IG-541 灭火系统的设计及计算方法

IG-541 灭火系统的设计及计算方法王致新、王煜彤【关键词】洁净气体灭火剂【论文摘要】IG-541是近年来得到广泛应用的性能较为优越的一种“洁净气体”灭火剂。

它是由52%氮气，40%氩气和8%二氧化碳组成的混合气体。

密度略大于空气，无毒，无色，无味，惰性，无腐蚀性，且不导电，既不支持燃烧又不和大部分物质产生反应，所以可称为纯天然的洁净气体灭火剂。

一．前言IG-541是近年来得到广泛应用的性能较为优越的一种―洁净气体‖灭火剂。

它是由52%氮气，40%氩气和8%二氧化碳组成的混合气体。

密度略大于空气，无毒，无色，无味，惰性，无腐蚀性，且不导电，既不支持燃烧又不和大部分物质产生反应，所以可称为纯天然的洁净气体灭火剂。

IG-541的灭火机理属于物理灭火方式。

施放后靠把氧气浓度降低到不能支持燃烧来扑灭火灾。

正常情况下，室内空气中含有21%的氧气和小于1%的二氧化碳。

一旦发生火灾时，如果能将着火房间内氧气的浓度降低到15%以下，大部分普通可燃物就会停止燃烧。

另一方面，将IG-541 气体喷放到保护区后，在氧气浓度降低到12.5%以下的同时，还可使二氧化碳的浓度提高到4%左右。

大气中二氧化碳浓度的增加可加快人体呼吸速率和加大吸收氧气的能力。

也就是说，用二氧化碳来刺激人体更深和更快的进行呼吸，从而可补偿环境气氛中较低的氧浓度，使处于室内的人员生存条件大大改善，不至于因窒息而死亡。

由于IG-541是由大气中存在的气体混合组成的，所以它既没有臭氧耗损潜能值（ODP）。

也不会对地球的温室效应产生影响，更不会产生具有长久大气寿命的化学物质。

从环保角度讲是一种较为理想的洁净灭火剂。

同时它也是一种有效的灭火剂，用全淹没方式能扑灭封闭空间的A类表面火，B类易燃液体火灾及C类电气火灾。

但是，由于IG-541 是单相气体灭火剂，所以它不能作局部喷射使用，也不能以灭火器方式使用。

与其他气体灭火系统相比，IG-541 灭火系统所用的灭火剂体积相当大，因而需要更多的储气瓶和更粗的管道。

此外，它的管道压力也特别高。

如果系统设计不当，喷放时还会因管道中的IG-541气体流速达到音速而产生音障，流动受到很大的阻力；超过音速时所产生的爆震还会使系统遭到破坏。

应用范围：IG-541灭火系统适用于扑救下列火灾：可燃液体和可熔化固体的火灾；可燃气体的火灾；可燃固体的表面火灾；电气火灾。

IG-541灭火系统适用于保护封闭空间的场所，其典型火灾危险场所：电气和电子设备室；通讯设备室；国家保护文物中的金属、纸绢质制品和音像档案库；易燃和可燃液体储存间；喷放灭火剂之前可切断可燃、助燃气体气源的可燃气体火灾危险场所；经常有人工作的防护区。

IG-541不适用于扑救下列火灾：硝化纤维、火药等含氧化剂的化学制品火灾；钾、钠、镁、钛、铀、锆等活泼金属火灾；氢化钾、氢化钠等金属氢化物火灾。

由于IG-541灭火系统具有很多独特优点，因而近年来国内外使用日益广泛。

但是，如果不能进行快速、精确的设计计算，这种系统的灭火可靠性就无法保证。

遗憾地是，IG-541灭火系统的设计计算方法迄今仍被国外个别产品供应商所控制。

因此，我国迄今还无法编制出自己的具有自主知识产权的IG-541灭火系统设计计算方法。

不久前，作为地方性工程建设规范，上海市制订了―惰性气体IG-541灭火系统技术规程‖。

不过这套技术规程中也未能提供管网设计计算方法。

因此，我国唯一的这套地方性IG-541工程设计规程中针对我国的具体情况还是只能无奈地规定：―IG-541系统管网流体计算应为气体单相流，并宜采用专用的计算机软件计算。

