超细干粉灭火系统管网设计探讨
    

  一、前言

  超细干粉灭火剂是一种性能良好、应用广泛的新型灭火剂,超细灭火粒子由于比表面积大,活性高,受热分解速度快,捕获自由基能力强,故灭火效能急剧提高,粉体能在空气中悬浮数分钟,形成相对稳定的冷气溶胶,所以,不仅灭火效能很高,且使用方法也完全不同于一般传统干粉灭火剂,超细干粉灭火剂可以长时间悬浮,它能类似气体释放并能绕过障碍物,散布到各个角落,在相对封闭的空间实现全淹没式灭火。并因灭火时粉体沉降后的物理覆盖特点,又能实现大空间内(或开放场所)局部淹没方式灭火。使干粉灭火得到技术拓宽应用。广泛应用于各种场所扑救A、B、C、E、F类火灾。D类超细干粉灭火剂可用于扑救D类火灾。

  超细干粉灭火技术已成为我国消防行业的一枝奇葩,自2001年由武汉绿色消防器材有限公司首家开发成功后,经过十多年的发展,已经在全国范围内广泛推广应用,超细干粉灭火设备主要以无管网灭火装置为主,近两年,以武汉绿色消防器材有限公司为代表的部分企业研制出超细干粉有管网灭火系统,并已在多个行业投入使用,在实际应用中,我们发现超细干粉有管网灭火系统的设计施工缺少规范可依,虽然国内大多数省份都有超细干粉灭火方面的标准或规范,如湖北省的《超细干粉无管网灭火系统设计、施工及验收标准》、江苏省的《超细干粉灭火系统设计、安装及验收规程》、陕西省的《固定式燃气型超音速干粉灭火系统设计、施工及验收规范》等,以及即将颁布的中国工程建设标准化协会标准《干粉灭火装置技术规程》均为超细干粉无管网灭火系统的标准,目前仅山东省颁布的《超细干粉灭火系统设计、施工及验收规范》中对有管网系统加入了部分要求和计算方法,为众多的超细干粉生产企业及设计部门提供了设计参考,但因为超细干粉是新产品,很多数据需要经过实践进行验证,从一定意义上讲,该规范对有管网部分的条文基本上是复制GB50347《干粉灭火系统设计规范》中的相关内容,还不能完全适用于超细干粉灭火系统,据悉,GB50347《干粉灭火系统设计规范》在修订中,其中准备加入超细干粉灭火的内容,但标准的正式颁布还有待时日,本文在总结实践工作中的经验及遇到过的问题和困惑的基础上,将具有代表性的一些问题和处理方法进行探讨,谨供各位参考。

  二、防护区围护结构的泄压口和允许压强问题

  目前,超细干粉灭火系统是套用GB50347《干粉灭火系统设计规范》,虽然超细干粉和普通干粉都属于固体灭火剂,但由于超细干粉的特点更接近气体灭火剂(超细干粉称为冷气溶胶,热气溶胶执行的是气体灭火标准),山东DB37/T1317-2009《超细干粉灭火系统设计、施工及验收规范》是目前唯一对超细干粉管网灭火系统有详细要求的地方标准,这两个在用的国家标准和地方规范中,对于防护区围护结构的允许压强和泄压口给出了简单且严格的规定(DB37/T1317-2009):“全淹没灭火系统的防护区,应符合下列规定:a)喷放超细干粉灭火剂时防护区不能自动关闭的开口,其总面积不应大于该防护区总内表面积的15%,且开口不应设在底面。防护区的围护结构及门、窗的耐火极限不应低于0.50h。吊顶的耐火极限不应低于0.25h。围护围护结构及门、窗的允许压强不宜小于1200Pa。d)防护区的通风机,在喷放超细干粉灭火剂前应自动关闭。

  防护区应设置泄压口,并宜设在外墙上,其高度应大于防护区净高的2/3。当防护区设有防爆泄压孔时,可不单独设置泄压口。

  泄压口的面积,可按下列公式计算:

  Ax=Q0[T/(mmpx)][31.17mg/(Tρf)+6.42×10μ]

  式中:

  Ax——泄压口面积(㎡);

