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自動消防設計有關技術探討
簡介: 根據多年工作經驗,就
關鍵字:
Design of Automatic Sprinkling Fire System
Pan Zhenqin
Abstract: The author's opinions related to the automatic sprinkling fire system design such as the nozzles, pipeline network, installation of alarm valve and the protection of the system are proposed on the basis of personal experiences in practice for years. Also the attentions in application of CO2 fire system, new fire extinguishing agent FM-200 and smog control are presented. System has distinctive improvements in the flux capacity and installation.
一座現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑,均是投資規(guī)模大、內部裝修標準高、建筑使用功能復雜,并具有一定政治或經濟影響的建筑。隨著我國經濟改革的深入發(fā)展,這樣的建筑會愈來愈多,建筑設計技術要求也會愈來愈高,尤其是建筑的防火安全設計。
建筑防火安全設計是一門綜合性科學,也是多專業(yè)密切配合的共同結晶。無論采用何種防火、控火、滅火手段,其目的都是為了迅速有效地撲滅火災或將火災控制在最小范圍內,使火災造成的損失最小,特別是人的生命財產安全應得到最有效的保護。
1
由于水是最廉價的滅火劑,因此
我國從50年代開始至今已有幾十年的設計、安裝、調試、管理等各方面經驗,目前在設計技術,配套產品國產化,控制技術自動化、程序化方面都積累了相當豐富的經驗。限于國內經濟實力,目前除觸點感溫式循環(huán)預作用系統(tǒng)(技術先進,但造價昂貴)尚不多見外,其他各種類型
1.1 噴頭布置
噴頭擔負著探測火災和噴水滅火的重要作用,噴頭的布置關系著
1.2 管網布置
管網布置是在噴頭布置的基礎上進行的,隨意性較大。由于管網造價約占整個系統(tǒng)造價的50%~60%,系統(tǒng)規(guī)模愈大,這個比值愈高,因此管網的布置直接影響系統(tǒng)的造價。管網又擔負著向噴頭送水的任務,有個安全供水的要求。
據筆者大量計算比較認為:采用居中進水(即配水支干管與成組噴頭支管居中連接)是最經濟,也是管網水力計算最方便的方式。在較大面積的保護區(qū)內宜采用多立管劃片連接支管,因為太長的橫支管會造成平面上各噴頭前工作壓力差值太大,造成實際流量的分配與理論計算流量分配偏差甚大。多立管劃片連接也避免了無謂的流量轉輸,浪費管材的問題。
管網目前常規(guī)設計是報警閥前環(huán)狀供水,報警閥后枝狀布管。少數工程采用水流指示器后環(huán)狀布管,其觀點是可以節(jié)省管材。但筆者認為,
1.3 報警閥的設置
按消防主管部門意見,報警閥設置位置一般均要求設在地上一層,并靠近消防控制中心;但有時難以實現(xiàn),當被允許設于地下一層時,其水力警鈴必須設于地上一層。當系統(tǒng)最大工作壓力超過1.2MPa時按規(guī)范要求應采取分區(qū)或減壓措施,此時應注意濕式報警閥的選用問題。國產濕式報警閥ZSZ系列,它的最大工作壓力為1.2MPa,ZSS系列最大工作壓力為1.6MPa。一幢高度100m左右的高層建筑其
由于每個報警閥管1~2層或2~3層,盡管報警閥控制噴頭數不超過800只,但這種水平向控制方式會帶來噴水的不均勻性,應采取必要的樓層水平的減壓措施,這點往往被設計者所忽視。
