潔凈氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)選擇時(shí)的比較分析，并介紹了設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算方法，對工程設(shè)計(jì)有參照意義。氣體滅火系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需考慮火災(zāi)撲救、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等諸多因素，選擇一種滿意的消防設(shè)計(jì)方案常常十分復(fù)雜。
關(guān)鍵詞：博物館文物倉庫；氣體滅火系統(tǒng)；滅火劑；FM200；充裝率
中圖分類號(hào)：TU892文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(nèi)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(huì)對國家造成重大損失，且水濺損失可能會(huì)波及到其它文物倉庫，所以這些部位應(yīng)首選氣體滅火系統(tǒng)等特殊的消防措施。
傳統(tǒng)哈龍產(chǎn)品——鹵代烷1211及1301在我國氣體消防行業(yè)的應(yīng)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(guān)于保護(hù)臭氧層的維也納公約》、《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，并決定于2005年停產(chǎn)1211，2010年停產(chǎn)1301。這標(biāo)志著淘汰哈龍，開發(fā)新型滅火劑已成為大勢所趨。其中一個(gè)發(fā)展的方向是用已有的其他滅火系統(tǒng)替代哈龍滅火系統(tǒng)，如采用二氧化碳、水噴霧、泡沫、干粉、易安龍（氣溶膠）滅火系統(tǒng)等。這些滅火系統(tǒng)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(tǒng)。另一個(gè)發(fā)展方向是開發(fā)不污染被保護(hù)對象、不破壞大氣臭氧層、溫室效應(yīng)小、對人體無害的滅火劑，即“潔凈氣體”滅火劑和相應(yīng)的滅火系統(tǒng)，這是當(dāng)前發(fā)展的主流。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)。通過向一個(gè)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(dá)到窒息中止燃燒的目的。在眾多的鹵代烷滅火系統(tǒng)的替代系統(tǒng)中，以CO2滅火系統(tǒng)技術(shù)最為成熟，應(yīng)用也最廣泛。CO2滅火系統(tǒng)較為經(jīng)濟(jì)，能輸送較遠(yuǎn)距離，但其較高的滅火濃度對人體有致命危害，其最小設(shè)計(jì)滅火濃度（34%）大大超過了人的致死濃度，危險(xiǎn)性極大，故在經(jīng)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(jī)理為抑制化學(xué)鏈反應(yīng)，其滅火機(jī)理及滅火效率與鹵代烷“1301”相類似，為主動(dòng)滅火，而且FM-200滅火系統(tǒng)與1301滅火系統(tǒng)所使用的設(shè)備、管道及配置方式幾乎完全相同，被認(rèn)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(chǎn)生不良影響的體積濃度臨界值為9%，其最小設(shè)計(jì)滅火濃度為7%，因此，正常情況下對人體不會(huì)產(chǎn)生不良影響，可用于經(jīng)常有人活動(dòng)的場所，特別是它不破壞大氣臭氧層，符合環(huán)境要求。由于滅火濃度較低，因而儲(chǔ)瓶數(shù)量較少，占地面積也較小，系統(tǒng)功能完善、工作準(zhǔn)確可靠。
（三）煙烙盡（IG-541）
煙烙盡（IG-541）的滅火是通過降低防護(hù)區(qū)中的氧氣濃度，使其不能維持燃燒而達(dá)到滅火的目的，為物理反應(yīng)，屬被動(dòng)滅火。但它是一種綠色環(huán)保型滅火劑，在滅火時(shí)不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，不污染環(huán)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(diǎn)。但因是被動(dòng)滅火，其滅火效果略差，其高壓氣態(tài)儲(chǔ)存方式具有儲(chǔ)瓶數(shù)量大，占地面積大，系統(tǒng)造價(jià)高的缺點(diǎn)。
綜上所述，由于CO2系統(tǒng)對人體有致命危害，故不在選擇范圍之內(nèi)。而IG-541和FM200都屬于潔凈、環(huán)保的滅huo藥劑，具備良好的滅火性能。究竟哪一種產(chǎn)品更適合于文物保護(hù)呢?最重要的是，博物館的文物庫是個(gè)安全性要求極高的地方，庫區(qū)內(nèi)不能有任何與文物無關(guān)的設(shè)備物品。這就要求鋼瓶站必須設(shè)置在文物庫區(qū)的安全通道之外。針對本工程有9個(gè)文物庫，保護(hù)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(tǒng)時(shí)距離不再是關(guān)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(yè)主充分商量之后選擇七氟丙烷（FM200）系統(tǒng)。
二、潔凈氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
潔凈氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路可歸納為：設(shè)計(jì)滅火用量（W）→管道流量（Q）→管道內(nèi)徑（D）→管道規(guī)格→管道計(jì)算長度（L）→中期容器壓力（Pm）→管道節(jié)點(diǎn)壓力（Pj）→噴頭等效孔口面積（F）→噴頭規(guī)格→滅火劑儲(chǔ)存量（Mc）→儲(chǔ)瓶數(shù)量（Np）。