  Q0——干管的超细干粉输送速率(kg/s);

  T——防护区常态下环境的绝对温度(K);

  mm——驱动气体的摩尔质量(g/mol);

  mg——驱动气体设计用量(kg);

  px——防护区围护结构的允许压力(Pa),按1200Pa取值;

  ρ——超细干粉灭火剂松密度(kg/L),按0.5㎏/L取值;”

  根据上述规定,我们认为存在以下问题:

  1、泄压口面积的计算方法

  在围护结构的耐压强度和泄压口问题上,我们考虑所设置的泄压口必须正好满足在灭火剂喷放时的最大内压不超过围护结构中最薄弱构件的承压能力,但围护结构中最薄弱环节的承压能力和超细干粉灭火剂喷放时的最大内压在实际应用中都是很难确定或判断的,为了确保围护结构在超细干粉灭火剂喷放时的安全,我们需要按照较小的允许压强标准来计算泄压口面积,或设置能够按照内压自动调节泄压面积的泄压口,或在围护结构上设置承压能力低于原整个围护结构中最薄弱构件的预制薄弱构件。

  这里需要提醒的是,很多超细干粉灭火系统地方标准中都没有涉及泄压口的问题,如湖北省DB42/294-2004《超细干粉无管网灭火系统设计、施工及验收标准》中就没有规定泄压口的设置,其条文说明中解释:“本款关于防护区的门窗及围护构件的允许压强的规定,等效采用了国内气体灭火系统设计规范的数据。超细干粉全淹没自动灭火系统内的灭火剂用氮气驱动喷射,根据气固比和实际使用情况的计算,灭火剂完全释放后,防护区内的压强增加值一般低于320Pa,压强远远低于国家气体灭火系统设计规范的数据要求,因此本标准没有要求对封闭空间设泄压口的规定。”事实上,在后来我们所做的多次灭火试验中,发生过窗户玻璃被整块推出或破碎的情况(主要是在柜式超细干粉灭火装置的喷射试验时发生),这说明,无管网超细干粉灭火装置需要设置泄压口,管网超细干粉灭火系统更加需要,并证实了前面所提到的需要按照较小的允许压强标准来计算泄压口面积的说法。

  从GB50347及DB37/T1317-2009两个标准的泄压口计算公式可见,泄压口的计算面积在围护结构的允许压强给定的情况下已经考虑了温度等因素。从我们平时所做的试验中可以看到,我们在有燃烧与没有燃烧、燃烧火势强与火势弱的不同条件下喷放超细干粉灭火剂时,封闭空间的内压是完全不同的。这说明防护区在喷放超细干粉灭火剂时的内压,不仅与超细干粉灭火剂喷放速率有关,还与喷放超细干粉灭火剂时内部的温度有很大关系,因此,在泄压口的计算中考虑温度的因素是必要的。

  但是,决定防护区内部温度的因素是很多的,至少包括:防护区内可燃物质的性质、数量和形状、防护区的容积、火灾燃烧的时间等,我们给出温度与泄压口面积的关系并不难,但要准确计算出防护区内部温度却是不可能的。因此,我们需要在规范中给出对于不同场合或情况下的温度修正系数。

  2、关于围护结构允许压强大于1200Pa标准的认定。

  在一般情况下,我们总是注重究竟什么样的围护结构材料能够满足允许压强大于1200Pa的标准,或已被使用的某种材料究竟能否满足允许压强大于1200Pa的标准。也就是说,此项规定使我们更多地从材料的角度去考虑围护结构的耐压强度问题,而事实上,任何防护区的围护结构都是由若干种材料、性能不相同的构件(如墙裙、玻璃窗、门等)组合而成的。某一构件从材料上讲,或许能够达到1200Pa以上的耐压强度标准,但对于该构件整体而言,却可能无法承受在1200Pa下的总载荷,而且构件的面积越大,其单位面积能够承受的载荷就越低。以平板玻璃为例,在小面积下,即使只有1mm的厚度,其单位面积承受压力的能力也会远大于1200Pa,但如果是大面积的玻璃,恐怕再厚的玻璃也达不到同样的能力。同时,整个玻璃构件的固定、连接方式能否确保其整体的承载能力仍然是未知数(在我们的灭火试验中,就发生过整个窗户被推倒的情况,查其原因,是因为玻璃窗四周固定不牢固)。

