混合气体灭火系统(IG541)的管网流动计算方法

　　混合气体灭火系统(IG541)的管网流动计算方法

　　I541混合气体对大气臭氧层没有损耗，对地球没有“温室效应”影响，而且这种混合气体无毒、无色、无腐蚀、不导电，既不支持燃烧，又不与大部分物质反应， ODP=0，温室效应潜能值 GWP=0，温室效应潜能值 GWP=0，其灭火机理是将燃烧区中氧的浓度降到维持燃烧所需最低氧浓度以下，从而实现高效灭火。这种灭火剂已广泛使用，并列入 GB 503702005 《气体灭火系统设计规范》。笔者结合消防监督实践 ,研究了该灭火系统灭火剂在其喷射过程中的可压缩流体释放过程 ,喷射介质在管网流动过程为亚音速减压膨胀流动、音速减压膨胀流动过程等相关工况 ,经过计算发现一些值得商榷的问题。

　　1　可压缩气体流动

　　GB 50370 - 2005 中计算方法总体思路是 ,选定一初始压力 P1 ( 公式 3. 4. 8 4) , 指定一流量 Qw ( 公式为 3. 4. 8 1、3. 4. 8 2) ,令其与 P1 对应 ,代入气体管道流动方程(公式 3. 4. 87) 计算管网中指定段管道(孔板以后) 沿程各截面的压力及出口压力 P2 (注 : P2 专指管道出口流体压力 ,与规范中 P2 的意义不同) ,进而确定管网系统中气体流动时有否符合第 3. 4. 9 条所列条件的流动工况点 ,以一组数据( P1 , Qw , P2) 表示 ,认为在 3. 4. 9 条所列条件下流动的此工况点即为管网系统不稳定释放流动整个过程的平均工况点 ,有此工况点的管网系统就是灭火药剂释放速度合格的系统 ,即可以据此设计建造管网。暂时不讨论该计算所得的工况点可否作为平均工况点的问题。

　　这种算法对于不可压缩流体管道流动在任何情况下都是正确的 ,所算得的工况点按设想条件也是会出现的工况点。但是这种算法是否也适合可压缩气体流动 ,则要具体情况具体分析。

　　不可压缩流体管道流动方程见式(1) :

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　　π 2P212

　　P1ρ 1 -

　　8P1

　　Q =(1) λ L 5d

　　D

　　式中 :ρ 为流体密度;λ 为阻力系数;L d 为管道流阻当量长度 ; D 为管道内径。

　　由式(1) 可知 ,不可压缩流体在一个确定的管道系统内流动 ,压力 P 与流量 Q 具有任意一一对应的特点 ,因而其计算可以选定一进口压力 P1 ,指定一 Q 与其对应 , 代入该方程就可算得下游管道任一截面上的压力 ,如管道出口压力 P2 ,这个工况点 ( P1 , Q, P2) 就是一个描述不可压缩流体管道内实在流动的工况点 ,据此可以设计管道系统 ,液化气灭火剂管网的流动计算方法一般是按这种思路做出的 ;可压缩气体在某种条件范围的管道流动也具有该特点 ,即 ,可以选定一进口压力 P1 (对气体还得有密度ρ 1 或温度 T1) ,指定一 Q ,再代入气体流动等方程计算 P2 、ρ 2 ,则这个工况点( P1 、ρ 1 , Q, P2 、ρ 2 ) 也是气体在管道内客观实在流动的工况点 ;而另一种条件范围内的流动 , P1 、ρ 1 与 Q 任意一一对应的这个特点则不复存在 , 这时用指定参数互相对应的算法确定的流动工况点就是一个虚构的工况点 ,描述的将不是气体的实际流动。这个条件范围中的气体流动就不能再用这种指定参数互相对应的算法确定流动工况点了。

　　IG541 这类可压缩气体灭火剂管网的流动计算要注

　　意这个不同于不可压缩流体管道流动计算的特殊问题。

　　GB 50370 - 2005 中导出 IG541 管道流动的核心公式 3.

