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1、1气体灭火系统初始计算压力的确定气体灭火系统初始计算压力的确定王致新 ，王煜彤（天津市兆龙软件开发有限公司，天津 300384）摘摘 要：要：讨论了国家规范和一些地方标准中规定的各种气体灭火系统初始计算压力的确定 方 法和存在的问题，并提出了新的计算方法 关键词关键词：气体灭火系统 初始计算压力 中期压力 蒸气压 等温过程 绝热过程 前言：前言： 气体灭火系统包括高、低压二氧化碳及各种洁净气体灭火系统。目前我国 普遍应用的洁净气体灭火系统主要有：七氟丙烷灭火系统、三氟甲烷灭火系统 和 IG-541 灭火系统。近年来，得到使用的还有六氟丙烷等灭火系统以及 IG-01, IG-55 和 IG-10
2、0 等惰性混合气体灭火系统。 气体灭火系统的特点是：灭火剂存储在高压储存容器中。二氧化碳、七氟 丙烷和三氟甲烷等灭火剂在容器中是液态存储的；IG-541 等各种惰性混合气体 灭火剂在高压容器中则是气态存储的。不同灭火剂的存储压力也不完全相同。 IG-541 和高压二氧化碳的存储压力为 15MPa 或 20MPa; 低压二氧化碳的存储压 力为 2.1MPa 左右; 七氟丙烷的存储压力为 2.5、4.2MPa 或 5.6MPa；三氟甲烷 的存储压力为 4.2MPa 等等。值得注意的是：储存压力所用的数据是表压，但 计算过程中使用的初始计算压力都是绝对压力。 灭火剂开始喷放后，由于喷放初期管道内的背
3、压相当于大气压，储存容器 内的压力下降梯度很大，其后下降梯度逐渐减小，因此气体灭火系统喷放时， 储存容器中基本上是闭口系统内压缩气体的膨胀过程；而管道内的流动过程则 是变压力源开口系统中的流动过程。此外，除了储存状态下仍保持气态的各种 混合气体灭火系统外，低压二氧化碳和三氟甲烷灭火剂在喷放过程中，当压力 达到灭火剂的蒸气压后，灭火剂开始蒸发为气态，所以这类灭火剂在管道中的 流动是气-液两相流。但是，由于七氟丙烷的蒸气压低于喷头的最低工作压力， 所以喷放过程中基本上是液态单相流；由于气体灭火系统喷放过程是变压力源 流动过程，且各种系统的流态也不完全相同，所以给设计计算带来了很大困难。目前，国内外
4、在各种气体灭火系统的设计标准或规范中为了简化计算都假 设灭火剂喷放过程中储存容器内的压力为某个恒定值。这个压力被称为气体灭 火系统的“初始计算压力”或“起点计算压力” 。由于国内外对气体灭火系统喷 放过程的研究还不够，所以不同标准或规范中给出的初始计算压力的计算方法 也不尽相同，并且现有的这些计算方法还不同程度的存在一些问题。 本文将从理论上对各种气体灭火系统设计中如何确定初始计算压力的方法 进行讨论并给出相应的计算公式。2一、一、喷放过程中气体灭火剂在储存容器中膨胀的热力学过程喷放过程中气体灭火剂在储存容器中膨胀的热力学过程 1、储存状态为气态的气体灭火系统 此类灭火系统主要是各种惰性混合气
5、体灭火系统如 IG-541、IG-01, IG-55 和 IG-100 等。喷放过程中这类灭火剂无论在储存容器内或管道中 都是单相气态。其流动过程属于可压缩气体在开口系统中的高速单相流 动。由于这些气体密度较小、且远离液态，所以可认为是理想气体。 2、储存状态为液态的气体灭火系统 此类灭火系统可分为两类。一类是：二氧化碳和三氟甲烷灭火系统。 它们在高压储存容器内是液态，开始喷放后压力降低到其蒸汽压时开始 蒸发。这种刚刚脱离液态的蒸汽密度较大，在热物理学中认为与理想气 体的定义差别甚大，称之为“实际气体” 。在管道中则是气-液两相流。 另一类是七氟丙烷灭火系统。虽然七氟丙烷在高压储存容器内也是
