气体灭火系统初始计算压力的确定Word文件下载.docx

1、此外，除了储存状态下仍保持气态的各种混合气体灭火系统外，低压二氧化碳和三氟甲烷灭火剂在喷放过程中，当压力达到灭火剂的蒸气压后，灭火剂开始蒸发为气态，所以这类灭火剂在管道中的流动是气-液两相流。但是，由于七氟丙烷的蒸气压低于喷头的最低工作压力，所以喷放过程中基本上是液态单相流；由于气体灭火系统喷放过程是变压力源流动过程，且各种系统的流态也不完全相同，所以给设计计算带来了很大困难。目前，国内外在各种气体灭火系统的设计标准或规范中为了简化计算都假设灭火剂喷放过程中储存容器内的压力为某个恒定值。这个压力被称为气体灭火系统的“初始计算压力”或“起点计算压力”。由于国内外对气体灭火系统喷放过程的研究还不够

2、，所以不同标准或规范中给出的初始计算压力的计算方法也不尽相同，并且现有的这些计算方法还不同程度的存在一些问题。本文将从理论上对各种气体灭火系统设计中如何确定初始计算压力的方法进行讨论并给出相应的计算公式。一、 喷放过程中气体灭火剂在储存容器中膨胀的热力学过程1、 储存状态为气态的气体灭火系统此类灭火系统主要是各种惰性混合气体灭火系统如IG-541、IG-01, IG-55和IG-100等。喷放过程中这类灭火剂无论在储存容器内或管道中都是单相气态。其流动过程属于可压缩气体在开口系统中的高速单相流动。由于这些气体密度较小、且远离液态，所以可认为是理想气体。2、 储存状态为液态的气体灭火系统此类灭火

3、系统可分为两类。一类是：二氧化碳和三氟甲烷灭火系统。它们在高压储存容器内是液态，开始喷放后压力降低到其蒸汽压时开始蒸发。这种刚刚脱离液态的蒸汽密度较大，在热物理学中认为与理想气体的定义差别甚大，称之为“实际气体”。在管道中则是气-液两相流。另一类是七氟丙烷灭火系统。虽然七氟丙烷在高压储存容器内也是液态，但由于七氟丙烷的蒸气压很低（低于喷头要求的最低工作压力），所以喷放过程中在管道内的流动过程可认为是单相液态流。常温下蒸气压明显低于储存压力的灭火剂（例如七氟丙烷等）需要加压成为液态存储在容器内。这类灭火剂在开始喷放时需靠装在同一容器中的其它气体（如氮气）膨胀产生的压力推动从储存容器中排出。存储状

4、态为液态，但在储存温度下蒸气压接近于储存压力的灭火剂（例如二氧化碳、三氟甲烷等）则无需靠其它气体加压，开始喷放后灭火剂靠自身的蒸气压推动即可将灭火剂从容器中排出。由上述可见，不同存储状态和蒸气压不同的灭火剂所构成的灭火系统，喷放过程中灭火剂在储存容器中膨胀的热力学过程及在管道内的流动过程也不完全相同。因此，在确定系统设计中的初始计算压力之前，首先应对喷放灭火剂时储存容器内气体膨胀的热力学过程以及灭火剂在管道内的流动过程加以分析。我国气体灭火系统设计规范GB 50370-2005和一些地方标准中，计算七氟丙烷灭火系统的初始计算压力时，都认为喷放时气体在储存容器中膨胀的热力学过程是理想气体的“等温

5、过程”，即储存容器中气体的温度是恒定不变的，亦即压力和密度成正比，和比容v成反比：Pv = P/=常数 可见“等温过程”的P-v之间的关系是一条双曲线。事实上，随着压力下降储存容器中的气体在容器中属于无功膨胀，由于气体灭火系统的喷放时间很短，灭火剂几乎来不及通过容器壁与外界环境进行热交换，所以各种气体灭火系统喷放时灭火剂在储存容器内膨胀的热力学过程并不是“等温过程”，而更接近于系统与外界无热交换的理想气体的“绝热膨胀过程”。可见：用理想气体等温过程的计算方法计算气体灭火系统的初始计算压力并不妥当。气体灭火系统设计规范国家标准和陕西省地方标准DB61/296-2000洁净气体IG541灭火系统设

