自动消防设计有关技术探讨
更新时间:2014-06-29 17:53:43 来源: 作者: 浏览:676次 评论:0条
导读：Design of Automatic Sprinkling Fire SystemPan 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 ..
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.
一座现代化、智能化的多功能建筑，均是投资规模大、内部装修标准高、建筑使用功能复杂，并具有一定政治或经济影响的建筑。随着我国经济改革的深入发展，这样的建筑会愈来愈多，建筑设计技术要求也会愈来愈高，尤其是建筑的防火安全设计。
建筑防火安全设计是一门综合性科学，也是多专业密切配合的共同结晶。无论采用何种防火、控火、灭火手段，其目的都是为了迅速有效地扑灭火灾或将火灾控制在最小范围内，使火灾造成的损失最小，特别是人的生命财产安全应得到最有效的保护。
给排水专业所承担的建筑防火设计任务都是直接参与扑灭或控制火灾发展的，因此采用何种灭火设计方案、技术措施都应持谨慎态度。本文就以水、气体为灭火剂的自动消防系统设计的有关技术问题作以下方面探讨。
1 自动喷水灭火系统设计
由于水是最廉价的灭火剂，因此自动喷水灭火系统是最经济的一种自动灭火手段，国内外应用极为普遍，其灭火成功率高，安全经济，管理方便，可以说是世界公认的一种自动灭火手段。
我国从50年代开始至今已有几十年的设计、安装、调试、管理等各方面经验，目前在设计技术，配套产品国产化，控制技术自动化、程序化方面都积累了相当丰富的经验。限于国内经济实力，目前除触点感温式循环预作用系统(技术先进，但造价昂贵)尚不多见外，其他各种类型自动喷水灭火系统被广泛应用，在保护建筑防火安全方面发挥了巨大作用，为了进一步提高设计技术，据笔者所见以下问题尚需进行研究讨论。
1.1 喷头布置
喷头担负着探测火灾和喷水灭火的重要作用，喷头的布置关系着自动喷水灭火系统是否能正常地发挥作用。对于不同建筑危险等级，规范对喷头的间距作了规定限值。有设计者误把此规定值当作布置应采用的间距，从而出现了不管被保护对象及建筑平面尺寸和构造要求如何，一律采用3.6m(中危险级)或4.2m(轻危险级)间距的现象。导致出现喷头贴梁、贴柱安装，或者在不规则建筑平面上，喷头布置零乱，配管纵横交错、杂乱无章等，影响建筑美观及喷头功能的发挥。例如：写字楼、宾馆等的走廊，成行喷头的布置位置与走廊中线相距甚远，很不美观；又如高层建筑的地下车库由于硬性3.6m的布置结果不少喷头都无法布置在停车位的上方；还有大中型商场的设计，随着市场经济的发展，商场规模、销售物品种类等都会时常变化，功能划区时常变动是正常现象，这样的场所喷头就应该结合建筑物的开间布局一块块布置，今后商场无论如何分隔喷头的布置都能满足要求。
1.2 管网布置
管网布置是在喷头布置的基础上进行的，随意性较大。由于管网造价约占整个系统造价的50%～60%，系统规模愈大，这个比值愈高，因此管网的布置直接影响系统的造价。管网又担负着向喷头送水的任务，有个安全供水的要求。
据笔者大量计算比较认为：采用居中进水(即配水支干管与成组喷头支管居中连接)是最经济，也是管网水力计算最方便的方式。在较大面积的保护区内宜采用多立管划片连接支管，因为太长的横支管会造成平面上各喷头前工作压力差值太大，造成实际流量的分配与理论计算流量分配偏差甚大。多立管划片连接也避免了无谓的流量转输，浪费管材的问题。
管网目前常规设计是报警阀前环状供水，报警阀后枝状布管。少数工程采用水流指示器后环状布管，其观点是可以节省管材。但笔者认为，自动喷水灭火系统和消火栓等供水管网情况不同，采用环状布管带来两个问题：(1)最不利点不明确，给水力计算增加许多困难；(2)造成不必要的流量转输，浪费管材而不是节省管材。
1.3 报警阀的设置