　　4. 87 的原始方程为《条文说明》中 3. 4. 8 条第 7 款所列的一元稳定管流微分方程 dp +α vdv +λ v2 dl = 0 ,该方程 ρg2 gD

　　式加上连续性方程 Q =ρ A V ( A 为管道内正截面积 ;V 为气体速度) ,气体管道流动过程方程式 ,可选 P = Cρ k ( C 为常数 ,气体管道流动中 K = 1～ K = CP/ CV ; CP 、CV 分别为流动气体的定压比热容与定容比热容 , CP/ CV 为该气体绝热指数) ,可以求解出 P、ρ、V 三个参数。气体流动的初始条件也较易确定 ,所以该方程组有一确定的定解式,见式(2) :

　　π 2P2( K+1) / K1/ 2

　　C1 ·P1ρ 11 -

　　8P1

　　Q =( K+1) / K (2) λ L 5d - C2 ·14 ·lm P2

　　DDP1

　　其中 , C1 = K/ ( K + 1) 、C2 = 2/ ( K + 1) ,不必用规范

　　Fire Science and Technology ,January 2011 ,Vol 30 ,No. 1

　　中的 Y 、Z 将可积函数写成差分式 ,写成差分式会掩盖许多问题 ,如同一个定解式描述了气体在管道中性质完全不同的三种流动 :亚音速减压膨胀流动、音速减压膨胀流动和超音速增压压缩流动 ;再比如 ,对 IG541 管道流动最有指导意义的亚音速减压膨胀流动和音速减压膨胀流动的本质差别也会被完全掩盖。

　　上述选定一 P1 、指定一 Q、令其对应并代入相应公式计算 P2 的方法 ,只适合于气体的亚音速减压膨胀流动 , 并且对于接近音速的亚音速管道流动 ,此算法只适合于确定流动工况点 ,用来计算与流动时间有关的问题则会有大的误差。原因是管网出口背压 Pb 改变的压力波是以音速向上游传播影响流动的 ,当气体出口速度接近音速时 ,这个压力变动波是以音速减掉出口速度后向压力源处传播的 ,即影响到流量也发生变动的时间比气体低速流动需要的时间长 ,这种流量的不稳定变动过程在计

　　流动,只1b1有1 1唯1 一wm一ax1个1临界21流动2 工m2ax况1点 ( P1 、ρ 1 , Qmax, P3 、算时用气体稳定流动公式3. 4. 8 7是反映不出来的。所以 ,与时间有关的气体流动计算 ,即使是处于亚音速减压膨胀流动范围 ,若气体出口流速接近音速 ,就已经不应运用选定一 P 、指定一 Q、令其对应计算下游管道压力变化的方法。而对于音速减压膨胀流动范围 ,这种指定参数互相对应的计算方法则几乎没有进行正确计算的可能 , 连用来确定某工况点都不行 ,更不用说与时间有关的不稳定流动计算 ,这就是下面接着将叙述的 GB 50370 -

　　2005 规范 3. 4. 8 条存在的第二个问题。

　　2　亚音速流动与音速流动

　　由于没有将管网中惰性气体 IG541 的流量限定在亚音速范围 ,所指定为互相对应用于管网流阻计算的参数值极有可能不是气体流动实际曲线上互相对应的数值。即公式 3. 4. 84 定出的 P 及进而由公式 3. 4. 8 5 算得的 IG541 气体流动动力源压力 P =δ P ,对于所确定的释放背压 P = 0.1MPa 的管网系统极有可能不在亚音速流动范围 ,该动力源压力 P 与公式 3. 4. 8 1、3. 4. 82 算得的平均流量Q就不是公式 3. 4. 87 决定的音速减压膨胀流动范围内互相对应的真实函数值 ,且不对应误差较大 ,会严重超出工程计算允差。这是因为 ,在公式 3. 4. 87决定的整个等音速减压膨胀范围内的气体管道

