潔凈氣體滅火系統設計范文
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摘要：文章闡述了博物館文物倉庫氣體消防系統選擇時的比較分析，并介紹了設計過程中的計算方法，對工程設計有參照意義。氣體滅火系統在實際設計中，需考慮火災撲救、環境保護、經濟實用等諸多因素，選擇一種滿意的消防設計方案常常十分復雜。
關鍵詞：博物館文物倉庫；氣體滅火系統；滅火劑；FM200；充裝率
中圖分類號：TU892文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）16-0007-03
博物館是一座全面反映中國悠久歷史、燦爛文化的建筑物。館內的文件倉庫是全館的心臟，大量的國粹、國寶存放在此，如果用水噴淋，一旦浸水損壞，將會對國家造成重大損失，且水濺損失可能會波及到其它文物倉庫，所以這些部位應首選氣體滅火系統等特殊的消防措施。
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，由于哈龍滅火劑是破壞大氣臭氧層的主要因素，我國政府于1989年及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。其中一個發展的方向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。這些滅火系統都存在著不同程度的缺陷，只能在那些“非必要場所”替代哈龍滅火系統。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。在工程中比較常用的滅火劑有CO2、七氟丙烷（FM200）、煙烙盡（IG-541）三種。
（一）二氧化碳（CO2）
CO2滅火作用主要是窒息、冷卻，為物理反應。通過向一個封閉空間噴入大量的CO2氣體后，將空氣中氧的含量降低到15%以下，從而達到窒息中止燃燒的目的。在眾多的鹵代烷滅火系統的替代系統中，以CO2滅火系統技術最為成熟，應用也最廣泛。CO2滅火系統較為經濟，能輸送較遠距離，但其較高的滅火濃度對人體有致命危害，其最小設計滅火濃度（34%）大大超過了人的致死濃度，危險性極大，故在經常有人的場所不宜使用。
（二）七氟丙烷（FM200）
七氟丙烷（FM200）的滅火機理為抑制化學鏈反應，其滅火機理及滅火效率與鹵代烷“1301”相類似，為主動滅火，而且FM-200滅火系統與1301滅火系統所使用的設備、管道及配置方式幾乎完全相同，被認為是1301最接近的替代品。
七氟丙烷（FM200）是毒性較低、無色、無味、無二次污染的氣體，對人體產生不良影響的體積濃度臨界值為9%，其最小設計滅火濃度為7%，因此，正常情況下對人體不會產生不良影響，可用于經常有人活動的場所，特別是它不破壞大氣臭氧層，符合環境要求。由于滅火濃度較低，因而儲瓶數量較少，占地面積也較小，系統功能完善、工作準確可靠。
（三）煙烙盡（IG-541）
煙烙盡（IG-541）的滅火是通過降低防護區中的氧氣濃度，使其不能維持燃燒而達到滅火的目的，為物理反應，屬被動滅火。但它是一種綠色環保型滅火劑，在滅火時不會發生任何化學反應，不污染環境，無毒、無腐蝕，具有良好的電絕緣性能，這是其它滅火劑所不具備的特點。但因是被動滅火，其滅火效果略差，其高壓氣態儲存方式具有儲瓶數量大，占地面積大，系統造價高的缺點。
綜上所述，由于CO2系統對人體有致命危害，故不在選擇范圍之內。而IG-541和FM200都屬于潔凈、環保的滅huo藥劑，具備良好的滅火性能。究竟哪一種產品更適合于文物保護呢?最重要的是，博物館的文物庫是個安全性要求極高的地方，庫區內不能有任何與文物無關的設備物品。這就要求鋼瓶站必須設置在文物庫區的安全通道之外。針對本工程有9個文物庫，保護面積為345.6m2，鋼瓶管道輸送距離小于40m，因此，在決定采用何種滅火系統時距離不再是關鍵因素，由于七氟丙烷（FM200）一次性投資小于煙烙盡（IG-541），并且占地面積也較小，故與業主充分商量之后選擇七氟丙烷（FM200）系統。
二、潔凈氣體滅火系統的設計
潔凈氣體滅火系統的設計思路可歸納為：設計滅火用量（W）→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（Pm）→管道節點壓力（Pj）→噴頭等效孔口面積（F）→噴頭規格→滅火劑儲存量（Mc）→儲瓶數量（Np）。
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。
