摘要：依據《氣體滅火系統設計規范》，對七氟丙烷有管網滅火系統集流管出口到最遠噴頭的管道輸送距離進行探討研究，提出工程設計中七氟丙烷滅火系統常用的管道輸送距離范圍。
　　關鍵詞：七氟丙烷滅火系統，管道輸送距離，氣體滅火系統，工程設計
　　
　　1 引言
　　作為傳統四大固定式滅火系統之一的氣體滅火系統，應用比較廣泛。隨著《氣體滅火系統設計規范》[1]（以下簡稱《氣規》）的發布，目前國內常用的幾種鹵代烷哈龍替代氣體滅火系統設計已經有了權威的設計技術依據。由于氣體滅火系統中的滅火介質是預制在固定大小、固定單位容積充裝量范圍及固定的充裝壓力等級等條件下的儲存容器中，依靠其他氣體增壓或依靠其自身的蒸氣壓輸送，所以儲存容器的大小、單位容積充裝量及充裝壓力等固定條件就從根本上限制了氣體滅火系統的管道輸送距離。從輸送距離這一角度講，只能應用在相對有限的場所。本文針對貯壓式七氟丙烷滅火系統，依據《氣規》中的相關規定對七氟丙烷有管網滅火系統從集流管出口到最遠噴頭的管道直線輸送距離進行探討。
　　2 七氟丙烷滅火系統管道輸送距離探討
　　2.1 七氟丙烷滅火系統簡介
　　七氟丙烷滅火系統中的滅火介質為七氟丙烷（CF3CHFCF3），是無色、幾乎無味、毒性較低、不導電的滅火劑。七氟丙烷滅火過程具有良好的潔凈性、良好的氣相電絕緣性，其對臭氧層的損耗潛能值ODP=0，溫室效應潛能值GWP=0.6，在大氣中存留壽命ALT=31年。在目前國內常用的幾種鹵代烷哈龍替代滅火劑中七氟丙烷的滅火效能是較優的。七氟丙烷對人體產生不良影響的無毒性反應（NOAEL）濃度為9%，并允許在有毒性反應（LOAEL）濃度（10.5%）下人員暴露1分鐘。七氟丙烷常用的滅火設計濃度大都不超過有毒性反應濃度值，因此七氟丙烷可以應用在有人的工作場所。
　　2.2 求解七氟丙烷滅火系統管道輸送距離
　　2.2.1 七氟丙烷滅火系統管網計算
　　由于貯壓式七氟丙烷滅火系統是采用了氮氣定容積密封蓄壓方式進行增壓輸送，在七氟丙烷噴放過程中無氮氣補充增壓，故貯壓式七氟丙烷滅火系統噴放過程是定容積蓄壓氣體在自由膨脹下輸送滅火劑，形成不定流，不定壓的隨機流動過程。滅火劑在管網內流動時是以液相為主的氣、液兩相流，其系統流程損失不同于不可壓縮流體，細致的管流計算要采用微分的方法。《氣規》中在保證工程設計應用精度條件下，對七氟丙烷的管流計算進行簡化處理，并規定七氟丙烷滅火系統管網阻力損失采用過程中點時儲存容器內壓力和平均設計流量進行計算。
　　過程中點時儲存容器內壓力Pm計算公式按（1）式計算，系統噴放前全部儲存容器內的氣相容積V0計算公式按（2）式計算，噴頭工作壓力計算公式按（3）式計算。


　　主干管平均設計流量計算公式按（4）式，支管平均設計流量計算公式按（5）式。
　

　　《氣規》中管網的阻力損失計算公式是以液相流為條件，依據流體力學中的管流阻力計算基本公式和阻力平方區的尼古拉茨公式，建立的管流計算方法，經過推導、最后簡化而得（6）式