按消防主管部门意见，报警阀设置位置一般均要求设在地上一层，并靠近消防控制中心；但有时难以实现，当被允许设于地下一层时，其水力警铃必须设于地上一层。当系统最大工作压力超过1.2MPa时按规范要求应采取分区或减压措施，此时应注意湿式报警阀的选用问题。国产湿式报警阀ZSZ系列，它的最大工作压力为1.2MPa，ZSS系列最大工作压力为1.6MPa。一幢高度100m左右的高层建筑其自动喷水灭火系统的最大工作压力可能超过1.6MPa，此时应结合竖向分区情况，把报警阀往楼层上方移位。
由于每个报警阀管1～2层或2～3层，尽管报警阀控制喷头数不超过800只，但这种水平向控制方式会带来喷水的不均匀性，应采取必要的楼层水平的减压措施，这点往往被设计者所忽视。
现行实际工程中，对自动喷水灭火系统管网大多以估算管径作为设计管径，没有进行必要的核算，因此选泵很盲目。笔者接触到不少工程发现所选水泵的扬程不足以克服整个系统的阻力及保证最不利点喷头工作压力不小于0.1MPa的要求；有的又盲目放大管径造成不必要的浪费，凡此种种均应在克服之列。
1.4 自动喷水灭火系统的保护面
笔者在香港见到许多建筑无论层数多少，装修标准如何，整个建筑内部除了不能用水保护的场所外，几乎是“满天星”布置，如：自动扶梯下、垃圾道上方、电梯顶部、人梯坡道下仅有1m～2m高度的小空间均布满了喷头。因为自动喷水灭火系统是一种投资少、灭火迅速可靠、无毒害的灭火手段，扩大保护范围所增投资极少，却增加了建筑防火的安全度，值得提倡。笔者认为超高层建筑中可取消“小于5.0m2的卫生间可以不设”的限制，达到“满天星”铺设的要求，对于其他高层高级公共建筑亦应适当增加覆盖面以利安全。
1.5 防火卷帘加密喷头独立系统的保护
现行《高规》第5.4.4条规定：“采用防火卷帘代替防火墙时，其防火卷帘应符合防火墙耐火极限的判定条件或在其两侧设闭式自动喷水灭火系统，其喷头间距不应小于2.0m。”
笔者认为值得研究和探讨的问题是：(1)专业厂家目前生产的防火卷帘有两种，一种是普通防火卷帘，这是必须用水予以保护的；另一种是复合式防火卷帘，据厂家介绍及有关部门鉴定：复合式防火卷帘可以不用水保护(价格自然较为昂贵)。如果是采用复合式防火卷帘替代防火墙，还要不要用水保护?(2)条文中既然提出：“……在其两侧设闭式自动喷水灭火系统”，换句话说也就是不一定要采用开式喷头保护，这就涉及到灭火系统的设计流量问题。当防火卷帘总长度较短时，两种计算方法差别不大；当防火卷帘总长度超过50m时，设计秒流量的计算关系重大。如某工程防火卷帘总长度超过100m，按0.5L/(s . m)计算，用水量将超过60L/s，3h总用水量高达650m3。(3)灭火延续时间是否一定要3h，目前少数地区没有采用3h，其依据是什么?
据笔者了解，全国各地在执行此条文规定时争论不休，希望有个明确定论以便执行。
2 CO2气体灭火系统设计
我国目前所采用的气体灭火系统，主要为卤代烷1211、1301及CO2灭火系统。
就国内目前技术、经济状况而言，CO2被认为是一种较理想的灭火剂。因为CO2是一种不导电、能够扑救多种类型火灾的物质，且CO2来源方便，价格便宜。因此，被广泛用于保护图书、档案、珍贵文物、贵重仪器、高低压配电房、柴油发电机房等。
CO2系统的应用主要为封闭空间的全淹没系统(局部系统应用极少)，且大部分都是采用高压CO2灭火系统(高压储压为5.17MPa)。低压CO2系统工程实例极少(低压储压为2.07MPa)，以上均按环境温度21℃时计算。
CO2是一种以液态储存、气态释放的气液两相灭火剂。目前我国已有不少厂家均有其独自的配套产品，各厂家生产的瓶头阀、启动器、喷嘴、储罐的称重机构均不相同。当设计中认定采用某厂家产品时一定要配套采用，并应对储罐的储存压力、充装密度、喷嘴性能参数等加以核算。
高压CO2系统设计中以下技术问题应予以重视。
2.1 均衡系统设计
为使防护区内各部位空间能尽快达到设计浓度和简化管网的流体水力计算要求，CO2灭火系统和卤代烷1301等灭火系统一样，其管网布置力求做到均衡。均衡系统的要求：(a)各喷嘴的平均设计质量流量应完全相等；(b)从储存容器到各喷嘴的管道(或管道等效长度)应大于最长管道(或最长管道等效长度)的90%，即从储罐到各喷嘴之间，各管道或等效管道之长度相差不应超过10%。均衡系统的管网布置见图1。
