| 七氟丙烷气体灭火系统在地铁工程中的应用 |
| 苏州安诺泰消防 |
摘要：七氟丙烷气体灭火系统是地铁工程常用的消防设施之一。本文分析了七氟丙烷气体灭火系统的灭火机理，结合规范和地铁工程实例，阐述了七氟丙烷气体灭火系统在地铁工程设计中的应用情况，对主要设计过程进行了扼要的梳理，对如何深入理解规范条文以及如何解决一些常见设计难题，提出了应对策略，并对如何使设计做到经济合理提出了相应的建议。
GB50157--2003 《地铁设计规范》要求在“地下车站的车站控制室、通信及信号机房、
地下变电所应设置气体自动灭火装置”。目前，国内各城市地铁采用的气体消防系统主要有七氟丙烷、IG541以及高压细水雾等。由于我国全淹没七氟丙烷组合分配系统在地铁中的运用经验正在积累之中.当前国内对全淹没七氟丙烷组合分配系统的设计研究较少。为使七氟丙烷灭火系统更好地应用于实际工程，本文针对全淹没七氟丙烷组合分配系统的设计应用进行研究。
1、七氟丙烷气体灭火系统简介
1.1 灭火机理
在规定的时间内，向防护区喷放设计规定用量的七氟丙烷灭火剂，并使其均匀地充满整个防护区;并在浸渍时间内保持一定的浓度，切断分子中的燃烧链，同时七氟丙烷迅速由液态转变成气态，吸收大量的热量，以降低防护区和燃烧物质周围的环境温度，从而迅速灭火。在地铁的地下空间中，这种气体灭火系统主要应用于重要机电设备房间。其典型的防护区有环控电控室、车站控制室、信号设备室、自动售检票(AFC)机房、通信设备室和变电所设备房等。
1.2灭火流程
当防护区发生火情，火灾探测器发出火灾信号，报警灭火控制器即发出声.光信号同时发出联动指令，关闭连锁设备;经过一段延迟时间(30s内，可调)，发出灭火指令，打开启动阀释放启动气体：启动气体通过启动管道打开相应的选择阀和容器阀(瓶头阀)，释放灭火剂，实施灭火。
2、常见设计应用案例计算
2.1主要设计标准参数的选择
主要设计参数可按照相关的规范选取，一般情况可按照下述规定确定：
1)设计灭火剂的质量分数为8.0%;
2)气体喷放时间为8s;
3)储瓶储存压力分为一级，二级，三级;
4)灭火浸渍时间为5min;
5)储瓶容积分为70 L.100 L.150L等;
6)有毒反应浓度为10.5%。
2.2防护区管道的布置形式
喷头的保护半径一般为7
m左右，喷头在房间内应尽量对称布置，压力计算、管径、喷头的选择等应尽可能达到相互平衡，方可实现最佳匹配状态。图2是几种常见的喷头布置形式。笔者认为，每个防护区喷头的布置数量尽量按1.2.4、8.
