　　混合氣體滅火系統(tǒng)(IG541)的管網(wǎng)流動(dòng)計(jì)算方法

　　I541混合氣體對(duì)大氣臭氧層沒(méi)有損耗，對(duì)地球沒(méi)有“溫室效應(yīng)”影響，而且這種混合氣體無(wú)毒、無(wú)色、無(wú)腐蝕、不導(dǎo)電，既不支持燃燒，又不與大部分物質(zhì)反應(yīng)， ODP=0，溫室效應(yīng)潛能值 GWP=0，溫室效應(yīng)潛能值 GWP=0，其滅火機(jī)理是將燃燒區(qū)中氧的濃度降到維持燃燒所需最低氧濃度以下，從而實(shí)現(xiàn)高效滅火。這種滅火劑已廣泛使用，并列入 GB 503702005 《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》。筆者結(jié)合消防監(jiān)督實(shí)踐 ,研究了該滅火系統(tǒng)滅火劑在其噴射過(guò)程中的可壓縮流體釋放過(guò)程 ,噴射介質(zhì)在管網(wǎng)流動(dòng)過(guò)程為亞音速減壓膨脹流動(dòng)、音速減壓膨脹流動(dòng)過(guò)程等相關(guān)工況 ,經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)一些值得商榷的問(wèn)題。

　　1　可壓縮氣體流動(dòng)

　　GB 50370 - 2005 中計(jì)算方法總體思路是 ,選定一初始?jí)毫?P1 ( 公式 3. 4. 8 4) , 指定一流量 Qw ( 公式為 3. 4. 8 1、3. 4. 8 2) ,令其與 P1 對(duì)應(yīng) ,代入氣體管道流動(dòng)方程(公式 3. 4. 87) 計(jì)算管網(wǎng)中指定段管道(孔板以后) 沿程各截面的壓力及出口壓力 P2 (注 : P2 專指管道出口流體壓力 ,與規(guī)范中 P2 的意義不同) ,進(jìn)而確定管網(wǎng)系統(tǒng)中氣體流動(dòng)時(shí)有否符合第 3. 4. 9 條所列條件的流動(dòng)工況點(diǎn) ,以一組數(shù)據(jù)( P1 , Qw , P2) 表示 ,認(rèn)為在 3. 4. 9 條所列條件下流動(dòng)的此工況點(diǎn)即為管網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定釋放流動(dòng)整個(gè)過(guò)程的平均工況點(diǎn) ,有此工況點(diǎn)的管網(wǎng)系統(tǒng)就是滅火藥劑釋放速度合格的系統(tǒng) ,即可以據(jù)此設(shè)計(jì)建造管網(wǎng)。暫時(shí)不討論該計(jì)算所得的工況點(diǎn)可否作為平均工況點(diǎn)的問(wèn)題。

　　這種算法對(duì)于不可壓縮流體管道流動(dòng)在任何情況下都是正確的 ,所算得的工況點(diǎn)按設(shè)想條件也是會(huì)出現(xiàn)的工況點(diǎn)。但是這種算法是否也適合可壓縮氣體流動(dòng) ,則要具體情況具體分析。

　　不可壓縮流體管道流動(dòng)方程見(jiàn)式(1) :

