摘要：七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)是地鐵工程常用的消防設(shè)施之一。本文分析了七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理，結(jié)合規(guī)范和地鐵工程實(shí)例，闡述了七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)在地鐵工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況，對(duì)主要設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了扼要的梳理，對(duì)如何深入理解規(guī)范條文以及如何解決一些常見設(shè)計(jì)難題，提出了應(yīng)對(duì)策略，并對(duì)如何使設(shè)計(jì)做到經(jīng)濟(jì)合理提出了相應(yīng)的建議。
GB50157--2003 《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求在“地下車站的車站控制室、通信及信號(hào)機(jī)房、 地下變電所應(yīng)設(shè)置氣體自動(dòng)滅火裝置”。目前，國內(nèi)各城市地鐵采用的氣體消防系統(tǒng)主要有七氟丙烷、IG541以及高壓細(xì)水霧等。由于我國全淹沒七氟丙烷組合分配系統(tǒng)在地鐵中的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正在積累之中.當(dāng)前國內(nèi)對(duì)全淹沒七氟丙烷組合分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究較少。為使七氟丙烷滅火系統(tǒng)更好地應(yīng)用于實(shí)際工程，本文針對(duì)全淹沒七氟丙烷組合分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行研究。
1、七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1 滅火機(jī)理
在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，向防護(hù)區(qū)噴放設(shè)計(jì)規(guī)定用量的七氟丙烷滅火劑，并使其均勻地充滿整個(gè)防護(hù)區(qū);并在浸漬時(shí)間內(nèi)保持一定的濃度，切斷分子中的燃燒鏈，同時(shí)七氟丙烷迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，吸收大量的熱量，以降低防護(hù)區(qū)和燃燒物質(zhì)周圍的環(huán)境溫度，從而迅速滅火。在地鐵的地下空間中，這種氣體滅火系統(tǒng)主要應(yīng)用于重要機(jī)電設(shè)備房間。其典型的防護(hù)區(qū)有環(huán)控電控室、車站控制室、信號(hào)設(shè)備室、自動(dòng)售檢票(AFC)機(jī)房、通信設(shè)備室和變電所設(shè)備房等。
1.2滅火流程
當(dāng)防護(hù)區(qū)發(fā)生火情，火災(zāi)探測(cè)器發(fā)出火災(zāi)信號(hào)，報(bào)警滅火控制器即發(fā)出聲.光信號(hào)同時(shí)發(fā)出聯(lián)動(dòng)指令，關(guān)閉連鎖設(shè)備;經(jīng)過一段延遲時(shí)間(30s內(nèi)，可調(diào))，發(fā)出滅火指令，打開啟動(dòng)閥釋放啟動(dòng)氣體：?jiǎn)?dòng)氣體通過啟動(dòng)管道打開相應(yīng)的選擇閥和容器閥(瓶頭閥)，釋放滅火劑，實(shí)施滅火。七氟丙烷氣體火火系統(tǒng)的滅火流程見圖1所示。
2、常見設(shè)計(jì)應(yīng)用案例計(jì)算
2.1主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的選擇
主要設(shè)計(jì)參數(shù)可按照相關(guān)的規(guī)范選取，一般情況可按照下述規(guī)定確定：
1)設(shè)計(jì)滅火劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%;
2)氣體噴放時(shí)間為8s;
3)儲(chǔ)瓶儲(chǔ)存壓力分為一級(jí)，二級(jí)，三級(jí);
4)滅火浸漬時(shí)間為5min;
5)儲(chǔ)瓶容積分為70 L.100 L.150L等;
6)有毒反應(yīng)濃度為10.5%。
2.2防護(hù)區(qū)管道的布置形式