图1
不符合上述规定的均为非均衡系统，例如：电子计算机房及某些不规则保护区内的设计管网系统难以做到均衡布置。在较大防护空间里非均衡系统可以划分成几组，每组形成均衡系统见图2。但由于CO2灭火剂的气、液两相的特性。一般不采用四通分流，因为四通分流出口多，容易引起各支管流体密度差，难以控制流量分配。采用三通分流时，三通分流出口应水平设置，这是为防止气、液两相流体的不稳定而分离。如果三通有一个分流出口垂直布置时，则会造成较多气体向上分流而较多液体向下分流，使两个出口的实际流量和设计流量发生偏差，见图3。这一点在管网设计中应特别注意。
图2
图3
2.2 管网阻力
按《二氧化碳气体灭火系统设计规范》有关规定，由于CO2是一种气、液两相流，管网的水力计算非常复杂，采用任何一种计算方法，均应满足两点要求：(1)每个喷嘴的平均设计质量流量均应相等；(2)喷嘴的入口压力不应小于1.4MPa。为达到上述要求，规范推荐两种计算方法，一是图解法，一是公式计算法。从计算比较和天津消防科研所多年从事研究的结果均认为用图解法计算误差较大，一般不推荐使用；按公式计算误差虽小些，但计算繁琐，也急待进一步研究探讨。
2.3 系统管径的确定
CO2灭火剂释放时由于压力降低及周围环境温度较高，管内液态CO2会急剧蒸发。蒸发过程是吸热过程，且CO2的固态点和液态点较接近，有可能造成在管道某处形成干冰(即固态CO2)，堵塞管道。CO2不能按设计流量喷出，堵在管内的CO2液体继续膨胀，压力不断增加，可能引起管道爆炸。这种现象在低压CO2系统中更容易发生，这是比较危险的。为避免此类事故发生：(1)设计管网时应装设泄压阀，封闭管段的泄压压力为15MPa±0.75MPa。(2)管网设计计算的环境温度，高压CO2系统定为21℃，因此管网设计计算时所涉及的一系列参数，如储存压力喷嘴的流量特性，管道内压力损失等均应取21℃时的数值。CO2储罐间内环境温度不宜过高，规范规定应保持在0℃～49℃，并保持干燥和通风良好，避免阳光直接照射。更不能将储罐间当临时库房堆积物品。(3)CO2管道断面设计不应过小，按规范推荐的估算法公式
式中D——初选管道内径，mm;
Q——管道的设计流量，kg/min。
初定管径然后一定要核算压力降，高压CO2系统在环境温度21℃时储罐压力为5.17MPa，喷嘴的入口压力不应小于1.40MPa。对于较小防护区，管路很短，为了充分利用压力降而把管径断面设计得很小的做法是不可取的。因为过小的管道断面CO2灭火剂就不能按设计质量流量通过，并按规定的喷射时间喷出，则防护空间达不到CO2设计浓度，影响灭火效果，也易于发生事故。
2.4 控制要求
CO2灭火系统的工作原理为防护区内火灾探测器动作将火灾信号送至报警控制盘。若是一种或是一路火灾信号，则报警控制盘只发出火灾警报；若是两种或是两路火灾信号时，一方面将火灾信号送至消防控制中心，一方面向执行控制盘发出启动指令。执行控制盘则向防护区发出声光警报以提醒在场人员尽快撤离现场，并经延时(一般延时30s)后启动电磁阀执行释放灭火剂的操作。
防护区内火灾探测器应设置两种类型或是两路同一类型的探测器，目的是为了防止因产品质量或是环境影响可能发生的误报。
执行控制盘还具有紧急切断、人工启动、联动控制、状态显示等功能。
紧急切断功能：当执行控制盘发出火灾报警，开始灭火程序延时时，如发现是误报，可按下设在防护区出口的紧急切断按钮，即可中止灭火程序的执行。
人工启动功能：当值班人员发现火警而火灾探测器没有报警，可按下设在防护区出口处的人工紧急启动按钮，直接启动灭火系统喷射灭火剂。
联动控制功能：执行控制盘均带有信号输出接点，接到火警信号后，立即闭合接点以切断风机，关闭门、窗、防火阀等。
防护区出口处除设置紧急切断按钮和人工启动按钮外，还应设置自动/手动开关转换器释放信号器。当防护区有人在运作时，释放灭火剂的执行机构应打在手动位置以防意外喷放对人员的伤害；当防护区内无人时再转换至自动控制位置。防护区出口处的释放信号器可以只是光信号(如：指示灯、闪光灯等)或只是声信号(如：警铃、轰鸣器等)或是两者并设，主要是显示防护区正在释放灭火剂，告诫人们不要随便进入防护区以免受到伤害。