　　46

　　π 2P212

　　P1ρ 1 -

　　8P1

　　Q =(1) λ L 5d

　　D

　　式中 :ρ 為流體密度;λ 為阻力系數(shù);L d 為管道流阻當(dāng)量長(zhǎng)度 ; D 為管道內(nèi)徑。

　　由式(1) 可知 ,不可壓縮流體在一個(gè)確定的管道系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng) ,壓力 P 與流量 Q 具有任意一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn) ,因而其計(jì)算可以選定一進(jìn)口壓力 P1 ,指定一 Q 與其對(duì)應(yīng) , 代入該方程就可算得下游管道任一截面上的壓力 ,如管道出口壓力 P2 ,這個(gè)工況點(diǎn) ( P1 , Q, P2) 就是一個(gè)描述不可壓縮流體管道內(nèi)實(shí)在流動(dòng)的工況點(diǎn) ,據(jù)此可以設(shè)計(jì)管道系統(tǒng) ,液化氣滅火劑管網(wǎng)的流動(dòng)計(jì)算方法一般是按這種思路做出的 ;可壓縮氣體在某種條件范圍的管道流動(dòng)也具有該特點(diǎn) ,即 ,可以選定一進(jìn)口壓力 P1 (對(duì)氣體還得有密度ρ 1 或溫度 T1) ,指定一 Q ,再代入氣體流動(dòng)等方程計(jì)算 P2 、ρ 2 ,則這個(gè)工況點(diǎn)( P1 、ρ 1 , Q, P2 、ρ 2 ) 也是氣體在管道內(nèi)客觀實(shí)在流動(dòng)的工況點(diǎn) ;而另一種條件范圍內(nèi)的流動(dòng) , P1 、ρ 1 與 Q 任意一一對(duì)應(yīng)的這個(gè)特點(diǎn)則不復(fù)存在 , 這時(shí)用指定參數(shù)互相對(duì)應(yīng)的算法確定的流動(dòng)工況點(diǎn)就是一個(gè)虛構(gòu)的工況點(diǎn) ,描述的將不是氣體的實(shí)際流動(dòng)。這個(gè)條件范圍中的氣體流動(dòng)就不能再用這種指定參數(shù)互相對(duì)應(yīng)的算法確定流動(dòng)工況點(diǎn)了。

　　IG541 這類可壓縮氣體滅火劑管網(wǎng)的流動(dòng)計(jì)算要注

　　意這個(gè)不同于不可壓縮流體管道流動(dòng)計(jì)算的特殊問(wèn)題。

　　GB 50370 - 2005 中導(dǎo)出 IG541 管道流動(dòng)的核心公式 3.

　　4. 87 的原始方程為《條文說(shuō)明》中 3. 4. 8 條第 7 款所列的一元穩(wěn)定管流微分方程 dp +α vdv +λ v2 dl = 0 ,該方程 ρg2 gD

　　式加上連續(xù)性方程 Q =ρ A V ( A 為管道內(nèi)正截面積 ;V 為氣體速度) ,氣體管道流動(dòng)過(guò)程方程式 ,可選 P = Cρ k ( C 為常數(shù) ,氣體管道流動(dòng)中 K = 1～ K = CP/ CV ; CP 、CV 分別為流動(dòng)氣體的定壓比熱容與定容比熱容 , CP/ CV 為該氣體絕熱指數(shù)) ,可以求解出 P、ρ、V 三個(gè)參數(shù)。氣體流動(dòng)的初始條件也較易確定 ,所以該方程組有一確定的定解式,見(jiàn)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) ,不必用規(guī)范

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

　　中的 Y 、Z 將可積函數(shù)寫(xiě)成差分式 ,寫(xiě)成差分式會(huì)掩蓋許多問(wèn)題 ,如同一個(gè)定解式描述了氣體在管道中性質(zhì)完全不同的三種流動(dòng) :亞音速減壓膨脹流動(dòng)、音速減壓膨脹流動(dòng)和超音速增壓壓縮流動(dòng) ;再比如 ,對(duì) IG541 管道流動(dòng)最有指導(dǎo)意義的亞音速減壓膨脹流動(dòng)和音速減壓膨脹流動(dòng)的本質(zhì)差別也會(huì)被完全掩蓋。

　　上述選定一 P1 、指定一 Q、令其對(duì)應(yīng)并代入相應(yīng)公式計(jì)算 P2 的方法 ,只適合于氣體的亞音速減壓膨脹流動(dòng) , 并且對(duì)于接近音速的亞音速管道流動(dòng) ,此算法只適合于確定流動(dòng)工況點(diǎn) ,用來(lái)計(jì)算與流動(dòng)時(shí)間有關(guān)的問(wèn)題則會(huì)有大的誤差。原因是管網(wǎng)出口背壓 Pb 改變的壓力波是以音速向上游傳播影響流動(dòng)的 ,當(dāng)氣體出口速度接近音速時(shí) ,這個(gè)壓力變動(dòng)波是以音速減掉出口速度后向壓力源處傳播的 ,即影響到流量也發(fā)生變動(dòng)的時(shí)間比氣體低速流動(dòng)需要的時(shí)間長(zhǎng) ,這種流量的不穩(wěn)定變動(dòng)過(guò)程在計(jì)

