气体灭火系统设计中常见问题的思考（2）

四、关于七氟丙烷设计用量计算的问题

现行的规范中，关于七氟丙烷灭火系统设计用量的计算方法是这样表述的：

防护区灭火设计用量或惰化设计用量应按下式计算：

式中 W--防护区七氟丙烷灭火（或惰化）设计用量（kg）；

C--七氟丙烷灭火（或惰化）设计浓度（%）；

S--七氟丙烷过热蒸汽在101KPa和防护区最低环境温度下的比容(m3/kg)；

V--防护区的净容积（m3）；

K--海拔高度修正系数，按附录取值。

七氟丙烷在不同温度下的过热蒸汽比容，应按下式计算：

S= K1+ K2 t

式中 t--温度(℃)；

K1--0.1269；

K2--0.000513。

经过我们的校核，不同温度下的过热蒸汽比容计算式中的系数K1和K2是错误的，应该是K1=0.1318 、K2=0.0004826。

出现上述错误的原因在于原式来源于国外，而在国外的式子中采用的是华氏温度，原式从国外翻译过来时，在温度系数的转换中没有考虑摄氏温度与华氏温度在零点的不同。这一错误产生的设计用量误差在20℃时为3.13 %,虽然误差不大，但应在国家规范中改正过来。

此外，在计算中，海拔高度修正系数是采用从附表查取的，对介于不同整数标高之间的数据还要采用线性内插的方法获取，比较麻烦。我们在建立大气压力关于海拔高度的数学模型基础上，归纳出适用于各种气体灭火系统设计用量海拔高度修正系数的计算公式：

K = P / P0 = exp[(-h-0.0000122h2)/8446] （式-1）

式中： K - 海拔高度修正系数

P0 - 海平面的大气压，= 101325[Pa]

h - 海拔高度，[m]

P - 海拔高度为h处的气压，[Pa]

按照（式-1）计算的海拔高度修正系数修正的大气压与国际标准大气压表给出的标准数据的比较，以及与现行规范中给出的数据比较见下表

不同方法的大气压海拔高度修正系数误差比较

注：

② U.S.Standard Atmosphere国际标准大气压(1976)

③ 现行规范列表值

④ = ③ x 101325 - ②

⑤ 按（式-1）计算乘以P 0= 101325

⑥ = ⑤-②

⑦ |⑥÷②| x 100

⑧ （式-1）计算值

由上表比较可见，用（式-1）计算的结果和国际大气压表的数值绝对值误差小于0.01%，比列表值精确。采用计算数据的重要意义还不在其精确度，而是在于给设计人员提供了一个采用一般函数型计算器即可快速计算的公式，也给计算机编程提供了方便。因此，我们建议在规范中同时给出这一公式。

五、关于七氟丙烷灭火系统管网剩余量的计算问题

一个防护区域的灭火剂设置用量应是该区域的灭火（或惰化）设计用量与管网及容器中的灭火剂剩余量之和。而对于管网内的剩余量，现行规范规定为：

1．均衡管网和只含一个封闭空间的非均衡管网，其管网内的剩余量可以不计。

2．对于防护区内含两个或两个以上封闭空间的非均衡管网，按管网第一分支点后各支管的长度，分别取其中最短支管长度与其他各较长支管长度的差值，计算出各长支管末端的内容积量乘以灭火剂的密度，即为其管网内的剩余量。

从这些规定中，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：灭火剂在管内被认为是以液态存在并被其后的增压气体推动前进的。随着容器内的增压气体进入管网内，液态灭火剂越来越少，并逐渐退缩到各支管的末端。由于非均衡管网中各支管长度不尽相同，其末端液相的量也随之而不同。当其中某一支管内的液相最先喷完，气相即随之而喷出。增压气体的压力下降，使其他支管内尚未喷出的液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液相便是管网内的剩余量。

2．管网内剩余液态灭火剂的量是由各支管的长度决定的。最先喷出气相的支管一定是所有支管中几何尺寸最短的一支，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无须计算管网剩余量，而对于非均衡管网也只在其防护区中含有多个封闭空间时需要计算其管网剩余量。