噴頭的保護(hù)半徑一般為7 m左右，噴頭在房間內(nèi)應(yīng)盡量對(duì)稱布置，壓力計(jì)算、管徑、噴頭的選擇等應(yīng)盡可能達(dá)到相互平衡，方可實(shí)現(xiàn)最佳匹配狀態(tài)。圖2是幾種常見的噴頭布置形式。筆者認(rèn)為，每個(gè)防護(hù)區(qū)噴頭的布置數(shù)量盡量按1.2.4、8. ...數(shù)列均勻布置為宜，使其成為均衡管網(wǎng)。
2.3計(jì)算流程
全淹沒七氟丙烷組合分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要經(jīng)過一個(gè)比較復(fù)雜的過程。其各個(gè)參數(shù)相互制約，不是簡(jiǎn)單提高或降低某個(gè)參數(shù)就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須經(jīng)過試算、校核、驗(yàn)算等多次計(jì)算才能得到一個(gè)合理的結(jié)果。概括起來：首先，設(shè)計(jì)時(shí)先以最大的防護(hù)區(qū)為基準(zhǔn)，使其氣瓶數(shù)為整數(shù)，來初選充裝量，核算其它消防防護(hù)區(qū)的各種指標(biāo)是否在規(guī)范許可的范圍內(nèi);如果不滿足，采用調(diào)整充裝量、管徑大小等參數(shù)或者優(yōu)化管網(wǎng)布置，直到滿足規(guī)范要求。圖3是以二級(jí)充壓為例的系統(tǒng)計(jì)算流程簡(jiǎn)圖。
3對(duì)系統(tǒng)計(jì)算要點(diǎn)的研究
3.1對(duì)室內(nèi)最低溫度的理解
過熱蒸汽在一定大氣壓下其質(zhì)量體積S隨溫度的影響差異較大，所以溫度對(duì)七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算影響亦相應(yīng)顯著。因此，各防護(hù)區(qū)的最低溫度不宜籠統(tǒng)地采用設(shè)計(jì)額定溫度，要根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》12.2.35的條文解釋規(guī)定，確定各房間的最低溫度T，質(zhì)量體積S也要對(duì)應(yīng)選擇。以下是各種溫度下對(duì)應(yīng)的S值：
T=12℃時(shí)，S=0.133 056;
T=16℃時(shí)，S=0.135 108;
T=18℃時(shí)，S=0.136 134;
T=20℃時(shí)，S=0.137 160。
3.2對(duì)系統(tǒng)滅火劑儲(chǔ)存量的理解
W0= W+ ΔW1 + ΔW2 (1)
式中：
W0 — 系統(tǒng)藥劑儲(chǔ)存量，kg;
W — 系統(tǒng)設(shè)計(jì)藥劑用量，kg;
ΔW1 一 儲(chǔ)存容器內(nèi)的滅火劑剩余量，可按儲(chǔ)存容器內(nèi)引伸管(虹吸管)管口以下的容器溶劑量換算，70L及100L的儲(chǔ)存瓶一般可取2~3 kg， 120L及150L的儲(chǔ)存瓶一般可取4~5 kg;ΔW2 ——— 管道內(nèi)的滅火劑剩余量，kg。
GB50370)- 2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：
1)均衡管網(wǎng)和只含一個(gè)封閉空間的非均衡管網(wǎng)，其管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量均可不計(jì)。
2)防護(hù)區(qū)含兩個(gè)或兩個(gè)以上封閉空間的非均衡管網(wǎng)，其管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量可按各支管與最短支管之間長度差值的容積量計(jì)算。通過對(duì)ΔW2 的理解，可以知道為何氣體消防管道一般都盡量布置成均衡管網(wǎng)的原因了。但實(shí)際工程中，有些地鐵的個(gè)別防護(hù)區(qū)設(shè)有靜電地板和吊頂(在靜電地板和吊頂內(nèi)需設(shè)置噴頭)，這些房間很難做到均衡管網(wǎng)。圖4是某車站控制室全淹沒七氟丙.烷組合分配系統(tǒng)圖。該防護(hù)區(qū)的吊頂和地板下，都布置了噴頭。這種不均衡管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量可按支管之間長度差值的容積量計(jì)算。
由圖4可以看出，不均衡管段即為AB的長度。由于在一個(gè)大氣壓下七氟丙烷在管道中的殘余應(yīng)該是氣體而不是液態(tài)，它的密度為7.6 kg/m3。表1為20℃時(shí)不同管徑每m管道殘余的滅火劑剩余量。從表1可以看出，20℃時(shí)每m管道殘余的滅火劑剩余量非常少。而在地鐵設(shè)計(jì)中，通常這種不均衡管道很短，所以ΔW2值可以忽略不計(jì)。
3.3對(duì)干管、支管平均設(shè)計(jì)流量的計(jì)算