　　流動(dòng),只1b1有1 1唯1 一wm一ax1個(gè)1臨界21流動(dòng)2 工m2ax況1點(diǎn) ( P1 、ρ 1 , Qmax, P3 、算時(shí)用氣體穩(wěn)定流動(dòng)公式3. 4. 8 7是反映不出來(lái)的。所以 ,與時(shí)間有關(guān)的氣體流動(dòng)計(jì)算 ,即使是處于亞音速減壓膨脹流動(dòng)范圍 ,若氣體出口流速接近音速 ,就已經(jīng)不應(yīng)運(yùn)用選定一 P 、指定一 Q、令其對(duì)應(yīng)計(jì)算下游管道壓力變化的方法。而對(duì)于音速減壓膨脹流動(dòng)范圍 ,這種指定參數(shù)互相對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法則幾乎沒(méi)有進(jìn)行正確計(jì)算的可能 , 連用來(lái)確定某工況點(diǎn)都不行 ,更不用說(shuō)與時(shí)間有關(guān)的不穩(wěn)定流動(dòng)計(jì)算 ,這就是下面接著將敘述的 GB 50370 -

　　2005 規(guī)范 3. 4. 8 條存在的第二個(gè)問(wèn)題。

　　2　亞音速流動(dòng)與音速流動(dòng)

　　由于沒(méi)有將管網(wǎng)中惰性氣體 IG541 的流量限定在亞音速范圍 ,所指定為互相對(duì)應(yīng)用于管網(wǎng)流阻計(jì)算的參數(shù)值極有可能不是氣體流動(dòng)實(shí)際曲線上互相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。即公式 3. 4. 84 定出的 P 及進(jìn)而由公式 3. 4. 8 5 算得的 IG541 氣體流動(dòng)動(dòng)力源壓力 P =δ P ,對(duì)于所確定的釋放背壓 P = 0.1MPa 的管網(wǎng)系統(tǒng)極有可能不在亞音速流動(dòng)范圍 ,該動(dòng)力源壓力 P 與公式 3. 4. 8 1、3. 4. 82 算得的平均流量Q就不是公式 3. 4. 87 決定的音速減壓膨脹流動(dòng)范圍內(nèi)互相對(duì)應(yīng)的真實(shí)函數(shù)值 ,且不對(duì)應(yīng)誤差較大 ,會(huì)嚴(yán)重超出工程計(jì)算允差。這是因?yàn)?,在公式 3. 4. 87決定的整個(gè)等音速減壓膨脹范圍內(nèi)的氣體管道

　　ρ),P、ρ 與Q 是該流動(dòng)范圍內(nèi)無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)中唯一的一對(duì)可以指定為互相對(duì)應(yīng)的參數(shù)值,亞音速減壓膨脹流動(dòng)范圍內(nèi)壓力、流量任意一一指定就會(huì)正確對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)已經(jīng)不復(fù)存在 ,這里極有可能將根本不對(duì)應(yīng)的參數(shù)值人為指定成互相對(duì)應(yīng)。P 、ρ為氣體流動(dòng)的臨界壓力和臨界密度,P、ρ 一定 ,不需要知道 Q,只依據(jù)管道結(jié)構(gòu)摩擦因素,其值也即一定。對(duì)于在音速減壓膨脹段的氣體管道流動(dòng),若選定P 、ρ ,指定一 Q ,用公式 3. 4. 87計(jì)算下

　　消防科學(xué)與技術(shù)2011 年 1 月第30 卷第 1 期

　　游出口壓力 P2 ,由上述分析可知 ,將壓力、流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)指定互相正確對(duì)應(yīng)的可能性幾乎沒(méi)有 ,所以算得的這個(gè)工況點(diǎn)( P1 、ρ 1 ,Q, P2) 不可能是氣體臨界流動(dòng)工況點(diǎn) ,而是一個(gè)虛構(gòu)的工況點(diǎn) ,不能描述氣體的實(shí)際流動(dòng)。從以上分析也可以看出 ,由于管道中氣體流量達(dá)到了最大值 , 在音速流動(dòng)范圍設(shè)計(jì)的管網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)最小、最經(jīng)濟(jì)。

