摘要：依据《气体灭火系统设计规范》，对七氟丙烷有管网灭火系统集流管出口到最远喷头的管道输送距离进行探讨研究，提出工程设计中七氟丙烷灭火系统常用的管道输送距离范围。
关键词：七氟丙烷灭火系统，管道输送距离，气体灭火系统，工程设计
1 引言
作为传统四大固定式灭火系统之一的气体灭火系统，应用比较广泛。随着《气体灭火系统设计规范》[1]（以下简称《气规》）的发布，目前国内常用的几种卤代烷哈龙替代气体灭火系统设计已经有了权威的设计技术依据。由于气体灭火系统中的灭火介质是预制在固定大小、固定单位容积充装量范围及固定的充装压力等级等条件下的储存容器中，依靠其他气体增压或依靠其自身的蒸气压输送，所以储存容器的大小、单位容积充装量及充装压力等固定条件就从根本上限制了气体灭火系统的管道输送距离。从输送距离这一角度讲，只能应用在相对有限的场所。本文针对贮压式七氟丙烷灭火系统，依据《气规》中的相关规定对七氟丙烷有管网灭火系统从集流管出口到最远喷头的管道直线输送距离进行探讨。
2 七氟丙烷灭火系统管道输送距离探讨
2.1 七氟丙烷灭火系统简介
七氟丙烷灭火系统中的灭火介质为七氟丙烷（CF3CHFCF3），是无色、几乎无味、毒性较低、不导电的灭火剂。七氟丙烷灭火过程具有良好的洁净性、良好的气相电绝缘性，其对臭氧层的损耗潜能值ODP=0，温室效应潜能值GWP=0.6，在大气中存留寿命ALT=31年。在目前国内常用的几种卤代烷哈龙替代灭火剂中七氟丙烷的灭火效能是较优的。七氟丙烷对人体产生不良影响的无毒性反应（NOAEL）浓度为9%，并允许在有毒性反应（LOAEL）浓度（10.5%）下人员暴露1分钟。七氟丙烷常用的灭火设计浓度大都不超过有毒性反应浓度值，因此七氟丙烷可以应用在有人的工作场所。
2.2 求解七氟丙烷灭火系统管道输送距离
2.2.1 七氟丙烷灭火系统管网计算
由于贮压式七氟丙烷灭火系统是采用了氮气定容积密封蓄压方式进行增压输送，在七氟丙烷喷放过程中无氮气补充增压，故贮压式七氟丙烷灭火系统喷放过程是定容积蓄压气体在自由膨胀下输送灭火剂，形成不定流，不定压的随机流动过程。灭火剂在管网内流动时是以液相为主的气、液两相流，其系统流程损失不同于不可压缩流体，细致的管流计算要采用微分的方法。《气规》中在保证工程设计应用精度条件下，对七氟丙烷的管流计算进行简化处理，并规定七氟丙烷灭火系统管网阻力损失采用过程中点时储存容器内压力和平均设计流量进行计算。
过程中点时储存容器内压力Pm计算公式按（1）式计算，系统喷放前全部储存容器内的气相容积V0计算公式按（2）式计算，喷头工作压力计算公式按（3）式计算。
主干管平均设计流量计算公式按（4）式，支管平均设计流量计算公式按（5）式。
《气规》中管网的阻力损失计算公式是以液相流为条件，依据流体力学中的管流阻力计算基本公式和阻力平方区的尼古拉茨公式，建立的管流计算方法，经过推导、最后简化而得（6）式
由于七氟丙烷灭火系统灭火剂在管网内的流动具有气液两相流特性，为满足七氟丙烷灭火系统灭火技术要求和系统管网计算方法，所以在系统设计时需要设定一些先决约束条件来限制流体中气相部分的相对量。在《气规》中为了保证这一条件规定了喷头工作压力计算结果的要求：一级增压储存容器的系统Pc≥0.6（MPa，绝对压力）；二级增压储存容器的系统Pc≥0.7（MPa，绝对压力）；三级增压储存容器的系统Pc≥0.8（MPa，绝对压力）；Pc≥Pm/2（MPa，绝对压力）。
同时为了保证七氟丙烷在管网中的流动性能要求及系统管网计算方法上的要求，《气规》中规定“管网的管道内容积，不应大于流经该管网的七氟丙烷储存量体积的80%”。
2.2.2 求解七氟丙烷灭火系统管道输送距离计算步骤
