CN1443583A - 一种固定式惰性气体自动灭火系统的管网系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种由储气钢瓶组、容器阀、单向阀、汇集管、选择阀、压力开关及以管道连接各消防场所的喷头组成的固定式惰性气体自动灭火系统的管网系统。本发明依据管网中高压惰性气体流动的特点，提出对于管网系统等效当量长度L_d(m)，管网初始喷放参数P₁、T₁，管网喷放临界流动参数γ，惰性气体喷放时间新的计算方法。使用本方法设计的管网系统，可使管网系统喷射时间(＜60s)和喷射量达到规定要求，确保保护区惰性气体灭火浓度，达到灭火目的；本设计方法对压缩气体在管网中流动的设计有普遍指导意义。

Description

一种固定式惰性气体自动灭火系统的管网系统的设计方法

一、技术领域

本发明涉及惰性气体灭火系统的设计方法，具体为灭火系统的管网系统的设计方法。

二、技术背景

有效保护地球周围大气层中的臭氧层，是关系到保护人类生存环境的大事。在众多破坏臭氧层的化学物质中，灭火剂是其危害性较大的一种，在我国使用的“哈龙”灭火剂，被公认为有优良效果的灭火剂，但其对臭氧层破坏性很大(是氟里昂的3-10倍)。发达国家1994年淘汰“哈龙”之后，以大气中惰性气体作为灭火剂。惰性气体作为灭火剂被公认为是灭火剂的发展方向。为此，我国决定2010年前淘汰“哈龙”灭火剂，在重要场所强制实施以惰性气体灭火为主导的灭火系统，以确保重要场所的安全。

通用固定式惰性气体自动灭火系统包括电气自动控制系统和由储气钢瓶组、容器阀、单向阀、汇集管、选择阀、压力开关及以管道连接各消防场所的喷头组成的管网系统。使用的灭火剂有IG541(N₂52％、Ar 40％、CO₂ 8％)、IG55(N₂ 50％、Ar 50％)、IG100(N₂ 100％)、IG01(Ar 100％)。当前，对于管网系统的设计尚无统一规范。一些企业自行设计的管网系统，由于设计中忽视惰性高压气体在管网中流动的特点，因而设计的管网系统难于确保喷射时间(＜60s)和喷射量规定，无法有效灭火，导致重大损失。本发明的目的在于修正现有技术的不足，提供一种对管网系统主要参数新的设计方法。

三、发明内容

其设计方法如下：

1)确定管网系统等效当量长度L_d(m)

  a、对每一串联支路，按照流动压差Δp相等的原则求出

     其当量阻力长度L_dz；

  b、按照流动压差Δp相等的原则，对于并联支路L_dz组成

     的管网化成主干道的等效当量管道，求出等效当量管长

     L_d(m)；

2)确定管网初始喷放参数P₁、T₁

  P₁--惰性气体喷放时最初充满保护管网时容器(钢瓶)内

     压力(Mpa)

  T₁--对应P₁惰性气体的温度(K) $P_1={\left(\frac{\mathrm{Vp}}{\mathrm{Vp}+\mathrm{Vg}}\right)}^m\·P_0$ $T_1={\left(\frac{\mathrm{Vp}}{\mathrm{Vp}+\mathrm{Vg}}\right)}^n\·T_0$ 其中：V_p-单个保护区储存钢瓶总容积(m³)；

  V_g-单个保护区管网容积(m³)；

  P₀-钢瓶未喷放时储存额定充装压力，一般取

     15Mpa或20Mpa；

    T₀-钢瓶未喷放时储存额定温度，一般取

       293(K)；

    m-指数  IG541取1.460；IG55取1.498；

            IG100取1.40；IG01取1.660；

    n-指数  IG541取0.460；IG55取0.498；

            IG100取0.40；IG01取0.660；3)确定管网喷放临界流动参数γ(计算后γ取＞1的解)

     γ-Lnγ＝1+λθ(L_d/D)

其中：

     γ的物理意义为；

(P_*为管网喷头出气

     口处喷气时临界压力，K为喷放过程多变指数)

λ-惰性气体流动时，对管网系统等效当量长度L_d的

     沿程阻力系数，校核设计时先取λ＝0.02-0.025，

     求出管网流量后，按流体力学计算方法保证取值在

     合理范围；

θ＝(K+1)/2，K为喷放过程多变指数；

    θ取值为：IG541取1.230；IG55取1.249；

              IG100取1.2；  IG01取1.33；

D-计算L_d时的管道内径(m)；4)惰性气体喷放时间的确定：

a、确定惰性气体喷放初始流量Q_max(kg/s) $Q_{\max }=\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{\mathrm{\μ}{P_1}^2}{Z_1{T}_1\mathrm{\γ}}\right)}^{1/2}\·D^2$