  因此,围护结构的耐压性能不仅仅是指单位面积围护结构材料的承压能力,更重要的是指整个围护结构中性能相同或相近的构件整体(如包含门框在内的整扇门、包含窗框在内的整扇窗、包含龙骨架和玻璃在内的整幅隔断等)在内压下承受总载荷的能力。这种能力不仅与组成构件的各种材料的允许压强有关,更与构件的整体面积、构件中各种材料的连接方式、构件与围护结构主体的连接强度等因素有关。在多数情况下,后者才是围护结构耐压性能的决定因素。

  三、防护区围护结构的密封性要求与保护容积的计算关系

  在工程实践中,有些设计出于对围护结构要求的误解,把本不满足围护结构要求的构件或构造当作围护结构的一部分,或把原本不该分开的两个区域分成了两个防护区,比如,在计算防护区容积时,有的设计不去计算防护区吊顶以上的部分;有些区域在吊顶以上或地板下的部分是完全贯通的,甚至,有些空间之间的隔断固定不牢固,经受不起超细干粉灭火剂喷射时产生的压力而倒塌(两个防护区瞬间变为一个区了),而设计者仅凭中间部分有隔断,就把它们划作为不同的防护区。这里出现的问题就是对于防护区围护结构密封性要求认识错误或认识不清。

  事实上,防护区围护结构的密封性是保证在实施喷放超细干粉灭火剂灭火时,防护区内的灭火剂必须达到和维持必要的浓度,实现有效灭火的必要条件。对于任何防护区来讲,完全的密封有时是不可能做到的,为了避免内部超压,适当的开口泄漏也是必要的。但我们需要避免的是过大的开口和把一些无法确保密封的结构作为围护结构使用(虽然在DB37/T1317-2009标准中列出了不密封度的补偿系数)。例如:常用的轻质或不加固定的吊顶在超细干粉灭火剂喷放时会很容易被掀动,因此,不能作为围护结构使用。需要时,就应该将其上部空间计为同一个防护区的容积。

  因此,防护区的围护结构应确保防护区的密封性,在无法防止超细干粉灭火剂在喷放时过量扩散流失以至于影响灭火效果的的结构不应作为防护区的围护结构,实在无法避免时,应采用加大灭火剂喷放量的方法(直接计算该部分空间的容积,而不是采用补偿方法),以达到弥补灭火剂流失的效果。

  四、根据防护区内可能发生火灾的强度及其可能的发展速度规定防护区的耐火极限

  在GB50347及DB37/T1317-2009两个现有的国家规范或地方标准中,关于超细干粉灭火防护区的耐火极限要求过于简单:“防护区的围护结构及门、窗的耐火极限不应低于0.50h。吊顶的耐火极限不应低于0.25h”。

  在实际应用中,我们所针对的情况却远不是这两句话所能够概括的。这是一个带有普遍性的问题;在我们设计安装的所有灭火系统中(包括其它灭火系统),真正完全符合这条标准的防护区是少数。我们常遇到的具体问题是:

  1.用什么样的材料作为防护区隔断?

  2.什么样的隔断能否满足防护区的要求?

  3.是否要采用防火防爆玻璃?

  4.是否所有的门要换成防火门?

  面对此类问题,如果严格按照规范要求,现实中有可能无法做到,这就是个尺度把握问题,如果放宽的话,应该放宽到什么程度,标准过于笼统;最终的结果往往是因人而异、因地而异,全凭建设单位的具体负责人、设计院的设计人员、当地消防监督管理部门的审查人员掌握尺度而定;给建设单位、设计单位、施工单位、监理单位、甚至消防监督管理部门带来了很大的困惑。

