气体灭火系统初始计算压力确定王致新 ，王煜彤（天津市兆龙软件开发有限公司，天津 300384）摘 要：讨论了国家规范和一些地方标准中规定各种气体灭火系统初始计算压力确定方法和存在问题，并提出了新计算方法关键词：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： 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，得到使用还有六氟丙烷等灭火系统以及IG-01, IG-55和IG-100等惰性混合气体灭火系统气体灭火系统特点是：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；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不同灭火剂存储压力也不完全相同IG-541和高压二氧化碳存储压力为15MPa或20MPa; 低压二氧化碳存储压力为2.1MPa左右; 七氟丙烷存储压力为2.5、4.2MPa或5.6MPa；三氟甲烷存储压力为4.2MPa等等值得注意是：储存压力所用数据是表压，但计算过程中使用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背压相当于大气压，储存容器内压力下降梯度很大，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膨胀过程；而管道内流动过程则是变压力源开口系统中流动过程此外，除了储存状态下仍保持气态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流动是气-液两相流但是，由于七氟丙烷蒸气压低于喷头最低工作压力，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，国内外在各种气体灭火系统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压力为某个恒定值这个压力被称为气体灭火系统“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研究还不够，所以不同标准或规范中给出初始计算压力计算方法也不尽相同，并且现有这些计算方法还不同程度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方法进行讨论并给出相应计算公式一、 喷放过程中气体灭火剂在储存容器中膨胀热力学过程1、 储存状态为气态气体灭火系统此类灭火系统主要是各种惰性混合气体灭火系统如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蒸汽密度较大，在热物理学中认为与理想气体定义差别甚大，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液态，但由于七氟丙烷蒸气压很低（低于喷头要求最低工作压力），所以喷放过程中在管道内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其它气体（如氮气）膨胀产生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灭火剂所构成灭火系统，喷放过程中灭火剂在储存容器中膨胀热力学过程及在管道内流动过程也不完全相同。
因此，在确定系统设计中初始计算压力之前，首先应对喷放灭火剂时储存容器内气体膨胀热力学过程以及灭火剂在管道内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初始计算压力时，都认为喷放时气体在储存容器中膨胀热力学过程是理想气体“等温过程”，即储存容器中气体温度是恒定不变，亦即压力和密度ρ成正比，和比容v成反比：Pv = P/ρ=常数 可见“等温过程”P--v之间关系是一条双曲线事实上，随着压力下降储存容器中气体在容器中属于无功膨胀，由于气体灭火系统喷放时间很短，灭火剂几乎来不及通过容器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理想气体“绝热膨胀过程”可见：用理想气体等温过程计算方法计算气体灭火系统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灭火系统储存容器中气体膨胀过程时，就认定是“绝热过程”对于绝热过程，压力P与比容v（密度ρ倒数）之间关系是： Pv K = P/ρK =C ------------------------- (1) C 是常数 k 是比热比。
k = CP/CV ------------------------- (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差别程度取决于k值大小图1是储存压力为2.5MPa七氟丙烷储瓶内氮气按照绝热膨胀理论计算结果不同颜色曲线代表充装率不同时情况充装率越小表示储罐内原始存储灭火剂与氮气比值越低，即氮气比例越大，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，储瓶内压力随七氟丙烷排出量增加而下降 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七氟丙烷灭火系统储存容器内压力及喷头处压力随喷射时间关系进行了实验实验储存容器充装率为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压力开始喷放初期，储存容器内氮气压力突然下降，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蒸气压低于喷头额定工作压力，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，因管道内灭火剂已接近喷射完毕，管道末端瞬时压力可能低于七氟丙烷蒸气压这时，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热力学过程确实更接近于储存容器中气体绝热膨胀过程图2 七氟丙烷储存容器内压力及喷头压力随喷射时间实际变化关系二、 现行规范中对气体灭火系统初始计算压力规定和存在问题 我国国家规范及某些地方标准中对气体灭火系统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初始计算压力为5.17MPa；低压二氧化碳灭火系统初始计算压力为2.07MPa《气体灭火系统设计规范》国家标准和早先发布一些地方标准中对目前国内已普遍应用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“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》和上海市地方标准DG/TJ 08-307-2002《七氟丙烷灭火系统技术规程》中给出“中期压力”计算公式是： Pm = P0V0/ (V0+M/2γ +Vg) -------------------------------- (3) 式中 Pm-—— 储存容器内药剂喷放一半时“中期状态”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总和V0 = n Vb(1-η / γ) n——储存容器数量 Vb——单个储存容器容积 η -----灭火剂充装率 γ —— 灭火剂液体密度 M ——灭火剂设计用量 Vg —— 管网内容积 2006年3月2日发布；2006年5月1日实施国家标准《气体灭火系统设计规范》中规定七氟丙烷灭火系统“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》中给出七氟丙烷灭火系统“中期压力”计算公式则是： Pm = P0V0/ (V0+M/2γ) -------------------------------- (4)上述各种规范规定计算方法都认定储存容器内气体膨胀是“等温过程”理论基础上产生。
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温度-蒸气压力曲线得到例如，环境温度为20℃时，查曲线可知：三氟甲烷蒸气压约为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“中期压力”计算公式： Pm =0.3642 P0 [V0/ (V0+ Vg) ] 1.457 ---------------------------------(5) 新发布《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´)式表达方式可见：它们都是根据“绝热膨胀过程”产生不同之处仅在于二者确定比热比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0.51.457次方，即认为“中期”是按喷放设计用量50%考虑。
而国家规范中则认为“中期”应按喷放设计用量95%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0.525 P0V0 1.45只是储存状态下部分容积气体状态（而不是全部气体）；但(V0+ V1+ 0.4V2 ) 1.45Pm是全部储存气体喷放95%一半时，储瓶和管道中状态因此(5´)式作为理想气体绝热膨胀状态方程是否合适值得商榷美国NFPA 2001洁净气体灭火系统设计标准中也未给出如何确定IG-541灭火系统初始计算压力方法上述种种情况说明：我国对气体灭火系统设计计算中首先必须考虑给定初始计算压力意见是一致，但是对于如何确定初始计算压力方法还没有统一认识各种标准、规范中对所规定计算方法也没有提供其来由和理论根据。