例：以防護(hù)區(qū)V= 100 m3、T= 12℃計(jì)，則防護(hù)區(qū)滅火設(shè)計(jì)藥劑用量(惰化設(shè)計(jì)用量)應(yīng)按下式計(jì)算：
式中：
K — 海拔修正系數(shù)，天津、北京、沈陽、大連、哈爾濱、深圳、上海、南京均取1;
V 一 防護(hù)區(qū)容積，m3;
S — 滅火劑氣體在101 kPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的質(zhì)量體積，S=0.133 056 m3/kg;
G — 滅火劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)值，因?yàn)榈罔F需氣體消防的房間均為固體表面火災(zāi)，根據(jù)GB
50375-2005 《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.3.1條，七氟丙烷滅火系統(tǒng)滅火劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于滅火所需的1.3倍，故G=5. 8%X1.3= 7.5%，取8%。
由式(2)可得:W=65.35 kg。
主干管平均設(shè)計(jì)流量應(yīng)按式(3)計(jì)算:
式中:
Qw — 主干管平均設(shè)計(jì)流量;
t — 氣體噴放時(shí)間，按8 s計(jì)。支管平均設(shè)計(jì)流量按式(4)計(jì)算:
式中:
Qg——支管平均設(shè)計(jì)流量;
Ng——安裝在計(jì)算支管下游的噴頭數(shù)量;
Qc——單個(gè)噴頭的設(shè)計(jì)流量。支管平均設(shè)計(jì)流量分配如圖5所示。
3.4初選管徑應(yīng)注意的問題
GB 50)375 - 2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的3.3.15條規(guī)定，初選管徑D可按管道設(shè)計(jì)流量Q參照式(5)、(6)計(jì)算:
當(dāng)Q≤6.0 kg/s時(shí)，
當(dāng)6.0 kg/s
但筆者認(rèn)為這兩個(gè)公式有欠妥之處:當(dāng)Q接近6.0 kg/s，若分別按式(5)、(6)中的系數(shù)來初選管
徑，可能會(huì)造成流量大的管徑反而小的矛盾。其原因是式(5)、(6)不連續(xù)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到這個(gè)因素，可將式(5)中的系數(shù)改為16~20。
3.5對(duì)系統(tǒng)平面布置的體會(huì)和探討
3.5.1防護(hù)區(qū)房間的布置
地鐵車站的防護(hù)區(qū)--般是電氣、通信設(shè)備房間，面積差別較大，有的為200多m2，有的只有10多m2。地鐵車站的防護(hù)區(qū)通常設(shè)置在車站站廳和站臺(tái)的兩端，如果在設(shè)計(jì)初期房間布置方面不提前考慮組合分配的因素，今后在設(shè)計(jì)過程中就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)多氣瓶數(shù)量多和氣體消防房間面積大等問題。車站防護(hù)區(qū)布置時(shí)，車站的氣體保護(hù)房間要相對(duì)集中，氣瓶間不僅離最大的防護(hù)區(qū)要近，而且還要離最小的防護(hù)區(qū)近，這樣才能在計(jì)算時(shí)容易既滿足壓力要求又滿足規(guī)范上要求的“管網(wǎng)的管道內(nèi)容積，不應(yīng)大于流經(jīng)該管網(wǎng)七氟丙烷儲(chǔ)存最體積的80)%”。多數(shù)人可能還存在一個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū):“各防護(hù)區(qū)面積大小越接近，就越能組合。”其實(shí)不是這樣的，有些防護(hù)區(qū)面積相差甚小的時(shí)候反而不能組合。比如，面積70.1 m2和72 m2 ，很可能就不能組合在一起，原因是“一瓶不夠，兩瓶超標(biāo)”。這種情況下，最好與建筑專業(yè)溝通，讓它們的面積一樣。
3.5.2 系統(tǒng)和管網(wǎng)的布置
噴頭要求盡量對(duì)稱布置，管網(wǎng)布置力求短而簡(jiǎn)單;設(shè)計(jì)時(shí)要注意管道的壁厚，不能籠統(tǒng)地用公稱直徑表示，應(yīng)標(biāo)出外徑、內(nèi)徑、壁厚等。若是有個(gè)別小的防護(hù)區(qū)影響到系統(tǒng)組合的話，可單獨(dú)剔除出來，設(shè)置無管網(wǎng)七氟丙烷系統(tǒng)。
3.6“釋藥法"的應(yīng)用