其中：

ε-系数    [G541取1.041×10⁴；IG55取1.054×10⁴；

           IG100取1.019×10⁴；IG01取1.110×10⁴；

μ-惰性气体分子量IG541取34.07；IG55取33.98；

                 IG100取28.02；IG01取39.94；

Z₁-惰性气体对应P₁、T₁的压缩系数，其值按GB150-98

   《钢制压力容器》附录B求取；b、确定惰性气体流动临界压力比β

           β＝γ^q

其中：q-指数  IG541取0.5935；IG55取0.60；

              IG100取0.5834；IG01取0.6242；c、确定惰性气体临界喷放终结压力p₁′(Mp_a)和临界喷放终结温度T₁′(K)

    P₁′＝βPatm ${T_1}^{\′}={\left(\frac{P_1^{\′}}{P_0}\right)}^s\·T_0$

其中：P_a′tm-保护区大气压，一般取0.1Mpa

      S-指数  IG541取0.315；IG55取0.332；

              IG100取0.287；IG01取0.398；d、确定惰性气体临界喷放终结流量Q′max(Kg/s) $Q^{\′}\max =\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{\mathrm{\μ}{p_1}^{\′2}}{{z_1}^{\′}{T_1}^{\′}\mathrm{\γ}}\right)}^{1/2}\·D^2$ 其中：Z₁′-惰性气体对应P₁′、T₁的压缩系数，其值按

  GB150-98《钢制压力容器》附录B求取；

    e、确定惰性气体临界喷放平均流量 Qmax(Kg/s)

                Qmax＝(Qmax+Q′max)/2

    f、确定惰性气体临界喷放终结钢瓶内剩余气体相对数R

               R＝(T₁′/T₁)^α

       其中：α-指数  IG541取2.174；IG55取2.008；

                      IG100取2.50；IG01取1.515；

    m、确定惰性气体临界喷放时间t₁(s)

               t₁＝M(1-R)/ Qmax

       其中：M-保护区钢瓶内惰性气体储存量(kg)

    n、确定惰性气体不稳定喷放过程平均流量 Q(Kg/s)

                Q＝Q′max/2

    k、确定惰性气体不稳定喷放时间t₂(s)

               t₂＝MR/ Q

    g、确定惰性气体从管网系统喷放结束时间t(s)

               t＝t₁+t₂

    u、校验

       当计算求出的t应≤60s，否则应另行布置管网并从新

       设计计算。

用上述方法设计的管网系统，可使管网系统喷射时间(＜60s)和喷射量达到规定要求，确保保护区惰性气体灭火浓度，起到灭火目的；本设计方法对压缩气体在管网中流动的设计有普遍指导意义。

四、附图说明

附图为管网系统结构原理图

图中：1-储气钢瓶组、2-容器阀、3-单向阀、4-汇集管、

      5-选择阀、6-压力开关、7-主管道、8-管网、

      9-支管、10-喷头组。

五、具体实施方法

本设计方法是基于管网中流动的为高压惰性气体，其流动规律与不可压缩流体有本质区别，不可压缩流体的伯努利方程及气体动力学的一元等熵流动方程在设计中不能应用。管网中流动的高压惰性气体变化规律已不是简单的与当量管长成正比，而气体的马赫数变化极大的影响压缩惰性气体的流量，从而影响灭火系统的可靠性。实际情况是：当灭火系统打开后，高压惰性气体的流动是一个不稳定过程，这个过程可分为两个阶段，第一阶段为气体临界流动状态下的不稳定流动阶段，这个阶段的特点是全程流动不稳定，但管网出口处气体马赫数始终稳定为Ma＝1；接下来的第二阶段为单纯不稳定流动阶段，管网出口处气体马赫数由Ma＝1逐渐减小到Ma＝0，钢瓶气体喷放完毕。本设计是按照这种规律，确定惰性气体在流动中的参数，即压力P、温度T、密度ρ和速度W，从而达到国际标准对惰性气体管网系统喷放时间的设计要求。

管网系统是在电气自动控制系统根据保护区火情需要发出指令，使相应储气钢瓶组(1)的容器阀(2)和选择阀(5)打开后，高压惰性气体流经单向阀(3)、汇集管(4)、选择阀(5)、主管道(7)进入管网(8)，再经支管(9)后由喷头组(10)喷放，压力开关(6)指示管网系统是否工作。采用本方法设计的管网系统，可保证喷射时间(＜60s)和喷射量达到规定要求，达到有效灭火目的。

Claims (1)

1.一种由储气钢瓶组(1)、容器阀(2)、单向阀(3)、汇集管(4)、选择阀(5)、压力开关(6)及以管道连接各消防场所的喷头组(10)组成的固定式惰性气体自动灭火系统的管网系统，其特征在于管网系统的主要参数设计方法为：

