申炳炎，黃新天
(天津市建工設計院，天津300193)

　　 摘要：通過新型滅火系統——七氟丙烷滅火系統的應用實例，對潔凈氣體滅火系統在設計應用中遇到的問題提出幾點粗淺看法。
　　關鍵詞：氣體滅火系統；七氟丙烷；均衡管網
　　中圖分類號：TU892
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)10-0035-03

　　1  氣體滅火系統的發展趨勢

　　傳統哈龍產品——鹵代烷1211及1301在我國氣體消防行業的應用歷史中占有非常重要的地位，目前系統的裝備量約占氣體滅火系統總裝備量的80%以上。
　　由于哈龍滅火劑是破壞大氣臭氧層的主要因素，為了保護人類共同的生存環境，造福子孫后代，我國政府于1989及1991年分別簽署了《關于保護臭氧層的維也納公約》、《關于破壞臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，并決定于2005年停產1211，2010年停產1301。這標志著淘汰哈龍，開發新型滅火劑已成為大勢所趨。
　　哈龍替代技術發展的一個方面是用已有的其他滅火系統替代哈龍滅火系統，如采用二氧化碳、水噴霧、泡沫、干粉、易安龍(氣溶膠)滅火系統等。這些滅火系統有的存在技術陷,尚未形成正式的技術規范和市場；有的盡管較為成熟，但難以解決滅火劑的污染問題，只能在那些“非必要場所”替代哈龍滅火系統，如傳統滅火劑二氧化碳，雖然其應用歷史較長,且技術已經規范化，但其最低設計濃度高于對人體的致死濃度，故在保護經常有人的場所時須慎重采用。
　　另一個發展方向是開發不污染被保護對象、不破壞大氣臭氧層、溫室效應小、對人體無害的滅火劑，即“潔凈氣體”滅火劑和相應的滅火系統，這是當前發展的主流。
目前，國際標準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)。其中以含一個氫原子的氟代烷(HFC)的綜合性能較為理想，具有一定的開發價值，但目前的開發水平尚未達到“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渡性替代物。

　　2  潔凈氣體滅火系統

　　從應用方式講，目前潔凈氣體滅火系統僅開發了適用于有限封閉空間的全淹沒系統；按系統的組成來講，目前有預制滅火系統和管網滅火系統。管網滅火系統可以是單元獨立系統，也可以是組合分配系統，其工作原理與鹵代烷滅火系統及二氧化碳滅火系統類似。
　　目前只有七氟丙烷及IG541系統在國內少數重點工程中有所應用，并有多個生產廠商具備小批量生產能力，其他系統尚無應用實例。
　　 2.1  系統選擇的原則
　　①  ODP值最小原則，即對臭氧層的耗損最小。
　　②  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，即溫室效應小。
　　④  ALT值最小原則，即在大氣中存留期短，潛在危險小。
　　⑤  NOAEL值最大原則，即毒性低。
　　五個原則具體執行時應綜合考慮，統籌兼顧，結合具體條件決定。
　　2.2  系統的設計思路
　　潔凈氣體滅火系統的設計思路與鹵代烷滅火系統頗為類似，可歸納為：設計滅火用量(M)→管道流量(Q)→管道內徑(D)→管道規格→管道計算長度(L)→中期容器壓力(P_m)→管道節點壓力(P_j)→噴頭等效孔口面積(F)→噴頭規格→滅火劑儲存量(M_c)→儲瓶數量(N_p)。
　　系統管網計算的關鍵在于準確地計算出管道內各點的壓力，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噴嘴的孔口面積。管網阻力計算的“最終”結果是在保證滅火劑噴射時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。
　　2.3  七氟丙烷滅火系統
　　七氟丙烷(HFC—227ea)常溫下呈氣態，無色、無嗅、不導電、無腐蝕、無環保限制、大氣存留期較短、可液化貯存(貯存年限為30年)。其滅火機理與鹵代烷相同，為中斷燃燒的鏈式反應，通過滅火劑對燃燒反應的化學抑制作用，即負催化作用而迅速滅火；其特點是沸點低、氣化快、分布均勻、滅火速度快，這對搶救貴重物品及精密電子設備是有利的。HFC227在電子設備房設計滅火濃度為8%，低于其NOVEL濃度9%，對人體安全。其性能特點近似于鹵代烷1301，在有人場所比1301更安全，是第一代哈龍替代物中綜合性能最好且應用條件最成熟的滅火系統，是當前首選的哈龍替代品。它的不足之處是不能滅固體深位火災。
　　2.4  工程應用實例
　　山東東營勝利明珠電視塔地下發射機房及變配電室(包括UPS電源)的基本情況如下：
發射機房：面積190 m²，容積926 m³。
變配電室：面積136 m²，容積659 m³。
該工程設計于1997年，原設計采用1301全淹沒組合分配系統，1999年底設備安裝階段建設單位提出改用其他永久性替換系統，以滿足設計使用年限內不被淘汰。
　　2.4.1  系統選擇
　　在選擇滅火劑時，考慮到設備的重要性及使用年限、原有貯瓶站的面積及改造條件，決定采用國產滅火劑HFC227、IG541和CO₂其中的一種，方案比較見表1。