現(xiàn)行實際工程中,對
1.4
筆者在香港見到許多建筑無論層數多少,裝修標準如何,整個建筑內部除了不能用水保護的場所外,幾乎是“滿天星”布置,如:自動扶梯下、垃圾道上方、電梯頂部、人梯坡道下僅有1m~2m高度的小空間均布滿了噴頭。因為
1.5 防火卷簾加密噴頭獨立系統(tǒng)的保護
現(xiàn)行《高規(guī)》第5.4.4條規(guī)定:“采用防火卷簾代替防火墻時,其防火卷簾應符合防火墻耐火極限的判定條件或在其兩側設閉式
據筆者了解,全國各地在執(zhí)行此條文規(guī)定時爭論不休,希望有個明確定論以便執(zhí)行。
2 CO2氣體滅火系統(tǒng)設計
我國目前所采用的氣體滅火系統(tǒng),主要為鹵代烷1211、1301及CO2滅火系統(tǒng)。
就國內目前技術、經濟狀況而言,CO2被認為是一種較理想的滅火劑。因為CO2是一種不導電、能夠撲救多種類型火災的物質,且CO2來源方便,價格便宜。因此,被廣泛用于保護圖書、檔案、珍貴文物、貴重
CO2系統(tǒng)的應用主要為封閉空間的全淹沒系統(tǒng)(局部系統(tǒng)應用極少),且大部分都是采用高壓CO2滅火系統(tǒng)(高壓儲壓為5.17MPa)。低壓CO2系統(tǒng)工程實例極少(低壓儲壓為2.07MPa),以上均按環(huán)境溫度21℃時計算。
CO2是一種以液態(tài)儲存、氣態(tài)釋放的氣液兩相滅火劑。目前我國已有不少廠家均有其獨自的配套產品,各廠家生產的瓶頭閥、啟動器、噴嘴、儲罐的稱重機構均不相同。當設計中認定采用某廠家產品時一定要配套采用,并應對儲罐的儲存壓力、充裝密度、噴嘴性能參數等加以核算。
高壓CO2系統(tǒng)設計中以下技術問題應予以重視。
2.1 均衡系統(tǒng)設計
為使防護區(qū)內各部位空間能盡快達到設計濃度和簡化管網的流體水力計算要求,CO2滅火系統(tǒng)和鹵代烷1301等滅火系統(tǒng)一樣,其管網布置力求做到均衡。均衡系統(tǒng)的要求:(a)各噴嘴的平均設計質量流量應完全相等;(b)從儲存容器到各噴嘴的管道(或管道等效長度)應大于最長管道(或最長管道等效長度)的90%,即從儲罐到各噴嘴之間,各管道或等效管道之長度相差不應超過10%。均衡系統(tǒng)的管網布置見圖1。
圖1
不符合上述規(guī)定的均為非均衡系統(tǒng),例如:電子計算機房及某些不規(guī)則保護區(qū)內的設計管網系統(tǒng)難以做到均衡布置。在較大防護空間里非均衡系統(tǒng)可以劃分成幾組,每組形成均衡系統(tǒng)見圖2。但由于CO2滅火劑的氣、液兩相的特性。一般不采用四通分流,因為四通分流出口多,容易引起各支管流體密度差,難以控制流量分配。采用三通分流時,三通分流出口應水平設置,這是為防止氣、液兩相流體的不穩(wěn)定而分離。如果三通有一個分流出口垂直布置時,則會造成較多氣體向上分流而較多液體向下分流,使兩個出口的實際流量和設計流量發(fā)生偏差,見圖3。這一點在管網設計中應特別注意。
圖2
圖3
2.2 管網阻力
按《二氧化碳氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》有關規(guī)定,由于CO2是一種氣、液兩相流,管網的水力計算非常復雜,采用任何一種計算方法,均應滿足兩點要求:(1)每個噴嘴的平均設計質量流量均應相等;(2)噴嘴的入口壓力不應小于1.4MPa。為達到上述要求,規(guī)范推薦兩種計算方法,一是圖解法,一是公式計算法。從計算比較和天津消防科研所多年從事研究的結果均認為用圖解法計算誤差較大,一般不推薦使用;按公式計算誤差雖小些,但計算繁瑣,也急待進一步研究探討。
2.3 系統(tǒng)管徑的確定