...数列均匀布置为宜，使其成为均衡管网。
2.3计算流程
全淹没七氟丙烷组合分配系统的设计要经过一个比较复杂的过程。其各个参数相互制约，不是简单提高或降低某个参数就能达到设计要求，必须经过试算、校核、验算等多次计算才能得到一个合理的结果。概括起来：首先，设计时先以最大的防护区为基准，使其气瓶数为整数，来初选充装量，核算其它消防防护区的各种指标是否在规范许可的范围内;如果不满足，采用调整充装量、管径大小等参数或者优化管网布置，直到满足规范要求。图3是以二级充压为例的系统计算流程简图。
 
3对系统计算要点的研究
3.1对室内最低温度的理解
过热蒸汽在一定大气压下其质量体积S随温度的影响差异较大，所以温度对七氟丙烷气体灭火系统设计计算影响亦相应显著。因此，各防护区的最低温度不宜笼统地采用设计额定温度，要根据《地铁设计规范》12.2.35的条文解释规定，确定各房间的最低温度T，质量体积S也要对应选择。以下是各种温度下对应的S值：
T=12℃时，S=0.133 056;
T=16℃时，S=0.135 108;
T=18℃时，S=0.136 134;
T=20℃时，S=0.137 160。
3.2对系统灭火剂储存量的理解
W0= W+ ΔW1 + ΔW2 (1)
式中：
W0 — 系统药剂储存量，kg;
W — 系统设计药剂用量，kg;
ΔW1 一
储存容器内的灭火剂剩余量，可按储存容器内引伸管(虹吸管)管口以下的容器溶剂量换算，70L及100L的储存瓶一般可取2~3 kg，
120L及150L的储存瓶一般可取4~5 kg;ΔW2 ——— 管道内的灭火剂剩余量，kg。
GB50370)- 2005《气体灭火系统设计规范》规定：
1)均衡管网和只含一个封闭空间的非均衡管网，其管网内的灭火剂剩余量均可不计。
2)防护区含两个或两个以上封闭空间的非均衡管网，其管网内的灭火剂剩余量可按各支管与最短支管之间长度差值的容积量计算。通过对ΔW2
的理解，可以知道为何气体消防管道一般都尽量布置成均衡管网的原因了。但实际工程中，有些地铁的个别防护区设有静电地板和吊顶(在静电地板和吊顶内需设置喷头)，这些房间很难做到均衡管网。图4是某车站控制室全淹没七氟丙.烷组合分配系统图。该防护区的吊顶和地板下，都布置了喷头。这种不均衡管网内的灭火剂剩余量可按支管之间长度差值的容积量计算。
由图4可以看出，不均衡管段即为AB的长度。由于在一个大气压下七氟丙烷在管道中的残余应该是气体而不是液态，它的密度为7.6
kg/m3。表1为20℃时不同管径每m管道残余的灭火剂剩余量。从表1可以看出，20℃时每m管道残余的灭火剂剩余量非常少。而在地铁设计中，通常这种不均衡管道很短，所以ΔW2值可以忽略不计。
3.3对干管、支管平均设计流量的计算
例：以防护区V= 100 m3、T=
12℃计，则防护区灭火设计药剂用量(惰化设计用量)应按下式计算：
式中：
K —
海拔修正系数，天津、北京、沈阳、大连、哈尔滨、深圳、上海、南京均取1;
V 一 防护区容积，m3;
S — 灭火剂气体在101 kPa大气压和防护区最低环境温度下的质量体积，S=0.133
056 m3/kg;
G —
灭火剂的质量分数设计值，因为地铁需气体消防的房间均为固体表面火灾，根据GB
50375-2005
《气体灭火系统设计规范》3.3.1条，七氟丙烷灭火系统灭火剂的质量分数设计值不应小于灭火所需的1.3倍，故G=5. 8%X1.3=
7.5%，取8%。
由式(2)可得:W=65.35 kg。
主干管平均设计流量应按式(3)计算:
式中:
Qw — 主干管平均设计流量;
t — 气体喷放时间，按8
s计。支管平均设计流量按式(4)计算:
式中:
Qg——支管平均设计流量;
Ng——安装在计算支管下游的喷头数量;
Qc——单个喷头的设计流量。支管平均设计流量分配如图5所示。
3.4初选管径应注意的问题
GB 50)375 -
2005《气体灭火系统设计规范》中的3.3.15条规定，初选管径D可按管道设计流量Q参照式(5)、(6)计算:
当Q≤6.0 kg/s时，
当6.0 kg/s
但笔者认为这两个公式有欠妥之处:当Q接近6.0
kg/s，若分别按式(5)、(6)中的系数来初选管
径，可能会造成流量大的管径反而小的矛盾。其原因是式(5)、(6)不连续。设计时应该考虑到这个因素，可将式(5)中的系数改为16~20。
3.5对系统平面布置的体会和探讨
3.5.1防护区房间的布置
地铁车站的防护区--般是电气、通信设备房间，面积差别较大，有的为200多m2，有的只有10多m2。地铁车站的防护区通常设置在车站站厅和站台的两端，如果在设计初期房间布置方面不提前考虑组合分配的因素，今后在设计过程中就会出现系统多气瓶数量多和气体消防房间面积大等问题。车站防护区布置时，车站的气体保护房间要相对集中，气瓶间不仅离最大的防护区要近，而且还要离最小的防护区近，这样才能在计算时容易既满足压力要求又满足规范上要求的“管网的管道内容积，不应大于流经该管网七氟丙烷储存最体积的80)%”。多数人可能还存在一个认识误区:“各防护区面积大小越接近，就越能组合。”其实不是这样的，有些防护区面积相差甚小的时候反而不能组合。比如，面积70.1
m2和72 m2 ，很可能就不能组合在一起，原因是“一瓶不够，两瓶超标”。这种情况下，最好与建筑专业沟通，让它们的面积一样。
3.5.2 系统和管网的布置
喷头要求尽量对称布置，管网布置力求短而简单;设计时要注意管道的壁厚，不能笼统地用公称直径表示，应标出外径、内径、壁厚等。若是有个别小的防护区影响到系统组合的话，可单独剔除出来，设置无管网七氟丙烷系统。
3.6“释药法"的应用
《气体灭火系统设计规范)第3.3.6条规定:“防护区实际应用的浓度不应大于灭火设计浓度的1.
