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　　混合氣體滅火系統(tǒng)(IG541)的管網(wǎng)流動計算方法

　　I541混合氣體對大氣臭氧層沒有損耗，對地球沒有“溫室效應(yīng)”影響，而且這種混合氣體無毒、無色、無腐蝕、不導電，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)計規(guī)范》。筆者結(jié)合消防監(jiān)督實踐 ,研究了該滅火系統(tǒng)滅火劑在其噴射過程中的可壓縮流體釋放過程 ,噴射介質(zhì)在管網(wǎng)流動過程為亞音速減壓膨脹流動、音速減壓膨脹流動過程等相關(guān)工況 ,經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)一些值得商榷的問題。

　　1　可壓縮氣體流動

　　GB 50370 - 2005 中計算方法總體思路是 ,選定一初始壓力 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 對應(yīng) ,代入氣體管道流動方程(公式 3. 4. 87) 計算管網(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) ,進而確定管網(wǎng)系統(tǒng)中氣體流動時有否符合第 3. 4. 9 條所列條件的流動工況點 ,以一組數(shù)據(jù)( P1 , Qw , P2) 表示 ,認為在 3. 4. 9 條所列條件下流動的此工況點即為管網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定釋放流動整個過程的平均工況點 ,有此工況點的管網(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)計建造管網(wǎng)。暫時不討論該計算所得的工況點可否作為平均工況點的問題。

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

　　不可壓縮流體管道流動方程見式(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 為管道流阻當量長度 ; D 為管道內(nèi)徑。

　　由式(1) 可知 ,不可壓縮流體在一個確定的管道系統(tǒng)內(nèi)流動 ,壓力 P 與流量 Q 具有任意一一對應(yīng)的特點 ,因而其計算可以選定一進口壓力 P1 ,指定一 Q 與其對應(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 ,這個工況點 ( P1 , Q, P2) 就是一個描述不可壓縮流體管道內(nèi)實在流動的工況點 ,據(jù)此可以設(shè)計管道系統(tǒng) ,液化氣滅火劑管網(wǎng)的流動計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也具有該特點 ,即 ,可以選定一進口壓力 P1 (對氣體還得有密度ρ 1 或溫度 T1) ,指定一 Q ,再代入氣體流動等方程計算 P2 、ρ 2 ,則這個工況點( P1 、ρ 1 , Q, P2 、ρ 2 ) 也是氣體在管道內(nèi)客觀實在流動的工況點 ;而另一種條件范圍內(nèi)的流動 , P1 、ρ 1 與 Q 任意一一對應(yīng)的這個特點則不復(fù)存在 , 這時用指定參數(shù)互相對應(yīng)的算法確定的流動工況點就是一個虛構(gòu)的工況點 ,描述的將不是氣體的實際流動。這個條件范圍中的氣體流動就不能再用這種指定參數(shù)互相對應(yīng)的算法確定流動工況點了。

　　IG541 這類可壓縮氣體滅火劑管網(wǎng)的流動計算要注

　　意這個不同于不可壓縮流體管道流動計算的特殊問題。

　　GB 50370 - 2005 中導出 IG541 管道流動的核心公式 3.

　　4. 87 的原始方程為《條文說明》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) ,氣體管道流動過程方程式 ,可選 P = Cρ k ( C 為常數(shù) ,氣體管道流動中 K = 1～ K = CP/ CV ; CP 、CV 分別為流動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 三個參數(shù)。氣體流動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)寫成差分式 ,寫成差分式會掩蓋許多問題 ,如同一個定解式描述了氣體在管道中性質(zhì)完全不同的三種流動 :亞音速減壓膨脹流動、音速減壓膨脹流動和超音速增壓壓縮流動 ;再比如 ,對 IG541 管道流動最有指導意義的亞音速減壓膨脹流動和音速減壓膨脹流動的本質(zhì)差別也會被完全掩蓋。

