本發(fā)明涉及一種氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計方法，主要針對七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

七氟丙烷氣體滅火劑，又稱HFC-227ea、FM-200，在一定的壓強(qiáng)下呈液態(tài)儲存。是一種無色、無味、不導(dǎo)電、無二次污染的氣體，具有清潔、低毒、電絕緣性好，滅火效率高的特點(diǎn)，特別是它對臭氧層無破壞，在大氣中的殘留時間比較短，其環(huán)保性能明顯優(yōu)于鹵代烷，是目前為止研究開發(fā)比較成功的一種潔凈氣體滅火劑，被認(rèn)為是替代鹵代烷1301、1211的最理想的產(chǎn)品之一。七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)為物理滅火和化學(xué)滅火共同作用，能實(shí)現(xiàn)快速滅火。

七氟丙烷氣體滅火劑是美國大湖公司研制生產(chǎn)的鹵代烴滅火劑的一種，分子式為CF3CHFCF3。七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)根據(jù)其使用環(huán)境要求的具體輸送距離，其初始充裝壓力分為兩個級別，當(dāng)系統(tǒng)管網(wǎng)長、壓力損失大的，可選取4.2MPa及5.6MPa增壓級；管網(wǎng)短、壓力損失小的，可選2.5MPa增壓級。七氟丙烷的毒性較低，對人體產(chǎn)生不良影響的體積濃度臨界值為9％，并允許在濃度為10.5％的情況下使用1min，一般采用8％、9％、10％這三個設(shè)計濃度，具體由保護(hù)區(qū)域的類型決定。對于一般的保護(hù)區(qū)滅火時間控制在8-10s的范圍之內(nèi)，有些特殊區(qū)域滅火時間要控制在8s以下，由具體防護(hù)區(qū)而定。通常情況下，若是固體表面火災(zāi)的預(yù)燃時間相對加長，則有可能發(fā)展成為深位火災(zāi)，這不利于FM-200滅火，同時氣體與液體火災(zāi)的預(yù)燃時間一旦過長還有可能引起爆炸，這就要求滅火設(shè)計濃度應(yīng)當(dāng)增大為惰化設(shè)計濃度。由此可見，縮短滅火劑的噴放時間尤為重要。目前，國際上和一些發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)中，都將鹵代烷的噴放時間規(guī)定為不大于10s。由于FM-200遇熱時產(chǎn)生的主要成分為HF，其與空氣中的水蒸氣結(jié)合后會形成氫氟酸，其對一些精密的儀器和設(shè)備具有較強(qiáng)的侵蝕損害。按照有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鹵代烷在火災(zāi)現(xiàn)場的噴放時間從10s縮短至5s時，分解產(chǎn)物約減少50％左右。故此，為了有效防止FM-200在滅火時對精密設(shè)備造成損害，應(yīng)當(dāng)將噴放時間縮短到8s，這一噴放時間的設(shè)定值經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證是可行的。

雖然七氟丙烷滅火系統(tǒng)的設(shè)計計算可以依據(jù)國家相應(yīng)氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，可是規(guī)范中的計算理論并不全面，只能進(jìn)行總體設(shè)計，得不到精確的設(shè)計結(jié)果，往往會造成理論計算和實(shí)際應(yīng)用存在較大的誤差。本設(shè)計方法在遵循設(shè)計規(guī)范的前提下，進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計理論，進(jìn)而到精確的設(shè)計結(jié)果和幾個重要的系統(tǒng)參數(shù)。本專利設(shè)計方法的重難點(diǎn)在于：由于七氟丙烷氣體滅火劑自身的性質(zhì)所決定，滅火劑的噴放時間得控制在10s之內(nèi)，這一直是設(shè)計計算過程中的一個難點(diǎn)，也是必須保證的一點(diǎn)；還有對于噴嘴承受的最大的工作壓力的計算也一直不是很明確，但這又是系統(tǒng)的一個重要參數(shù)；另外，初始液面到達(dá)噴嘴的時間長度也一直沒有計算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種采用動態(tài)的設(shè)計計算的七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計方法。

一種七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計方法，滅火系統(tǒng)主要是由依次連接的高壓滅火劑存儲瓶組、滅火劑輸送管網(wǎng)和噴嘴組成，所述滅火劑輸送管網(wǎng)包括主管、與高壓滅火劑存儲瓶組連接的引升管和高壓軟管、連接主管與噴嘴的支管，高壓軟管通過集流管連接到主管。其特征在于：采用動態(tài)的設(shè)計計算方法，將高壓液體從高壓滅火劑存儲瓶組流經(jīng)滅火劑輸送管網(wǎng)噴放到各個防護(hù)區(qū)噴嘴的過程中，滅火劑輸送管網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)液體的壓力和流速連續(xù)變化的過程離散化處理，將一個連續(xù)的過程離散成由無數(shù)個時間步長Δt的時間片段疊加而成，每個時間步長內(nèi)壓力和流速視作恒定不變，分別計算每個時間步長內(nèi)管網(wǎng)中各個節(jié)點(diǎn)液體的壓力和速度，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計計算。

該方法的設(shè)計計算過程如下：

(12)根據(jù)防護(hù)區(qū)的實(shí)際情況確定設(shè)計濃度和充裝壓力；

(13)計算并修正所需要的七氟丙烷氣體需求量；

(14)確定滅火劑的噴放時間；

(15)根據(jù)設(shè)計用量和總的噴放時間，計算各個管段的平均流量；

(16)根據(jù)平均流量初選各個管段的管徑；

(17)計算并驗(yàn)證噴嘴的中期工作壓力，如果不符合修改管道直徑，直到中期工作壓力符合要求；

(18)根據(jù)噴嘴的中期工作壓力初選噴嘴等效開口直徑；

(19)以時間步長為一個確定過程，計算時間步長內(nèi)的壓力和流速，進(jìn)而計算出時間步長內(nèi)噴嘴噴放的藥劑量，疊加計算得出滅火劑全部噴放完的總時間；

(20)判斷計算的噴放時間和設(shè)計時間之間的誤差，如果誤差過大則修改噴嘴的等效開口直徑，直到誤差在可接受的范圍內(nèi)，得到噴嘴的最終等效開口直徑和噴嘴的最大工作壓力以及初始液面到達(dá)噴嘴的時間；

(21)根據(jù)計算得到的噴嘴最大工作壓力，判斷其值是否符合要求，如果其值太小，則要修改滅火劑的充裝率，重復(fù)上述計算直到得到合理的噴嘴最大工作壓力值；

(22)計算防護(hù)區(qū)泄壓口的面積；

其中，主要計算公式如下：

(5)確定滅火劑的設(shè)計濃度

七氟丙烷的毒性較低，對人體產(chǎn)生不良影響的體積濃度臨界值為9％，并允許在濃度為10.5％的情況下使用1min，由規(guī)范可知：

一般電氣房間、通用機(jī)房、電子計算機(jī)房等宜用8％的設(shè)計濃度；

油浸變壓器室、帶油開關(guān)的配電室、自備發(fā)電機(jī)的機(jī)房應(yīng)該用9％的設(shè)計濃度；

圖書、檔案、票據(jù)和文物資料庫等宜用10％的設(shè)計濃度；

(6)計算防護(hù)區(qū)滅火劑設(shè)計用量

其中，k一大氣壓力校正系數(shù)，k＝5.3788x10^-9H²-10197510^-4H+1(H表示海拔高度(m))；

V一防護(hù)區(qū)總?cè)莘e(m^3)；

c₁一滅火劑設(shè)計濃度乘以100所得的值；

s-滅火劑過熱蒸汽在101kPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低溫度下的質(zhì)量體積(m^3/kg)，s＝0.1269+0.0005131t(t為防護(hù)區(qū)工作環(huán)境溫度)；

(7)確定設(shè)計滅火劑的噴放時間t0；

噴放時間的選取一般在8-10s之間，特殊環(huán)境要求噴放時間小于8s，具體根據(jù)實(shí)際情況而定。

(4)根據(jù)設(shè)計用量和總的噴放時間，計算各個管段的平均流量；

1)確定滅火劑鋼瓶個數(shù)