1倍”。原因是:七氟丙烷喷放后分解产物主要是HF(氟化氢)，而HF对人体和精密设备有一定伤害。这也是进行七氟丙烷系统组合分配设计时遇到的最棘手难题之一。经研究及工程设计实践，笔者认为，在满足规范要求的防护区喷放浓度的前提下，将那些可能使小房间浓度超标的七氟丙烷释放到防护区之外，可有效地适应规范要求，并减少系统和气瓶数量;且由于释放到防护区外的七氟丙烷量很少，不会带来任何负面效应。本文暂且将这种方法命名为“释药法”。下面以某地下双层岛式站台的地铁站为例，描述“释药法”的工程应用情况。按该地铁站防护区数量和布局,设置了3个气瓶间,分别位于车站站厅层两端及站台的一端。采用常规的计算方法,整个车站共设置了5个系统,43个70L储瓶,药剂储存量为1465kg;如果采用“释药法”,能使系统数量减为3个,气瓶数量减为24个,药剂量也减为1172
kg。“释药法”能使系统得到优化的原因是:设计时把可能超标房间的多余七氟丙烷释放到防护区外面，使原来难以组合的防护区组合到了一起,使各子系统的充装量得到了提高。这样，既满足了规范要求,又减少了系统数量,同时还减少了系统投资;而且由于气瓶数和系统数量的减少,相应也减少了气瓶间面积,从而有效降低了工程造价。使用该方法计算应注意以下几点:
1)应计算出防护区可能超标所需释放的七氟
丙烷的量范围值;根据该范围值和喷头压力选用释放到防护区外的喷头规格,不能笼统地采用防护区的喷头规格。
2)释放到防护区外管网应纳人计算中,计算结果应满足规范的各项要求。
3)连接释放喷头的管道应尽量短,喷头应设置在管网的末端，出防护区后立即喷出,这样使其管网能够尽量均衡。
4)为了简化计算，用防护区内的喷头压力计算选用释药喷头规格时,由于防护区外实际释药喷头的压力比防护区内的喷头压力小，所以防护区外释药喷头的实际喷放药剂量会比计算的略少。所以，当在计算防护区释药喷头的喷放气体浓度为临界状态8.8%时,由于防护区外喷头的释药量略少,所以防护区内的释药喷头的喷放气体浓度就可能超标。故而为保险起见，计算时这类防护区浓度采用8.1%~8.7%为宜。
4结论
对一般的地下地铁车站来说，七氟丙烷灭火系统与IG541以及高压细水雾等相比较，具有气瓶储存压力低、瓶子数量较少、造价相对较低等优点,其在气体消防领域具有较为广泛的应用前景。木文通过对全淹没组合分配七氟丙烷灭火系统的设计计算进行总结，可得出以下结论:
1)七氟丙烷灭火系统的管道布置应尽量采用均衡布置;
2)系统设计初期布置房间时应提前考虑组合分配因素;
3)采用“释药法”可有效适应规范对防护区气体浓度的要求。
|