6、计、施工、验收规范在计算IG-541灭火系统储存容器中气体的膨胀过程时，就认定是“绝热过程”。对于绝热过程，压力P与比容v（密度的倒数）之间的关系是： Pv K = P/K =C - （1） C 是常数 k 是比热比。 k = CP/CV - （2） CP和CV分别是等压比热和等容比热。（1）式表明：“绝热过程”并不是一条典型的双曲线。由于k大于1，所以绝热曲线要比等温曲线陡一些。与典型双曲线的差别的程度取决于k值的大小。图1是储存压力为2.5MPa的七氟丙烷储瓶内的氮气按照绝热膨胀的理论计算结果。不同颜色的曲线代表充装率不同时的情况。充装率越小表示储罐内原始存储的灭火剂与氮气的比值越低，即氮

7、气的比例越大，因而压力下降越缓慢。因此，设计气体灭火系统时，一旦遇到喷头压力过低不能满足规范要求时，常常采用增加瓶组数以减小充装率的方法来提高初始计算压力和喷头压力。图1 按照等熵绝热过程理论计算时，储瓶内的压力随七氟丙烷排出量的增加而下降。 1 PSI=6895 Pa 1 Lb/ft3 =16.0183 kg/m3 为了证实这一理论，国外有人专门对仅带有一个喷头、充装压力为2.5MPa的七氟丙烷灭火系统储存容器内的压力及喷头处的压力随喷射时间的关系进行了实验。实验储存容器的充装率为1120 kg/m3。 实验结果如图2所示：图中下方曲线是喷头压力；上方曲线是储存容器内气体的压力。开始喷放的初

8、期，储存容器内的氮气压力突然下降，这一不稳定过程大约仅维持1-2秒，液态七氟丙烷在氮气压力的推动下流入并充满管道。其后，氮气压力呈稳定膨胀下降过程，喷头压力缓慢下降。由于七氟丙烷的蒸气压低于喷头的额定工作压力，所以整个喷放过程中灭火剂基本上维持液态，喷放过程类似于理想气体膨胀推动七氟丙烷液体活塞运动。但接近10秒时，因管道内的灭火剂已接近喷射完毕，管道末端的瞬时压力可能低于七氟丙烷的蒸气压。这时，部分剩余液态灭火剂蒸发，造成喷头压力瞬时波动然后迅速下降。比较图1和图2 可见，灭火剂在储存容器内的热力学过程确实更接近于储存容器中气体的绝热膨胀过程。图2 七氟丙烷储存容器内的压力及喷头压力随喷射时

9、间的实际变化关系二、 现行规范中对气体灭火系统初始计算压力的规定和存在的问题 我国国家规范及某些地方标准中对气体灭火系统的初始计算压力作了一些规定。例如：二氧化碳灭火系统国家设计规范中规定：高压二氧化碳灭火系统的初始计算压力为5.17MPa；低压二氧化碳灭火系统的初始计算压力为2.07MPa。气体灭火系统设计规范国家标准和早先发布的一些地方标准中对目前国内已普遍应用的七氟丙烷灭火系统都规定初始计算压力应按“中期压力”计算。但给定的“中期压力”计算公式有所不同。广东省地方标准DBJ 15-23-1999七氟丙烷（HFC227ea）洁净气体灭火系统技术规程和上海市的地方标准DG/TJ 08-307