1)确定管网系统等效当量长度L_d(m)

a、对每一串联支路，按照流动压差Δp相等的原则求出

   其当量阻力长度L_dz；

b、按照流动压差Δp相等的原则，对于并联支路L_dz组成

   的管网化成主干道的等效当量管道，求出等效当量管长

   L_d(m)；

2)确定管网初始喷放参数P₁、T₁

    P₁--惰性气体喷放时最初充满保护管网时容器(钢瓶)内

        压力(Mpa)

    T₁--对应P₁惰性气体的温度(K) $P_1={\left(\frac{\mathrm{Vp}}{\mathrm{Vp}+\mathrm{Vg}}\right)}^m\·P_0$ $T_1={\left(\frac{\mathrm{Vp}}{\mathrm{Vp}+\mathrm{Vg}}\right)}^n\·T_0$

其中：V_p-单个保护区储存钢瓶总容积(m³)；

      V_g-单个保护区管网容积(m³)；

      P₀-钢瓶未喷放时储存额定充装压力，一般取

         15Mpa或20Mpa；

      T₀-钢瓶未喷放时储存额定温度，一般取创造

         293(K)；

      m-指数  IG541取1.460；IG55取1.498；

              IG100取1.40；IG01取1.660；

      n-指数  IG541取0.460；IG55取0.498；

              IG100取0.40；IG01取0.660；3)确定管网喷放临界流动参数γ(计算后γ取＞1的解)

    γ-Lnγ＝1+λθ(L_d/D)

其中：

    γ的物理意义为； (P_*为管网喷头出气

    口处喷气时临界压力，K为喷放过程多变指数)

λ-惰性气体流动时，对管网系统等效当量长度L_d的

沿程阻力系数，校核设计时先取λ＝0.02-0.025，

求出管网流量后，按流体力学计算方法保证取值在

合理范围；θ＝(K+1)/2，K为喷放过程多变指数；

θ取值为：IG541取1.230；IG55取1.249；

          IG100取1.2；IG01取1.33；

  D-计算L_d时的管道内径(m)；4)惰性气体喷放时间的确定：

a、确定惰性气体喷放初始流量Q_max(kg/s) $Q_{\max }=\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{\mathrm{\μ}{P_1}^2}{Z_1{T}_1\mathrm{\γ}}\right)}^{1/2}\·D^2$

其中：

ε-系数    IG541取1.041×10⁴；IG55取1.054×10⁴；

           IG100取1.019×10⁴；IG01取1.110×10⁴；

μ-惰性气体分子量IG541取34.07；IG55取33.98；

                 IG100取28.02；IG01取39.94；

Z₁-惰性气体对应P₁、T₁的压缩系数，其值按GB150-98

   《钢制压力容器》附录B求取；

b、确定惰性气体流动临界压力比β

             β＝γ^q

其中：q-指数  IG541取0.5935；IG55取0.60；

              IG100取0.5834；IG01取0.6242；

c、确定惰性气体临界喷放终结压力p₁′(Mp_a)和临界喷放终结

   温度T₁′(K)

           P₁′＝βPatm ${T_1}^{\′}={\left(\frac{P_1^{\′}}{P_0}\right)}^s\·T_0$

其中：P_atm-保护区大气压，一般取0.1Mpa

      S-指数 IG541取0.315；IG55取0.332；

             IG100取0.287；IG01取0.398；d、确定惰性气体临界喷放终结流量Q′max(Kg/s) $Q^{\′}\max =\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{\mathrm{\μ}{p_1}^{\′2}}{z_1^{\′}{T}_1^{\′}\mathrm{\γ}}\right)}^{1/2}\·D^2$

其中：Z₁′-惰性气体对应P₁′、T₁′的压缩系数，其值按

      GB150-98《钢制压力容器》附录B求取；e、确定惰性气体临界喷放平均流量 Qmax(Kg/s)

       Qmax＝(Qmax+Q′max)/2f、确定惰性气体临界喷放终结钢瓶内剩余气体相对数R

      R＝(T₁′/T₁)^α

其中：α-指数  IG541取2.174；IG55取2.008；

               IG100取2.50；IG01取1.515；m、确定惰性气体临界喷放时间t₁(s)

      t₁＝M(1-R)/ Qmax

其中：M-保护区钢瓶内惰性气体储存量(kg)n、确定惰性气体不稳定喷放过程平均流量 Q(Kg/s)

       Q＝Q′max/2k、确定惰性气体不稳定喷放时间t₂(s)

      t₂＝MR/ Qg、确定惰性气体从管网系统喷放结束时间t(s)

      t＝t₁+t₂u、校验

当计算求出的t应≤60s，否则应另行布置管网并从新

设计计算。

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