

V_m一为摩尔体积，即1mol气体所占的体积；

由R-K方程可知，对特定气体每一个压力值都对应有一个摩尔体积的值。初始压力状态下，无论初始充装压力的值是2.5MPa、4.2MPa还是5.6MPa，其初始的摩尔体积就是唯一确定的，而单个钢瓶的药剂量也是确定的，则初始气体体积也就是确定的，其具体的计算方法如图(6)。则在整个喷放过程中，只要能计算出气体的实时体积，就可以得到气体的实时摩尔体积，对应的压力值就可以求出。而对于管瓶中，任意时刻液体的体积可以根据其累加的喷放量求得，进而可以求得气体的实时体积。

高压的七氟丙烷灭火剂在管网中流动，会有一部分气化，从而形成气液两相流，但是从实验的数据分析，由于其喷放时间极短，气化量极少，为了简便运算，通常用液态单相流计算。

液体在高压氮气作用下的管流，为不可压缩流动。根据流体动力学基础，流体在流动过程中，任意状态下其机械能是守恒的，其机械能主要是由动能、重力势能、压力势能三部分组成。运用流体力学伯努利方程确定压力流速特性，选取钢瓶中的液面和喷嘴3出口处为两个计算基准面，如图(3)，有：

其中：Z₀一为液面的高度；

Z_p＝H一为喷嘴3的高度；

P一为液面压力；

P_p一为喷嘴3压力，值为大气压；

α₀＝α_p＝1一为速度修正系数；

hw_0-p一是管道压力损失。

其中压力损失的计算为整个计算方法中比较关键的步骤，其严重影响计算结果的精确度，可知管网流体的压力损失由沿程压力损失h_f和局部压力损失h_j组成，部分局部压力损失的计算根据当量长度，同样运用沿程压力损失的计算公式求取：

其中λ一为管道的沿程阻力系数：

其中Δ一为管壁的绝对粗糙度，对于镀锌钢管取0.1-0.2mm；

Re一为雷诺系数，由流体的特性和流速决定；

其中雷诺系数的计算公式为：

其中μ一为流体的动力粘度(Pa.s)；

对于流速不同的流体，其雷诺系数的值也不同，根据雷诺系数的值，流体可以分为三种流动形式：

层流 Re＜2000；

混合流 2000＜Re＜4000；

紊流 Re＞4000；

不同的流体状态，其沿程阻力系数的计算方式也不同，其具体的选取原则如下：

层流，

本计算方法面向的计算对象为七氟丙烷气体灭火系统，由于其喷放时间极短，其灭火剂在管道中为高速流体，Re的值非常大，所以根据工程实际运用的经验可得其沿程阻力系数主要取决于管壁的绝对粗糙度的大小，如图(4)，即：

整理可得沿程阻力的计算公式为：

其中v一为喷嘴3处的速度(m/s)；

d_p一为喷嘴3的等效开口直径(mm)；

d一为所计算的管段的直径(mm)；

l一为等径管段实际长度和当量长度的和(m)；

局部压力损失的计算公式为：

其中ζ一为局部阻力系数；

管网系统中存在局部压力损失的部件有引升管的入口、各种阀、弯头、三通和减压孔板等，除了引升管的入口和减压孔板外，其他的存在局部损失的部件都可以用当量长度计算。

喷嘴3处的减压孔板用管道突然缩小的局部处理，其局部阻力系数的取值为：

其中d_p一为减压孔板开口直径(mm)；

d₀₀一为喷嘴3前端连接管道的管径直径(mm)；

引升管入口处用管道突然缩小的局部处理，不过期入口为45°角，其局部阻力系数的取值为：

其中d₁一为引升管直径(mm)；

d_b一为钢瓶直径(mm)；

另外，七氟丙烷灭火剂在管网中为液体的流动状态，是不可压缩流。由不可压缩流体的连续性方程可得：

Q₁＝Q₂＝Q

即：

A₁v₁＝A₂v₂

即：

d₁ ²v₁＝d₂ ²v₂ (1-31)

