一种IG541气体灭火系统的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种ＩＧ５４１气体灭火系统的设计方法。气体灭火系统主要由高压气体储存瓶、输送气体的管道、减压装置、气体喷嘴、火灾探测装置以及气体喷放控制系统组成，该方法采用动态的设计计算方法，将高压气体从储气瓶经管道喷放到各防护区、管道系统内各节点的气体压力和流量连续变化的过程离散化，将这个连续的过程离散成由０．１ｓ的时间片段叠加而成，每个时间片段内的气体压力和流量在当个时间片段内视为恒定，分别在每个时间片段内计算管道系统中各节点的压力和气体流量，以此为基础进行气体灭火系统管道系统的设计计算。该方法采用动态设计思想、计算结果准确科学，达到既能可靠灭火，又能保障火灾时防护空间内不至于因喷放了大量气体而使人窒息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种气体灭火系统的设计方法，尤其是一种IG541气体灭火系统的设计方法。
技术介绍
固定气体灭火系统是针对不得有水渍的场所或带电的昂贵设备场所配置的自动灭火设施。IG541气体灭火系统，又称洁净气体灭火系统，所用灭火剂由52％的氮气、40％的氧气、8％的二氧化碳混合而成，较早由美国Chvistian J.Lambertsen医学博士潜心研究而出，美国安素公司研制生产并推广应用，商业名称“INERGEN”。由于该灭火剂释放后，对被保护的环境、人、财产损失为零，因而在国内外得到广泛推广应用，其核心技术为如何有效控制灭火时间(灭火剂喷射时间)、灭火剂浓度、每个喷嘴的喷射压力和均衡喷射等，以上技术一直为国外企业所掌握和垄断。 IG541气体以15MPa的压力并纯气态的形式储存在钢制储气瓶里，大量的IG541气体喷放到火灾区中，能够降低火灾区域空气中氧的浓度，使火灾“窒息”而达到灭火的效果，灭火剂使用时不发生任何化学反应，是一种物理灭火方式。当IG541气体浓度低于42.8％时，对人的呼吸系统不会产生副作用；在通常情况下，氧气浓度降到15％以下，大部分可燃物将停止燃烧。在对灭火系统进行设计时，通常IG541气体灭火剂把氧气浓度降到大约12.5％，同时二氧化碳浓度上升到大约4％，二氧化碳浓度的增加，加快了人体呼吸速率和吸收氧气的能力，所以向火灾区喷放IG541气体能使火灾“窒息”，而不会使人窒息。 IG541气体的主要物理参数为 平均摩尔质量M(g/mol) 21℃时，IG541的密度为1.41kg/m3。 气体的比热比常数kk＝Cp/Cv (1-2) 其中Cv是定容比热，Cp是定压比热。 cp-cv＝R＝8.314J/(mol*K) (1-3) 对于IG541气体k＝Cp/Cv＝26.65/18.35＝1.4523 IG541气体灭火系统的设备组成可以分成两大部分，即药剂储存和喷放设备、报警和控制设备。药剂储存和喷放设备主要包括有储存IG541气体的钢瓶、钢瓶固定支架、瓶头阀电磁启动器、瓶头阀手动启动器、高压软管、气动软管、止回阀、泄气螺塞、减压孔板、区域选择阀、喷嘴和喷嘴挡流罩等。报警和控制设备主要包括有火灾探测器、控制盘、手拉开关、紧急停止开关、手动/自动选择开关、警铃、蜂鸣器和闪灯、气体释放指示灯、主用/备用选择开关和压力开关等。在对IG541气体灭火系统设计时，一般会根据需要选择采用以上的部分或全部的设备。 20℃时，钢瓶内灭火剂充装压力为一级充压15MPa；二级充压20MPa。钢瓶容积国内一般为70L和80L两种。 IG541气体灭火系统的优点是(1)完全由自然存在于大气中的惰性气体组成，对环境完全无害；(2)在规定的灭火浓度下对人体完全无害，可以在有人工作的场所内安全使用；(3)药剂来源广泛，可确保长期使用；(4)完全由惰性气体组成的灭火剂，在火灾时的高温下不会产生任何酸性化学分解物，对精密设备和其他珍贵财物等无任何腐蚀作用；(5)以气态方式储存的灭火剂，喷放时不会引起保护区域内温度急剧下降，对精密设备和其他珍贵财物无任何伤害；(6)不会在保护区域内产生大量白色浓雾，不会因遮挡视线而影响人员及时疏散；(7)可以较其他气体灭火系统输送更长距离，在系统采用组合分配方式下，可以连接更多的保护区域，节约气体灭火系统的投资。 