不同的七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)其選用的鋼瓶種類也不同，七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)鋼瓶類型根據(jù)容積不同主要有70L、90L、100L、120L、150L和180L六種。不同的鋼瓶容積不同，其外形尺寸也不同，同時其配套使用的容器閥、引升管和高壓軟管的規(guī)格也不同。

另外七氟丙烷滅火劑的最大充裝率在規(guī)范中也有嚴(yán)格要求。如下：

一級增壓儲存容器，不應(yīng)大于1120kg/m^3；

二級增壓焊接結(jié)構(gòu)儲存容器，不應(yīng)大于950kg/m^3；

二級增壓無縫結(jié)構(gòu)儲存容器，不應(yīng)大于1120kg/m^3；

三級增壓儲存容器，不應(yīng)大于1080kg/m^3；

所以選用不同規(guī)格的滅火劑存儲鋼瓶，其初始計算的充裝率也不相同。在組合分配問題中，選擇的充裝率需同時滿足每個防護(hù)區(qū)的滅火劑濃度都不小于設(shè)計值，同時還應(yīng)該滿足每個防擴(kuò)區(qū)的滅火劑濃度都不大于設(shè)計值的1.1倍。

由滅火劑的設(shè)計用量和滅火劑存儲鋼瓶的充裝率，可以計算滅火劑存儲鋼瓶的個數(shù)，其計算公式為：

其中n₁一為鋼瓶的個數(shù)；

ceil()一為向上取整的函數(shù)；

W一為滅火劑的設(shè)計用量；

V_b一為所選鋼瓶的容積(m^3)；

n_c0一為初選鋼瓶藥劑的充裝率(kg/m^3)；

在組合分配問題中，考慮到多個防護(hù)區(qū)共用一套瓶組及集流管裝置，為了滿足所有防護(hù)區(qū)的要求，最終選擇的鋼瓶個數(shù)為所有防護(hù)區(qū)中鋼瓶數(shù)量最大的防護(hù)區(qū)所對應(yīng)的鋼瓶的個數(shù)，這樣可以保證所有單個防護(hù)區(qū)的要求。

2)計算滅火劑的存儲量和充裝率

如上所述，滅火劑設(shè)計用量是為了保證防護(hù)區(qū)滅火濃度得到的計算量，工程實(shí)際應(yīng)用中往往要考慮管網(wǎng)中和鋼瓶中滅火劑的剩余量，所以滅火系統(tǒng)實(shí)際的存儲量為：

W₀＝W+ΔW₁+ΔW₂ (1-3)

其中W₀一為系統(tǒng)滅火劑存儲量(kg)；

W一為系統(tǒng)滅火劑設(shè)計用量(kg)；

ΔW₁一為存儲瓶內(nèi)滅火劑剩余量(kg)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有

ΔW₁＝3.5xn₁，其中n₁為鋼瓶個數(shù)；

ΔW₂一為管道內(nèi)的剩余藥劑量(kg)，由于滅火劑噴放完成自后鋼瓶中的高壓氮?dú)馔ㄟ^官網(wǎng)從噴嘴3噴出，故ΔW₂＝0；

根據(jù)滅火劑的實(shí)際存儲量和鋼瓶的個數(shù)，就可以求得滅火劑的實(shí)際充裝率，這個值一般會小于初選的充裝率，所以是符合要求的。其計算公式如下：

nc＝W0/(n₁V_b) (1-4)

其中n_c一為滅火劑的實(shí)際充裝率(kg/m^3)；

W₀一為滅火劑的存儲量(kg)；

n₁一為鋼瓶的個數(shù)；

V_b一為鋼瓶容積(m^3)；

根據(jù)實(shí)際計算所得的滅火劑的存儲量，就可以得到單個鋼瓶滅火劑的充裝質(zhì)量，這是指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際充裝量的參數(shù)。

3)計算各個管段的平均流量

管網(wǎng)的布置，主要是根據(jù)滅火劑瓶組間和滅火劑作用的防護(hù)區(qū)的實(shí)際位置確定的，所以管網(wǎng)布置要先于設(shè)計計算，最終再根據(jù)設(shè)計計算進(jìn)行局部調(diào)整。根據(jù)滅火劑的設(shè)計用量和鋼瓶的個數(shù)n₁，管網(wǎng)系統(tǒng)噴嘴3的個數(shù)和各級支管后噴嘴3的個數(shù)，及設(shè)計噴放時間，計算各個管段的平均流量：

引升管和高壓軟管的流量Q₁＝W/(n₁t₀) (1-5)

集流管和主管道平均流量Q_z＝W/t₀ (1-6)

各個支管平均流量Q_g＝W/(n₃t₀) (1-7)

噴嘴3平均流量Q_c＝W/(n₂t₀) (1-8)

其中，n₁為存儲瓶的數(shù)量，n₂為噴嘴3的個數(shù)，n₃為各個支管后接的噴嘴3個數(shù)。

(5)確定各個管段的管徑

其中引升管和高壓軟管的參數(shù)和鋼瓶是配套的，其它各個管段的管徑根據(jù)各管段的平均流量確定：

當(dāng)Q＜＝6.0kg/s d＝(12～20)sqrtQ

當(dāng)6＜Q＜160.0kg/s d＝(8～16)sqrtQ

一般符合要求的會有2-4個管徑的值，考慮到噴放時長和成本因素的雙重上影響，優(yōu)先選擇偏中間的值。

(6)計算過程中點(diǎn)壓力

其中P₀一為鋼瓶的充裝壓力；

V₀一為全部儲存容器氣相總?cè)莘e；

其中n_c一為滅火劑的充裝率；

r一為七氟丙烷液體的密度；

V_p一為管網(wǎng)的總?cè)莘e；

(7)計算液體的壓力損失

壓力損失由管道壓力損失和高程壓力損失組成

其中管道壓力損失：

其中l(wèi)包括管道的實(shí)際長度和其中存在局部損失的當(dāng)量長度，λ為沿程損失系數(shù)，其計算公式為：

其中k₂為管道的絕對粗糙度，對于鍍鋅鋼管取0.1-0.2mm。

速度的根據(jù)前面確定的平均流量確定：

綜合整理得到壓力損失的計算公式為：

高程壓力損失為：

P_h＝10^-6rgH

其中H為噴嘴到液面的高度

(8)計算并驗(yàn)證噴頭的工作壓力

噴頭的工作壓力為

P_c＝Pm-∑ΔP-P_h

驗(yàn)算噴頭的工作壓力是否符合要求，為了保證液體從噴嘴處噴出的時候有一定的流動性，以使得滅火器能充滿整個防護(hù)區(qū)，噴嘴處液體的壓力有一點(diǎn)的約束條件

有：

P_c≥0.7MPa(二級增壓)

P_c≥P_m/2(P_m為過程中點(diǎn)容器內(nèi)壓力)

管網(wǎng)選擇的管徑只有符合噴嘴工作壓力的要求才是合格的，如果噴嘴的工作壓力值過小則需要擴(kuò)選管道的管徑，直到符合工作壓力的要求。

(9)初選噴嘴等效開口直徑

根據(jù)計算得到的噴嘴的工作壓力值計算噴嘴等效開口直徑：

其中，Q_c一為噴嘴的平均流量；

q_c一為等效孔口單位面積噴射率，其值根據(jù)P_c的值計算得到。

(10)計算噴放時間

七氟丙烷氣體滅火劑的噴放過程為一個動態(tài)的過程，鋼瓶中提供動力的高壓氮?dú)怆S著藥劑量的減少其體積和壓力都是實(shí)時變化的，所以要確定每一狀態(tài)其壓力隨體積變化的規(guī)律，這里根據(jù)：R-K實(shí)際氣體狀態(tài)方程確定：

其中R一為氣體常數(shù)，值為8.314J/(mol.k)；

T一為絕對溫度，值為273.15+t；

a、b一為常數(shù)，對于N2有：a＝1.5574Pa.m⁶K^0.5/mol，b＝0.0268x10^-3m³/mol；

V_m一為摩爾體積，即1mol氣體所占的體積。

高壓的七氟丙烷滅火劑在管網(wǎng)中流動，會有一部分氣化，從而形成氣液兩相流，但是從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，由于系統(tǒng)噴放時間極短，其氣化量極小，為了簡便運(yùn)算，通常以液態(tài)來代替計算。