上述第一点是建立在目前七氟丙烷管内流动假设基础之上的对管网剩余量的物理描述。但第二点所表述的按照支管长度计算剩余量的方法却是错误的。对这一结论，其实只需用一个简单的实例便可加以证明：

在如图所示的平面管网中，第①节点为主干管的第一分支点，第②④⑤点为喷嘴，为说明问题，假设各喷嘴流量相等为Q，各管段内管径相等为D，管段①-②和①-③长度相等为L，③-④和③-⑤长度相等为L/2。

按照现行的计算方法，本管网剩余量出现在管段④-⑤中，数量为：

W1 = L*π* D ^ 2 / 4 *γ

但事实上，由于管段①-③中的流量两倍于管段①-②，所以，当管网内气液相的界面自①点分支后，在管段①-③中的前进速度也将两倍于在管段①-②之中，即当管段①-③中的气液相界面到达③点时，管段①-②中的气液相界面刚好到该管段的中点，而当管段①-②中的液相流尽时，管段③-④和③-⑤中的液相亦同时流尽。因此，在本例管网中并不存在剩余量。相反如果管段③-④或③-⑤的长度小于L/2，则剩余量将出现在管段①-②之中。

这足以说明仅仅是按照各支管的长度差或是容积差这些几何量来计算管网剩余量是不对的，并且这并不属于简化计算的问题。剩余量不仅与管网几何尺寸有关，还与管内的液体流量有直接的关系。正确的计算方法应该这样描述：假设管网内的液相可以稳定的流量从各喷嘴全部流尽，则最先流尽的喷嘴与其他各喷嘴流尽液相时的时间差与该喷嘴流量的乘积之和，即为管网的剩余量。计算公式如下：

ΔMp = ∑Qi·(ti - ts)

式中：ΔMp --管网剩余量（kg）

Qi --管网中各喷嘴在有效喷放过程结束时的流量（kg/s）

ti --充满管网容积的灭火剂从各个喷嘴以流量Qi 流尽所需时间（s）

ts --所有喷嘴流尽时间ti中的最小值（s）

按照这样的方法计算上面例题中的剩余量：

首先计算各管段内流体的流出时间为：

t①-② = V①-②/Q②

t①-③ = V①-③/(Q④ + Q⑤)

t③-④ = V③-④/Q④

t③-⑤ = V③-⑤/Q⑤

则各喷嘴的流体流尽时间分别为：

t② = t①-② = V①-②/Q②

t④ = t①-③ + t③-④ = V①-③/(Q④ + Q⑤)+ V③-④/Q④

t⑤ = t①-③ + t③-⑤ = V①-③/(Q④ + Q⑤)+ V③-⑤/Q⑤

由于

V①-② = V①-③ = V

V③-④ = V③-⑤ = V/2

Q② = Q④ = Q⑤ = Q

带入可得：

t② = t④ = t⑤

即各喷嘴流尽时间相等，本例题管网无剩余量。

此外，从剩余量假定的物理意义来看，将非均衡管网剩余量分为含一个和多个封闭空间来分别对待似乎是没有道理的，因为管网剩余量的计算无论如何与管外的封闭空间个数无关。当然管网灭火剂剩余量在失去增压气体推动力后，利用其自身的蒸汽压也可流出管外，在一个封闭空间的情况下，并不影响其灭火（惰化）设计浓度，故在设置用量中不必计入管网剩余量；而对于多个封闭空间的情况，则由于无法保证管网剩余量按照相同比例分配到各个封闭空间，故须将其增加到设置用量中，以保证各个空间中的浓度。但事实上，由于系统的计算是建立在一定的增压压力基础上的，在失去推动压力后，虽然液相仍可自行汽化流出，却是无法保证其流量的，而灭火（或惰化）设计除了有浓度要求之外，更有速度限制，因此，对于任何形式的保护区或管网，其管内剩余量都不应计入有效设计用量，都应该额外增加到设置用量中去。