可知任一管道的速度都可以转化为其与喷嘴3速度的关系；

把压力损失的公式代入到伯努利方程，可得方程中只有喷嘴3处的速度一个未知量，这样就可以求得实时压力下喷嘴3处的速度v_p，整理得其公式为：

其中P一为钢瓶中的实时压力；

P₁一为喷嘴3液面的压力，此处其与大气连通；

根据喷嘴3处灭火剂速度就可以求得时间步长Δt内灭火剂喷放量，由于系统中可能是多个喷嘴3共同喷放，其设计的喷放时间是一样的，这里假设每个时间步长内每个喷嘴3的喷放量是一样的。单个时间步长内，系统总的喷放量为：

把每一个时间步长内的喷放量累积，循环上面的计算，直到灭火剂总的喷放量等于灭火剂的设计用量，总的循环次数叠加即为总的喷放时间time，如图(7)。把计算得到的总喷放时间与设计喷放时间对比有：

s₀＝time-t₀ (1-34)

如果s₀＞s₁，d_p＝d_p+d_p0；

如果s₀＜s₂，d_p＝d_p-d_p0；

直到s₂＜s₀＜s₁

其中s₀一计算喷放时间和设计喷放时间的差值；

s₁一为时间差值的上极限值；

s₂一为时间差值的下极限值；

d_p0一为喷嘴3开口直径的增减步长；

(13)计算喷嘴3的最大工作压力

喷嘴3处的最大工作压力应大于一个极限值，以确保灭火剂能顺利从喷嘴3喷出布满整个防护区，实现一定的保护半径，如果计算的喷嘴3最大工作压力值过小，则钢瓶的充装率太大，应减小充装率重新计算，直到计算值符合要求。

Pmax＝P-hfmaxrg (1-35)

其中P一为灭火剂充满管网钢瓶中氮气的压力；

P_max一为喷嘴3的最大工作压力；

h_fmax一为最大速度时的压力损失；

(14)就上初始液面到达喷嘴3的时长

由上可得符合要求的喷嘴3等效开口直径所得到的初始速度，有连续性方程可以求得每一段管径的速度，从而求得每一段的时间，每一段时间求和就可以得到总时间，则初始液面到达喷嘴3的时长为：

其中l_i一为任意管段的设计长度(m)；

v一为对应管段的速度(m/s)，其值由喷嘴3处的速度求得；

(15)防护区泄压口的设计计算

七氟丙烷气体灭火系统喷放过程中，防护区的压力会持续增大，为了防止防护区的气体压力太高，通常在防护区的墙壁上开泄压口。泄压口面积计算根据GB 50370-2005《气体灭火系统设计规范》给出的计算公式，其值由防护区灭火剂的喷放速率和防护区维护结构承受内压的允许压强确定，其计算方法如下：

其中F_x一为泄压口的面积；

Q_x一为灭火剂在防护区的平均喷放速率；

P_f一为维护结构承受内压的允许压强(Pa)

其中P_f的取值不宜低于1200Pa，具体规定如下：

高层建筑 P_f＝1200Pa；

一般建筑 P_f＝2400Pa；

地下建筑 P_f＝4800Pa；

泄压口的开启压力值为1.1+0.1KPa，关闭工作压力为0.95+0.05KPa时较为合理。其安装高度一般在防护区净高的2/3以上。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法，灭火系统管网主要是由依次连接的高压灭火剂存储瓶组、灭火剂输送管网和喷嘴组成，所述灭火剂输送管网包括主管、与高压灭火剂存储瓶组连接的引升管和高压软管、连接主管与喷嘴的支管，高压软管通过集流管连接到主管，其特征在于：采用动态的设计计算方法，将高压液体从高压灭火剂存储瓶组流经灭火剂输送管网喷放到各个防护区喷嘴的过程中，灭火剂输送管网内各点液体的压力和流速连续变化的过程离散化处理，将一个连续的过程离散成由无数个时间步长Δt的时间片段叠加而成，每个时间步长内压力和流速视作恒定不变，分别计算每个时间步长内管网中各个节点液体的压力和速度，以此为基础进行气体灭火系统的设计计算。

2.一种七氟丙烷气体灭火系统的设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据防护区的实际情况确定设计浓度和充装压力；