系統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地計(jì)算出管道內(nèi)各點(diǎn)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(gè)噴嘴的孔口面積。管網(wǎng)阻力計(jì)算的“最終”結(jié)果是在保證滅火劑噴射時(shí)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(jià)。
本工程共三層，每層三間，倉庫布局一致，每個(gè)倉庫的尺寸為：L×B×H=8000×4800×2800mm，每間倉庫為一個(gè)獨(dú)立的防護(hù)區(qū)，建筑面積為38.4m2，容積為107.52m3，沒有吊頂和地臺(tái)。為了保證整個(gè)系統(tǒng)均衡，在二層中間位置設(shè)置消防儲(chǔ)氣室。
（一）防護(hù)區(qū)的基本參數(shù)
凈面積：F＝38.4m2，體積：V=107.52m3；保護(hù)對象：文物資料庫；設(shè)計(jì)滅火濃度：10%；噴放時(shí)間：≤10S；浸漬時(shí)間：20min。噴頭的最大保護(hù)高度：2.8m小于規(guī)范要求的5.0m，本工程僅設(shè)計(jì)一層噴頭。防護(hù)區(qū)的基本參數(shù)是氣體消防設(shè)計(jì)的前提條件。防護(hù)區(qū)是指能滿足氣體滅火要求的有限封閉空間，封閉結(jié)構(gòu)是難燃燒體或非燃燒體，且該空間內(nèi)能將該滅火劑濃度保持一段時(shí)間。
（二）設(shè)計(jì)計(jì)算
1．計(jì)算滅火劑設(shè)計(jì)用量：W=K
海拔修正系數(shù)K=1
S=K1+K2×TK1=0.1269K2=0.000513
T=20℃?圯S=0.13716
計(jì)算得W=87.10kg
2．確定確定噴嘴數(shù)量及布置：管網(wǎng)設(shè)計(jì)為均衡系統(tǒng)，倉庫確定噴嘴數(shù)量為2只，按防護(hù)區(qū)平面均勻布置。
3．選定滅火劑儲(chǔ)瓶規(guī)格及數(shù)量：根據(jù)W=87.10kg，選定容積為70L儲(chǔ)瓶n=2只。
4．計(jì)算管道平均設(shè)計(jì)流量：
（1）0～1段：儲(chǔ)瓶出流管段Q0～1=87.10210=4.35（kgs）；
（2）1～2段：儲(chǔ)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(wǎng)管道通徑：以管道平均設(shè)計(jì)流量初選管徑，其結(jié)果參見上圖。
6．計(jì)算充裝率：
系統(tǒng)設(shè)置用量：Ws=W+△W1+△W2；
管網(wǎng)內(nèi)剩余量：△W2=0；
儲(chǔ)瓶內(nèi)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(jì)算管網(wǎng)管道內(nèi)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(chǔ)瓶增壓壓力：選用P0=4.3MPa（絕壓）。
9．計(jì)算全部儲(chǔ)瓶氣相總?cè)莘e：
V0=n×Vb（1-）=2×0.07（1-643.571407）=0.076（m3）
10．計(jì)算“過程中點(diǎn)”儲(chǔ)瓶內(nèi)壓力：
Pm===2.589（MPa）
11．計(jì)算管路阻力損失：
（1）0～1段：儲(chǔ)瓶出流管段
流量：Q0～1=4.35（kgs）
管徑：D0～1=40（mm）
計(jì)算長度：L0～1=9（m）
阻力損失：
△P0~1=×L0～1
=×9=0.0673（Mpa）
（2）1～2段：儲(chǔ)瓶管段
流量：Q1～2=Q0～1=8.71（kgs）
管徑：D1～2=40（mm）
計(jì)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(jì)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(jì)算長度：L3～4=4.90（m）
阻力損失：
△P1~2=×L1～2
=×4.90=0.0366（MPa）
12．計(jì)算高程壓頭：
Ph=10-6×?酌×H×g=10-6×1407×2×9.8=0.0276（MPa）
13．計(jì)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(yàn)算設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果：
系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)滿足下列條件：
Pc≥0.5（MPa）
Pc≥Pm2=2.582=1.29（MPa）
皆滿足，合格。
三、結(jié)論
當(dāng)計(jì)算結(jié)果不能滿足要求時(shí)，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整：（1）增加瓶組數(shù)，減少充裝密度，直至滿足設(shè)計(jì)要求；（2）保持鋼瓶數(shù)量，放大管徑，直至滿足計(jì)算要求。
隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的消防意識(shí)不斷提高，在眾多的工業(yè)與民用建筑中，氣體滅火系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)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(fā)同仁的探討興趣，不當(dāng)之處，敬請專家同仁指正。
充裝率是計(jì)算的關(guān)鍵，當(dāng)采用選擇組合分配系統(tǒng)滅火時(shí)，若系統(tǒng)中滅火設(shè)計(jì)用量最大的防護(hù)區(qū)與其它防護(hù)區(qū)的體積相差較多時(shí)，在按最大防護(hù)區(qū)的用量計(jì)算選擇好氣瓶的充裝率后，應(yīng)校核其他防護(hù)區(qū)的實(shí)際滅火濃度，若實(shí)際值超過設(shè)計(jì)滅火濃度，應(yīng)增加氣瓶數(shù)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(shè)計(jì)有限公司工程師，研究方向：給排水設(shè)計(jì)。