　　上述選定一 P1 、指定一 Q、令其對應(yīng)并代入相應(yīng)公式計算 P2 的方法 ,只適合于氣體的亞音速減壓膨脹流動 , 并且對于接近音速的亞音速管道流動 ,此算法只適合于確定流動工況點 ,用來計算與流動時間有關(guān)的問題則會有大的誤差。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的 ,當氣體出口速度接近音速時 ,這個壓力變動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)生變動的時間比氣體低速流動需要的時間長 ,這種流量的不穩(wěn)定變動過程在計

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

　　2005 規(guī)范 3. 4. 8 條存在的第二個問題。

　　2　亞音速流動與音速流動

　　由于沒有將管網(wǎng)中惰性氣體 IG541 的流量限定在亞音速范圍 ,所指定為互相對應(yīng)用于管網(wǎng)流阻計算的參數(shù)值極有可能不是氣體流動實際曲線上互相對應(yīng)的數(shù)值。即公式 3. 4. 84 定出的 P 及進而由公式 3. 4. 8 5 算得的 IG541 氣體流動動力源壓力 P =δ P ,對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范圍 ,該動力源壓力 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范圍內(nèi)互相對應(yīng)的真實函數(shù)值 ,且不對應(yīng)誤差較大 ,會嚴重超出工程計算允差。這是因為 ,在公式 3. 4. 87決定的整個等音速減壓膨脹范圍內(nèi)的氣體管道

　　ρ),P、ρ 與Q 是該流動范圍內(nèi)無數(shù)個點中唯一的一對可以指定為互相對應(yīng)的參數(shù)值,亞音速減壓膨脹流動范圍內(nèi)壓力、流量任意一一指定就會正確對應(yīng)的特點已經(jīng)不復(fù)存在 ,這里極有可能將根本不對應(yīng)的參數(shù)值人為指定成互相對應(yīng)。P 、ρ為氣體流動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。對于在音速減壓膨脹段的氣體管道流動,若選定P 、ρ ,指定一 Q ,用公式 3. 4. 87計算下

　　消防科學與技術(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、流量兩個參數(shù)指定互相正確對應(yīng)的可能性幾乎沒有 ,所以算得的這個工況點( P1 、ρ 1 ,Q, P2) 不可能是氣體臨界流動工況點 ,而是一個虛構(gòu)的工況點 ,不能描述氣體的實際流動。從以上分析也可以看出 ,由于管道中氣體流量達到了最大值 , 在音速流動范圍設(shè)計的管網(wǎng)系統(tǒng)會最小、最經(jīng)濟。

　　3.114. 1872壓力 1wP 與2流量 2Q 2的(1.145非2- 1線) / 1.性45 w1項1 有好b1 m幾ax 項 ,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 作為動力的作用下 ,是處于亞音速減壓膨脹流動還是處于音速減壓膨脹流動 ,是可否采用任意指定參數(shù)互相對應(yīng)方法進行流動計算的關(guān)鍵。事實上 ,一級充壓、二級充壓的 IG541 管網(wǎng)系統(tǒng)的釋放流動 ,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 作為初始流動動力的條件下 ,因管網(wǎng)系統(tǒng)釋放出口的背壓 P 等于當?shù)卮髿鈮杭s 0. 1 MPa ,除極個別內(nèi)徑很大或等效當量長度較短的管道系統(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范圍 ,是不能用選定 P 、指定 Q 任意對應(yīng)計算下游管道出口 P 的算法的 ;否則 ,需依據(jù)管長、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)計管網(wǎng)時限定管道中氣體的流量 ,保證 IG541 流動在亞音速范圍 ,才可以用這種管道中壓力、流量任意對應(yīng)都是實際流動的計算方法 ,并且管道中 IG541 的流量應(yīng)離音速較遠對所解決的工程問題才合適。不過 ,這樣設(shè)計的管網(wǎng)系統(tǒng)會很大 ,不經(jīng)濟。部分人員會認為用的是平均流量 Q ,與對應(yīng)“平均壓力”P 的 Q 相差可能不大 ,計算只要在工程允差范圍也是可行的。