液體在高壓氣體的作用在管網(wǎng)中高速流動，運(yùn)用伯努利方程確定流動狀態(tài)，選取鋼瓶中的液面和噴嘴出口處為兩個計算面，有：

其中：Z₀＝H₀一為液面的高度；

Z_p＝H一為噴嘴的高度；

P₀一為液面壓力；

P_p一為噴嘴壓力，值為大氣壓；

α₀＝α_p＝1一為速度修正系數(shù)；

h_w0-p一是管道壓力損失。

公式中壓力損失由沿程壓力損失h_f和局部壓力損失h_j組成，局部壓力損失的計算根據(jù)當(dāng)量長度，同樣運(yùn)用沿程壓力損失的計算公式求取：

其中λ為管道的沿程阻力系數(shù)：

其中Δ一為管壁的絕對粗糙度，對于鍍鋅鋼管取0.1-0.2mm；

Re一為雷諾系數(shù)，由流體的特性和流速決定；

對于高速流體，Re的值非常大，所以沿程阻力系數(shù)主要取決于管壁的絕對粗糙度的大小，即：

整理可得沿程阻力的計算公式為：

其中v一為噴嘴處的速度(m/s)；

d_p一為噴嘴等效開口直徑(mm)；

d一為所計算的管段的直徑(mm)；

l一為等徑管段實(shí)際長度和當(dāng)量程度的和(m)；

把壓力損失的公式帶入到伯努利方程，可得方程中只有噴嘴處的速度一個未知數(shù)，這樣就可以求得實(shí)時壓力下噴嘴處的速度v。

根據(jù)噴嘴處速度就可以求得時間步長Δt內(nèi)的噴放量：

ΔW＝n₂πdp²vΔtr/4000000

其中n₂一為噴嘴的個數(shù)；

d_p一為噴嘴等效開口直徑；

把每一個時間步長內(nèi)滅火劑的噴放量累積，循環(huán)上面的計算，直到疊加的滅火劑噴放量等于滅火劑的設(shè)計用量，即可得到總的噴放時間time。

(11)計算噴嘴的最大工作壓力

根據(jù)上一步得到的總的噴放時間與初始設(shè)定的噴放時間進(jìn)行對比，如果兩個時間相差太多則縮小或者擴(kuò)充噴嘴的等效開口直徑，重復(fù)上面的迭代步驟，知道計算噴放時間和理論設(shè)定的噴放時間在可接受的范圍內(nèi)，確定最終的噴嘴等效開口直徑。

Pmax＝P-hfmaxrg

其中P一為滅火劑充滿管網(wǎng)時鋼瓶中的壓力；

P_max一為噴嘴的最大工作壓力；

hf_max一為最大速度時的壓力損失；

(12)計算初始液面到達(dá)噴嘴的時長

由上可得符合要求的噴嘴等效開口直徑所得到的初始速度，由連續(xù)性方程可以求得藥劑在每一段管徑的流動速度，從而求得每一段的流動時間，每一段管段的流動時間求和就可以得到總時間，則初始液面到達(dá)噴嘴的時長為：

其中l(wèi)_i一為任意管段的設(shè)計長度(m)；

v一為對應(yīng)管段的速度(m/s)，其值由噴嘴處的速度求得；

(13)防護(hù)區(qū)泄壓口的設(shè)計計算

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)噴放過程中，防護(hù)區(qū)的壓力會持續(xù)增大，為了防止防護(hù)區(qū)的氣體壓力升高太大，通常在防護(hù)區(qū)的墻壁上開泄壓口。泄壓口面積計算根據(jù)GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》給出的計算公式，其計算方法如下：

其中F_x一為泄壓口的面積；

Q_x一為滅火劑在防護(hù)區(qū)的平均噴放速率；

P_f一為維護(hù)結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓的允許壓強(qiáng)(Pa)。

下面對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述：

一種七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計方法，滅火系統(tǒng)主要是由火災(zāi)檢測裝置、管路控制啟動裝置、啟動瓶組、高壓滅火劑存儲瓶組、滅火劑輸送管網(wǎng)、噴嘴組成，其噴放過程為：防護(hù)區(qū)的火災(zāi)檢測裝置感應(yīng)到現(xiàn)場溫度升高或者煙霧的濃度上升，信號由管路控制啟動裝置進(jìn)行處理，經(jīng)過一段時間的延遲，電路控制打開啟動瓶組的瓶頭閥，啟動瓶組中高壓氮?dú)獯蜷_滅火劑存儲瓶組的容器閥，滅火劑在存儲瓶中高壓氮?dú)獾淖饔孟铝鹘?jīng)管網(wǎng)從噴嘴噴放到防護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)快速滅火。七氟丙烷滅火劑高壓狀態(tài)以液態(tài)存儲于鋼瓶中，噴放時在高壓氮?dú)獾淖饔孟聡姺诺礁鞣雷o(hù)區(qū)，在管網(wǎng)中可視為依然以液態(tài)流動。該計算方法采用動態(tài)的設(shè)計計算方法，將高壓液體從存儲瓶流經(jīng)管道噴放到各個防護(hù)區(qū)過程中，管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)液體的壓力和流速連續(xù)變化的過程離散化處理，將一個連續(xù)的過程離散成由無數(shù)個時間步長Δt的時間片段疊加而成，每個時間步長內(nèi)壓力和流速視作恒定不變，分別計算每個時間步長內(nèi)管網(wǎng)中各個節(jié)點(diǎn)液體的壓力和速度，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行氣體滅火系統(tǒng)管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計計算。

本發(fā)明七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)備主要由三部分組成，分別是火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、管網(wǎng)系統(tǒng)。自動報警系統(tǒng)主要是由傳感器和電子控制系統(tǒng)組成，其中傳感器主要是用來檢測保護(hù)區(qū)域的溫度和煙霧的濃度，處理傳輸信號給電子控制系統(tǒng)，達(dá)到一定的溫度或者煙霧濃度，電子系統(tǒng)則會發(fā)出警報，提示進(jìn)行人員疏散，同時把信號傳輸給自動電子控制系統(tǒng)。電子控制系統(tǒng)主要由控制電路、啟動瓶組瓶頭閥和滅火劑存儲瓶組容器閥組成，其接受自動報警系統(tǒng)的信號，在經(jīng)過一定的時間延遲之后，通過其控制系統(tǒng)打開啟動瓶組的瓶頭閥，啟動瓶組中的高壓氮?dú)庾饔么蜷_滅火劑瓶組的瓶頭閥，使滅火劑從存儲瓶中流出。

管網(wǎng)系統(tǒng)主要是由瓶組、管網(wǎng)和噴頭組成，其作用主要是存儲并輸送高壓滅火劑，以及通過噴頭實(shí)現(xiàn)滅火劑的噴淋，把滅火劑噴放到指定的保護(hù)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)滅火。

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)主要分為無管網(wǎng)系統(tǒng)和有管網(wǎng)系統(tǒng)。無管網(wǎng)系統(tǒng)主要指柜式七氟丙烷系統(tǒng)，有管網(wǎng)系統(tǒng)又分為單元獨(dú)棟系統(tǒng)和組合分配系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)原因，在條件允許下可以把相近的防護(hù)區(qū)設(shè)置為組合分配系統(tǒng)，但由于七氟丙烷滅火系統(tǒng)傳輸距離不宜過長的局限性，組合分配系統(tǒng)不宜超過8個防護(hù)區(qū)。

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：

(1)七氟丙烷滅火劑高壓下呈液態(tài)存儲于鋼瓶中，可以節(jié)約空間，減小成本；

(2)滅火劑在規(guī)定的滅火濃度下對人體基本無害，能適應(yīng)經(jīng)常有人工作的防護(hù)區(qū)；

(3)七氟丙烷不含固體粉塵、油漬，是液態(tài)儲存氣態(tài)釋放，噴放后可自然排出或由通風(fēng)系統(tǒng)迅速排出，現(xiàn)場無殘留物；