设计单位和产品供应商应对计算结果负责。

‖在这套规程的条文说明中又进一步说：―这样的计算用手工来完成是不可能的。

因此规定宜采用计算机软件计算。

同时考虑到这样的计算机软件并未商业化，多数掌握在产品供应商手中，一般的设计单位暂时还无法取得。

因此规定设计单位和产品供应商共同对计算结果负责。

‖我们是首批通过国家认证的63家软件企业之一，也是国内唯一专业从事消防工程软件开发的单位。

对于IG-541灭火系统，我们的主要任务就要要打破国际垄断，独立解决问题并取得自主知识产权，使我国的IG-541灭火系统更经济、更可靠、更迅速地独立自主地发展起来。

我们希望我国的IG-541灭火系统硬件生产企业能和我们共同努力，尽快地打破IG-541技术的国际垄断。

现在，我们自主研究开发的这套IG-541 灭火系统的设计计算方法和在此基础上开发的IG-541灭火系统设计计算软件已经获得了知识产权；即将投放市场。

二、系统组件及要求1. 系统组件IG-541全淹没灭火系统主要由储存钢瓶，钢瓶架，启动钢瓶，减压装置，选择阀组成。

储存装置宜由储存容器、容器阀、高压软管、单向阀、安全泄压阀、集流管和压力指示器等组成并由支架固定。

2. 组件的基本要求A．储存容器应能承受最高环境温度下灭火剂的储存压力，储存容器上应设泄压装置。

对于主、备用系统或组合分配系统，应在集流管上的封闭管段上设置安全泄压装置。

当储存绝对压力为15MPa（20℃）时，其泄压动作压力值应为20.625±1.031MPa。

B．储存容器应设压力指示器。

当储存容器中充装的IG-541 压力损失超过10%时，应及时补充。

C．备用量的储存容器应与系统管网相连，应能与主储存容器切换使用。

D．储存容器上应设耐久的固定标牌，标明每个储存容器的编号、容积、充装压力和充装日期等。

E．储存容器间宜靠近防护区或有人值班处，其出口应直通室外或疏散走道；储存容器间的室内温度应为0-50℃，并应保持干燥和良好通风，避免阳光直接照射；F．组合分配系统中，每个防护区都应设置能自动启动的选择阀。

当一个防护区设有二个以上选择阀时，应有确保手动启动装置同时开启的措施。

G．灭火剂输送管道应采用GB/T 8163《输送流体用无缝钢管》。

H. 灭火剂输送管道可采用螺纹连接、法兰连接或焊接。

公称直径等于或小于80mm的管道，宜采用螺纹连接；公称直径大于80mm的管道，宜采用法兰连接。

三、防护区1. 防护区围护结构及门、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；防护结构及门窗的允许压强不宜低于1.2kPa；2. 防护区不宜有不能关闭的开口。

开口面积应小于防护区总表面积的3%，且不能设置在底面。

防护区内与其它空间相通的开口，除泄压口外，应能在灭火剂喷放前自动关闭；否则应将防护区扩大到与之相通的空间或采取防止或补偿灭火剂流失的措施；3. 应确定防护区预期最高和最低环境温度，以计算所需要的灭火剂量。

对于通常有人工作的防护区应注意在预期最高环境温度时计算的浓度值不应超过规定的无毒性反应的最高浓度（NOAEL）。

四、泄压口密闭性良好的防护区应设置泄压口，泄压口应设置在防护区室内净高2/3以上，且应高于保护对象，并宜设在外墙上。

泄压口宜具有泄放多余压力后自动关闭以及防止火灾蔓延的性能。

泄压口的最小面积：A f=0.0135Q/P1/2式中： A f—泄压口面积（m2）；Q—防护区内IG-541的峰值流量（m3/min）Q=G·M0/t其中 G=2.7M0（m3）为灭火剂的实际充装量t（min）为喷射时间；P—围护结构承受内压的允许压强（Pa）根据围护结构的类型确定，一般轻型围护结构为1.20kPa ，中型围护结构为2.4kPa ，重型围护结构为4.8kPa。