6、液态，但由于七氟丙烷的蒸气压很低（低于喷头要求的最低工作压力） ， 所以喷放过程中在管道内的流动过程可认为是单相液态流。常温下蒸气压明显低于储存压力的灭火剂（例如七氟丙烷等）需要加压成 为液态存储在容器内。这类灭火剂在开始喷放时需靠装在同一容器中的其它气 体（如氮气）膨胀产生的压力推动从储存容器中排出。 存储状态为液态，但在储存温度下蒸气压接近于储存压力的灭火剂（例如 二氧化碳、三氟甲烷等）则无需靠其它气体加压，开始喷放后灭火剂靠自 身的蒸气压推动即可将灭火剂从容器中排出。 由上述可见，不同存储状态和蒸气压不同的灭火剂所构成的灭火系统，喷 放过程中灭火剂在储存容器中膨胀的热力学过程及在管道内的
7、流动过程也不完 全相同。因此，在确定系统设计中的初始计算压力之前，首先应对喷放灭火剂 时储存容器内气体膨胀的热力学过程以及灭火剂在管道内的流动过程加以分析。我国气体灭火系统设计规范GB 50370-2005 和一些地方标准中，计算 七氟丙烷灭火系统的初始计算压力时，都认为喷放时气体在储存容器中膨胀的 热力学过程是理想气体的“等温过程” ，即储存容器中气体的温度是恒定不变的，亦即压力和密度成正比，和比容v成反比：Pv = P/=常数 可见“等温过程”的P-v之间的关系是一条双曲线。事实上，随着压力下降储存容器中的气体在容器中属于无功膨胀，由于气 体灭火系统的喷放时间很短，灭火剂几乎来不及通过容器
8、壁与外界环境进行热 交换，所以各种气体灭火系统喷放时灭火剂在储存容器内膨胀的热力学过程并 不是“等温过程” ，而更接近于系统与外界无热交换的理想气体的“绝热膨胀过 程” 。可见：用理想气体等温过程的计算方法计算气体灭火系统的初始计算压力 并不妥当。 气体灭火系统设计规范国家标准和陕西省地方标准 DB61/296-2000洁净气体 IG541 灭火系统设计、施工、验收规范在计算 IG-541 灭火系3统储存容器中气体的膨胀过程时，就认定是“绝热过程” 。对于绝热过程，压力 P 与比容v（密度的倒数）之间的关系是：Pv K = P/K =C - (1)C 是常数k 是比热比。 k = CP/CV
9、- (2)CP和 CV分别是等压比热和等容比热。（1）式表明：“绝热过程”并不是一条典型的双曲线。由于 k大于1，所 以绝热曲线要比等温曲线陡一些。与典型双曲线的差别的程度取决于 k 值的大 小。 图 1 是储存压力为 2.5MPa 的七氟丙烷储瓶内的氮气按照绝热膨胀的理论 计算结果。 不同颜色的曲线代表充装率不同时的情况。充装率越小表示储罐内原始存 储的灭火剂与氮气的比值越低，即氮气的比例越大，因而压力下降越缓慢。因 此，设计气体灭火系统时，一旦遇到喷头压力过低不能满足规范要求时，常常 采用增加瓶组数以减小充装率的方法来提高初始计算压力和喷头压力。图 1 按照等熵绝热过程理论计算时，储瓶内的
10、压力随七氟丙烷排出量的增加而下降。1 PSI=6895 Pa 1 Lb/ft3 =16.0183 kg/m3 为了证实这一理论，国外有人专门对仅带有一个喷头、充装压力为 2.5MPa 的七氟丙烷灭火系统储存容器内的压力及喷头处的压力随喷射时间的关系进行 了实验。实验储存容器的充装率为 1120 kg/m3。 实验结果如图 2 所示：图中 下方曲线是喷头压力；上方曲线是储存容器内气体的压力。 开始喷放的初期，储存容器内的氮气压力突然下降，这一不稳定过程大约 仅维持 1-2 秒，液态七氟丙烷在氮气压力的推动下流入并充满管道。其后，氮 气压力呈稳定膨胀下降过程，喷头压力缓慢下降。由于七氟丙烷的蒸气压