由（6）式可知，若已知系统管道始端节点压力值和末端节点压力值，即已知，对（6）逆向应用是可以准确求得这段管道直线长度的。由过程中点时储存容器内压力Pm计算公式（1）式、系统喷放前全部储存容器内的气相容积V0计算公式（2）式及喷头工作压力计算公式（3）式可知，过程中点时储存容器内压力Pm是受管网管道的内容积Vp影响的。除集流管出口至防护区一级支管的系统干管直线长度Lg未定外（本文重点计算研究的就是这一直线长度值），在系统设计过程基本完成的情况下，Lg未定，Vp也亦未定，Pm也即未定。系统干管始端压力也不能准确求出，即使以《气规》中最小喷头工作压力Pc的规定值为已知条件，求出系统干管末端的压力值，也不可能对（1）式逆向应用准确求得集流管出口至防护区一级支管的系统干管直线的长度Lg。
因此笔者换其做法：以上海市工程建设规范[2]中推荐的一级增压七氟丙烷灭火系统管道直线输送距离不宜大于25m为从集流管出口到最远喷头的管道直线输送距离Lz的下限值，然后按下述步骤进行计算、验算，进而得出从集流管出口到最远喷头的管道直线输送距离。
a. 设定防护区参数，按《气规》中七氟丙烷灭火系统的相关规定计算灭火剂用量、确定灭火剂储瓶型号及数量、布置喷头、布置管网和初选管径。
b. 计算集流管的管道内容积Vj和防护区内除主干管外的管网管道内容积Vf，按（7）式计算80%的流经管网七氟丙烷储存量体积Vq。
c. 以Vq减去Vj和Vf就可求出主干管的内容积Vg；由Vg除以主干管的内截面积，即可初步得出主干管的长度Lg’。
d. 以已经初步得出的主干管长度Lg’，依据前述的《气规》中的相关规定进行管网计算,计算出喷头处的工作压力Pc’。
e. 以此Pc’值与《气规》中规定的喷头最小工作压力值Pc进行比较；若Pc’>Pc，则继续对管网计算结果进行精确性的检验，即Pc’是否大于过程中点时储存容器内压力Pm的二分之一。
f. 若Pc’>Pc，且Pc’>Pm/2，则说明喷头工作压力满足要求；且在系统管网的管径可继续减小的情况下，Lg’还可以进一步增大。对系统管网的管径适当减小后，再重复步骤b~e，逐步逼近最后得出Lg的真值。
g. 若Pc’<Pc或者Pc’<Pm/2，则说明长度Lg’过长，需减少取值。以25m减去防护区内除主干管外的管道输送距离Lf得出Lg的下限值，在此下限值至Lg’的区间内利用二分法取值Lg’’。再以Lg’’作为主干管的长度，重新计算出主干管的内容积Vg；再重复步骤d~e，逐步逼近最后得出Lg的真值。
h. 若Pc’=Pc，或者Pc’=Pm/2则说明Lg’已经达到从集流管出口至防护区一级支管的系统干管直线距离的最大极限值，即得出了Lg的真值。
i. 求得Lg的极限值后加上防护区内除主干管外的管道输送距离Lf即可得出七氟丙烷灭火系统从集流管出口到最远喷头的管道直线距离Lz的最大极限值。
2.3 影响七氟丙烷灭火系统管道输送距离的因素
影响七氟丙烷灭火系统管道输送距离的因素比较多，如灭火设计浓度、防护区大小、海拔修正系数、喷放时间、储存容器增压压力、单个储存容器容积、储存容器数量、单位容积充装量、管网的管道内容积、喷头布置、管径选择、管道长度以及管件局部损失当量长度等等。
因《气规》中对七氟丙烷灭火系统管道壁厚未列参考数值，本文中的计算对于一、二级增压系统管道壁厚选用引用《七氟丙烷灭火系统技术规程》[2]附录C中的数据，三级增压系统管道壁厚选用则引用《二氧化碳系统设计规范》[3]附录J中高压系统的数据。本文中的弯头、三通及变径接头等管件的局部损失当量长度引用《气规》条文说明第63页表1、表2和表3中的数据。
2.4 七氟丙烷灭火系统管道输送距离计算研究
2.4.1 七氟丙烷灭火系统管道输送距离计算实例
本部分重点讨论管道输送距离在常用的防区类型——电子计算机房防区中，在一些典型防区因大小不同导致管道输送距离的变化，进而确定工程设计中七氟丙烷灭火系统常用的输送距离范围。目前《气规》中规定的七氟丙烷灭火系统储存容器的增压压力等级为三级：一级2.5+0.1MPa（表压），二级4.2+0.1MPa（表压），三级5.6+0.1MPa（表压）；有管网系统一个防护区面积不宜大于800㎡,且容积不宜大于3600m3。限于篇幅，本文以长×宽×高为20x20x4.5m的电子计算机房防护区三级增压系统为实例对象，列出管网计算图及管网计算表，进行验证管道输送距离的极限值。其余防区大小及不同增压压力等级的电子计算机房防护区计算方法相同，仅列出笔者的计算结果以供探讨。所有算例防区设计计算公式均采用《气规》中的相关公式。三级增压系统实例管网计算图见图１，三级增压系统设计参数表见表1、三级增压系统管网计算表见表2。