  出现这样问题的根本原因是,规范在这一点上制定得过于笼统简单,也过于严格,无法适应实际使用中各种可能的变化。笔者认为,在遇到这种情况时,可以根据防护区内的不同情况对此作灵活处理;比如:防护区围护结构的耐火性能可根据防护区内可能发生火灾的强度及其可能的发展速度决定,对于在短时间内容易发展至轰燃程度的火灾场所,其防护区围护结构的耐火极限采用不低于0.5h的标准。并依据置于其内部的易燃可燃物质的数量和性质决定,如这些物质即使被引燃,在实施超细干粉灭火前可预见的时间内不可能迅猛发展,也不可能危及围护结构整体强度和稳定性的防护区,对其围护结构中的局部构件(如门、窗、玻璃隔断等)可适当放宽耐火性能要求,比如该防护区能够确保处于人员不中断监控之下,或保护物与另一可能燃烧物之间的距离达到规定以上的距离等(当然,这些需要我们在新的规范中作出详细的规定)。

  事实上,我们设计人员平时大多数情况都是这么处理的,但苦于没有规范可依,不便于操作和掌握。

  五、超细干粉灭火系统分类的界定

  根据GB16668-2010标准,干粉灭火系统按干粉的驱动方式可分为:a)贮气瓶型干粉灭火系统、b)贮压型干粉灭火系统、c)燃气驱动型干粉灭火系统,而GB50347-2004及DB37/T1317-2009两个标准中,只有:全淹没灭火系统、局部应用灭火系统、预制灭火装置三种界定,标准中对预制灭火系统的规定过于简单,如GB50347-2004中规定:预制灭火系统应符合下列规定:

  灭火剂存储量不得大于150kg。

  管道长度不得大于20m。

  工作压力不得大于2.5Mpa

  DB37/T1317-2009标准规定:预制灭火系统应符合下列规定:

  灭火剂存储量不得大于150kg。

  管道长度不得大于50m。

  工作压力不得大于2.5Mpa

  两个标准只是在管道长度上有所区别,并未列出预制灭火系统的型式,DB37/T1317-2009标准在条文解释中注明为:“预制灭火装置即在生产厂家按规定的型号预制的灭火装置,如柜式超细干粉灭火装置,该类灭火装置与管网灭火系统相比,充装的灭火剂量相对少,灭火剂输送的管道相对短,保护范围相也对小,因此本规范对该类灭火装置规格及应用范围作了规定。”

  按上述内容,预制灭火系统的界定只是灭火剂量有了明确规定,如果按管道的长度来分析,贮压型灭火系统应该在预制灭火系统的范围,因为贮压型灭火系统没有后续的驱动压力,灭火剂输送管道不能太长,但由于GB16668-2010标准中并未对贮压型灭火系统的超细干粉灭火剂充装量作任何规定,据笔者所知,目前,市场上已经存在有贮压型干粉系统充装量超过150kg的规格,并且,如果单纯以贮压型来定论为预制灭火装置,也是不确切的,柜式超细干粉灭火装置虽然灭火剂充装量小,标准把其定为预制灭火装置,但柜式超细干粉灭火装置也有贮压型和贮气瓶型两个类别,这样一来,让设计人员很难判定到底哪种形式的灭火系统为预制灭火装置。

  依笔者之见,贮压型干粉灭火系统由于驱动气体和超细干粉灭火剂贮存在同一容器内,不可能制作成庞大体积,虽然按照管网计算方式,其输送管道可能超过50米,灭火剂量也能达到500kg(甚至更大),但由于其后续喷射力不够,应该规定为灭火剂量充装小于300kg,并直接界定为预制灭火系统,这样有利于设计人员选型。

  六、超细干粉灭火系统管网剩余量的计算问题

  GB16668-2010《干粉灭火系统及部件通用技术条件》中规定:干粉剩余率不应大于10%,

  DB37/T1317-2009标准在条文说明中解释:理论上讲,灭火贮罐内超细干粉剩余量为:

  ms=Vc(10p0+1)ρq0/μ

  式中Vc——超细干粉贮罐容积(m3)。

  但此时Vc是未知数;另外,驱动气体系数μ是理论上的平均值,实际上对单元独立系统和组合分配系统中超细干粉需要量最大的防护区或保护对象来说,到喷射时间终了时,气固二相流中含粉量已很小,按计算公式(4.0.12-2)计算得到的管道内超细干粉剩余量已含一定裕度。因此,按m+mr之值初选一超细干粉贮存容器,用厂商提供的ms来计算mc值,应符合实际应用的需要。