(4)七氟丙烷滅火劑的噴射時間是小于10秒，故大大減少了火災(zāi)時設(shè)備的損壞度，為業(yè)主減少損失；

(5)滅火操作簡單可靠：有自動、手動和機(jī)械三種啟動方式，確保了任何情況下均可滅火。

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)適用于電子計算機(jī)房、通訊機(jī)房、資料處理及貯存中心、緊急電力供應(yīng)設(shè)施、發(fā)電機(jī)房、昂貴的醫(yī)療設(shè)施、圖書館和檔案庫、文物資料珍藏庫等場所。適合撲救可然液體和可熔化固體的火災(zāi)、可燃固體的表面火災(zāi)、電氣火災(zāi)等。

設(shè)計計算方法說明

中華人民共和國建設(shè)部、國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2006年3月聯(lián)合發(fā)布了有關(guān)七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，即GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)?！兑?guī)范》對我國七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計計算、施工以及工程驗(yàn)收提供了統(tǒng)一的、規(guī)范的依據(jù)，促進(jìn)了本行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。《規(guī)范》也首次給出了七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計計算方法。

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)工程實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)安全、可靠滅火的目的，在設(shè)計過程中必須滿足以下條件：

(1)為了確保能實(shí)現(xiàn)滅火，七氟丙烷滅火系統(tǒng)的滅火設(shè)計濃度不應(yīng)小于滅火濃度的1.3倍，惰化設(shè)計濃度不應(yīng)小于惰化濃度的1.1倍；

(2)為了保證防護(hù)區(qū)人員的安全，防護(hù)區(qū)實(shí)際應(yīng)用的濃度不應(yīng)大于滅火設(shè)計濃度的1.1倍；

(3)在通訊機(jī)房和電子計算機(jī)房等防護(hù)區(qū)，設(shè)計噴放時間不應(yīng)大于8s，在其他防護(hù)區(qū)，設(shè)計噴放時間不應(yīng)大于10s；

(4)為了確保足夠的噴放壓力，單位容積的充裝量應(yīng)該進(jìn)行合理的選值；

(5)滅火劑噴放過程中，噴嘴處的最大工作壓力的值不宜過大；

(6)一個組合分配系統(tǒng)所保護(hù)的防護(hù)區(qū)不應(yīng)超過8個；

為了達(dá)到如上的要求，提高氣體滅火系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，再加上其噴放時間極短，七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要進(jìn)行嚴(yán)格且精確的管網(wǎng)設(shè)計計算。與哈龍、二氧化碳、IG541等氣體滅火系統(tǒng)的水力計算相比，七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計計算有如下特點(diǎn)：

(1)滅火劑的噴放時間極短，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動可以簡化為液態(tài)單相流，而其它的為氣態(tài)流動；

(3)七氟丙烷液態(tài)藥劑靠同一鋼瓶中的高壓氮?dú)馓峁﹦恿?，在管道中做高速流動?/p>

(4)提供動力的高壓氮?dú)獾膲毫﹄S體積實(shí)時變化，七氟丙烷液體的流動為非穩(wěn)態(tài)流動；

正是由于七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)在設(shè)計計算中存在如上的幾個特點(diǎn)，使得管網(wǎng)的水力計算不但復(fù)雜，而且設(shè)計的精度要求也很高，不能直接采用其它氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計計算方法。

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)現(xiàn)在的市場占有率為52％，國內(nèi)目前為止已有34家生產(chǎn)氣體滅火系統(tǒng)的廠家通過國家的3C認(rèn)證。說明其優(yōu)秀的滅火性能、安全的使用效能、良好的環(huán)保性能，已得到廣泛的認(rèn)可，并且將來的發(fā)展趨勢和發(fā)展前景都一片大好。

七氟丙烷氣體滅火劑是美國大湖公司研制生產(chǎn)的鹵代烴滅火劑的一種，分子式為CF3CHFCF3，它無色無味，在一定的壓強(qiáng)下呈液態(tài)儲存。自七氟丙烷滅火劑被發(fā)掘出其良好的滅火性能，能有效的替代哈龍滅火劑，在國內(nèi)外受到高度的關(guān)注，已有眾多的消防企業(yè)單位投入了相當(dāng)多的人力和物力對七氟丙烷滅火系統(tǒng)的設(shè)計計算進(jìn)行了研究。目前國外主要依據(jù)NFPA2001《潔凈氣體滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計計算七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)，而國內(nèi)主要依據(jù)GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范為設(shè)計計算七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)。其主要的設(shè)計計算思想是：

(1)根據(jù)防護(hù)區(qū)初始條件計算設(shè)計用量和鋼瓶數(shù)量；

(2)計算每條管路的平均流量，根據(jù)平均流量選擇管徑；

(3)計算管路的壓力損失，從而判斷噴嘴的中期工作壓力是否符合設(shè)計要求；

(4)計算噴頭等效開口直徑，確定噴頭的規(guī)格。

結(jié)合工程實(shí)際運(yùn)用，分析其計算思路，發(fā)現(xiàn)其存在的主要問題是：

(1)由于七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計噴放時間非常短，一般在10s以下，所以計算得到的噴嘴等效開口直徑并沒有驗(yàn)證其實(shí)際的噴放時間，造成的誤差可能很大；

(2)根據(jù)流量選擇的管徑不只有一個符合的值，選小了噴放時間會過長，無法滿足噴放時間的要求，選大了工程的成本會增加；

(3)其用于驗(yàn)證的中期壓力的值，在工程實(shí)際運(yùn)用中是一個很難把控的瞬態(tài)值，其作為參考的實(shí)際意義并不大；

(4)計算壓力損失的公式采用經(jīng)驗(yàn)公式，其準(zhǔn)確性尚待考證，有的用按圖選取，這樣不利于軟件的實(shí)現(xiàn)；

在工程實(shí)際運(yùn)用中，為確保系統(tǒng)能在指定的設(shè)計時間內(nèi)噴放完，工程設(shè)計人員往往選擇管徑的原則就是選大一號，這樣會造成極大的浪費(fèi)，同時噴嘴的等效開口直徑也會在計算值的基礎(chǔ)上擴(kuò)大幾十個絲，這樣設(shè)計的結(jié)果是能夠保證滅火劑的噴放時間，但是在造成成本增加的同事，也會加大設(shè)計的誤差。

本發(fā)明為七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計計算方法，是在遵循《規(guī)范》靜態(tài)設(shè)計計算的基礎(chǔ)下，提出噴放過程的動態(tài)計算方法，能對靜態(tài)設(shè)計的管網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行壓力以及噴放時間的驗(yàn)證，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行修正，從而最終確定管網(wǎng)的參數(shù)。

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)是由鋼瓶內(nèi)的高壓氮?dú)馓峁﹦恿?，?qū)動液體滅火劑在管網(wǎng)中流動最終從噴嘴噴放到防護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)滅火的過程，如圖(1)。在整個噴放過程中鋼瓶中的高壓氮?dú)獾捏w積和壓力都是實(shí)時變化的，這就造成管網(wǎng)中任意一點(diǎn)滅火劑的壓力、流速都是實(shí)時變動的。整個過程從鋼瓶容器閥打開到噴放完成，可以分為三個階段：

(1)啟動瓶組控制滅火劑存儲鋼瓶的容器閥打開，到滅火劑充滿整個管網(wǎng)，滅火劑的液面到達(dá)噴嘴，這一階段的時間很短，具體由管網(wǎng)的具體參數(shù)確定；

(2)各個噴嘴開始噴放滅火劑到防護(hù)區(qū)，直到滅火劑的設(shè)計用量噴放完成，防護(hù)區(qū)藥劑濃度達(dá)到設(shè)計濃度，這一階段鋼瓶中高壓氮?dú)獾捏w積和壓力，管網(wǎng)中每一點(diǎn)的壓力和流速都是實(shí)時變化的；