11、低于 喷头的额定工作压力，所以整个喷放过程中灭火剂基本上维持液态，喷放过程4类似于理想气体膨胀推动七氟丙烷液体活塞运动。但接近 10 秒时，因管道内的 灭火剂已接近喷射完毕，管道末端的瞬时压力可能低于七氟丙烷的蒸气压。这 时，部分剩余液态灭火剂蒸发，造成喷头压力瞬时波动然后迅速下降。 比较图 1 和图 2 可见，灭火剂在储存容器内的热力学过程确实更接近于储 存容器中气体的绝热膨胀过程。图 2 七氟丙烷储存容器内的压力及喷头压力随喷射时间的实际变化关系二、二、现行规范中对气体灭火系统初始计算压力的规定和存在的问题现行规范中对气体灭火系统初始计算压力的规定和存在的问题 我国国家规范及某些地方标准中
12、对气体灭火系统的初始计算压力作了一些 规定。 例如：二氧化碳灭火系统国家设计规范中规定：高压二氧化碳灭火系统的 初始计算压力为 5.17MPa；低压二氧化碳灭火系统的初始计算压力为 2.07MPa。 气体灭火系统设计规范国家标准和早先发布的一些地方标准中对目前 国内已普遍应用的七氟丙烷灭火系统都规定初始计算压力应按“中期压力”计 算。但给定的“中期压力”计算公式有所不同。 例如：广东省地方标准 DBJ 15-23-1999七氟丙烷（HFC227ea）洁净气体 灭火系统技术规程和上海市的地方标准 DG/TJ 08-307-2002七氟丙烷灭火系 统技术规程中给出的“中期压力”计算公式是：Pm =
13、 P0V0/ (V0+M/2 +Vg) - (3) 式中Pm- 储存容器内药剂喷放一半时“中期状态”的压力（绝对压力）P0 储存压力（绝对压力）V0 喷放前储存容器内气相容积的总和。V0 = n Vb(1- / )n储存容器的数量Vb单个储存容器的容积 -灭火剂充装率 灭火剂液体密度M 灭火剂设计用量5Vg 管网内容积2006 年 3 月 2 日发布；2006 年 5 月 1 日实施的国家标准气体灭火系统设 计规范中规定的七氟丙烷灭火系统“中期压力”计算公式与（3）式完全相同。北京市地方标准 DBJ 01-75-2003洁净气体灭火系统设计、施工、验收规 范中给出的七氟丙烷灭火系统“中期压力”
14、计算公式则是：Pm = P0V0/ (V0+M/2) - (4) 上述各种规范规定的计算方法都认定储存容器内的气体膨胀是“等温过程” 的理论基础上产生的。 对于三氟甲烷灭火系统，广西地方标准中规定初始喷放压力是通过查找三 氟甲烷的温度-蒸气压力曲线得到的。例如，环境温度为 20时，查曲线可知： 三氟甲烷的蒸气压约为 4.18MPa。 北京市地方标准中没有给出三氟甲烷灭火系统初始计算压力的计算方法。 国家气体灭火系统设计规范GB 50370 2005 发布前，只有陕西省地方 标准给出了 IG-541 灭火系统的“中期压力”的计算公式：Pm =0.3642 P0 V0/ (V0+ Vg) 1.45
15、7 -(5) 新发布的气体灭火系统设计规范国家标准中，IG-541 灭火系统并未明 确给出初始计算压力，只给出了一个“孔板前压力” 。其计算公式为：Pm = P0 0.525V0/ (V0+ V1+ 0.4V2) 1.45 -(5) 从（5）和(5)式的表达方式可见：它们都是根据“绝热膨胀过程”产生的。 不同之处仅在于二者确定的比热比K值略有不同。另外，陕西省地方标准所给 出(5)式中系数 0.3642 是 0.5 的 1.457 次方，即认为“中期”是按喷放设计用量 的 50%考虑的。而国家规范中则认为“中期”应按喷放设计用量 95%的一半考 虑。二者均考虑了管道容积，但在量上也有所差别。 但是，(5)式中的 0.525 P0V0 1.45只是储存状态下部分容积气体的状态（而不 是全部气体） ；但(V0+ V1+ 0.4V2 ) 1.45Pm是全部储存气体喷放 95%的一半时，储 瓶和管道中的状态。因此(5)式作为理想气体绝热膨胀的状态方程是否合适值得 商榷。 美国 NFPA 2001 洁