10、-2002七氟丙烷灭火系统技术规程中给出的“中期压力”计算公式是： Pm = P0V0/ （V0+M/2 +Vg） - （3） 式中 Pm- 储存容器内药剂喷放一半时“中期状态”的压力（绝对压力） P0 储存压力（绝对压力） V0 喷放前储存容器内气相容积的总和。V0 = n Vb（1- / ） n储存容器的数量 Vb单个储存容器的容积 -灭火剂充装率 灭火剂液体密度 M 灭火剂设计用量 Vg 管网内容积 2006年3月2日发布；2006年5月1日实施的国家标准气体灭火系统设计规范中规定的七氟丙烷灭火系统“中期压力”计算公式与（3）式完全相同。北京市地方标准DBJ 01-75-2003洁净气体

11、灭火系统设计、施工、验收规范中给出的七氟丙烷灭火系统“中期压力”计算公式则是： Pm = P0V0/ （V0+M/2） - （4）上述各种规范规定的计算方法都认定储存容器内的气体膨胀是“等温过程”的理论基础上产生的。对于三氟甲烷灭火系统，广西地方标准中规定初始喷放压力是通过查找三氟甲烷的温度-蒸气压力曲线得到的。例如，环境温度为20时，查曲线可知：三氟甲烷的蒸气压约为4.18MPa。北京市地方标准中没有给出三氟甲烷灭火系统初始计算压力的计算方法。国家气体灭火系统设计规范GB 50370 2005发布前，只有陕西省地方标准给出了IG-541灭火系统的“中期压力”的计算公式： Pm =0.3642

12、 P0 V0/ （V0+ Vg） 1.457 -（5） 新发布的气体灭火系统设计规范国家标准中，IG-541灭火系统并未明确给出初始计算压力，只给出了一个“孔板前压力”。其计算公式为： Pm = P0 0.525V0/ （V0+ V1+ 0.4V2） 1.45 -（5）从（5）和（5）式的表达方式可见：它们都是根据“绝热膨胀过程”产生的。不同之处仅在于二者确定的比热比K值略有不同。另外，陕西省地方标准所给出（5）式中系数0.3642是0.5的1.457次方，即认为“中期”是按喷放设计用量的50%考虑的。而国家规范中则认为“中期”应按喷放设计用量95%的一半考虑。二者均考虑了管道容积，但在量上也

13、有所差别。但是，（5）式中的0.525 P0V0 1.45只是储存状态下部分容积气体的状态（而不是全部气体）；但（V0+ V1+ 0.4V2 ） 1.45Pm是全部储存气体喷放95%的一半时，储瓶和管道中的状态。因此（5）式作为理想气体绝热膨胀的状态方程是否合适值得商榷。美国NFPA 2001洁净气体灭火系统设计标准中也未给出如何确定IG-541灭火系统初始计算压力的方法。上述种种情况说明：我国对气体灭火系统设计计算中首先必须考虑给定初始计算压力的意见是一致的，但是对于如何确定初始计算压力的方法还没有统一认识。各种标准、规范中对所规定的计算方法也没有提供其来由和理论根据。新发布的气体灭火系统设

14、计规范国家标准中，IG-541灭火系统按绝热过程考虑；但在同一规范中对于七氟丙烷灭火系统则按等温过程处理，并未说明二者差异的原因。这种情况说明：即使在同一标准中，处理同类问题的基本思路并不统一。这当然对我国正确设计气体灭火系统不利。再加上国外以“保护知识产权”为名不公开所有洁净气体灭火系统的设计计算方法和计算公式，从而迫使我们必须自力更生，自主创新从理论上探求气体灭火系统的设计计算方法。首当其冲的就是要从理论上弄清楚各种气体灭火系统的初始计算压力应如何确定。三、 “理想气体”和“实际气体” 在分析气体灭火系统的初始计算压力时，除了要考虑气体在储存容器内的膨胀过程外，还必须考虑气体灭火剂是否能按