(3)高壓氮?dú)獾膰姺乓约颁撈恐惺Ｓ嗥叻闇缁饎┑臍饣蛧姺牛?/p>

管網(wǎng)的設(shè)計計算主要是針對第一階段計算初始滅火劑液面到達(dá)噴嘴的時間以及噴嘴的最大工作壓力，及第二階鋼瓶中高壓氮?dú)獾膲毫﹄S氣體體積變化的規(guī)律以及噴嘴處的實(shí)時噴放速度進(jìn)行研究。因此在滿足工程設(shè)計精度要求的前提下，假設(shè)滅火劑從存儲鋼瓶的容器閥流出到充滿管網(wǎng)，滅火劑液面到達(dá)噴嘴，之后所有噴嘴一起噴放，即忽略了噴嘴的不均勻分布。

動態(tài)設(shè)計計算的基本思想是：滅火劑的噴放過程是一個實(shí)時的動態(tài)過程，在這個過程中鋼瓶內(nèi)高壓氮?dú)獾捏w積和壓力，噴嘴處滅火劑的壓力和流速都是實(shí)時變化的，把這個連續(xù)變化的過程離散化處理，如圖(2)說所示，即將整個噴放過程分解成由無數(shù)個小的時間片段組成，每個時間片段看做一個時間步長，由于時間步長的取值相對于整個噴放過程的總時長是一個極小的量，可以看做在一個時間步長內(nèi)氮?dú)獾捏w積和壓力，管網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)滅火劑的壓力和流速都是一個不變的值，這個時間步長的取值越小計算結(jié)果就越精確，不過時間步長越小計算量會越大、計算時間就會越長，所以可以考慮到計算機(jī)的性能合理取值。

所以關(guān)鍵的算法就是確定每一個時間步長內(nèi)鋼瓶中高壓氮?dú)鈮毫腕w積以及噴嘴處滅火劑流速?？梢愿鶕?jù)高壓氮?dú)獾捏w積求得其壓力值，根據(jù)氮?dú)獾膲毫χ登蟮脟娮焯幍牧魉?，根?jù)流速計算一個時間步長內(nèi)藥劑的噴放量，累加每一個時間步長的藥劑噴放量，直到滅火劑噴放總量為設(shè)計總量，藥劑噴放過程完成，累加所有的時間步長即可得到系統(tǒng)的總的噴放時間。

根據(jù)如上求得的噴放時間與設(shè)計的噴放時間對比，如噴放時間的誤差過大，則要修改噴嘴的等效開口直徑。如果計算的噴放時間遠(yuǎn)大于設(shè)計噴放時間，則要增大該噴嘴的等效開口直徑；如果計算的噴放時間遠(yuǎn)小于設(shè)計噴放時間，則要縮小該噴嘴的等效開口直徑。重復(fù)上述過程，直到所有噴嘴的計算噴放時間與設(shè)計噴放時間的誤差在允許的誤差范圍之內(nèi)。

根據(jù)以上的計算結(jié)果，利用管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力流量特性，求得初始狀態(tài)下噴嘴的最大工作壓力和初始液面到達(dá)噴嘴的時長，計算結(jié)束。

附圖說明

圖1是本發(fā)明涉及七氟丙氣體滅火系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明設(shè)計中把連續(xù)壓力時間變化曲線離散為無數(shù)個時間步長的示意圖。

圖3是伯努利方程應(yīng)用于本論文選取兩個工作面的示意圖。

圖4是高壓滅火劑在管道中流動，由于管壁粗糙造成液體壓力損失的示意圖。

圖5是管網(wǎng)系統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是初始摩爾體積計算流程圖。

圖7是滅火系統(tǒng)滅火劑噴放過程噴放時間計算流程圖。

具體實(shí)施方式

一種七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計方法，滅火系統(tǒng)主要是由高壓滅火劑存儲瓶組1、滅火劑輸送管網(wǎng)2、噴嘴3組成，還包括火災(zāi)檢測裝置、管路控制啟動裝置和啟動瓶組，其噴放過程為：防護(hù)區(qū)的火災(zāi)檢測裝置感應(yīng)到現(xiàn)場溫度升高或者煙霧的濃度上升，信號由管路控制啟動裝置進(jìn)行處埋，經(jīng)過一段時間的延遲，電路控制打開啟動瓶組1的瓶頭閥，啟動瓶組中高壓氮?dú)獯蜷_滅火劑存儲瓶組1的容器閥，滅火劑在高壓滅火劑存儲瓶組1的存儲瓶中高壓氮?dú)獾淖饔孟峦ㄟ^引升管7、高壓軟管8流和集流管4，經(jīng)管網(wǎng)2的主管5到各支管6，并從噴嘴3噴放到防護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)快速滅火。七氟丙烷滅火劑高壓狀態(tài)以液態(tài)存儲于鋼瓶中，噴放時在高壓氮?dú)獾淖饔孟聡姺诺礁鞣雷o(hù)區(qū)，在管網(wǎng)中可視為依然以液態(tài)流動。該計算方法采用動態(tài)的設(shè)計計算方法，將高壓液體從存儲瓶流經(jīng)管道噴放到各個防護(hù)區(qū)過程中，管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)液體的壓力和流速連續(xù)變化的過程離散化處理，將一個連續(xù)的過程離散成由無數(shù)個時間步長Δt的時間片段疊加而成，每個時間步長內(nèi)壓力和流速視作恒定不變，分別計算每個時間步長內(nèi)管網(wǎng)中各個節(jié)點(diǎn)液體的壓力和速度，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行氣體滅火系統(tǒng)管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計計算。

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計計算流程如下：

(1)確定保護(hù)區(qū)域，并根據(jù)具體環(huán)境劃分為不同的防護(hù)區(qū)；

(2)確定防護(hù)區(qū)七氟丙烷滅火系統(tǒng)管網(wǎng)2的布置；

(3)計算防護(hù)區(qū)的體積；

(4)根據(jù)防護(hù)區(qū)的具體環(huán)境，確定工作溫度、海拔高度、設(shè)計濃度以及設(shè)計噴放時間；

(5)根據(jù)防護(hù)區(qū)的體積和設(shè)計濃度，計算防護(hù)區(qū)滅火劑設(shè)計用量；

(6)根據(jù)設(shè)計用量、選擇的鋼瓶容積以及滅火劑的初始充裝率，計算高壓滅火劑存儲瓶組1中滅火劑存儲鋼瓶個數(shù)以及實(shí)際充裝率；

(7)計算滅火劑的實(shí)際滅火濃度，并判斷修改；

(8)根據(jù)滅火劑的設(shè)計用量，計算不同管段的平均流量；

(9)根據(jù)每個管段的平均流量，計算初選管網(wǎng)2管徑；

(10)根據(jù)流量和管徑計算管網(wǎng)壓力損失；

(11)計算并判斷噴嘴3的中期工作壓力，修改管網(wǎng)2管徑；

(12)根據(jù)符合要求的噴嘴3中期工作壓力，計算噴嘴3等效開口直徑；

(13)運(yùn)用動態(tài)迭代方法計算管網(wǎng)2的噴放時間；

(14)判斷計算噴放時間和設(shè)計噴放時間的誤差，修改噴嘴3的等效開口直徑，直到時間的誤差在允許范圍，得到最終的噴放時間和噴嘴3等效開口直徑；

(15)根據(jù)管網(wǎng)壓力損失計算的方法，計算并判斷初始噴嘴3的最大工作壓力；

(16)根據(jù)初始噴嘴3的噴放速度，計算初始液面到達(dá)噴嘴3的時間；

(17)判斷噴嘴3的最大工作壓力是否符合要求值，如果不符合，修改滅火劑鋼瓶的充裝率，重復(fù)上述過程，直到符合設(shè)計要求；

整個計算過程，根據(jù)設(shè)計要求，在計算的過程中，需要對計算結(jié)果不斷進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果同步進(jìn)項(xiàng)修改，是一個非封閉式有限循環(huán)的過程，直到所有參數(shù)都符合設(shè)計要求，計算終止，得到最終的設(shè)計計算結(jié)果，進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用。

設(shè)計計算實(shí)現(xiàn)