CO2滅火劑釋放時由于壓力降低及周圍環(huán)境溫度較高,管內液態(tài)CO2會急劇蒸發(fā)。蒸發(fā)過程是吸熱過程,且CO2的固態(tài)點和液態(tài)點較接近,有可能造成在管道某處形成干冰(即固態(tài)CO2),堵塞管道。CO2不能按設計流量噴出,堵在管內的CO2液體繼續(xù)膨脹,壓力不斷增加,可能引起管道爆炸。這種現(xiàn)象在低壓CO2系統(tǒng)中更容易發(fā)生,這是比較危險的。為避免此類事故發(fā)生:(1)設計管網時應裝設泄壓閥,封閉管段的泄壓壓力為15MPa±0.75MPa。(2)管網設計計算的環(huán)境溫度,高壓CO2系統(tǒng)定為21℃,因此管網設計計算時所涉及的一系列參數,如儲存壓力噴嘴的流量特性,管道內壓力損失等均應取21℃時的數值。CO2儲罐間內環(huán)境溫度不宜過高,規(guī)范規(guī)定應保持在0℃~49℃,并保持干燥和通風良好,避免陽光直接照射。更不能將儲罐間當臨時庫房堆積物品。(3)CO2管道斷面設計不應過小,按規(guī)范推薦的估算法公式
式中D——初選管道內徑,mm;
Q——管道的設計流量,kg/min。
初定管徑然后一定要核算壓力降,高壓CO2系統(tǒng)在環(huán)境溫度21℃時儲罐壓力為5.17MPa,噴嘴的入口壓力不應小于1.40MPa。對于較小防護區(qū),管路很短,為了充分利用壓力降而把管徑斷面設計得很小的做法是不可取的。因為過小的管道斷面CO2滅火劑就不能按設計質量流量通過,并按規(guī)定的噴射時間噴出,則防護空間達不到CO2設計濃度,影響滅火效果,也易于發(fā)生事故。
2.4 控制要求
CO2滅火系統(tǒng)的工作原理為防護區(qū)內火災探測器動作將火災信號送至報警控制盤。若是一種或是一路火災信號,則報警控制盤只發(fā)出火災警報;若是兩種或是兩路火災信號時,一方面將火災信號送至消防控制中心,一方面向執(zhí)行控制盤發(fā)出啟動指令。執(zhí)行控制盤則向防護區(qū)發(fā)出聲光警報以提醒在場人員盡快撤離現(xiàn)場,并經延時(一般延時30s)后啟動電磁閥執(zhí)行釋放滅火劑的操作。
防護區(qū)內火災探測器應設置兩種類型或是兩路同一類型的探測器,目的是為了防止因產品質量或是環(huán)境影響可能發(fā)生的誤報。
執(zhí)行控制盤還具有緊急切斷、人工啟動、聯(lián)動控制、狀態(tài)顯示等功能。
緊急切斷功能:當執(zhí)行控制盤發(fā)出火災報警,開始滅火程序延時時,如發(fā)現(xiàn)是誤報,可按下設在防護區(qū)出口的緊急切斷按鈕,即可中止滅火程序的執(zhí)行。
人工啟動功能:當值班人員發(fā)現(xiàn)火警而火災探測器沒有報警,可按下設在防護區(qū)出口處的人工緊急啟動按鈕,直接啟動滅火系統(tǒng)噴射滅火劑。
聯(lián)動控制功能:執(zhí)行控制盤均帶有信號輸出接點,接到火警信號后,立即閉合接點以切斷風機,關閉門、窗、防火閥等。
防護區(qū)出口處除設置緊急切斷按鈕和人工啟動按鈕外,還應設置自動/手動開關轉換器釋放信號器。當防護區(qū)有人在運作時,釋放滅火劑的執(zhí)行機構應打在手動位置以防意外噴放對人員的傷害;當防護區(qū)內無人時再轉換至自動控制位置。防護區(qū)出口處的釋放信號器可以只是光信號(如:指示燈、閃光燈等)或只是聲信號(如:警鈴、轟鳴器等)或是兩者并設,主要是顯示防護區(qū)正在釋放滅火劑,告誡人們不要隨便進入防護區(qū)以免受到傷害。
2.5 低壓CO2滅火系統(tǒng)的應用
國內低壓CO2滅火系統(tǒng)的應用尚不多見,因低壓CO2液體本身的儲存溫度為-18℃,系統(tǒng)日常維護工作量大,維護費用高,系統(tǒng)管理非常嚴格,電源要有充分保證。它不僅報警控制系統(tǒng)要求可靠電源,系統(tǒng)本身帶有一個冷凍柜也要求有可靠電源。一旦電源有故障儲罐內CO2液體溫度會逐漸升高,氣態(tài)CO2不斷從跑氣管排出,所以要求每天定期檢查,嚴格管理。
3 新型滅火劑的應用
CO2滅火系統(tǒng)由于其滅火設計濃度大,所需鋼瓶數量多,因此設備的維護保養(yǎng)費高,特別是低壓CO2系統(tǒng)。同時CO2系統(tǒng)在釋放噴射時產生的“激冷”和噴射后形成的“結露”現(xiàn)象會對電子設備造成損害,CO2的窒息作用對人體有致命危害。CO2氣體釋放前人員必須離開現(xiàn)場,34%以上濃度會使人窒息死亡,因此對經常有人停留或工作的場所不宜使用,因而尋找更安全、更可靠的新型滅火劑就成為當今氣體消防設計技術的新課題。