《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范)第3.3.6條規(guī)定:“防護(hù)區(qū)實(shí)際應(yīng)用的濃度不應(yīng)大于滅火設(shè)計(jì)濃度的1. 1倍”。原因是:七氟丙烷噴放后分解產(chǎn)物主要是HF(氟化氫)，而HF對(duì)人體和精密設(shè)備有一定傷害。這也是進(jìn)行七氟丙烷系統(tǒng)組合分配設(shè)計(jì)時(shí)遇到的最棘手難題之一。經(jīng)研究及工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，筆者認(rèn)為，在滿足規(guī)范要求的防護(hù)區(qū)噴放濃度的前提下，將那些可能使小房間濃度超標(biāo)的七氟丙烷釋放到防護(hù)區(qū)之外，可有效地適應(yīng)規(guī)范要求，并減少系統(tǒng)和氣瓶數(shù)量;且由于釋放到防護(hù)區(qū)外的七氟丙烷量很少，不會(huì)帶來任何負(fù)面效應(yīng)。本文暫且將這種方法命名為“釋藥法”。下面以某地下雙層島式站臺(tái)的地鐵站為例，描述“釋藥法”的工程應(yīng)用情況。按該地鐵站防護(hù)區(qū)數(shù)量和布局,設(shè)置了3個(gè)氣瓶間,分別位于車站站廳層兩端及站臺(tái)的一端。采用常規(guī)的計(jì)算方法,整個(gè)車站共設(shè)置了5個(gè)系統(tǒng),43個(gè)70L儲(chǔ)瓶,藥劑儲(chǔ)存量為1465kg;如果采用“釋藥法”,能使系統(tǒng)數(shù)量減為3個(gè),氣瓶數(shù)量減為24個(gè),藥劑量也減為1172 kg。“釋藥法”能使系統(tǒng)得到優(yōu)化的原因是:設(shè)計(jì)時(shí)把可能超標(biāo)房間的多余七氟丙烷釋放到防護(hù)區(qū)外面，使原來難以組合的防護(hù)區(qū)組合到了一起,使各子系統(tǒng)的充裝量得到了提高。這樣，既滿足了規(guī)范要求,又減少了系統(tǒng)數(shù)量,同時(shí)還減少了系統(tǒng)投資;而且由于氣瓶數(shù)和系統(tǒng)數(shù)量的減少,相應(yīng)也減少了氣瓶間面積,從而有效降低了工程造價(jià)。使用該方法計(jì)算應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1)應(yīng)計(jì)算出防護(hù)區(qū)可能超標(biāo)所需釋放的七氟
丙烷的量范圍值;根據(jù)該范圍值和噴頭壓力選用釋放到防護(hù)區(qū)外的噴頭規(guī)格,不能籠統(tǒng)地采用防護(hù)區(qū)的噴頭規(guī)格。
2)釋放到防護(hù)區(qū)外管網(wǎng)應(yīng)納人計(jì)算中,計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足規(guī)范的各項(xiàng)要求。
3)連接釋放噴頭的管道應(yīng)盡量短,噴頭應(yīng)設(shè)置在管網(wǎng)的末端，出防護(hù)區(qū)后立即噴出,這樣使其管網(wǎng)能夠盡量均衡。
4)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，用防護(hù)區(qū)內(nèi)的噴頭壓力計(jì)算選用釋藥噴頭規(guī)格時(shí),由于防護(hù)區(qū)外實(shí)際釋藥噴頭的壓力比防護(hù)區(qū)內(nèi)的噴頭壓力小，所以防護(hù)區(qū)外釋藥噴頭的實(shí)際噴放藥劑量會(huì)比計(jì)算的略少。所以，當(dāng)在計(jì)算防護(hù)區(qū)釋藥噴頭的噴放氣體濃度為臨界狀態(tài)8.8%時(shí),由于防護(hù)區(qū)外噴頭的釋藥量略少,所以防護(hù)區(qū)內(nèi)的釋藥噴頭的噴放氣體濃度就可能超標(biāo)。故而為保險(xiǎn)起見，計(jì)算時(shí)這類防護(hù)區(qū)濃度采用8.1%~8.7%為宜。
4結(jié)論
對(duì)一般的地下地鐵車站來說，七氟丙烷滅火系統(tǒng)與IG541以及高壓細(xì)水霧等相比較，具有氣瓶儲(chǔ)存壓力低、瓶子數(shù)量較少、造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn),其在氣體消防領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。木文通過對(duì)全淹沒組合分配七氟丙烷滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行總結(jié)，可得出以下結(jié)論:
1)七氟丙烷滅火系統(tǒng)的管道布置應(yīng)盡量采用均衡布置;
2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期布置房間時(shí)應(yīng)提前考慮組合分配因素;
3)采用“釋藥法”可有效適應(yīng)規(guī)范對(duì)防護(hù)區(qū)氣體濃度的要求。