2.5 低压CO2灭火系统的应用
国内低压CO2灭火系统的应用尚不多见，因低压CO2液体本身的储存温度为-18℃，系统日常维护工作量大，维护费用高，系统管理非常严格，电源要有充分保证。它不仅报警控制系统要求可靠电源，系统本身带有一个冷冻柜也要求有可靠电源。一旦电源有故障储罐内CO2液体温度会逐渐升高，气态CO2不断从跑气管排出，所以要求每天定期检查，严格管理。
3 新型灭火剂的应用
CO2灭火系统由于其灭火设计浓度大，所需钢瓶数量多，因此设备的维护保养费高，特别是低压CO2系统。同时CO2系统在释放喷射时产生的“激冷”和喷射后形成的“结露”现象会对电子设备造成损害，CO2的窒息作用对人体有致命危害。CO2气体释放前人员必须离开现场，34%以上浓度会使人窒息死亡，因此对经常有人停留或工作的场所不宜使用，因而寻找更安全、更可靠的新型灭火剂就成为当今气体消防设计技术的新课题。
新型灭火剂应是一种毒性低、对人体无危害、灭火性能好，灭火浓度低，灭火后对周围环境不产生影响的灭火剂，多年来美、英等国作了大量研究开发工作，如美国大湖化工公司开发并生产了新型灭火剂FM-200，定名为七氟丙烷气(HFC227ea)。FM-200是被美国NFPA-2001标准正式认可的11种洁净气体灭火剂中的一种。英国科艺保安防火工程有限公司花费大量费用评估和测试了多种气体灭火剂，认为FM-200符合上述要求，所以生产了配套设备，并向用户提供整套灭火系统。目前在英国和香港地区应用较多。
3.1 FM-200灭火剂
FM-200是一种无色、无味的气体，在强压(2.5MPa)下液态储存，在20℃环境温度下其设计体积浓度为7%。它本身不导电，对电信、电子仪器以及易燃液体能提供有效保护。同时FM-200气体释放后在大气中停留时间为31年～42年，而1301在大气中停留时间可长达87年～110年。FM-200的臭氧层损耗系数(ODP)为0，就是说FM-200对臭氧层不产生破坏。FM-200灭火系统的系统组成和释放气体的步骤与1301、CO2气体灭火系统一样。
它的释放机构元件包括：
(1) 瓶头阀：安装在气瓶出口处，控制FM-200气体释放；
(2) 电磁阀：连接在瓶头阀一侧，接收电讯号后启动瓶头阀内气鼓，推动瓶头阀内活塞，促使气体释放；
(3) 手动释放阀：万一电磁阀失灵，用手动释放；
(4) 气动阀：可代替电磁阀使用，也可与电磁阀配套使用；
(5) 止回阀：安装在瓶头阀与集气管之间，防止气体回流。
FM-200气体灭火系统用气量计算如下式。
式中W——用气量，kg；
V——防护区体积，m3；
C——设计浓度，%；
S——气化体积，m3/kg。
FM-200灭火系统在20℃环境温度下，设计体积浓度为7%，就足以扑灭一般火情，喷射时间不大于10s。
科艺公司制定计算表，使计算更趋简单化，摘录部分计算表(见表1)供参考应用。
表1 计算表
温度／℃气化体积
S
设计浓度/%
6789101112气体比重/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 依据表1，确定设计使用温度(通常20℃)和设计浓度后，则FM-200气体所需重量=防护区体积×气体比重，计算非常简便。
目前科艺公司生产的气瓶全部为2.5MPa等级，钢瓶容量为6.5L、13.0L、25.5L、52L、106L、147L、180L，药剂充装量可达100%。
由于FM-200的灭火设计浓度不高，7%足以扑灭一般火灾。因此对于同样保护对象，相同防护区体积情况下，FM-200所需钢瓶数量略多于1301气体，但比设计浓度高达37%以上的CO2系统要少得多，钢瓶站占用面积也少得多。
尽管FM-200具有上述优点和特性，也已在实际工程中作了大量应用，但它也存在：①灭火剂药价太高，比1301贵2倍多，整个系统投资约为1301系统的3倍；②大量的FM-200气体进入空气也会像CO2一样产生一定的温室效应；③当FM-200浓度在5%～10%时，人员停留时间不可超过1min。