新型滅火劑應是一種毒性低、對人體無危害、滅火性能好,滅火濃度低,滅火后對周圍環(huán)境不產生影響的滅火劑,多年來美、英等國作了大量研究開發(fā)工作,如美國大湖化工公司開發(fā)并生產了新型滅火劑FM-200,定名為七氟丙烷氣(HFC227ea)。FM-200是被美國NFPA-2001標準正式認可的11種潔凈氣體滅火劑中的一種。英國科藝保安防火工程有限公司花費大量費用評估和測試了多種氣體滅火劑,認為FM-200符合上述要求,所以生產了配套設備,并向用戶提供整套滅火系統(tǒng)。目前在英國和香港地區(qū)應用較多。
3.1 FM-200滅火劑
FM-200是一種無色、無味的氣體,在強壓(2.5MPa)下液態(tài)儲存,在20℃環(huán)境溫度下其設計體積濃度為7%。它本身不導電,對電信、電子
它的釋放機構元件包括:
(1) 瓶頭閥:安裝在氣瓶出口處,控制FM-200氣體釋放;
(2) 電磁閥:連接在瓶頭閥一側,接收電訊號后啟動瓶頭閥內氣鼓,推動瓶頭閥內活塞,促使氣體釋放;
(3) 手動釋放閥:萬一電磁閥失靈,用手動釋放;
(4) 氣動閥:可代替電磁閥使用,也可與電磁閥配套使用;
(5) 止回閥:安裝在瓶頭閥與集氣管之間,防止氣體回流。
FM-200氣體滅火系統(tǒng)用氣量計算如下式。
式中W——用氣量,kg;
V——防護區(qū)體積,m3;
C——設計濃度,%;
S——氣化體積,m3/kg。
FM-200滅火系統(tǒng)在20℃環(huán)境溫度下,設計體積濃度為7%,就足以撲滅一般火情,噴射時間不大于10s。
科藝公司制定計算表,使計算更趨簡單化,摘錄部分計算表(見表1)供參考應用。
表1 計算表
溫度/℃氣化體積
S
設計濃度/%
6789101112氣體比重/kg/m3 50.129 40.493 20.581 60.671 90.764 20.858 60.955 01.053 71 00.132 00.483 40.570 00.658 50.749 00.841 40.936 01.032 71 50.134 70.474 00.558 90.645 70.734 40.825 10.917 81.012 62 00.137 30.465 00.548 60.633 50.720 50.809 40.900 40.993 42 50.139 90.456 40.538 20.621 70.707 10.794 40.883 70.975 03 00.142 50.448 10.528 40.610 40.694 30.780 00.867 60.957 33 50.145 00.440 10.519 00.599 60.681 90.766 10.852 20.940 2 依據表1,確定設計使用溫度(通常20℃)和設計濃度后,則FM-200氣體所需重量=防護區(qū)體積×氣體比重,計算非常簡便。
目前科藝公司生產的氣瓶全部為2.5MPa等級,鋼瓶容量為6.5L、13.0L、25.5L、52L、106L、147L、180L,藥劑充裝量可達100%。
由于FM-200的滅火設計濃度不高,7%足以撲滅一般火災。因此對于同樣保護對象,相同防護區(qū)體積情況下,F(xiàn)M-200所需鋼瓶數量略多于1301氣體,但比設計濃度高達37%以上的CO2系統(tǒng)要少得多,鋼瓶站占用面積也少得多。
盡管FM-200具有上述優(yōu)點和特性,也已在實際工程中作了大量應用,但它也存在:①滅火劑藥價太高,比1301貴2倍多,整個系統(tǒng)投資約為1301系統(tǒng)的3倍;②大量的FM-200氣體進入空氣也會像CO2一樣產生一定的溫室效應;③當FM-200濃度在5%~10%時,人員停留時間不可超過1min。
