洁净气体灭火系统设计范文

摘要：文章阐述了博物馆文物仓库气体消防系统选择时的比较分析，并介绍了设计过程中的计算方法，对工程设计有参照意义。气体灭火系统在实际设计中，需考虑火灾扑救、环境保护、经济实用等诸多因素，选择一种满意的消防设计方案常常十分复杂。

关键词：博物馆文物仓库；气体灭火系统；灭火剂；FM200；充装率

中图分类号：TU892文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）16-0007-03

博物馆是一座全面反映中国悠久历史、灿烂文化的建筑物。馆内的文件仓库是全馆的心脏，大量的国粹、国宝存放在此，如果用水喷淋，一旦浸水损坏，将会对国家造成重大损失，且水溅损失可能会波及到其它文物仓库，所以这些部位应首选气体灭火系统等特殊的消防措施。

一、洁净气体灭火系统的选择

传统哈龙产品——卤代烷1211及1301在我国气体消防行业的应用历史中占有非常重要的地位，由于哈龙灭火剂是破坏大气臭氧层的主要因素，我国政府于1989年及1991年分别签署了《关于保护臭氧层的维也纳公约》、《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，并决定于2005年停产1211，2010年停产1301。这标志着淘汰哈龙，开发新型灭火剂已成为大势所趋。其中一个发展的方向是用已有的其他灭火系统替代哈龙灭火系统，如采用二氧化碳、水喷雾、泡沫、干粉、易安龙（气溶胶）灭火系统等。这些灭火系统都存在着不同程度的缺陷，只能在那些“非必要场所”替代哈龙灭火系统。另一个发展方向是开发不污染被保护对象、不破坏大气臭氧层、温室效应小、对人体无害的灭火剂，即“洁净气体”灭火剂和相应的灭火系统，这是当前发展的主流。目前，国际标准化组织推荐的第一代用于替代哈龙的洁净气体灭火剂共有14种。在工程中比较常用的灭火剂有CO2、七氟丙烷（FM200）、烟烙尽（IG-541）三种。

（一）二氧化碳（CO2）

CO2灭火作用主要是窒息、冷却，为物理反应。通过向一个封闭空间喷入大量的CO2气体后，将空气中氧的含量降低到15%以下，从而达到窒息中止燃烧的目的。在众多的卤代烷灭火系统的替代系统中，以CO2灭火系统技术最为成熟，应用也最广泛。CO2灭火系统较为经济，能输送较远距离，但其较高的灭火浓度对人体有致命危害，其最小设计灭火浓度（34%）大大超过了人的致死浓度，危险性极大，故在经常有人的场所不宜使用。

（二）七氟丙烷（FM200）

七氟丙烷（FM200）的灭火机理为抑制化学链反应，其灭火机理及灭火效率与卤代烷“1301”相类似，为主动灭火，而且FM-200灭火系统与1301灭火系统所使用的设备、管道及配置方式几乎完全相同，被认为是1301最接近的替代品。

七氟丙烷（FM200）是毒性较低、无色、无味、无二次污染的气体，对人体产生不良影响的体积浓度临界值为9%，其最小设计灭火浓度为7%，因此，正常情况下对人体不会产生不良影响，可用于经常有人活动的场所，特别是它不破坏大气臭氧层，符合环境要求。由于灭火浓度较低，因而储瓶数量较少，占地面积也较小，系统功能完善、工作准确可靠。

（三）烟烙尽（IG-541）

烟烙尽（IG-541）的灭火是通过降低防护区中的氧气浓度，使其不能维持燃烧而达到灭火的目的，为物理反应，属被动灭火。但它是一种绿色环保型灭火剂，在灭火时不会发生任何化学反应，不污染环境，无毒、无腐蚀，具有良好的电绝缘性能，这是其它灭火剂所不具备的特点。但因是被动灭火，其灭火效果略差，其高压气态储存方式具有储瓶数量大，占地面积大，系统造价高的缺点。

综上所述，由于CO2系统对人体有致命危害，故不在选择范围之内。而IG-541和FM200都属于洁净、环保的灭huo药剂，具备良好的灭火性能。究竟哪一种产品更适合于文物保护呢?最重要的是，博物馆的文物库是个安全性要求极高的地方，库区内不能有任何与文物无关的设备物品。这就要求钢瓶站必须设置在文物库区的安全通道之外。针对本工程有9个文物库，保护面积为345.6m2，钢瓶管道输送距离小于40m，因此，在决定采用何种灭火系统时距离不再是关键因素，由于七氟丙烷（FM200）一次性投资小于烟烙尽（IG-541），并且占地面积也较小，故与业主充分商量之后选择七氟丙烷（FM200）系统。

二、洁净气体灭火系统的设计

洁净气体灭火系统的设计思路可归纳为：设计灭火用量（W）→管道流量（Q）→管道内径（D）→管道规格→管道计算长度（L）→中期容器压力（Pm）→管道节点压力（Pj）→喷头等效孔口面积（F）→喷头规格→灭火剂储存量（Mc）→储瓶数量（Np）。

系统管网计算的关键在于准确地计算出管道内各点的压力，从而合理选择灭火剂的贮存压力、灭火剂的充装密度、各管段的管径和各个喷嘴的孔口面积。管网阻力计算的“最终”结果是在保证灭火剂喷射时间及满足喷头最低入口压力前提下，尽可能选择较小的贮存压力、较大的充装密度、较小的管径，以降低工程造价。