  在现实应用中,我们的设计人员通常是以防护区(组合分配系统中超细干粉需要量按其中最大的防护区)容积,乘以注册灭火剂浓度来计算超细干粉灭火剂量,再加上超细干粉贮罐喷射剩余率,得出实际超细干粉灭火剂的用量,而忽略了干粉输送管道中的超细干粉剩余量,这主要是因为国标和地方规范给出的计算公式过于复杂,无论是按从管网起点(干粉贮存容器输出阀门)至管网末端,还是从管网末端至管网起点的计算顺序,按管道节点压力计算管网的长度和管径等,中间还需要计算各个环节的压力损失等,套用的公式及演算过程让很多设计人员望而却步,不得采取简单的估算方式,一些设计人员根据超细干粉的特性,甚至认为超细干粉的粒径小,可以形成冷气溶胶形式,更接近气体的释放方式,因而认定:均衡管网和只含一个封闭空间的非均衡管网,其管网内的剩余量可以不计。

  我们知道,超细干粉灭火剂属于固体灭火剂,其驱动方式基本上是采用隋性气体驱动,形成气固二相流,因而我们可以得到如下概念:

  1.所谓管网内的剩余量,其物理意义为:超细干粉灭火剂在容器内被认为是以固态存在,在增压气体进入后,搅动沉淀的粉体产生粉雾,经过虹吸装置形成气固二相流随着容器内的增压气体进入管网内,经喷嘴喷射到防护区灭火。由于受管道长度的影响及管道弯曲、变径及走向等因素的影响,气固两相会出现分离现象,在增压气体的后续驱动下,气固相继续混合经喷嘴喷出,在增压气体的压力下降后,未喷出的固态灭火剂因失去推动力而无法继续前进,这部分不能由增压气体推出的固相便是管网内的剩余量。

  2.管网内剩余固态灭火剂的量,理论上是由各支管的长度决定的。最先喷出超细干粉灭火剂的支管一定是所有支管中几何尺寸最短的一支(或者说是离起点最近的喷嘴),其他支管长于该支管部分的管内容积量之和即为计算管网剩余量的几何值。

  3.几何量完全对称的均衡管网,理论上讲是无须计算管网剩余量。

  但现实中,管网内剩余的超细干粉存量多少还与驱动气体的量有直接关系,参照日本标准,超细干粉灭火系统采用40L标准氮气驱动1kg超细干粉灭火剂,这是在一定的条件下,如果管道延长,或改变驱动压力,其超细干粉灭火剂剩余量随之改变,以我们多次的喷射试验,每次喷射后残余在管道内的超细干粉灭火剂,均有不同量的存在,因而忽略输送管道里的超细干粉剩余量是不科学的(也许在灭火剂量设计过量的情况下,不影响灭火效果,但如此设计计算,是一种不必要的浪费),根据多次喷射试验的经验,笔者提供一个简单的计算方法,即按管道的总容积的10%计算超细干粉灭火剂管网剩余量,其参考依据为干粉贮罐的剩余率,亦来源于平时多次喷射试验测定的数据。

  七、结束语

  超细干粉灭火系统是消防企业近两年开发出的新产品,其技术还在不断完善中,所幸新颁布的《干粉灭火系统及零部件通用技术条件》GB16668-2010列入了超细干粉灭火系统,为超细干粉生产企业提出了技术要求,而GB50347-2004《干粉灭火系统设计规范》也在修订中,据介绍,该标准中也将列入超细干粉灭火系统的具体条款,为超细干粉灭火系统的推广应用提供法律依据,本文提出超细干粉灭火系统在应用中的一些问题,旨在与同行们探讨,并希望相关标准能早日颁布,让超细干粉生产企业、相关设计部门及消防监督管理部门有章可循,有利于超细干粉这一高性价比的灭火产品在我国的消防事业中发挥应有的功效。

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    收录时间:2016年01月28日 01:29:47 来源:国联资源网 作者:匿名
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