　　3.114. 1872壓力 1wP 與2流量 2Q 2的(1.145非2- 1線) / 1.性45 w1項(xiàng)1 有好b1 m幾ax 項(xiàng) ,2作w 該1 式上述分析表明 ,IG514 管網(wǎng)系統(tǒng)在公式 3. 4. 8 4 決定的 P 作為動(dòng)力的作用下 ,是處于亞音速減壓膨脹流動(dòng)還是處于音速減壓膨脹流動(dòng) ,是可否采用任意指定參數(shù)互相對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算的關(guān)鍵。事實(shí)上 ,一級(jí)充壓、二級(jí)充壓的 IG541 管網(wǎng)系統(tǒng)的釋放流動(dòng) ,即使在壓力已降到由公式 3. 4. 8 4 算得的 P (還有該規(guī)范未列出的ρ 或 T ) 及公式 3. 4. 8 5 算得的 P =δ P 作為初始流動(dòng)動(dòng)力的條件下 ,因管網(wǎng)系統(tǒng)釋放出口的背壓 P 等于當(dāng)?shù)卮髿鈮杭s 0. 1 MPa ,除極個(gè)別內(nèi)徑很大或等效當(dāng)量長(zhǎng)度較短的管道系統(tǒng)外 ,一般管網(wǎng)系統(tǒng)中的滅火惰性氣體均處于音速減壓膨脹流動(dòng)范圍 ,是不能用選定 P 、指定 Q 任意對(duì)應(yīng)計(jì)算下游管道出口 P 的算法的 ;否則 ,需依據(jù)管長(zhǎng)、管徑的不同給出管道中惰性氣體 IG541 流量值的限定表 ,在設(shè)計(jì)管網(wǎng)時(shí)限定管道中氣體的流量 ,保證 IG541 流動(dòng)在亞音速范圍 ,才可以用這種管道中壓力、流量任意對(duì)應(yīng)都是實(shí)際流動(dòng)的計(jì)算方法 ,并且管道中 IG541 的流量應(yīng)離音速較遠(yuǎn)對(duì)所解決的工程問(wèn)題才合適。不過(guò) ,這樣設(shè)計(jì)的管網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)很大 ,不經(jīng)濟(jì)。部分人員會(huì)認(rèn)為用的是平均流量 Q ,與對(duì)應(yīng)“平均壓力”P(pán) 的 Q 相差可能不大 ,計(jì)算只要在工程允差范圍也是可行的。

　　筆者認(rèn)為這不能妄斷。事實(shí)上 ,氣體穩(wěn)定流動(dòng)公式

　　曲線可以發(fā)現(xiàn) ,在臨界流動(dòng)工況點(diǎn)左右一個(gè)較大的流動(dòng)范圍內(nèi),相應(yīng)壓力比為橫軸 ,曲線變化非常平緩 ;相應(yīng)流量 Q為縱軸 ,曲線變化很陡 ,表明流量不大的變化會(huì)導(dǎo)致壓力比有較大的變化。平均流量 Q 已與應(yīng)該代入該式用來(lái)計(jì)算不穩(wěn)定流動(dòng)的實(shí)際流量加權(quán)均值(注 :見(jiàn)下述問(wèn)題三)相差較大 ,將其再代入?yún)?shù)為這種變化關(guān)系的公式 3. 4. 87 ,計(jì)算得到的 P 誤差會(huì)更大。在所列出的條件下 ,筆者對(duì) GB 50370 - 2005 的條文說(shuō)明 3. 4 節(jié)的舉例進(jìn)行了計(jì)算 :當(dāng)只知孔板后管網(wǎng)系統(tǒng)的流動(dòng)動(dòng)力為 P = 2. 576MPa 時(shí) ,還需補(bǔ)充一參數(shù)才可以計(jì)算氣體的流量 , 按該規(guī)范計(jì)算 IG541 流動(dòng)中壓力降的這兩個(gè)點(diǎn)的壓力 P 及P =δ P 時(shí) ,采用的均是氣體絕熱膨脹過(guò)程 ,那就

　　應(yīng)補(bǔ)充T = (2. 576/ 15. 1) ×293 = 169. 24 K 才能決定該段管網(wǎng)中 IG541 氣體的流量。以 P = 2. 576 MPa,T= 169. 24 K為動(dòng)力項(xiàng)數(shù)據(jù) ,按該規(guī)范條文說(shuō)明附圖及提供的這部分管網(wǎng)流阻特性數(shù)據(jù) ,用該規(guī)范條文說(shuō)明所列微分方程的定解式進(jìn)行流動(dòng)的分析計(jì)算 ,這個(gè)工況

　　47

　　點(diǎn)的流量應(yīng)在 20. 76～22. 70 kg/ s 之間 ,與指定的 QW = 16. 110 kg/ s 的誤差早已不允許互代。值得一提的是這個(gè) 20. 76～22. 70 kg/ s 的計(jì)算數(shù)據(jù)并非通過(guò)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的初始入口流動(dòng)動(dòng)力條件及總流阻特性數(shù)據(jù)計(jì)算所得 ,依據(jù)提供的條件 ,只能這樣計(jì)算這部分管網(wǎng)流阻特性決定的流量 ,至于是否符合所列條件下 IG541 管網(wǎng)中該時(shí)刻的實(shí)際流量 ,則不得而知 ;可以知道的是 : T = 169. 24 K肯定不是氣體流動(dòng)中管網(wǎng)該點(diǎn)壓力降至 2. 576 MPa 時(shí)該點(diǎn)氣體的溫度 ,但此值是按該規(guī)范求該點(diǎn)參數(shù)的算法得出的。