　　由以上分析可知，IG541系統造價高且瓶組過多占地大，對于該工程地下室狹窄空間難以擴容的瓶站來說是難以接受的；另外發射機房是經常有人的場所，采用滅火濃度高于對人體致死濃度的CO₂系統顯然也是不適宜的；相對而言，HFC227系統從滅火效能、占地面積等各方面情況均接近于1301系統，僅在藥劑價格上稍高一些，但總投資還是可以讓人接受的，最終入選。
　　2.4.2  系統設計的理論依據
　　系統的設計目前只能按《七氟丙烷(HFC—227ea)潔凈氣體滅火系統設計規范》(建議草案)(以后簡稱規范)及《氣體滅火系統施工及驗收規范》進行。
HFC227滅火系統在釋放滅火劑短暫過程中的流體計算是比較復雜的。由于其流動狀態為非穩定流又是氣液二相流，造成了管道中壓力降的非線性變化，管網內任一點的壓力、流量和密度均隨時間而變化，管網內各管段任一點壓力的確定均是多變量參數的求解，這些參數的求解是依賴于一組超靜定方程式，必須先假定一些參數才能求出其他參數。
　　2.4.3  系統的組成與工作原理 
　　滅火系統由儲存裝置(滅火劑貯瓶、容器閥、單向閥、集流管等)、管道系統(送氣管路、選擇閥、噴頭等)、增壓系統(氮氣貯瓶、瓶頭閥、氮氣管路等)、自控系統(滅火控制盤、手動控制盒、自動報警系統)四部分組成。
系統設自動控制、手動控制和機械應急操作三種啟動方式。
　　2.4.4  系統的設計計算
　　計算過程的控制及設計參數的選定需要一定的經驗和技巧，現介紹如下：
　　①  關于貯存壓力。規范只給定二級貯存壓力(2.5±0.125) MPa和(4.2±0.125) MPa。選擇貯存壓力主要從經濟合理性考慮，在防護區面積較小、系統管路較短時，可選用2.5 MPa貯存壓力，以降低工程造價；在防護區面積較大、系統管道較長(干管長度超過20 m)時，選用2.5 MPa貯存壓力難以保證要求的滅火劑噴射時間，或滅火劑充裝密度太小時，應選用4.2 MPa壓力以允許管道有較大壓力降，滿足設計限定條件。對待具體工程，應通過計算比較未確定貯存壓力。
　　②  關于充裝密度。充裝密度系指貯存容器內滅火劑質量與容器容積之比。一般來講，貯存壓力等級高而整個管網容積較小、管道較短，可采用較大充裝密度；反之則應采用較小的充裝密度。具體設計時，筆者認為，初選充裝密度宜選用較小值，組合分配系統初選充裝密度為800 kg/m3時，計算結果較易達到要求，而單元獨立系統初選值可控制在1 000 kg/m3。
　　③  關于管網內滅火劑的百分比。管網內滅火劑百分比是用來表示管網的容積對中期容器壓力影響大小的一個參數，在確定貯存壓力等級和滅火劑充裝密度時必須考慮管網內滅火劑百分比的影響。管網內滅火劑的百分比大時，應選用較小的充裝密度和較高的貯存壓力。
　　④  關于管網布置。應盡量將管網均衡布置，以簡化管網流體計算，提高滅火劑在防護區的均布程度，另外還可減少管網剩余量以節省投資。
為了較準確地控制流量分配，避免滅火劑的密度在各分流支管中產生較大差異，影響計算精度，應按規范對三通管件分流條件的限制和要求合理配管。

　　3  問題探討

　　本文僅從設計的角度對實施該規范時，在具體設計操作中所遇到的問題進行討論。
　　①  計算過程過于繁瑣。由于該物質呈氣液兩相流，均衡管網可采用解析法，按照規范給出的方法經多次迭代人工計算得出結果；非均衡管網的實際應用計算目前只能采用生產廠商提供的軟件在計算機上進行。計算所耗時間與計算的成果不成正比，因而迫切要求正式規范出臺時能使計算方法簡化，實實在在地給設計減少工作壓力。
　　②  關于均衡管網的定義不明確。規范第4.2.3條中的“均衡管網”從文字上可以淺義理解為“系統從氣源至各個噴頭(氣液分界點)的長度相等時管網為均衡管網，可不計算管網剩余用量”；而規范第5.1.5條中定義的“均衡管網”可以淺義理解為“在管網上，從第一分流點至各噴頭的管網阻力損失，其相互間最大差值≯20%時為均衡管網，而與管道實際長度無關”。這二條規范在用詞上似有不妥之處，希望能統一說法。
　　③  關于噴頭安裝的規定有待商榷。由于七氟丙烷氣體蒸氣壓低，密度比空氣小，噴射不久氣體就會上浮，因而氣體噴射方向應是噴向下部空間保護物的。規范第6.2.3條規定“噴頭宜貼近防護區頂面安裝，距頂面最大距離應≯0.5 m”。而很多防護區不設吊頂，且梁高均＞0.5 m，勢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空間，因而此條規定是否必要，值得推敲。另外，規范6.2.3條對噴頭的平面布置給出的原則是“當防護區高度h＜1.5m時，噴頭的保護半徑應≯3.5 m；當防護區高度h≥1.5 m時，噴頭的保護半徑應≯5 m”。通常，氣體滅火系統一般盡量布成均衡系統或接近于均衡系統，因而噴頭布置較為規則，基本為正方形或長方形布置；如果能給出噴頭的最大布置間距及距墻柱的最小距離，則在設計操作時應比單純給定保護半徑更直接，更方便。
　　④  關于瓶站排風系統的規定。規范第8.0.6條“地下貯瓶間應設機械排風裝置，排風口應設在下部直通室外”。貯瓶間是滅火的心臟部位，平時應是關閉的，只有專業人員方可進入，可以認為規定此條的目的在于防止泄漏氣體濃度上升，對人員產生危害。但是，排風口設于下部時顯然不利于排除對空氣相對密度小的七氟丙烷氣體。

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　　收稿日期：2000-05-22