五、组合分配系统的要求1. 每个防护区必须单独设计；2. 灭火剂设计用量按该系统所保护的防护区中灭火剂需要量最大者确定；3. 选择阀可安装在减压孔板的上游或下游。

如果减压孔板处于选择阀的上游，则减压孔板到第一个三通的长度不应小于管径的10倍。

4. 在设计组合分配系统集流管时，必须在启动管路上安装单向阀。

六、IG-541灭火系统的管网布局1. 喷嘴的数量和口径应满足喷嘴最大保护半径和灭火剂喷放量的要求；2. 喷嘴的最大安装高度为6.0m，超过6.0m时应在高度方向另外加设喷嘴；3. 管道容积与储存容器的最大容积比：66％；4. 喷嘴孔径与其连接管道直径之比应在20％至70％范围内；5. 集流管中减压孔板孔径与其连接管道直径之比应在13％至55％范围内；6. 管道分流应采用三通，通过三通的IG-541最大允许分流百分比为95%:5%。

而且对于直流三通，其旁路出口必须为两路分流中较小部分。

7. 多个储瓶应分组安装。

通常一条管径为50 mm的集流管大致可接10个储瓶；根据所需的储瓶总数，设计的几条集流管并连后汇集到直径更大的总集流管。

减压孔板应设在总集流管中。

孔板上下游的直管段长度应符合有关规定。

孔板的孔径与连接管径之比应在13-55%范围内。

8. 由于IG-541灭火系统喷放的灭火剂是单相气体，体积流量相当大而且管段下游的压力逐渐降低。

因此，在管径不变的一个管段中，随着管长增加和下游压力的降低，IG-541气体的体积也增大，因而流速也增加。

在管径不变的一个管段中，随着管长增大下游的流速也增大。

当管长增大到一定程度时，从某一截面开始，管段流速甚至会超过音速并产生突破音速时的爆震现象。

为了防止产生爆震，经常采用的方法是：将总集流管下游的主干管管径增大一挡，以降低流速。

因此，对于IG-541系统的管道，选择管径的基本原则是：输送相同体积流量的IG-541时，短管可选择较小的管径；而长管的管径则应较大。

上海市的《惰性气体IG-541 灭火系统技术规程条文说明》中IG-541灭火系统管道流量允许范围表内给出了各种规格管材6.1m的短管和30m长管的允许最大流量和最小流量。

从表中可以看出：同一管径不同管长时，允许的流量与管长成反比的根本原因就在于要避免产生音障问题。

但这一问题一直被人们有意或无意地忽略和掩盖了。

精确控制流速小于音障的临界管长可按下式计算：L max={[(1-M c2) /1.517M c2 ]+0.8276 ln [1.2585M c2/ (1+0.2585M c2 )]}D/4f (mm)M c—流体在管段上游节点处的马赫数 (马赫数M c=流速/音速 )M c=3.972 Q/D2ρTnTn=管段上游节点处的温度 (K)；Tn=4.098Pn/ρD —管径 (m)f —摩擦系数. f = 1/4[1.74–2log(0.2/D)]2ρ—管段上游节点处的密度 (kg/m3)Pn-- 管段上游节点处的压力有关音障及其计算问题的详情请参见我们在《亚洲消防与保安》2002年第12期中发表的―IG-541灭火系统设计中的音障问题‖。

七、IG-541灭火系统设计计算的必要性目前国内对IG-541灭火系统是否确有必要进行精确的设计计算问题有两种不同的意见。

前一段时间，有一种颇有影响的流行观点认为：―IG-541灭火系统的结构形式虽然与二氧化碳及卤代烷灭火系统大体相同，但在系统设计计算上要方便许多‖。