(2)根据步骤(1)计算并修正所需要的七氟丙烷气体需求量；

(3)确定灭火剂的喷放时间；

(4)根据设计用量和总的喷放时间，计算各个管段的平均流量；

(5)根据平均流量初选管网各个管段的管径；

(6)计算并验证喷嘴处的中期工作压力，如果不符合修改管网管道直径，直到中期工作压力符合要求；

(7)根据喷嘴的中期工作压力初选喷嘴等效开口直径；

(8)以时间步长为一个确定过程，计算时间步长内流体的压力和流速，进而计算出时间步长内喷嘴喷放的药剂量，叠加计算得出灭火剂全部喷放完的总时间；

(9)判断计算的喷放时间和设计时间之间的误差，如果误差过大则修改喷嘴等效开口直径，直到误差在可接受的范围内，得到喷嘴等效开口直径并计算喷嘴处的最大工作压力以及初始液面到达喷嘴的时间；

(10)根据计算得到的喷嘴处最大工作压力，判断其值是否符合要求，如果其值太小，则要修改灭火剂的充装率，重复上述计算直到得到合理的喷嘴处最大工作压力值；

(11)计算防护区泄压口的面积。

3.根据权利要求2所述的七氟丙烷气体灭火系统的设计方法，其特征在于：

(1)确定灭火剂的设计浓度

一般电气房间、通用机房、电子计算机房采用8％的设计浓度；

油浸变压器室、带油开关的配电室、自备发电机的机房采用9％的设计浓度；

图书、档案、票据和文物资料库采用10％的设计浓度；

(2)计算防护区灭火剂设计用量

其中，k一大气压力校正系数，k＝5.3788x10^-9H²-101975x10^-4H+1(H表示海拔高度(m))；

V一防护区总容积(m^3)；

c₁一灭火剂设计浓度乘以100所得的值；

s-灭火剂过热蒸汽在101kPa大气压和防护区最低温度下的质量体积(m^3/kg)，s＝0.1269+0.0005131t(t为防护区工作环境温度)；

(3)确定设计灭火剂的喷放时间t₀；

喷放时间的选取一般在8-10s之间，特殊环境要求喷放时间小于8s；

(4)计算各个管段的平均流量

选择钢瓶容积，根据药剂的发计总量和初始充装率确定钢瓶的个数n1，再计算各个管段的流量：

引升管和高压软管的流量Q₁＝W/(n₁t₀)

集流管和主管道平均流量Q_z＝W/t₀

各个支管平道均流量Q_g＝W/(n₃t₀)

喷嘴的平均出流量Q_c＝W/(n₂t₀)

其中，n₁为存储瓶的数量，n₂为喷嘴的个数，n₃为各个支管后接的喷嘴的个数；

(5)确定各个管段的管径

其中引升管和高压软管的参数和钢瓶是配套的，其它各个管段的管径根据各管段的平均流量确定：

当Q＜＝6.0kg/s d＝(12～20)sqrtQ

当6＜Q＜160.0kg/s d＝(8～16)sqrtQ

一般符合要求的会有2-4个管径的值，考虑到喷放时长和成本因素的双重上影响，优先选择偏中间的值；

(6)计算过程中点压力

其中P₀一为钢瓶的充装压力；

V₀一为全部储存容器气相总容积；

其中n_c一为灭火剂的充装率；

r一为七氟丙烷液体的密度；

V_p一为管网的总容积；

(7)计算液体的压力损失

压力损失由管道压力损失和高程压力损失组成

其中管道压力损失：

其中I包括管道的实际长度和其中存在局部损失的当量长度，λ为沿程损失系数，其计算公式为：

其中k₂为管道的绝对粗糙度，对于镀锌钢管取0.1-0.2mm；

速度的根据前面确定的平均流量确定：

综合整理得到压力损失的计算公式为：

高程压力损失为：

P_h＝10^-6rgH

其中H为喷嘴到液面的高度；

(8)计算并验证喷头的工作压力

喷头的工作压力为

P_c＝Pm-∑ΔP-P_h

喷头的工作压力需符合以下符合要求：

P_c≥0.7MPa(二级增压)