根據(jù)七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)如上的設(shè)計計算流程，其具體的設(shè)計計算流程實(shí)現(xiàn)如下：

(1)確定滅火劑的設(shè)計濃度

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)可作用于有人工作的場所，但是在滅火系統(tǒng)啟動之前都會進(jìn)行人員疏散，以免造成中毒。七氟丙烷的毒性較低，對人體產(chǎn)生不良影響的體積濃度臨界值為9％，并允許在濃度為10.5％的情況下使用1min，一般采用8％、9％、10％這三個設(shè)計濃度，具體由保護(hù)區(qū)域的類型決定。在同一套組合分配的系統(tǒng)中，不同的保護(hù)環(huán)境也要設(shè)置不同的滅火劑濃度。

工程應(yīng)用中，滅火劑設(shè)計濃度的選值由規(guī)范可知：

一般電氣房間、通用機(jī)房、電子計算機(jī)房等宜用8％的設(shè)計濃度；

油浸變壓器室、帶油開關(guān)的配電室、自備發(fā)電機(jī)的機(jī)房應(yīng)該用9％的設(shè)計濃度；

圖書、檔案、票據(jù)和文物資料庫等宜用10％的設(shè)計濃度；

(2)計算滅火劑總的設(shè)計用量

根據(jù)不同防護(hù)區(qū)的具體作用環(huán)境，選擇滅火劑的設(shè)計濃度，確定防護(hù)區(qū)的體積、作用溫度和海拔高度等參數(shù)，就可以計算出防護(hù)區(qū)滅火劑設(shè)計用量。在實(shí)際噴放過程中，由于系統(tǒng)泄壓口的存在，當(dāng)防護(hù)區(qū)的壓力與大氣壓的壓力形成一定的差值的時候，泄壓口開始泄壓，所以一般是情況下是邊噴放邊泄壓。目前通用的七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)滅火劑用量的計算方法是采用美國火災(zāi)防護(hù)協(xié)會NFPA 2001《潔凈氣體滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》上采用的計算方法，計算公式為：

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

V一防擴(kuò)區(qū)總?cè)莘e(m^3)；

c₁一滅火劑設(shè)計濃度乘以100所得的值；

s-滅火劑過熱蒸汽在101kPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低溫度下的質(zhì)量體積(m^3/kg)，s＝0.1269+0.0005131t(t為防護(hù)區(qū)工作環(huán)境溫度)。

(3)確定設(shè)計滅火劑的噴放時間t0；

通常情況下，若是固體表面火災(zāi)的預(yù)燃時間相對加長，則有可能發(fā)展成為深位火災(zāi)，這不利于FM-200滅火，同時氣體與液體火災(zāi)的預(yù)燃時間一旦過長還有可能引起爆炸，這就要求滅火設(shè)計濃度應(yīng)當(dāng)增大為惰化設(shè)計濃度。由此可見，縮短滅火劑的噴放時間尤為重要。目前，國際上和一些發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)中，都將鹵代烷的噴放時間規(guī)定為不大于10s。由于FM-200遇熱時產(chǎn)生的主要成分為HF，其與空氣中的水蒸氣結(jié)合后會形成氫氟酸，其對一些精密的儀器和設(shè)備具有較強(qiáng)的侵蝕損害。按照有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鹵代烷在火災(zāi)現(xiàn)場的噴放時間從10s縮短至5s時，分解產(chǎn)物約減少50％左右。故此，為了有效防止FM-200在滅火時對精密設(shè)備造成損害，應(yīng)當(dāng)將噴放時間縮短到8s，這一噴放時間的設(shè)定值經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證是可行的，具體根據(jù)實(shí)際情況而定。

(4)確定滅火劑鋼瓶個數(shù)

不同的七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)其選用的鋼瓶種類也不同，七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)鋼瓶類型根據(jù)容積不同主要有70L、90L、100L、120L、150L和180L六種。不同的鋼瓶容積不同，其外形尺寸也不同，同時其配套使用的容器閥、引升管和高壓軟管8的規(guī)格也不同。

另外七氟丙烷滅火劑的最大充裝率在規(guī)范中也有嚴(yán)格要求。如下：

一級增壓儲存容器，不應(yīng)大于1120kg/m^3；

二級增壓焊接結(jié)構(gòu)儲存容器，不應(yīng)大于950kg/m^3；

二級增壓無縫結(jié)構(gòu)儲存容器，不應(yīng)大于1120kg/m^3；

三級增壓儲存容器，不應(yīng)大于1080kg/m^3；

所以選用不同規(guī)格的滅火劑存儲鋼瓶，其初始計算的充裝率也不相同。在組合分配問題中，選擇的充裝率需同時滿足每個防護(hù)區(qū)的滅火劑濃度都不小于設(shè)計值，同時還應(yīng)該滿足每個防護(hù)區(qū)的滅火劑濃度都不大于設(shè)計值的1.1倍。

由滅火劑的設(shè)計用量和滅火劑存儲鋼瓶的充裝率，可以計算滅火劑存儲鋼瓶的個數(shù)，其計算公式為：

其中n₁一為鋼瓶的個數(shù)；

ceil()一為向上取整的函數(shù)；

W一為滅火劑的設(shè)計用量；

V_b一為所選鋼瓶的容積(m^3)；

n_c0一為初選鋼瓶藥劑的充裝率(kg/m^3)；

在組合分配問題中，考慮到多個防護(hù)區(qū)共用一套瓶組及集流管4裝置，為了滿足所有防護(hù)區(qū)的要求，最終選擇的鋼瓶個數(shù)為所有防護(hù)區(qū)中鋼瓶數(shù)量最大的防護(hù)區(qū)所對應(yīng)的鋼瓶的個數(shù)，這樣可以保證所有單個防護(hù)區(qū)的要求。

(5)計算滅火劑的存儲量和充裝率

如上所述，滅火劑設(shè)計用量是為了保證防護(hù)區(qū)滅火濃度得到的計算量，工程實(shí)際應(yīng)用中往往要考慮管網(wǎng)中和鋼瓶中滅火劑的剩余量，所以滅火系統(tǒng)實(shí)際的存儲量為：

W₀＝W+ΔW₁+ΔW₂ (1-3)

其中W₀一為系統(tǒng)滅火劑存儲量(kg)；

W一為系統(tǒng)滅火劑設(shè)計用量(kg)；

ΔW₁一為存儲瓶內(nèi)滅火劑剩余量(kg)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有

ΔW₁＝3.5xn₁，其中n₁為鋼瓶個數(shù)；

ΔW₂一為管道內(nèi)的剩余藥劑量(kg)，由于滅火劑噴放完成自后鋼瓶中的高壓氮?dú)馔ㄟ^官網(wǎng)從噴嘴3噴出，故ΔW₂＝0；

根據(jù)滅火劑的實(shí)際存儲量和鋼瓶的個數(shù)，就可以求得滅火劑的實(shí)際充裝率，這個值一般會小于初選的充裝率，所以是符合要求的。其計算公式如下：

nc＝W0/(n₁V_b) (1-4)

其中n_c一為滅火劑的實(shí)際充裝率(kg/m^3)；

W₀一為滅火劑的存儲量(kg)；

n₁一為鋼瓶的個數(shù)；

V_b一為鋼瓶容積(m^3)；

根據(jù)實(shí)際計算所得的滅火劑的存儲量，就可以得到單個鋼瓶滅火劑的充裝質(zhì)量，這是指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際充裝量的參數(shù)。

(6)計算各個管段的平均流量

管網(wǎng)的布置，主要是根據(jù)滅火劑瓶組間和滅火劑作用的防護(hù)區(qū)的實(shí)際位置確定的，所以管網(wǎng)布置要先于設(shè)計計算，最終再根據(jù)設(shè)計計算進(jìn)行局部調(diào)整。根據(jù)滅火劑的設(shè)計用量和鋼瓶的個數(shù)n₁，管網(wǎng)系統(tǒng)噴嘴3的個數(shù)和各級支管后噴嘴3的個數(shù)，及設(shè)計噴放時間，計算各個管段的平均流量：

引升管和高壓軟管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)