　　由于七氟丙烷滅火系統滅火劑在管網內的流動具有氣液兩相流特性，為滿足七氟丙烷滅火系統滅火技術要求和系統管網計算方法，所以在系統設計時需要設定一些先決約束條件來限制流體中氣相部分的相對量。在《氣規》中為了保證這一條件規定了噴頭工作壓力計算結果的要求：一級增壓儲存容器的系統Pc≥0.6（MPa，絕對壓力）；二級增壓儲存容器的系統Pc≥0.7（MPa，絕對壓力）；三級增壓儲存容器的系統Pc≥0.8（MPa，絕對壓力）；Pc≥Pm/2（MPa，絕對壓力）。
　　同時為了保證七氟丙烷在管網中的流動性能要求及系統管網計算方法上的要求，《氣規》中規定“管網的管道內容積，不應大于流經該管網的七氟丙烷儲存量體積的80%”。
　　2.2.2 求解七氟丙烷滅火系統管道輸送距離計算步驟
　　由（6）式可知，若已知系統管道始端節點壓力值和末端節點壓力值，即已知，對（6）逆向應用是可以準確求得這段管道直線長度的。由過程中點時儲存容器內壓力Pm計算公式（1）式、系統噴放前全部儲存容器內的氣相容積V0計算公式（2）式及噴頭工作壓力計算公式（3）式可知，過程中點時儲存容器內壓力Pm是受管網管道的內容積Vp影響的。除集流管出口至防護區一級支管的系統干管直線長度Lg未定外（本文重點計算研究的就是這一直線長度值），在系統設計過程基本完成的情況下，Lg未定，Vp也亦未定，Pm也即未定。系統干管始端壓力也不能準確求出，即使以《氣規》中最小噴頭工作壓力Pc的規定值為已知條件，求出系統干管末端的壓力值，也不可能對（1）式逆向應用準確求得集流管出口至防護區一級支管的系統干管直線的長度Lg。
　　因此筆者換其做法：以上海市工程建設規范[2]中推薦的一級增壓七氟丙烷滅火系統管道直線輸送距離不宜大于25m為從集流管出口到最遠噴頭的管道直線輸送距離Lz的下限值，然后按下述步驟進行計算、驗算，進而得出從集流管出口到最遠噴頭的管道直線輸送距離。
　　a. 設定防護區參數，按《氣規》中七氟丙烷滅火系統的相關規定計算滅火劑用量、確定滅火劑儲瓶型號及數量、布置噴頭、布置管網和初選管徑。
　　b. 計算集流管的管道內容積Vj和防護區內除主干管外的管網管道內容積Vf，按（7）式計算80%的流經管網七氟丙烷儲存量體積Vq。

　　c. 以Vq減去Vj和Vf就可求出主干管的內容積Vg；由Vg除以主干管的內截面積，即可初步得出主干管的長度Lg’。
　　d. 以已經初步得出的主干管長度Lg’，依據前述的《氣規》中的相關規定進行管網計算,計算出噴頭處的工作壓力Pc’。
　　e. 以此Pc’值與《氣規》中規定的噴頭最小工作壓力值Pc進行比較；若Pc’>Pc，則繼續對管網計算結果進行精確性的檢驗，即Pc’是否大于過程中點時儲存容器內壓力Pm的二分之一。
　　f. 若Pc’>Pc，且Pc’>Pm/2，則說明噴頭工作壓力滿足要求；且在系統管網的管徑可繼續減小的情況下，Lg’還可以進一步增大。對系統管網的管徑適當減小后，再重復步驟b~e，逐步逼近最后得出Lg的真值。
　　g. 若Pc’<Pc或者Pc’<Pm/2，則說明長度Lg’過長，需減少取值。以25m減去防護區內除主干管外的管道輸送距離Lf得出Lg的下限值，在此下限值至Lg’的區間內利用二分法取值Lg’’。再以Lg’’作為主干管的長度，重新計算出主干管的內容積Vg；再重復步驟d~e，逐步逼近最后得出Lg的真值。
　　h. 若Pc’=Pc，或者Pc’=Pm/2則說明Lg’已經達到從集流管出口至防護區一級支管的系統干管直線距離的最大極限值，即得出了Lg的真值。
　　i. 求得Lg的極限值后加上防護區內除主干管外的管道輸送距離Lf即可得出七氟丙烷滅火系統從集流管出口到最遠噴頭的管道直線距離Lz的最大極限值。
　　2.3 影響七氟丙烷滅火系統管道輸送距離的因素
　　影響七氟丙烷滅火系統管道輸送距離的因素比較多，如滅火設計濃度、防護區大小、海拔修正系數、噴放時間、儲存容器增壓壓力、單個儲存容器容積、儲存容器數量、單位容積充裝量、管網的管道內容積、噴頭布置、管徑選擇、管道長度以及管件局部損失當量長度等等。
　　因《氣規》中對七氟丙烷滅火系統管道壁厚未列參考數值，本文中的計算對于一、二級增壓系統管道壁厚選用引用《七氟丙烷滅火系統技術規程》[2]附錄C中的數據，三級增壓系統管道壁厚選用則引用《二氧化碳系統設計規范》[3]附錄J中高壓系統的數據。本文中的彎頭、三通及變徑接頭等管件的局部損失當量長度引用《氣規》條文說明第63頁表1、表2和表3中的數據。
　　2.4 七氟丙烷滅火系統管道輸送距離計算研究
　　2.4.1 七氟丙烷滅火系統管道輸送距離計算實例
　　本部分重點討論管道輸送距離在常用的防區類型——電子計算機房防區中，在一些典型防區因大小不同導致管道輸送距離的變化，進而確定工程設計中七氟丙烷滅火系統常用的輸送距離范圍。目前《氣規》中規定的七氟丙烷滅火系統儲存容器的增壓壓力等級為三級：一級2.5+0.1MPa（表壓），二級4.2+0.1MPa（表壓），三級5.6+0.1MPa（表壓）；有管網系統一個防護區面積不宜大于800㎡,且容積不宜大于3600m3。限于篇幅，本文以長×寬×高為20x20x4.5m的電子計算機房防護區三級增壓系統為實例對象，列出管網計算圖及管網計算表，進行驗證管道輸送距離的極限值。其余防區大小及不同增壓壓力等級的電子計算機房防護區計算方法相同，僅列出筆者的計算結果以供探討。所有算例防區設計計算公式均采用《氣規》中的相關公式。三級增壓系統實例管網計算圖見圖１，三級增壓系統設計參數表見表1、三級增壓系統管網計算表見表2。

