[文章]：IG-541灭火系统设计中的音障问题

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IG-541灭火系统设计中的音障问题


       由于IG-541灭火系统具有洁净气体灭火系统的许多优点，近年来在中国的使用范围逐渐扩大。但是，目前我国还没有IG-541灭火系统的设计规范。因而也没有统一的IG-541系统的设计计算方法。国外IG-541灭火系统的设计标准(例如美国的NFPA)中将设计计算方法作为企业机密不予公布。上海市正在制定的IG-541灭火系统地方标准中也未提供设计计算公式。因此，IG-541灭火系统的设计计算方法实际上是被个别外国公司所垄断。

        IG-541灭火系统具有一些与其他气体灭火系统根本不同的特点。一是高压单相气态流，其储存压力高达15Mpa，二是管网庞大，储瓶数一般都在数十到上百个。其三，高压大管径的管段多。其四，一般都是非均衡管网。由于具有上述特点，所以IG-541灭火系统的设计计算也就特别重要；但是，由于管段数量多且为非均衡系统的管网，所以设计计算特别困难。这就是外国个别公司千方百计要长期垄断IG-541灭火系统设计计算方法的主要原因。

       在这种情况下，中国的一些单位自行开发了一些比较简单的设计计算方法。但这些计算方法还难以对非均衡IG-541灭火系统进行精确计算。因此，中国自行设计的一些IG-541灭火系统，喷放时常常会产生剧烈的爆震，外国公司设计的系统则是很少发生这种情况。

其原因何在?

       IG-541在管网内是单相气态流动，如果喷放过程中某一管段内的流速达到音速，即马赫数等于1时，就会出现“音障”。发生音障时管道内的气体密度骤增，阻力大大增加，形成一堵“气墙”。流速突破音障时，被压缩的气层所构成的音障破裂就会形成剧烈的爆震。

       为了避免喷放时产生爆震，就要避免喷放时每一根管段中的流速都不能达到音速，即每一管段中的任何截面上的马赫数都不能等于或大于1。

       这就要求我们对任何复杂的均衡及非均衡管网都能进行高精度设计计算，并能精确地计算出所有管段任何截面上的流速。因此，对于IG-541灭火系统，设计计算的内容不仅包括其他灭火系统设计计算中必须计算的流量、压力等参数，还必须对是否音障问题进行核算。

       由于IG-541在管网是单相气态流动，所以计算时可按计入磨擦损失的等熵绝热流动过程处理。等熵绝热过程方程为

p/pK=N(常数)

    p一压力

p—密度

    对于IG-541  N=593.38

K=1.447

      随着压力的下降，气体体积迅速膨胀。所以同一管段中，下游流速要比上游大。管段越长，产生音障的危险越大。所以IG-541灭火系统中管段的管长受到音障的限制。

    首先应计算各管段上游节点处流速的马赫数

    M一流体在管段上游节点处的马赫数

    M=3.972Q/D2pnTn0.5=V/(KRTn)

0.5=4Q/π DPn(KRTn)0.5

    Q一管段流量(kg/s)

    D一管径(m)

    f—摩擦系数f=l/4[1.74-2Iog(0.2/D)]2

    Pn—管段上游节点处的密度（dg/m3）

Tn=管段上游节点处的温度（K）



Tn=4.098pn/pn(K)

Pn—管段上游节点处的压力

代入后M=0.662Q／D2pnQ／D2pn

(4.098Pn／Pn)=0.0327Q1/k／D2pn(1+l／k)2

    即流体在管段上游节点处的马赫数

M=13.847Q／(D2pn 0.845)

由此式可见：流量大、管径小和压力低时管段的马赫数就大，达到音障的危险也就越大。同时还应注意到：流体在管段上游节点处的马赫数不仅不能达到1，而且还应为流体在管段下游膨胀产生的流速增加留有余地。所以设计IG-541灭火系统时还必须对管段的临界长度进行校验。

临界长度

Lmax二{(1-M2／1.517M2)+0.8276In[1.2585M2(1+0.2585M2)]}D／4f(mm)