我國公安部消防局和消防產品行業(yè)管理辦公室以公消[1996]169號文向各省、市、自治區(qū)、直轄市、公安廳(局)、消防局發(fā)出“關于印發(fā)哈龍?zhí)娲吠茝V應用的規(guī)定的通知”:……2000年以前不引進上述11種中的HCFC、HBFC、PFC的鹵代烷哈龍?zhí)娲贰τ趹O置氣體滅火系統(tǒng)的場所推薦使用CO2、惰性氣體、也可用HFC227ea(FM-200)滅火系統(tǒng)。
3.2 惰性氣體煙烙盡(INERGEN)
由美國安素(ANSUL)消防公司根據美國NF PA-2001標準“清潔藥劑滅火系統(tǒng)”的有關要求,設計和安裝了煙烙盡滅火系統(tǒng),美國工廠聯(lián)合研究所也對煙烙盡藥劑的有關性能作了試驗,煙烙盡是美國NFPA-2001標準認可的11種清潔滅火劑中的一種。
煙烙盡能用于撲救多種類型的火災,它的藥劑是由3種自然界的氣體的混合物所組成:即氮氣52%、氬氣40%、二氧化碳8%,簡稱IG541。
煙烙盡氣體是通過把空氣中氧氣濃度降低到它不能支持燃燒而撲滅火災的。大氣中通常氧氣含量在21%左右,二氧化碳含量小于1%,如果氧氣含量降到15%以下,大部分普通可燃燒物就會中止燃燒。而煙烙盡藥劑能把空氣中的氧氣含量降到12.5%,把二氧化碳上升到4%。二氧化碳濃度的增加,加快了人的呼吸速率和人體吸收氧的能力,因此在保護區(qū)釋放IG541滅火劑的情況下,人員仍可滯留在場內正常呼吸,對人體沒有危害。又因為它是由大氣中存在的氣體混合所得,所以沒有
由于IG541氣體的比重與空氣基本相同,可在較長時間保持滅火濃度。它在容器中以氣態(tài)儲存,噴射時沒有氣、液間能量轉換,噴頭開放時氣體暢通無阻噴放,不會產生危險。由于它是氣體單相流動,因此保護距離大,可達100多m,適合于高層建筑中較分散的防護區(qū)實行組合分配系統(tǒng)保護(一個控制柜可以帶動8個防護區(qū))。
煙烙盡系統(tǒng)目前在上海、北京、大連均有應用,尤其是上海應用實例更多,它的系統(tǒng)組成和控制要求與其他氣體滅火系統(tǒng)基本相同。
目前由于我國尚無煙烙盡滅火系統(tǒng)設計的有關規(guī)范規(guī)定及技術安裝要求,因此現(xiàn)行工程應用均為進口全套設備,包括廠商設計、安裝、調試開通。按公安部169號文的精神,我國在2000年之前不會引進生產線,目前國內僅有幾家經銷廠在推銷IG541滅火系統(tǒng)配套產品,主要都是引進美國安素公司的全套產品。
IG541滅火系統(tǒng)主要設計參數:防護區(qū)環(huán)境設計溫度:21℃;鋼瓶間溫度范圍應為0℃~54℃;最小設計濃度:37.5%;
經常有人停留場所最大設計濃度:42.8%;
噴嘴安裝高度最大為3.7m;每個噴嘴保護面積9.8m×9.8m;90%藥劑的噴放時間應該大于23s,噴放時間隨設計濃度而變化,最大不超過80s;
噴嘴最小壓力:2.2MPa;
集流管孔板與進口管道直徑之比應該為最小20%,最大49%,從孔板到第一個三通
(注:為限制煙烙盡藥劑的流動在分配管網中需要安裝孔板以減小孔板下游的藥劑壓力。)
孔板的孔徑是根據水力計算來確定的。煙烙盡藥劑用量計算可使用下面公式。
式中X——所需煙烙盡藥劑量;
S=9.726 1+0.021 1×T;
T——防護區(qū)內預期最低溫度,60?;
C——煙烙盡容積百分比濃度,%;
V——防護區(qū)凈容積,ft3;
Vs——70°F時比容,Vs=11.209 3ft3/lb。
由于我國目前尚無煙烙盡滅火系統(tǒng)的有關規(guī)范、規(guī)定及技術安裝要求,系統(tǒng)投資較大,據初步計算比較約為1301系統(tǒng)的1.35倍,其推廣應用受到一定限制。上海、北京、大連等地的應用實踐將為煙烙盡系統(tǒng)在我國的推廣應用奠定基礎。
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廈門中建東北設計院
電話:(0592)5051670
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