根据大量已经得到认证的灭火试验结果，证明IG541气体灭火系统能够有效地扑灭A类火灾、B类火灾和C类火灾，所以IG541气体灭火系统可以适用于目前绝大多数的场所。自1994年投入使用以来，已在全球范围内数十个国家和地区得到了应用。 IG541灭火系统在应用时，为了达到安全可靠灭火的目的，必须要满足以下条件(1)往保护空间喷放IG541气体灭火剂，会导致保护空间的气体压强升高，保护空间的压强升高不能超过1200Pa，因此要设计计算保护空间卸压口的面积；(2)灭火剂的喷射时间应保证在60s之内达到保护空间的最小设计浓度的95％；(3)喷嘴出口前的最小压力在喷射初期的峰值压力应在1.9～5.0MPa之间；(4)气体喷放时，喷嘴处的平均气体压力大于2.0MPa；(5)灭火剂在保护空间的实际浓度在37.5％～42.8％之间，灭火剂浓度太低，则达不到灭火的目的，灭火剂浓度太高，则使火灾初期仍停留在防护区的人产生窒息，危及到人身安全；(6)管道容积与储存容器的最大容积比不宜大于66％。 要满足以上要求，IG541气体灭火系统在实际工程应用时，需要进行严格的管网设计计算。与哈龙、二氧化碳、七氟丙烷等气体灭火系统的水力计算相比，IG541气体灭火系统的设计计算有以下特点(1)灭火剂的储存压力最高，达到15MPa；(2)气体在管道中的流动为气态单相流，而其它气体灭火系统为双相流；(3)系统中气体流动为非稳态流动，压力衰减很快；(4)系统带有减压装置(减压孔板)。正由于IG541气体灭火系统设计计算存在上述几个特点，使得管网的水力计算很复杂，不能采用其它气体灭火系统的设计计算方法。 IG541灭火系统是由美国安素(Ansul)公司率先推出的灭火产品，目前普遍认为，安素公司的设计计算软件进行工程设计比较可靠，很多公司直接使用安素公司的设计计算软件，但安素公司并不向外界透露其设计计算方法，因此无法知道其设计计算方法，而各个公司生产的IG541系统也不完全相同，尤其是喷嘴结构，这就迫使我国消防行业展开对IG541管网水力计算的研究。IG541系统自从引进中国以来，作为该系统核心技术的管网设计计算方法，成为众多消防企业、消防研究所、消防管理部门的攻关目标，已有众多消防企事业单位投入了相当多的人力和物力对IG541系统工程设计计算进行研究。 天津兆龙软件开发有限公司开发了一套专用IG541设计计算软件，其计算的基本原则是(1)按等熵绝热过程有摩擦的恒定一元气体单相流进行热力过程计算；(2)设计计算时，瓶头阀出口压力按7MPa计算；(3)孔板下游压力等于中期压力的1.1倍，来确定减压孔板孔径的大小。其中第(2)、(3)原则的科学性、准确性存在严重的质疑，其计算结果基本上是以美国安素公司的计算结果来验算的，没有经过实际的实验研究。 有的消防研究单位也进行了相关的研究工作，研究的重点都在灭火剂IG541流过管道压力损失的计算公式的推导，没有对IG541系统整个设计过程作系统的研究。 西安一些消防企业联合当地高校进行了大量的研究，在这些研究基础上，西安地方消防标准中，给出了相关的设计计算方法，但关于减压孔板孔径的计算这一非常核心的设计内容并没有提到，并且在进行管网压力损失计算时，将设计流量作为平均流量，也是不准确的。 中华人民共和国建设部、国家质量技术监督检验检疫总局于2006年3月联合发布了有关IG541灭火系统的设计规范，即《气体灭火系统设计规范》(GB 50370-2005)(以下简称《设计规范》)。《设计规范》对我国IG541灭火系统的设计、施工以及工程验收提供了统一的、规范的依据，促进了这项灭火技术的应用和发展。《设计规范》也首次给出了IG541系统管网设计计算的方法。是这样规定的 1、管道的流量宜采用平均设计流量 式中Qw-主干网平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＩＧ５４１气体灭火系统的设计方法，其中气体灭火系统主要由高压气体储存瓶、输送气体的管道、减压装置、气体喷嘴、火灾探测装置以及气体喷放控制系统组成，其特征在于：该设计方法采用动态的设计计算方法，将高压气体从储气瓶经管道喷放到各防护区、管道系统内各节点的气体压力和流量连续变化的过程离散化，将这个连续的过程离散成由０．１ｓ的时间片段叠加而成，每个时间片段内的气体压力和流量在当个时间片段内视为恒定，分别在每个时间片段内计算管道系统中各节点的压力和气体流量，以此为基础进行气体灭火系统管道系统的设计计算。