　　圖1三級增壓七氟丙烷系統管網計算圖
　　表1三級增壓七氟丙烷系統設計參數表

　　2.4.2 七氟丙烷滅火系統管道輸送距離計算結果匯總
　　由以上計算結果可知，三級增壓系統的電子計算機房計算實例防護區集流管出口到最遠噴頭的管道輸送距離Lz=64.280m，采用極限設計參數的全部算例防區不同大小及不同增壓系統等級的電子計算機房防區管道輸送極限距離計算結果見表3。所有算例防區設計時，管網布置均設計成均衡系統。全部防區除防區大小、增壓壓力、管徑選擇、結果約束條件外的系統設計條件參數均相同。表3中的結果約束條件“VP”表示管網的管道內容積達到極限條件；“PC”表示噴頭工作壓力達到極限條件。
　　表3七氟丙烷系統極限設計參數管道輸送距離計算結果匯總

　　以上計算結果都是根據筆者前述求解七氟丙烷滅火系統管道輸送距離的計算步驟，經過綜合調整各個設計參數并且將單位容積充裝量限定在《氣規》中推薦的初選充裝量的50%，即400~450kg/m3之間，最終獲得的管道輸送距離極限值。由表3的計算結果可見，在極限設計參數情形下，三級增壓系統從集流管出口到最遠噴頭的管道直線輸送距離范圍為42.975m~64.280m，二級增壓系統從集流管出口到最遠噴頭的管道直線輸送距離范圍為41.330m~59.238m，一級增壓系統從集流管出口到最遠噴頭的管道直線輸送距離范圍為40.362m~45.726m。從表3計算結果中可以看出一級增壓系統已經不能在接近極限的防區內使用了。
　　采用噴放時間t=7s，依據《七氟丙烷（HFC-227ea）潔凈氣體滅火系統設計規范》[4]中在管道阻力損失為0.003~0.02MPa/m的范圍內選取管徑的規定，且單位容積充裝量控制在大于《氣規》中推薦的初選充裝量的75%，即600kg/m3以上等常用設計參數的算例防區管道輸送距離計算結果見表4。
　　
　　表4七氟丙烷系統常用設計參數管道輸送距離計算結果匯總

　　 由表4的計算結果可知，工程設計中若采用常用的設計參數，三級增壓系統從集流管出口到最遠噴頭的管道輸送距離范圍為36.159m~50.869m，二級增壓系統從集流管出口到最遠噴頭的管道輸送距離范圍為32.667m~43.617m，一級增壓系統從集流管出口到最遠噴頭的管道輸送距離范圍為28.495m~36.069m。
　　3 結束語
　　經過以上計算研究，驗證了貯壓式七氟丙烷滅火系統管道輸送距離相比IG541、CO2等氣體滅火系統是比較近的。雖然《氣規》在廣東和上海等地方規范的基礎上新增加了5.6MPa三級增壓等級系統，但從文中的管道輸送距離計算結果匯總表中可以看出大部分的計算實例均是限制在“管網的管道內容積，不應大于流經該管網的七氟丙烷儲存量體積的80%”這一條件下的，也就是說這一規定已經從根本上限制了管道輸送距離。單純加大系統增壓壓力能夠解決噴頭工作壓力的約束條件問題，但不能從根本上解決貯壓式七氟丙烷滅火系統的輸送距離問題。根據以上探討研究，筆者通過參閱同類資料并反復推敲后，推薦工程設計中初選七氟丙烷滅火系統從集流管出口到最遠噴頭的管道輸送距離范圍：三級增壓系統為40m~55m，二級增壓系統為30m~45m，一級增壓系統為25m~30m。若實際應用中超出管道輸送距離推薦范圍，可根據工程實際情況按照文中的方法進行驗算。本文中的算例均按某廠家單元獨立系統考慮，若采用組合分配系統時，還要考慮采用不同廠家的選擇閥、容器閥、液體止回閥、高壓軟管等部件局部損失當量長度（廠家測定的數據）對輸送距離的影響。因筆者才疏學淺，文中難免有不當疏漏之處。望讀者給予斧正。
　　
　　[參考文獻]
　　[1] GB50370-2005，氣體滅火系統設計規范，國家標準.
　　[2] DG/TJ08-307-2002，七氟丙烷滅火系統技術規程，上海市工程建設規范.
　　[3] GB50193-93，二氧化碳滅火系統設計規范（1999年版），國家標準.