各個支管平均流量Q_g＝W/(n₃t₀) (1-7)

噴嘴3平均流量Q_c＝W/(n₂t₀) (1-8)

其中，n₁為存儲瓶的數(shù)量，n₂為噴嘴3的個數(shù)，n₃為各個支管后接的噴嘴3個數(shù)。

(7)確定各個管段的管徑

各管段的管徑是管網(wǎng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，只有確定了每一管段的管徑才能進(jìn)行水力計算。七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的管網(wǎng)用的是鍍鋅鋼管，主要用到的鋼管內(nèi)徑尺寸有15mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、65mm、80mm、100mm、125mm、150mm。管網(wǎng)系統(tǒng)中引升管和高壓軟管8的參數(shù)和鋼瓶是配套的，所以選定鋼瓶類型，引升管和集流管4的直徑和長度就是確定的，其它各個管段的管徑根據(jù)各管段的平均流量確定：

當(dāng)Q＜＝6.0kg/s

當(dāng)6＜Q＜160.0kg/s

由于這樣的計算方法選取的是符合要求的一個范圍值，一般符合要求的會有2-4個管徑的值，考慮到噴放時長和成本因素的雙重影響，選取的原則是：如果有兩個管徑值符合要求，則選擇管徑小的那個；如果有三個管徑值符合要求，則選擇中間那個；如果有四個管徑值符合要求，則選擇第二個。

(8)計算過程中點(diǎn)鋼瓶壓力

其中P₀為鋼瓶的充裝壓力(MPa)；

V₀為全部儲存容器氣相總?cè)莘e(m^3)；

r為七氟丙烷液體的密度；

V_p為管網(wǎng)的總?cè)莘e；

(9)計算液體的壓力損失

滅火劑在高壓氮?dú)獾耐苿酉拢诠芫W(wǎng)中高速流動，流動過程中經(jīng)過管道及閥或彎頭或三通等局部部件有壓力損失，其壓力損失大小是由流體流速、管壁粗糙度、管網(wǎng)管徑、管道長度等決定。壓力損失由管道壓力損失和高程壓力損失組成

其中管道壓力損失：

其中長度l包括管道的實(shí)際長度和其中存在局部損失的當(dāng)量長度，λ為沿程損失系數(shù)，由工程實(shí)際可知，七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的滅火劑在管網(wǎng)中是以高速流動的，所以沿程阻力系數(shù)主要由管道的絕對粗糙度決定，其計算公式由卡門經(jīng)驗(yàn)公式確定：

其中k₂一為管道的絕對粗糙度，對于鍍鋅鋼管取0.1-0.2mm；

速度則根據(jù)前面確定的平均流量確定：

綜合整理得到壓力損失的計算公式為：

其中ΔP一為管段的壓力損失(MPa)；

Q一為管段的平均流量(kg/s)；

d一為管段的管徑(mm)；

l一為管段的總長度(m)；

高程壓力損失為：

P_h＝10^-6rgH (1-17)

其中H一為噴嘴3到液面的高度；

(10)計算并驗(yàn)證噴頭的中期工作壓力

噴頭的工作壓力為

P_c＝Pm-∑ΔP-P_h (1-18)

驗(yàn)算噴頭的工作壓力是否符合要求，為了保證液體從噴嘴3處噴出的時候有一定的流動性，以保證滅火器能充滿整個防護(hù)區(qū)，噴嘴3過程中點(diǎn)的工作壓力有一定的約束條件，有：

P_c≥0.7MPa(二級增壓)

P_c≥P_m/2(P_m為過程中點(diǎn)容器內(nèi)壓力)

管網(wǎng)系統(tǒng)管徑的大小決定壓力損失的大小，噴嘴3中期工作壓力的值符合要求，所對應(yīng)的管網(wǎng)系統(tǒng)管徑才是符合要求的。如果噴嘴3的中期工作壓力值過小則需要增大管道的管徑，直到符合工作壓力的要求。

(11)初選噴嘴3等效開口直徑

噴嘴3的等效開口直徑對于后期水力計算是一個決定性因素。等效開口直徑的值過大則總的噴放時間會過短，等效開口直徑的值過小則總的噴放時間過長，所以合理的等效開口直徑可以減小水力計算的計算量。根據(jù)計算得到的噴嘴3的工作壓力值計算噴嘴3等效開口直徑：

其中，Q_c一為噴嘴3的平均流量；

q_c一為等效孔口單位面積噴射率，其值根據(jù)Pc的值計算得到。

q_c的值《規(guī)范》上給定的是一些離散的值，為了方便編程計算，應(yīng)用matlab仿真軟件，把多個離散的點(diǎn)擬合成光滑的曲線，選取盡量逼近離散點(diǎn)的函數(shù)表達(dá)形式，對比之后發(fā)現(xiàn)4次函數(shù)的擬合效果比較理想，其擬合曲線的函數(shù)表達(dá)形式如下：

當(dāng)P0＝2.5MPa，q_c＝0.2017P_c⁴-1.137P_c³+1.68P_c²+2.417P_c-1.207；

當(dāng)P0＝4.2MPa，q_c＝-0.01369P_c⁴+0.2582P_c³-1.689P_c²+5.782P_c-2.406；

當(dāng)P0＝5.6MPa，q_c＝-0.05724P_c⁴+0.7287P_c³-3.689P_c²+9.674P_c-5.308；

(12)計算噴放時間

通過前面的計算，滅火系統(tǒng)管網(wǎng)的所有參數(shù)都可以確定了，水力計算過程主要是根據(jù)前面計算結(jié)果所得到的管網(wǎng)參數(shù)計算滅火劑的噴放時間(time)。用水力計算得到是噴放時間與設(shè)計噴放時間進(jìn)行對比(time-t0)，如兩個值得偏差在可接受的范圍，則管網(wǎng)中尺寸參數(shù)合格，如果兩個值的偏差較大，則需要修改噴嘴3的等效開口直徑，直至計算噴放時間接近設(shè)計噴放時間。

七氟丙烷氣體滅火劑的噴放過程為一個動態(tài)的過程，鋼瓶中高壓氮?dú)怛?qū)動液體滅火劑在管網(wǎng)中流動，高壓氮?dú)怆S著藥劑量的減少其體積變大，壓力變小，則管網(wǎng)中滅火劑的流速也變小。所以在整個噴放過程中，氮?dú)獾捏w積、壓力，管網(wǎng)中滅火劑的壓力、流速都是不斷變化的。這種變化量放在一個動態(tài)的過程很難確定，所以考慮把連續(xù)的動態(tài)過程離散成無數(shù)個靜態(tài)的時間片段，在這些極短的時間片段Δt內(nèi)，可以看作每個變化量都是恒定的，如圖(2)。把每個時間步長Δt內(nèi)噴嘴3處藥劑的噴放量累加，直到噴放量等于滅火劑的設(shè)計用量，累加時間步長得到總的噴放時間。這種計算方法雖然是一種近似計算，但是只要時間步長的取值足夠小，計算結(jié)果就可以無限接近實(shí)際實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。

首先要確定鋼瓶中高壓氮?dú)獾淖兓?guī)律。鋼瓶中高壓氮?dú)獾捏w積和壓力都是實(shí)時變化的，而氮?dú)獾目偭渴遣蛔兊?，用這個不變量可以確定兩個變量之間的關(guān)系。氮?dú)獾男再|(zhì)接近理想氣體，可是如果直接用理想氣體狀態(tài)方程，會造成一定的誤差，為了更精確的計算結(jié)果，這里根據(jù)R-K實(shí)際氣體狀態(tài)方程確定；