　　ρ),P、ρ 与Q 是该流动范围内无数个点中唯一的一对可以指定为互相对应的参数值,亚音速减压膨胀流动范围内压力、流量任意一一指定就会正确对应的特点已经不复存在 ,这里极有可能将根本不对应的参数值人为指定成互相对应。P 、ρ为气体流动的临界压力和临界密度,P、ρ 一定 ,不需要知道 Q,只依据管道结构摩擦因素,其值也即一定。对于在音速减压膨胀段的气体管道流动,若选定P 、ρ ,指定一 Q ,用公式 3. 4. 87计算下

　　消防科学与技术2011 年 1 月第30 卷第 1 期

　　游出口压力 P2 ,由上述分析可知 ,将压力、流量两个参数指定互相正确对应的可能性几乎没有 ,所以算得的这个工况点( P1 、ρ 1 ,Q, P2) 不可能是气体临界流动工况点 ,而是一个虚构的工况点 ,不能描述气体的实际流动。从以上分析也可以看出 ,由于管道中气体流量达到了最大值 , 在音速流动范围设计的管网系统会最小、最经济。

　　3.114. 1872压力 1wP 与2流量 2Q 2的(1.145非2- 1线) / 1.性45 w1项1 有好b1 m几ax 项 ,2作w 该1 式上述分析表明 ,IG514 管网系统在公式 3. 4. 8 4 决定的 P 作为动力的作用下 ,是处于亚音速减压膨胀流动还是处于音速减压膨胀流动 ,是可否采用任意指定参数互相对应方法进行流动计算的关键。事实上 ,一级充压、二级充压的 IG541 管网系统的释放流动 ,即使在压力已降到由公式 3. 4. 8 4 算得的 P (还有该规范未列出的ρ 或 T ) 及公式 3. 4. 8 5 算得的 P =δ P 作为初始流动动力的条件下 ,因管网系统释放出口的背压 P 等于当地大气压约 0. 1 MPa ,除极个别内径很大或等效当量长度较短的管道系统外 ,一般管网系统中的灭火惰性气体均处于音速减压膨胀流动范围 ,是不能用选定 P 、指定 Q 任意对应计算下游管道出口 P 的算法的 ;否则 ,需依据管长、管径的不同给出管道中惰性气体 IG541 流量值的限定表 ,在设计管网时限定管道中气体的流量 ,保证 IG541 流动在亚音速范围 ,才可以用这种管道中压力、流量任意对应都是实际流动的计算方法 ,并且管道中 IG541 的流量应离音速较远对所解决的工程问题才合适。不过 ,这样设计的管网系统会很大 ,不经济。部分人员会认为用的是平均流量 Q ,与对应“平均压力”P 的 Q 相差可能不大 ,计算只要在工程允差范围也是可行的。

　　笔者认为这不能妄断。事实上 ,气体稳定流动公式

　　曲线可以发现 ,在临界流动工况点左右一个较大的流动范围内,相应压力比为横轴 ,曲线变化非常平缓 ;相应流量 Q为纵轴 ,曲线变化很陡 ,表明流量不大的变化会导致压力比有较大的变化。平均流量 Q 已与应该代入该式用来计算不稳定流动的实际流量加权均值(注 :见下述问题三)相差较大 ,将其再代入参数为这种变化关系的公式 3. 4. 87 ,计算得到的 P 误差会更大。在所列出的条件下 ,笔者对 GB 50370 - 2005 的条文说明 3. 4 节的举例进行了计算 :当只知孔板后管网系统的流动动力为 P = 2. 576MPa 时 ,还需补充一参数才可以计算气体的流量 , 按该规范计算 IG541 流动中压力降的这两个点的压力 P 及P =δ P 时 ,采用的均是气体绝热膨胀过程 ,那就