即使流体在管段上游节点处的马赫数未达到1，管段的长度超过谨防这一临界长度时也会因达到音速而产生音障并且在突破音障时会发生爆震。

目前，我国自选设计的IG-541灭火系统比较普遍存在的一个问题是喷放时产生剧烈的爆震。其主要原因就在于设计计算时未考虑音障问题。事实上，如果喷放时压降太快，管网中的流速增长也太快。马赫数很容易达到和超过1。

例如，IG-541的储瓶压力为15Mpa。若减压——单向阀的出口压力为7Mpa，用中国公称管径为100mm高压厚壁管构成的汇流管(其标准内径为96mm)。如未设孔板或孔板孔径过大，则喷放IG-541时压降过快，开始喷放后汇流管孔板入口压力将迅速降低。若设计时孔板上游入口压力按中期压力3.5Mpa计算，且进流量为平均流量1200kg/min。则汇流管入口节点处的马赫数为

    M=13.847Q／(D2pn0.845)=13.847X1200／9216X2.88=0.6255

    汇流管的临界长度

    Lmax=0.2761D／4f

    其中磨擦系数

    F=1/4[1.74-2Iog(0.2/D)]2二1/4[1.74-2 Iog (0.2／96)]2=1／201.78

    Lmax =0.2761X201.78D/4=1337(mm)

由此可见，从孔板入口计算，汇流管长度仅仅1.377M时马赫数就已经达到1，亦即流速达到了音速。因此，这一系统喷放时发生爆震的危险极大。

国内有些单位设计IG-541灭火系统时，在汇流管中不加孔板，并且减压一单向阀的出口仍定在7Mpa左右。这种系统喷放时基本上都会发生爆震。这也就是国内有些IG-541灭火系统存在这—严重问题的根源。

如果减压——单向阀的出口压力保持7Mpa，但汇流管中设有合适的孔板，不仅可使汇流管入口压力缓慢下降，而且孔板下游管网不在高压下工作。设计时，孔板下游按中期压力3.5Mpa计算。这时孔板上游压力一般不低干5Mpa。因而上述系统的马赫数

    M=13.847Q／(D2pn0.845)=13.847X1200／9216X3.896=0.463

    汇流管的临界长度

    Lmax={(1-M2／1.517M2)+0.82761n[1.2585M2／(1+0.2585M2)]}D/4f=6237.8(mm)

可见，加入合适的孔板后，在汇管管径不变的情况下临界长度至少可增加6m。不仅管网内的压降平稳，而且能防上发生爆震。

由上述论述可知：IG-541灭火系统管网设计时，管长将受到音障的限制。由于IG-541灭火系统的管网一般都相当庞大，所以设计时必须加以注意这一问题。但目前这一问题尚未受到应有的重视。

当然，要计算音障的影响，首先就要知道各个节点处的压力。这就是我们必须解决一直被外国公司垄断的IG-541灭火管网的精确设计计算方法问题，尤其是非均衡管网的高精度设计计算问题。

最近，天津市兆龙软件开发有限公司已完善地解决了这一问题。用该公司独立开发并具有自主知识产权的设计计算方法与用国外某著名公司独家垄断的设计计算方法对大量相同的实际工程进行的对比计算表明：二者的相对计算误差除个别数据最大达到3.5％外，绝大多数数据的相对误差小于1％。而且用兆龙公司开发的设计计算方法可以对任何均衡或非均衡IG-541灭火系统进行高精度设计计算，完全打破了这一系统设计计算方法被个别公司所垄断的局面。因此，用兆龙公司的设计计算软件设计的IG-541灭火系统也就彻底地解决了以前中国IG-541灭火系统工程设计中存在的诸多问题。

    由于国内外消防技术领域中的种种原因和消防工程市场竞争的需要，在各国IG-541设计规范还不肯给出设计计算公式之前，这一具有自主知识产权的设计计算方法目前也不宜公开。但是，中国具有国际竞争能力的IG-541生产企业和设计单位如果需要这方面的技术合作，可直接与天津兆龙软件公司联系(电话：022-23384845)。双方的强强合作必定会使IG-541灭火系统的质量和技术水平得到质的提高，同时也会给使用双方带来巨大的经济效益。