我国公安部消防局和消防产品行业管理办公室以公消〔1996〕169号文向各省、市、自治区、直辖市、公安厅(局)、消防局发出“关于印发哈龙替代品推广应用的规定的通知”：……2000年以前不引进上述11种中的HCFC、HBFC、PFC的卤代烷哈龙替代品。对于应设置气体灭火系统的场所推荐使用CO2、惰性气体、也可用HFC227ea(FM-200)灭火系统。
3.2 惰性气体烟烙尽(INERGEN)
由美国安素(ANSUL)消防公司根据美国NF PA-2001标准“清洁药剂灭火系统”的有关要求，设计和安装了烟烙尽灭火系统，美国工厂联合研究所也对烟烙尽药剂的有关性能作了试验，烟烙尽是美国NFPA-2001标准认可的11种清洁灭火剂中的一种。
烟烙尽能用于扑救多种类型的火灾，它的药剂是由3种自然界的气体的混合物所组成：即氮气52%、氩气40%、二氧化碳8%，简称IG541。
烟烙尽气体是通过把空气中氧气浓度降低到它不能支持燃烧而扑灭火灾的。大气中通常氧气含量在21%左右，二氧化碳含量小于1%，如果氧气含量降到15%以下，大部分普通可燃烧物就会中止燃烧。而烟烙尽药剂能把空气中的氧气含量降到12.5%，把二氧化碳上升到4%。二氧化碳浓度的增加，加快了人的呼吸速率和人体吸收氧的能力，因此在保护区释放IG541灭火剂的情况下，人员仍可滞留在场内正常呼吸，对人体没有危害。又因为它是由大气中存在的气体混合所得，所以没有臭氧损耗潜能值(ODP)，对臭氧层不产生破坏，也不会对地球的温室效应产生影响，可称之为洁净灭火剂，适用于扑灭A类表面火灾、易燃液体的B类火灾以及C类火灾，特别是对经常有人工作场所或是虽不是经常有人逗留但有非常灵敏的或无法更换的电子设备区；计算机房；通讯交换机房等防护对象，进行有效防护。
由于IG541气体的比重与空气基本相同，可在较长时间保持灭火浓度。它在容器中以气态储存，喷射时没有气、液间能量转换，喷头开放时气体畅通无阻喷放，不会产生危险。由于它是气体单相流动，因此保护距离大，可达100多m，适合于高层建筑中较分散的防护区实行组合分配系统保护(一个控制柜可以带动8个防护区)。
烟烙尽系统目前在上海、北京、大连均有应用，尤其是上海应用实例更多，它的系统组成和控制要求与其他气体灭火系统基本相同。
目前由于我国尚无烟烙尽灭火系统设计的有关规范规定及技术安装要求，因此现行工程应用均为进口全套设备，包括厂商设计、安装、调试开通。按公安部169号文的精神，我国在2000年之前不会引进生产线，目前国内仅有几家经销厂在推销IG541灭火系统配套产品，主要都是引进美国安素公司的全套产品。
IG541灭火系统主要设计参数：防护区环境设计温度：21℃；钢瓶间温度范围应为0℃～54℃；最小设计浓度：37.5%；
经常有人停留场所最大设计浓度：42.8%；
喷嘴安装高度最大为3.7m；每个喷嘴保护面积9.8m×9.8m；90%药剂的喷放时间应该大于23s，喷放时间随设计浓度而变化，最大不超过80s；
喷嘴最小压力：2.2MPa；
集流管孔板与进口管道直径之比应该为最小20%，最大49%，从孔板到第一个三通接头的长度必须不小于10倍管径，在组合分配系统中孔板和选择阀之间最大距离为6.1m，选择阀可设在孔板上游，也可设在孔板下游。
(注：为限制烟烙尽药剂的流动在分配管网中需要安装孔板以减小孔板下游的药剂压力。)
孔板的孔径是根据水力计算来确定的。烟烙尽药剂用量计算可使用下面公式。
式中X——所需烟烙尽药剂量；
S=9.726 1+0.021 1×T；
T——防护区内预期最低温度,60；
C——烟烙尽容积百分比浓度,%；
V——防护区净容积,ft3；
Vs——70°F时比容,Vs=11.209 3ft3/lb。
由于我国目前尚无烟烙尽灭火系统的有关规范、规定及技术安装要求，系统投资较大，据初步计算比较约为1301系统的1.35倍，其推广应用受到一定限制。上海、北京、大连等地的应用实践将为烟烙尽系统在我国的推广应用奠定基础。
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