其中：

其中R一為氣體常數(shù)，值為8.314J/(mol.k)；

T一為絕對溫度，值為273.15+b

a、b一為常數(shù)，對于N2有a＝1.5574Pa.m^6K^0.5/mol，b＝0.0268x10^-3m^3/mol；

V_m一為摩爾體積，即1mol氣體所占的體積；

由R-K方程可知，對特定氣體每一個壓力值都對應(yīng)有一個摩爾體積的值。初始壓力狀態(tài)下，無論初始充裝壓力的值是2.5MPa、4.2MPa還是5.6MPa，其初始的摩爾體積就是唯一確定的，而單個鋼瓶的藥劑量也是確定的，則初始?xì)怏w體積也就是確定的，其具體的計算方法如圖(6)。則在整個噴放過程中，只要能計算出氣體的實(shí)時體積，就可以得到氣體的實(shí)時摩爾體積，對應(yīng)的壓力值就可以求出。而對于管瓶中，任意時刻液體的體積可以根據(jù)其累加的噴放量求得，進(jìn)而可以求得氣體的實(shí)時體積。

高壓的七氟丙烷滅火劑在管網(wǎng)中流動，會有一部分氣化，從而形成氣液兩相流，但是從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，由于其噴放時間極短，氣化量極少，為了簡便運(yùn)算，通常用液態(tài)單相流計算。

液體在高壓氮?dú)庾饔孟碌墓芰鳎瑸椴豢蓧嚎s流動。根據(jù)流體動力學(xué)基礎(chǔ)，流體在流動過程中，任意狀態(tài)下其機(jī)械能是守恒的，其機(jī)械能主要是由動能、重力勢能、壓力勢能三部分組成。運(yùn)用流體力學(xué)伯努利方程確定壓力流速特性，選取鋼瓶中的液面和噴嘴3出口處為兩個計算基準(zhǔn)面，如圖(3)，有：

其中：Z₀一為液面的高度；

Z_p＝H一為噴嘴3的高度；

P一為液面壓力；

P_p一為噴嘴3壓力，值為大氣壓；

α₀＝α_p＝1一為速度修正系數(shù)；

hw_0-p一是管道壓力損失。

其中壓力損失的計算為整個計算方法中比較關(guān)鍵的步驟，其嚴(yán)重影響計算結(jié)果的精確度，可知管網(wǎng)流體的壓力損失由沿程壓力損失h_f和局部壓力損失h_j組成，部分局部壓力損失的計算根據(jù)當(dāng)量長度，同樣運(yùn)用沿程壓力損失的計算公式求?。?/p>

其中λ一為管道的沿程阻力系數(shù)：

其中Δ一為管壁的絕對粗糙度，對于鍍鋅鋼管取0.1-0.2mm；

Re一為雷諾系數(shù)，由流體的特性和流速決定；

其中雷諾系數(shù)的計算公式為：

其中μ一為流體的動力粘度(Pa.s)；

對于流速不同的流體，其雷諾系數(shù)的值也不同，根據(jù)雷諾系數(shù)的值，流體可以分為三種流動形式：

層流 Re＜2000；

混合流 2000＜Re＜4000；

紊流 Re＞4000；

不同的流體狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)的計算方式也不同，其具體的選取原則如下：

層流，

本計算方法面向的計算對象為七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)，由于其噴放時間極短，其滅火劑在管道中為高速流體，Re的值非常大，所以根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)可得其沿程阻力系數(shù)主要取決于管壁的絕對粗糙度的大小，如圖(4)，即：

整理可得沿程阻力的計算公式為：

其中v一為噴嘴3處的速度(m/s)；

d_p一為噴嘴3的等效開口直徑(mm)；

d一為所計算的管段的直徑(mm)；

l一為等徑管段實(shí)際長度和當(dāng)量長度的和(m)；

局部壓力損失的計算公式為：

其中ζ一為局部阻力系數(shù)；

管網(wǎng)系統(tǒng)中存在局部壓力損失的部件有引升管的入口、各種閥、彎頭、三通和減壓孔板等，除了引升管的入口和減壓孔板外，其他的存在局部損失的部件都可以用當(dāng)量長度計算。

噴嘴3處的減壓孔板用管道突然縮小的局部處理，其局部阻力系數(shù)的取值為：

其中d_p一為減壓孔板開口直徑(mm)；

d₀₀一為噴嘴3前端連接管道的管徑直徑(mm)；

引升管入口處用管道突然縮小的局部處理，不過期入口為45°角，其局部阻力系數(shù)的取值為：

其中d₁一為引升管直徑(mm)；

d_b一為鋼瓶直徑(mm)；

另外，七氟丙烷滅火劑在管網(wǎng)中為液體的流動狀態(tài)，是不可壓縮流。由不可壓縮流體的連續(xù)性方程可得：

Q₁＝Q₂＝Q

即：

A₁v₁＝A₂v₂

即：

d₁²v₁＝d₂²v₂ (1-31)

可知任一管道的速度都可以轉(zhuǎn)化為其與噴嘴3速度的關(guān)系；

把壓力損失的公式代入到伯努利方程，可得方程中只有噴嘴3處的速度一個未知量，這樣就可以求得實(shí)時壓力下噴嘴3處的速度v_p，整理得其公式為：

其中P一為鋼瓶中的實(shí)時壓力；

P₁一為噴嘴3液面的壓力，此處其與大氣連通；

根據(jù)噴嘴3處滅火劑速度就可以求得時間步長Δt內(nèi)滅火劑噴放量，由于系統(tǒng)中可能是多個噴嘴3共同噴放，其設(shè)計的噴放時間是一樣的，這里假設(shè)每個時間步長內(nèi)每個噴嘴3的噴放量是一樣的。單個時間步長內(nèi)，系統(tǒng)總的噴放量為：

把每一個時間步長內(nèi)的噴放量累積，循環(huán)上面的計算，直到滅火劑總的噴放量等于滅火劑的設(shè)計用量，總的循環(huán)次數(shù)疊加即為總的噴放時間time，如圖(7)。把計算得到的總噴放時間與設(shè)計噴放時間對比有：

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s₀一計算噴放時間和設(shè)計噴放時間的差值；

s₁一為時間差值的上極限值；

s₂一為時間差值的下極限值；

d_p0一為噴嘴3開口直徑的增減步長；

(13)計算噴嘴3的最大工作壓力

噴嘴3處的最大工作壓力應(yīng)大于一個極限值，以確保滅火劑能順利從噴嘴3噴出布滿整個防護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)一定的保護(hù)半徑，如果計算的噴嘴3最大工作壓力值過小，則鋼瓶的充裝率太大，應(yīng)減小充裝率重新計算，直到計算值符合要求。

Pmax＝P-hfmaxrg (1-35)

其中P一為滅火劑充滿管網(wǎng)鋼瓶中氮?dú)獾膲毫Γ?/p>

P_max一為噴嘴3的最大工作壓力；

h_fmax一為最大速度時的壓力損失；

(14)就上初始液面到達(dá)噴嘴3的時長

由上可得符合要求的噴嘴3等效開口直徑所得到的初始速度，有連續(xù)性方程可以求得每一段管徑的速度，從而求得每一段的時間，每一段時間求和就可以得到總時間，則初始液面到達(dá)噴嘴3的時長為：

其中l(wèi)_i一為任意管段的設(shè)計長度(m)；

v一為對應(yīng)管段的速度(m/s)，其值由噴嘴3處的速度求得；

(15)防護(hù)區(qū)泄壓口的設(shè)計計算

七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)噴放過程中，防護(hù)區(qū)的壓力會持續(xù)增大，為了防止防護(hù)區(qū)的氣體壓力太高，通常在防護(hù)區(qū)的墻壁上開泄壓口。泄壓口面積計算根據(jù)GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》給出的計算公式，其值由防護(hù)區(qū)滅火劑的噴放速率和防護(hù)區(qū)維護(hù)結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓的允許壓強(qiáng)確定，其計算方法如下：

其中F_x一為泄壓口的面積；

Q_x一為滅火劑在防護(hù)區(qū)的平均噴放速率；

P_f一為維護(hù)結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓的允許壓強(qiáng)(Pa)

其中P_f的取值不宜低于1200Pa，具體規(guī)定如下：

高層建筑 P_f＝1200Pa；

一般建筑 P_f＝2400Pa；

地下建筑 P_f＝4800Pa；

泄壓口的開啟壓力值為1.1+0.1KPa，關(guān)閉工作壓力為0.95+0.05KPa時較為合理。其安裝高度一般在防護(hù)區(qū)凈高的2/3以上。

顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。