　　3　簡(jiǎn)化處理原則

　　用 GB 50370 - 2005 規(guī)范中公式 3. 4. 8 1 和 3. 4. 8 4 確定的“平均”值和“平均”狀態(tài) ,二者只是趨向一致 ,與符合管網(wǎng)系統(tǒng)氣體不穩(wěn)定流動(dòng)際的“流量加權(quán)均值”或與其對(duì)應(yīng)的“壓力加較大 ,同樣大大超出工程計(jì)算允差。將氣體式

　　41 管網(wǎng)系統(tǒng)的嚴(yán)重流 ,Q 在音速段釋放和放

　　可1以1有許22 多1 種結(jié)1兩式 3. 4. 8 1 確定的;

　　網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,通過(guò)程

　　3.方程上對(duì)應(yīng)的壓力值

　　P 及 P =δ P。的原則 ,應(yīng)該是認(rèn)為間性不穩(wěn)定關(guān)系 ;公確出前二分之一藥劑流時(shí)間相等 ,實(shí)質(zhì)也P 線性不穩(wěn)定關(guān)系。化離 IG541 管網(wǎng)系統(tǒng)流為實(shí)際不穩(wěn)定流動(dòng)值與 P 對(duì)應(yīng)則更是

　　4

　　妥之處 :公式 3. 4.明統(tǒng)藥劑量取出某余網(wǎng) ,又有部分跑到網(wǎng)前的壓力 P ;并不中

　　分之一時(shí)孔板前的這有大問(wèn)題 ,問(wèn)題出在有求取 ,這就有了兩流。因?yàn)楣街械?V結(jié)

　　上的孔板前管道結(jié)不不一樣的管網(wǎng)系統(tǒng)分同一管網(wǎng)設(shè)置孔板板差較大。這兩點(diǎn)是個(gè)管長(zhǎng) Ld 相差較大的網(wǎng)結(jié)構(gòu) ,而 L d/ D 是決定流量 Q 的關(guān)鍵因素之一 ,這些管網(wǎng)的流動(dòng)就不同了。但是 ,只要孔板后的管網(wǎng)相同 ,孔板前管網(wǎng)結(jié)構(gòu)雖不同 ,V 1 卻是可以相等的 , P1 就相等 ,則以孔板后的管網(wǎng)進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算的結(jié)果就完全是相等的。這顯然不合理。這也說(shuō)明 ,只計(jì)算部分段管網(wǎng)流阻的設(shè)計(jì)計(jì)算思路是否合適值得考慮。二是流動(dòng)一樣 ,計(jì)算卻不一樣。對(duì)于將孔板用來(lái)分流的管網(wǎng)系統(tǒng) ,即幾何結(jié)構(gòu)極不平衡的管網(wǎng) ,加裝孔板后可以設(shè)計(jì)成流動(dòng)為平衡系統(tǒng)的流動(dòng) ,與幾何結(jié)構(gòu)也為平衡系統(tǒng)的流動(dòng)相同。但是 ,因?yàn)?V 1 相差非常大 , P1 就不相等 ,這兩種管網(wǎng)計(jì)算時(shí)流動(dòng)就完全不一樣。這顯然也不合理。

　　5　阻力計(jì)算

　　GB 50370 - 2005 規(guī)范第 3. 4. 8 條選定只計(jì)算部分管段流阻不適當(dāng)。該條第 7 款規(guī)定阻力損失宜從減壓孔板后算起 ,不考慮孔板前管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響極不合理 ,因?yàn)榫植孔枇p失非常大的容器閥、導(dǎo)流管、單向閥、集流管、選擇閥等均在孔板前 ,該項(xiàng)阻力特性很可能會(huì)是整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力特性的主項(xiàng) ;當(dāng)然是與不是 ,要以計(jì)算決定 ,但至少占相當(dāng)大份量 ,其對(duì)藥劑釋放時(shí)間的影響可能會(huì)比孔板之后的串、并聯(lián)管網(wǎng)要大 ,所以這樣區(qū)分主次因素的表征性算法值得商榷。ISO/ CD14520 - 1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中 2. 3. 2. 1 款的規(guī)定應(yīng)該是針對(duì)管道強(qiáng)度計(jì)算的規(guī)定。

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