15、照“理想气体”处理。所谓“理想气体”是指这种气体分子是本身不占体积的完全弹性的质点，且分子之间没有内聚力。因而 理想气体的内能就是其分子运动的动能，它仅是温度的函数并符合焦耳定律和理想气体状态方程。处于离液态不远，且在某些情况下还会发生相变成为液态的蒸气，因其分子间距小，分子之间的内聚力和分子本身的体积都不能忽略。这类气体在热物理学中被称为“实际气体”。实际气体在不同温度下定温膨胀过程的典型p-v图如图3所示。图中左侧斜线阴影区是液态；右侧无阴影区为气态。C点是临界点。C点以下的峰状三角形B-C线的左侧是液态；三角形A-C线的右侧是气态。三角形A-C-B内是气-液两相共存区。因为惰性气体灭火系

16、统无论在存储状态或流动状态下都是气态，所以这类灭火剂可以按照“理想气体”处理。由于下一节将论述的原因，七氟丙烷灭火系统在实际喷放过程中灭火剂压力始终高于其蒸气压，储存容器内只有氮气膨胀作为推动力，而氮气不能视为“实际气体”，所以应按“理想气体”考虑。图 3 实际气体的p-v图只有储存状态为液态且常温下蒸气压高于喷头额定工作压力的气体灭火系统，如二氧化碳灭火系统和三氟甲烷灭火系统中的灭火剂在储存容器内的膨胀就是典型的“实际气体”膨胀过程。每条曲线代表温度不变条件下介质压力和比容之间的关系。右上方的曲线温度较高；左下方的曲线温度较低。例如，图中a-b线的温度比e-f线的温度要高。温度越高，气体距液

17、态越远，越接近于理想气体，曲线关系就越接近于双曲线。高压二氧化碳灭火系统和三氟甲烷灭火系统因灭火剂存储温度低于其临界温度，所以开始喷放后储存容器中灭火剂膨胀的情况可从图3中的n-m曲线说明。这类灭火剂高压储存状态是液态，其压力相当于n点。开始喷放后，随着储存容器中的压力下降，将沿n-m曲线下移，但仍保持液态，因而体积和密度不变，所以这一阶段的曲线是一段垂直线。当压力沿n-m曲线从储存压力点n逐渐下降到该气体的蒸气压（2点）时开始气化。随着蒸发、膨胀过程的进展，气体的比容继续增大，密度相应减小，在容器内形成了气-液两相状态。实验证明：对于实际气体，如果温度不变，虽然气体的比容从2点到1点逐渐变大

18、，但压力却几乎维持不变。这一现象十分重要。它说明：一旦容器中液态灭火剂的压力下降到其蒸气压后，灭火剂开始蒸发、膨胀。从开始蒸发到全部气化完毕这一阶段中，气-液两相混合介质的压力基本保持恒定，直到全部气化后单相气体的压力才会随体积膨胀而下降。因此，对于这类“实际气体”类的气体灭火剂，用蒸气压作为系统设计的初始计算压力是适宜的。四、七氟丙烷灭火系统的初始计算压力 我国现有各种地方标准和最近发布的气体灭火系统设计规范国家标准中规定的初始计算压力，即“中期压力”的计算公式都是首先假定了七氟丙烷存储容器中气体的膨胀过程是“等温过程”。上述各种规范中给出的计算公式都是在这一假定的基础上产生的。北京市地方标

19、准与广东省和上海市地方标准以及气体灭火系统设计规范的不同点仅在于前者认为气体膨胀过程只是在储存容器内进行的；后者则认为这一膨胀过程不仅在容器内进行，还应包括整个管道系统。前已论述，这一膨胀过程不应是“等温过程”，而应是“绝热过程”。此外，七氟丙烷常温下存储压力为2.5MPa和4.2MPa时的蒸气压分别是0.3和0.45MPa左右，且其临界温度为101.7，所以常温下难以汽化。如此之低的蒸气压无法推动灭火剂经管道从喷头喷出。所以，储压式七氟丙烷灭火系统喷放时只能靠预储在储瓶中的高压氮气在容器内膨胀作为动力才行，所以开始喷放后，是氮气在储瓶这一“闭口系统”中的绝热膨胀将液态灭火剂推出储瓶（其膨胀过