P_c≥P_m/2(P_m为过程中点容器内压力)

如果喷嘴的工作压力值过小则需要扩选管道的管径，直到符合工作压力的要求；

(9)初选喷嘴的等效开口直径

根据计算得到的喷嘴的工作压力值计算喷嘴的等效开口直径dp：

其中，Q_c一为喷嘴的平均流量；

q_c一为等效孔口单位面积喷射率，其值根据Pc的值计算得到；

(10)计算喷放时间

七氟丙烷气体灭火剂的喷放过程为一个动态的过程，每一状态其压力根据：R-K实际气体状态方程确定：

其中R一为气体常数，值为8.314J/(mol.k)；

T一为绝对温度，值为273.15+t；

a、b一为常数，对于N2有：a＝1.5574Pa.m^6K^0.5/mol，b＝0.0268x10^-3m^3/mol；

V_m一为摩尔体积，即1mol气体所占的体积；

忽略高压的七氟丙烷灭火剂在管网中的气化，以液态来代替计算；

液体在高压气体的作用在管网中高速流动，运用伯努利方程确定流动状态，选取钢瓶中的液面和喷嘴出口处为两个计算面，有：

其中：Z₀＝H₀一为液面的高度；

Z_p＝H一为喷嘴的高度；

P₀一为液面压力；

P_p一为喷嘴压力，值为大气压；

α₀＝α_p＝1一为速度修正系数；

h_w0-p一是管道压力损失；

公式中压力损失由沿程压力损失h_f和局部压力损失h_j组成，局部压力损失的计算根据当量长度，同样运用沿程压力损失的计算公式求取：

其中λ为管道的沿程阻力系数：

其中Δ一为管壁的绝对粗糙度，对于镀锌钢管取0.1-0.2mm；

Re一为雷诺系数，由流体的特性和流速决定；

对于高速流体，Re的值非常大，所以沿程阻力系数主要取决于管壁的绝对粗糙度的大小，即：

整理可得沿程阻力的计算公式为：

其中v一为喷嘴处的速度(m/s)；

d_p一为喷嘴的等效开口直径(mm)；

d一为所计算的管段的直径(mm)；

l一为等径管段实际长度和当量程度的和(m)；

把压力损失的公式带入到伯努利方程，可得方程中只有喷嘴处的速度一个未知数，这样就可以求得实时压力下喷嘴处的速度v；

根据喷嘴处速度就可以求得时间步长Δt内的喷放量：

ΔW＝n₂πdp²vΔtr/4000000

其中n₂一为喷嘴的个数；

d_p一为喷嘴的等效开口直径；

把每一个时间步长内灭火剂的喷放量累积，循环上面的计算，直到叠加的灭火剂喷放量等于灭火剂的设计用量，即可得到总的喷放时间time；

(11)计算喷嘴的最大工作压力

根据上一步得到的总的喷放时间与初始设定的喷放时间进行对比，如果两个时间相差太多则缩小或者扩充喷嘴的等效开口直径，重复步骤(10)的迭代步骤，直到计算喷放时间和理论设定的喷放时间在可接受的范围内，确定最终的喷嘴等效开口直径；

其中P一为灭火剂充满管网时钢瓶中的压力；

P_max一为喷嘴的最大工作压力；

hf_max一为最大速度时的压力损失系数；

v_max一为初始最大速度时；

(12)计算初始液面到达喷嘴的时长

由上可得符合要求的喷嘴等效开口直径所得到的初始速度，由连续性方程可以求得药剂在每一段管径的流动速度，从而求得每一段的流动时间，每一段管段的流动时间求和就可以得到总时间，则初始液面到达喷嘴的时长为：

其中l_i一为任意管段的实际长度(m)；

v一为对应管段的速度(m/s)，其值由喷嘴处的速度求得；

(13)防护区泄压口的设计计算

泄压口面积计算方法如下：

其中F_x一为泄压口的面积；

Q_x一为灭火剂在防护区的平均喷放速率；

P_f一为维护结构承受内压的允许压强(Pa)。