本工程共三层，每层三间，仓库布局一致，每个仓库的尺寸为：L×B×H=8000×4800×2800mm，每间仓库为一个独立的防护区，建筑面积为38.4m2，容积为107.52m3，没有吊顶和地台。为了保证整个系统均衡，在二层中间位置设置消防储气室。

（一）防护区的基本参数

净面积：F＝38.4m2，体积：V=107.52m3；保护对象：文物资料库；设计灭火浓度：10%；喷放时间：≤10S；浸渍时间：20min。喷头的最大保护高度：2.8m小于规范要求的5.0m，本工程仅设计一层喷头。防护区的基本参数是气体消防设计的前提条件。防护区是指能满足气体灭火要求的有限封闭空间，封闭结构是难燃烧体或非燃烧体，且该空间内能将该灭火剂浓度保持一段时间。

（二）设计计算

1．计算灭火剂设计用量：W=K

海拔修正系数K=1

S=K1+K2×TK1=0.1269K2=0.000513

T=20℃?圯S=0.13716

计算得W=87.10kg

2．确定确定喷嘴数量及布置：管网设计为均衡系统，仓库确定喷嘴数量为2只，按防护区平面均匀布置。

3．选定灭火剂储瓶规格及数量：根据W=87.10kg，选定容积为70L储瓶n=2只。

4．计算管道平均设计流量：

（1）0～1段：储瓶出流管段Q0～1=87.10210=4.35（kgs）；

（2）1～2段：储瓶管段Q1～2=8.71（kgs）；

（3）2～3段：主干管管段Q2～3=8.71（kgs）；

（4）3～4段：喷嘴管段Q3～4=8.712=4.35（kgs）。

5．选择管网管道通径：以管道平均设计流量初选管径，其结果参见上图。

6．计算充装率：

系统设置用量：Ws=W+△W1+△W2；

管网内剩余量：△W2=0；

储瓶内剩余量：△W1=n×1.5=2×1.5=3（kg）；

充装率：η=Ws（n×Vb）=（87.1+3）（2×0.07）=643.57（kgm3）。

7．计算管网管道内容积：

Vp=5×00.00113+9.2×0.00113+4×0.0008=0.0192（m3）

Vp〈0.8×（81.71.407）=0.0495（m3）满足要求。

8．选用储瓶增压压力：选用P0=4.3MPa（绝压）。

9．计算全部储瓶气相总容积：

V0=n×Vb（1-）=2×0.07（1-643.571407）=0.076（m3）

10．计算“过程中点”储瓶内压力：

Pm===2.589（MPa）

11．计算管路阻力损失：

（1）0～1段：储瓶出流管段

流量：Q0～1=4.35（kgs）

管径：D0～1=40（mm）

计算长度：L0～1=9（m）

阻力损失：

△P0~1=×L0～1

=×9=0.0673（Mpa）

（2）1～2段：储瓶管段

流量：Q1～2=Q0～1=8.71（kgs）

管径：D1～2=40（mm）

计算长度：L1～2=5（m）

阻力损失：

△P1~2=×L1～2

=×5=0.0463（MPa）

（3）2～3段：主干管管段

流量：Q2～3=8.71（kgs）

管径：D2～3=40（mm）

计算长度：L2～3=14.80（m）

阻力损失：

△P1~2=×L1～2

=×14.80=0.1369（MPa）

（4）3～4段：喷嘴管段

流量：Q3～4=4.35（kgs）

管径：D3～4=32（mm）

计算长度：L3～4=4.90（m）

阻力损失：

△P1~2=×L1～2

=×4.90=0.0366（MPa）

12．计算高程压头：

Ph=10-6×?酌×H×g=10-6×1407×2×9.8=0.0276（MPa）

13．计算喷嘴工作压力：

Pc=Pm-△P±Ph

=2.589-0.0673-0.0463-0.1369-0.0366-0.03-0.0276

=2.2444（MPa）

14．验算设计计算结果：

系统应同时满足下列条件：

Pc≥0.5（MPa）

Pc≥Pm2=2.582=1.29（MPa）

皆满足，合格。

三、结论

当计算结果不能满足要求时，可以从以下几个方面进行调整：（1）增加瓶组数，减少充装密度，直至满足设计要求；（2）保持钢瓶数量，放大管径，直至满足计算要求。

随着国民经济的不断发展，人们的消防意识不断提高，在众多的工业与民用建筑中，气体灭火系统得到了广泛的应用，洁净气体灭火剂更是大有作为。愿本文的只言片语能引发同仁的探讨兴趣，不当之处，敬请专家同仁指正。

充装率是计算的关键，当采用选择组合分配系统灭火时，若系统中灭火设计用量最大的防护区与其它防护区的体积相差较多时，在按最大防护区的用量计算选择好气瓶的充装率后，应校核其他防护区的实际灭火浓度，若实际值超过设计灭火浓度，应增加气瓶数量，降低气体的充装率。

作者简介：孔德庆（1974－），男，河北黄骅人，中国水电十一局郑州科研设计有限公司工程师，研究方向：给排水设计。