　　应补充T = (2. 576/ 15. 1) ×293 = 169. 24 K 才能决定该段管网中 IG541 气体的流量。以 P = 2. 576 MPa,T= 169. 24 K为动力项数据 ,按该规范条文说明附图及提供的这部分管网流阻特性数据 ,用该规范条文说明所列微分方程的定解式进行流动的分析计算 ,这个工况

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　　点的流量应在 20. 76～22. 70 kg/ s 之间 ,与指定的 QW = 16. 110 kg/ s 的误差早已不允许互代。值得一提的是这个 20. 76～22. 70 kg/ s 的计算数据并非通过对整个管网系统的初始入口流动动力条件及总流阻特性数据计算所得 ,依据提供的条件 ,只能这样计算这部分管网流阻特性决定的流量 ,至于是否符合所列条件下 IG541 管网中该时刻的实际流量 ,则不得而知 ;可以知道的是 : T = 169. 24 K肯定不是气体流动中管网该点压力降至 2. 576 MPa 时该点气体的温度 ,但此值是按该规范求该点参数的算法得出的。

　　3　简化处理原则

　　用 GB 50370 - 2005 规范中公式 3. 4. 8 1 和 3. 4. 8 4 确定的“平均”值和“平均”状态 ,二者只是趋向一致 ,与符合管网系统气体不稳定流动际的“流量加权均值”或与其对应的“压力加较大 ,同样大大超出工程计算允差。将气体式

　　41 管网系统的严重流 ,Q 在音速段释放和放

　　可1以1有许22 多1 种结1两式 3. 4. 8 1 确定的;

　　网系统结构 ,通过程

　　3.方程上对应的压力值

　　P 及 P =δ P。的原则 ,应该是认为间性不稳定关系 ;公确出前二分之一药剂流时间相等 ,实质也P 线性不稳定关系。化离 IG541 管网系统流为实际不稳定流动值与 P 对应则更是

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　　妥之处 :公式 3. 4.明统药剂量取出某余网 ,又有部分跑到网前的压力 P ;并不中

　　分之一时孔板前的这有大问题 ,问题出在有求取 ,这就有了两流。因为公式中的 V结

　　上的孔板前管道结不不一样的管网系统分同一管网设置孔板板差较大。这两点是个管长 Ld 相差较大的网结构 ,而 L d/ D 是决定流量 Q 的关键因素之一 ,这些管网的流动就不同了。但是 ,只要孔板后的管网相同 ,孔板前管网结构虽不同 ,V 1 却是可以相等的 , P1 就相等 ,则以孔板后的管网进行流动计算的结果就完全是相等的。这显然不合理。这也说明 ,只计算部分段管网流阻的设计计算思路是否合适值得考虑。二是流动一样 ,计算却不一样。对于将孔板用来分流的管网系统 ,即几何结构极不平衡的管网 ,加装孔板后可以设计成流动为平衡系统的流动 ,与几何结构也为平衡系统的流动相同。但是 ,因为 V 1 相差非常大 , P1 就不相等 ,这两种管网计算时流动就完全不一样。这显然也不合理。

　　5　阻力计算

　　GB 50370 - 2005 规范第 3. 4. 8 条选定只计算部分管段流阻不适当。该条第 7 款规定阻力损失宜从减压孔板后算起 ,不考虑孔板前管网结构的影响极不合理 ,因为局部阻力损失非常大的容器阀、导流管、单向阀、集流管、选择阀等均在孔板前 ,该项阻力特性很可能会是整个管网系统总阻力特性的主项 ;当然是与不是 ,要以计算决定 ,但至少占相当大份量 ,其对药剂释放时间的影响可能会比孔板之后的串、并联管网要大 ,所以这样区分主次因素的表征性算法值得商榷。ISO/ CD14520 - 1 国际标准中 2. 3. 2. 1 款的规定应该是针对管道强度计算的规定。