20、程恰如氮气在气缸中膨胀推动一个液体活塞）。而液态灭火剂进入管道后在管道内的流动则是液体在“绝热开口系统”中的流动过程，且接近于单相液态流。因此，当七氟丙烷灭火剂从喷头喷出1/2时，管道中仍应留有1/2的液态灭火剂。此外，七氟丙烷灭火系统“中期压力”的计算公式应按绝热过程考虑。因此 Pm = P0 V0/ （V0+M/2+Vg） k - （6）其中 k 是绝热指数。由于七氟丙烷的蒸气压与存储压力相比甚小，储存容器中的气体基本上是氮气，所以膨胀过程应按照氮气而不是七氟丙烷蒸气的绝热膨胀考虑。因为氮气的比热比 k = 1.4，所以七氟丙烷灭火系统的“中期压力”应按下列方程计算： Pm = P0 V0

21、/ （V0+M/2+Vg ） 1.4 - （7） 此外，灭火剂在容器中的压力还与充装密度和温度有关，所以必须规定其最大充装量。我国气体灭火系统设计规范规定：七氟丙烷灭火系统容器增压压力为2.5MPa时，充装量不应大于1120kg；焊接容器增压压力为4.2MPa时，充装量不应大于950kg；无缝容器增压压力为2.5MPa时，充装量不应大于1120kg；容器增压压力为5.6MPa时，充装量不应大于1080kg。 五、二氧化碳灭火系统的初始计算压力问题二氧化碳灭火系统设计规范GB 50193-93中的4.0.1条规定：“二氧化碳灭火系统灭火剂储存方式可分为高压系统和低压系统。管网起点计算压力（绝对压

22、力）；高压系统应取5.17MPa，低压系统应取2.07MPa”。该条文的说明中进一步说：“ 这和ISO 6183的观点是一致的。国际标准采用了平均储存压力的概念。经征求意见，这里改称为起点计算压力”。但是，各国规范一致规定高压二氧化碳灭火系统的初始计算压力为5.17MPa（750 PSI）；低压二氧化碳灭火系统的计算压力为2.07MPa（300PSI）的原因何在？为什么高压二氧化碳灭火系统初始计算压力要用一个固定的“平均储存压力”？这个“平均储存压力”又是怎样“平均”出来的并未说清楚。而另一方面，为什么低压二氧化碳灭火系统却不需要也搞一个“平均储存压力”作为初始计算压力呢？美国NFPA 12二

23、氧化碳灭火系统设计标准A-1-10.5中说：“开始喷放后，低压二氧化碳储罐中的压力将会下降。下降的程度取决于药剂是部分还是全部喷出。喷放过程的平均压力（表压）约为285PSI（19685kPa）,所以低压二氧化碳系统计算时流量方程中采用的计算压力（绝对压力）为300PSI（2068 kPa）。高压二氧化碳系统中的存储压力与环境温度有关，假定常温是70（21），喷放过程中储瓶中的平均压力（绝对压力）约为750 PSI（5171 kPa），这一压力值即被用于高压系统的计算中”。但是，这一解释也并不十分清楚。通过对二氧化碳相图（图4）的分析就可以了解其原因所在：当二氧化碳温度高于-56.6时，随着压

24、力增加二氧化碳将从气态转变为液态。在压力高于0.517MPa，且温度低于-56.6时，液态二氧化碳将固化成为干冰。压力低于0.517MPa，且温度高于-56.6时，干冰将直接升华成为气态二氧化碳。所以0.517MPa和-56.6处称为三相点。高压二氧化碳灭火系统在常温和15MPa的储存压力下二氧化碳是液态。喷放开始的1-2秒，由于管道内还是大气压，阻力很小，所以储存容器内的压力迅速下降，继而因管道内充压阻力增大，储存容器内的压力小幅回升，随后继续下降。随着压力下降，储瓶中的二氧化碳温度也会下降。若二氧化碳的储存温度为20左右，喷放过程中二氧化碳的温度约为16。在这一温度下，二氧化碳的蒸气压为7