　　筆者認為這不能妄斷。事實上 ,氣體穩(wěn)定流動公式

　　曲線可以發(fā)現(xiàn) ,在臨界流動工況點左右一個較大的流動范圍內(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導致壓力比有較大的變化。平均流量 Q 已與應(yīng)該代入該式用來計算不穩(wěn)定流動的實際流量加權(quán)均值(注 :見下述問題三)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 ,計算得到的 P 誤差會更大。在所列出的條件下 ,筆者對 GB 50370 - 2005 的條文說明 3. 4 節(jié)的舉例進行了計算 :當只知孔板后管網(wǎng)系統(tǒng)的流動動力為 P = 2. 576MPa 時 ,還需補充一參數(shù)才可以計算氣體的流量 , 按該規(guī)范計算 IG541 流動中壓力降的這兩個點的壓力 P 及P =δ P 時 ,采用的均是氣體絕熱膨脹過程 ,那就

　　應(yīng)補充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為動力項數(shù)據(jù) ,按該規(guī)范條文說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)范條文說明所列微分方程的定解式進行流動的分析計算 ,這個工況

　　47

　　點的流量應(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 20. 76～22. 70 kg/ s 的計算數(shù)據(jù)并非通過對整個管網(wǎng)系統(tǒng)的初始入口流動動力條件及總流阻特性數(shù)據(jù)計算所得 ,依據(jù)提供的條件 ,只能這樣計算這部分管網(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)中該時刻的實際流量 ,則不得而知 ;可以知道的是 : T = 169. 24 K肯定不是氣體流動中管網(wǎng)該點壓力降至 2. 576 MPa 時該點氣體的溫度 ,但此值是按該規(guī)范求該點參數(shù)的算法得出的。

　　3　簡化處理原則

　　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)定流動際的“流量加權(quán)均值”或與其對應(yīng)的“壓力加較大 ,同樣大大超出工程計算允差。將氣體式

　　41 管網(wǎng)系統(tǒng)的嚴重流 ,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) ,通過程

　　3.方程上對應(yīng)的壓力值

　　P 及 P =δ P。的原則 ,應(yīng)該是認為間性不穩(wěn)定關(guān)系 ;公確出前二分之一藥劑流時間相等 ,實質(zhì)也P 線性不穩(wěn)定關(guān)系?；x IG541 管網(wǎng)系統(tǒng)流為實際不穩(wěn)定流動值與 P 對應(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

　　分之一時孔板前的這有大問題 ,問題出在有求取 ,這就有了兩流。因為公式中的 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。這兩點是個管長 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)進行流動計算的結(jié)果就完全是相等的。這顯然不合理。這也說明 ,只計算部分段管網(wǎng)流阻的設(shè)計計算思路是否合適值得考慮。二是流動一樣 ,計算卻不一樣。對于將孔板用來分流的管網(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)計成流動為平衡系統(tǒng)的流動 ,與幾何結(jié)構(gòu)也為平衡系統(tǒng)的流動相同。但是 ,因為 V 1 相差非常大 , P1 就不相等 ,這兩種管網(wǎng)計算時流動就完全不一樣。這顯然也不合理。

　　5　阻力計算

　　GB 50370 - 2005 規(guī)范第 3. 4. 8 條選定只計算部分管段流阻不適當。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 ,因為局部阻力損失非常大的容器閥、導流管、單向閥、集流管、選擇閥等均在孔板前 ,該項阻力特性很可能會是整個管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力特性的主項 ;當然是與不是 ,要以計算決定 ,但至少占相當大份量 ,其對藥劑釋放時間的影響可能會比孔板之后的串、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 國際標準中 2. 3. 2. 1 款的規(guī)定應(yīng)該是針對管道強度計算的規(guī)定。