图1三级增压七氟丙烷系统管网计算图
表1三级增压七氟丙烷系统设计参数表
2.4.2 七氟丙烷灭火系统管道输送距离计算结果汇总
由以上计算结果可知，三级增压系统的电子计算机房计算实例防护区集流管出口到最远喷头的管道输送距离Lz=64.280m，采用极限设计参数的全部算例防区不同大小及不同增压系统等级的电子计算机房防区管道输送极限距离计算结果见表3。所有算例防区设计时，管网布置均设计成均衡系统。全部防区除防区大小、增压压力、管径选择、结果约束条件外的系统设计条件参数均相同。表3中的结果约束条件“VP”表示管网的管道内容积达到极限条件；“PC”表示喷头工作压力达到极限条件。
表3七氟丙烷系统极限设计参数管道输送距离计算结果汇总
以上计算结果都是根据笔者前述求解七氟丙烷灭火系统管道输送距离的计算步骤，经过综合调整各个设计参数并且将单位容积充装量限定在《气规》中推荐的初选充装量的50%，即400~450kg/m3之间，最终获得的管道输送距离极限值。由表3的计算结果可见，在极限设计参数情形下，三级增压系统从集流管出口到最远喷头的管道直线输送距离范围为42.975m~64.280m，二级增压系统从集流管出口到最远喷头的管道直线输送距离范围为41.330m~59.238m，一级增压系统从集流管出口到最远喷头的管道直线输送距离范围为40.362m~45.726m。从表3计算结果中可以看出一级增压系统已经不能在接近极限的防区内使用了。
采用喷放时间t=7s，依据《七氟丙烷（HFC-227ea）洁净气体灭火系统设计规范》[4]中在管道阻力损失为0.003~0.02MPa/m的范围内选取管径的规定，且单位容积充装量控制在大于《气规》中推荐的初选充装量的75%，即600kg/m3以上等常用设计参数的算例防区管道输送距离计算结果见表4。
表4七氟丙烷系统常用设计参数管道输送距离计算结果汇总
由表4的计算结果可知，工程设计中若采用常用的设计参数，三级增压系统从集流管出口到最远喷头的管道输送距离范围为36.159m~50.869m，二级增压系统从集流管出口到最远喷头的管道输送距离范围为32.667m~43.617m，一级增压系统从集流管出口到最远喷头的管道输送距离范围为28.495m~36.069m。
3 结束语
经过以上计算研究，验证了贮压式七氟丙烷灭火系统管道输送距离相比IG541、CO2等气体灭火系统是比较近的。虽然《气规》在广东和上海等地方规范的基础上新增加了5.6MPa三级增压等级系统，但从文中的管道输送距离计算结果汇总表中可以看出大部分的计算实例均是限制在“管网的管道内容积，不应大于流经该管网的七氟丙烷储存量体积的80%”这一条件下的，也就是说这一规定已经从根本上限制了管道输送距离。单纯加大系统增压压力能够解决喷头工作压力的约束条件问题，但不能从根本上解决贮压式七氟丙烷灭火系统的输送距离问题。根据以上探讨研究，笔者通过参阅同类资料并反复推敲后，推荐工程设计中初选七氟丙烷灭火系统从集流管出口到最远喷头的管道输送距离范围：三级增压系统为40m~55m，二级增压系统为30m~45m，一级增压系统为25m~30m。若实际应用中超出管道输送距离推荐范围，可根据工程实际情况按照文中的方法进行验算。本文中的算例均按某厂家单元独立系统考虑，若采用组合分配系统时，还要考虑采用不同厂家的选择阀、容器阀、液体止回阀、高压软管等部件局部损失当量长度（厂家测定的数据）对输送距离的影响。因笔者才疏学浅，文中难免有不当疏漏之处。望读者给予斧正。
[参考文献]
[1] GB50370-2005，气体灭火系统设计规范，国家标准.
[2] DG/TJ08-307-2002，七氟丙烷灭火系统技术规程，上海市工程建设规范.
[3] GB50193-93，二氧化碳灭火系统设计规范（1999年版），国家标准.