25、48psi （psi为英制压力单位：磅/平方英寸）。由于上述16的温度是大致温度并不准确，所以美国NFPA12标准将其取为.整数750psi.（5.17MPa）。因此，储瓶内二氧化碳开始喷放后，当其压力降至5.17MPa时，液态二氧化碳即将开始蒸发。从这时起,储瓶内的二氧化碳即进入了典型的“实际气体”气化阶段。如前所述，在液态二氧化碳蒸发的全过程中，储存容器内的压力基本保持恒定，进入一个相对稳定阶段（参见图3）。因此，美国NFPA12标准规定将大大低于存储压力的750psi作为高压二氧化碳灭火系统的初始计算压力。（） 图4 二氧化碳的相图与高压二氧化碳不同，低压二氧化碳在大型储罐内-191的温

26、度下存储，且其储存压力为2.1MPa（表压）左右，仅略高于-18时的相变压力，开始喷放后储罐内温度若按-18计算，这一温度下二氧化碳的蒸气压为303.76psi，美国标准NFPA 12按英制压力单位将其取整为300psi（2.07MPa）,并以此作为低压二氧化碳灭火系统的起点计算压力。因此，低压二氧化碳灭火系统并不存在以“平均储存压力”作为起点计算压力的问题。因此，在按两相流进行计算时，首先要决定如何确定起点计算压力（即初始计算压力）。对于高压二氧化碳灭火系统它不应是存储压力（表压为15 MPa或20MPa）。因为存储压力只是开始喷放瞬时的压力，其后将迅速下降。规范中规定高压二氧化碳灭火系统的

27、初始计算压力（绝对压力）为5.17MPa，低压二氧化碳灭火系统的起点初始计算压力为2.07MPa的原因就在于这两个压力分别为16左右（考虑到喷放时灭火剂膨胀造成的降温）和-18（低压二氧化碳灭火系统存储温度）时二氧化碳从液态转变为气态的蒸气压（从液态开始蒸发的相变压力）。我国规范中定的高压和低压二氧化碳灭火系统的起点计算压力5.17Mpa和2.07Mpa）是从NFPA标准中给定的英制压力单位（750psi和300psi）直接转换为公制压力单位（MPa）得到的。这就是高压和低压二氧化碳灭火系统初始计算压力规定数值的来历。通过50多年工程设计实践证明，这两个规定值是合理的、实用的。当然，从另一个方

28、面看，这个压力值本身并不是绝对的。如果不考虑必须与美国通用的英制标准完全对应的话，从更便于计算考虑，我国规范完全可以将5.17和2.07MPa这两个初始计算压力园整化为5.2和2.1Mpa。六、三氟甲烷灭火系统的初始计算压力从三氟甲烷的温度-蒸汽压力图（图5）可见：三氟甲烷与七氟丙烷的重大差别之一就是三氟甲烷常温下的蒸气压力接近于其存储压力，所以它无需氮气加压。此外，三氟甲烷的临界温度是25.9，接近于常温，所以喷放时随着压力下降，储存容器中的液态三氟甲烷会较快地蒸发，从而不断提供高压三氟甲烷蒸气，使储存容器中的压力维持在其蒸气压附近。另外，由于三氟甲烷的蒸气压高（20时的蒸气压力为4.18MPa） ，喷放过程中灭火剂在管道内的流态更接近气态单相流。 图5 三氟甲烷的温度-蒸气压关系图 三氟甲烷灭火系统的充装压力为4.2MPa时，最大充装密度的规定值是860kg/m 3。当环境温度超过25.9时，储存容器中的三氟丙烷将全部汽化。从上图可见：若充装密度等于860kg/m 3且存储温度达到50时，容器内的压力将高达15Mpa以上。当充装密度低于860kg/m 3且温度为15-20时，三氟甲烷的蒸气压在3.7-4.2Mpa之间。因此，与确定高压二氧化碳灭火系统始计算压力的原理类似，并从安全角度考虑，三氟甲烷灭火系统的初始计算压力宜采用