本工程共三層，每層三間，倉庫布局一致，每個倉庫的尺寸為：L×B×H=8000×4800×2800mm，每間倉庫為一個獨立的防護區，建筑面積為38.4m2，容積為107.52m3，沒有吊頂和地臺。為了保證整個系統均衡，在二層中間位置設置消防儲氣室。
（一）防護區的基本參數
凈面積：F＝38.4m2，體積：V=107.52m3；保護對象：文物資料庫；設計滅火濃度：10%；噴放時間：≤10S；浸漬時間：20min。噴頭的最大保護高度：2.8m小于規范要求的5.0m，本工程僅設計一層噴頭。防護區的基本參數是氣體消防設計的前提條件。防護區是指能滿足氣體滅火要求的有限封閉空間，封閉結構是難燃燒體或非燃燒體，且該空間內能將該滅火劑濃度保持一段時間。
（二）設計計算
1．計算滅火劑設計用量：W=K××
海拔修正系數K=1
S=K1+K2×TK1=0.1269K2=0.000513
T=20℃?圯S=0.13716
計算得W=87.10kg
2．確定確定噴嘴數量及布置：管網設計為均衡系統，倉庫確定噴嘴數量為2只，按防護區平面均勻布置。
3．選定滅火劑儲瓶規格及數量：根據W=87.10kg，選定容積為70L儲瓶n=2只。
4．計算管道平均設計流量：
（1）0～1段：儲瓶出流管段Q0～1=87.10210=4.35（kgs）；
（2）1～2段：儲瓶管段Q1～2=8.71（kgs）；
（3）2～3段：主干管管段Q2～3=8.71（kgs）；
（4）3～4段：噴嘴管段Q3～4=8.712=4.35（kgs）。
5．選擇管網管道通徑：以管道平均設計流量初選管徑，其結果參見上圖。
6．計算充裝率：
系統設置用量：Ws=W+△W1+△W2；
管網內剩余量：△W2=0；
儲瓶內剩余量：△W1=n×1.5=2×1.5=3（kg）；
充裝率：η=Ws（n×Vb）=（87.1+3）（2×0.07）=643.57（kgm3）。
7．計算管網管道內容積：
Vp=5×00.00113+9.2×0.00113+4×0.0008=0.0192（m3）
Vp〈0.8×（81.71.407）=0.0495（m3）滿足要求。
8．選用儲瓶增壓壓力：選用P0=4.3MPa（絕壓）。
9．計算全部儲瓶氣相總容積：
V0=n×Vb（1-）=2×0.07（1-643.571407）=0.076（m3）
10．計算“過程中點”儲瓶內壓力：
Pm===2.589（MPa）
11．計算管路阻力損失：
（1）0～1段：儲瓶出流管段
流量：Q0～1=4.35（kgs）
管徑：D0～1=40（mm）
計算長度：L0～1=9（m）
阻力損失：
△P0~1=×L0～1
=×9=0.0673（Mpa）
（2）1～2段：儲瓶管段
流量：Q1～2=Q0～1=8.71（kgs）
管徑：D1～2=40（mm）
計算長度：L1～2=5（m）
阻力損失：
△P1~2=×L1～2
=×5=0.0463（MPa）
（3）2～3段：主干管管段
流量：Q2～3=8.71（kgs）
管徑：D2～3=40（mm）
計算長度：L2～3=14.80（m）
阻力損失：
△P1~2=×L1～2
=×14.80=0.1369（MPa）
（4）3～4段：噴嘴管段
流量：Q3～4=4.35（kgs）
管徑：D3～4=32（mm）
計算長度：L3～4=4.90（m）
阻力損失：
△P1~2=×L1～2
=×4.90=0.0366（MPa）
12．計算高程壓頭：
Ph=10-6×?酌×H×g=10-6×1407×2×9.8=0.0276（MPa）
13．計算噴嘴工作壓力：
Pc=Pm-△P±Ph
=2.589-0.0673-0.0463-0.1369-0.0366-0.03-0.0276
=2.2444（MPa）
14．驗算設計計算結果：
系統應同時滿足下列條件：
Pc≥0.5（MPa）
Pc≥Pm2=2.582=1.29（MPa）
皆滿足，合格。
三、結論
當計算結果不能滿足要求時，可以從以下幾個方面進行調整：（1）增加瓶組數，減少充裝密度，直至滿足設計要求；（2）保持鋼瓶數量，放大管徑，直至滿足計算要求。
隨著國民經濟的不斷發展，人們的消防意識不斷提高，在眾多的工業與民用建筑中，氣體滅火系統得到了廣泛的應用，潔凈氣體滅火劑更是大有作為。愿本文的只言片語能引發同仁的探討興趣，不當之處，敬請專家同仁指正。
充裝率是計算的關鍵，當采用選擇組合分配系統滅火時，若系統中滅火設計用量最大的防護區與其它防護區的體積相差較多時，在按最大防護區的用量計算選擇好氣瓶的充裝率后，應校核其他防護區的實際滅火濃度，若實際值超過設計滅火濃度，應增加氣瓶數量，降低氣體的充裝率。
作者簡介：孔德慶（1974－），男，河北黃驊人，中國水電十一局鄭州科研設計有限公司工程師，研究方向：給排水設計。