【技术特征摘要】
1、一种IG541气体灭火系统的设计方法，其中气体灭火系统主要由高压气体储存瓶、输送气体的管道、减压装置、气体喷嘴、火灾探测装置以及气体喷放控制系统组成，其特征在于该设计方法采用动态的设计计算方法，将高压气体从储气瓶经管道喷放到各防护区、管道系统内各节点的气体压力和流量连续变化的过程离散化，将这个连续的过程离散成由0.1s的时间片段叠加而成，每个时间片段内的气体压力和流量在当个时间片段内视为恒定，分别在每个时间片段内计算管道系统中各节点的压力和气体流量，以此为基础进行气体灭火系统管道系统的设计计算。2、根据权利要求1所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于该方法的设计计算过程如下(1)计算并修正所需要的IG541气体需求量；(2)根据正常工作环境温度下的设计浓度确定喷完90％气体量所需要的喷放时间；(3)根据喷放时间和实际使用的气体量，估算各管道的设计流量；(4)计算减压孔板的孔径和各管道管径；(5)计算卸压口面积；(6)根据输入的管网信息及以上计算信息，计算减压孔板的孔径；(7)建立钢瓶出口气体压力与流过减压孔板气体流量的关系；(8)验算各管道管径；(9)分别计算峰值和平均状态下，气体在管网内的压力损失(10)根据喷嘴处的气体压力和流量确定喷嘴的孔径；(11)计算保护空间达到95％气体浓度的喷放时间。3、根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于所述步骤(1)中计算并修正过程为先根据防护区的容积、灭火浓度，计算出灭火气体的需求量以及储气瓶数量。实际使用的气体量在计算过程中可能需要进行调整，使其满足(a)防护区的灭火气体浓度在规定的浓度范围内；(b)总的喷放时间经计算在规定的时间范围内；(c)喷嘴处的气体压力在规定的范围内，气体量的计算公式为式中，M-所需气体量K-大气压力校正系数；V-防护区总容积(m3)；C-灭火剂设计浓度乘以100所得的值；S-IG541气体比容(m3/kg)4、根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于所述步骤(2)中喷完90％IG541气体量所需喷放时间的计算公式为式中，T90-喷完90％IG541气体量所需喷放时间C-灭火剂设计浓度乘以100所得的值。5、根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于所述步骤(4)中减压孔板孔口面积的计算公式为式中，A-减压孔板的孔口面积；n-储气钢瓶个数；V钢瓶-储气钢瓶总容积(m3)；V集流管-集流管及软管的总容积(m3)；ρ-孔板前的实时密度；T90-喷完90％IG541气体量所需喷放时间；ρ90-喷完90％的灭火剂后钢瓶和集流管中剩余气体的密度；ρ0-钢瓶和集流管中的初始密度；k-IG541气体的比热常数；由上式进而求出减压孔板的开口孔径d；各管道管径的估算公式为式中D-管道内径(mm)；Q-管道的平均设计流量(kg/s)；估算出管道管径后，再对管道内气流的雷诺数及公式进行校核，确保各管道中气体流动状态一直处于完全紊流状态，且各管道长度L小于最大管长Lmax。6、根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于所述步骤(5)中卸压口面积的计算公式为式中，Ad-卸压口面积(m2)；Qave-单个防护区内IG541的最高喷放速率(m3/s)；Pmax-防护区围护结构承受内压的允许压强(Pa)，一般取1.2KPa；7、根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红祥，
申请(专利权)人：浙江信达可恩消防实业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]