杨洋
核工业工程研究设计有限公司 北京 101300
摘要：IG541气体灭火系统是固定灭火系统之一，在灭火设计中广泛应用。本论文以参与过的某项目为例，简要对IG541气体灭火系统的灭火机理、适用范围、以及系统组成进行阐述，重点论述了IG541气体灭火系统的管网的布置以及钢瓶数量的确定、管径的选择、减压孔板的确定、喷头的确定以及房间泄压口面积的计算。最终完成IG541气体灭火系统重要组成部件的计算设计过程。
关键词：IG541气体灭火系统；钢瓶数量的确定；管径的选择；喷头的选择；
1.引言
IG541气体灭火系统的灭火药剂由52%的氮气、40%的氩气和8%的二氧化碳这三种自然存在于大气中的惰性气体组成,对环境不会造成任何影响。既没有臭氧耗损，也不会对地球的温室效应产生影响。与二氧化碳灭火剂相比不会产生对精密设备有害的冷凝作用，同时也不会导致腐蚀或静电积累。而且惰性气体也不会在与火焰接触时产生有毒或有腐蚀性的分解物。IG541灭火剂喷放时不产生烟雾，人可以看清逃生路线。而且当混合气体按规定的设计灭火浓度喷放于防护区中时，可以在1分钟之内将区域内的氧气迅速降至12.5%，从而使燃烧无法继续进行。同时，二氧化碳浓度从自然状态下低于1%提高到2%～4%，促使人的呼吸速率比平时加快，可以在单位时间内吸入更多的氧气以维持正常的生命所需，不会引起心脏过敏反应或被窒息。其中的氩气，还具有加强IG541气体在所保护区域中的流动性，进一步提高灭火效率的作用。所以IG541气体灭火系统适用于经常有人停留的下列场所：①计算机房；②地下室；③磁带库，④电信机房和配电间；⑤贵重设备或保险库；⑥工艺设备；⑦经常有人或无人看管的用电区域；⑧设备是敏感且不可替代的或需要迅速恢复的区域。
IG541气体灭火系统分为一级储压（15MPa）和二级储压（20MPa）,送气管长度可达150m，较其他气体灭火系统能输送更长的距离。
综上述IG541气体灭火系统具有洁净、安全、环保、经济等优势，近年来成熟应用于多个领域，为了更好的应用此系统，本论文将对此系统设计的重点难点进行深入分析。
2.IG541气体灭火系统设计总则
IG541气体灭火系统由控制系统和管网系统两部分组成，具体详见下图1。控制系统为虚线所示，管网系统为实线所示。
图1 ：IG541灭火系统组成结构图
1、灭火剂贮瓶框架 2、灭火剂贮瓶 3、集流管 4、液流单向阀 5、瓶头阀 6、安全阀 7、高压软管 8、启动管路9、压力讯号器 10、启动阀 11、低压安全泄漏阀 12、启动钢瓶 13、火灾自动报警气体灭火控制器 14、控制线路 15、手动启动控制盒 16、放气灯 17、声光报警器 18、灭火剂输送管道19、喷嘴20、火灾探测器
灭火剂是以压缩气体的方式充装在固定压力的预制钢瓶里。当瓶头阀开启后灭火剂以气体单项非稳态流的状态在管网内流动，其系统沿程损失不同于不可压缩的流体，沿程阻力损失和管道长度不是单纯的比例关系，所以管网的计算，管径的选择比较复杂。当IG541气体灭火药剂依（以下简称《气规》）规定的设计灭火浓度和时间喷放于防护区中时，防护区的压力瞬间升高，对结构产生巨大的压力，需要设置泄压口，但泄压口过大会影响灭火剂在防护区内的浓度，影响灭火效果，过小又起不到泄压保护结构作用，所以需要根据防护区结构性质和气体浓度、喷放压力等参数计算泄压口面积。气体喷头不同于普通水喷头，需要计算等效面积，从而选择喷头型号。本论文针对IG541气体灭火系统的特点，依据中的相关规定，参考厂家样本材料，以高压总配电室为例对IG541气体灭火系统设计中的重点难点设备进行选型设计。
下文以某项目为例，选定设计参数，以项目中的高压总配电室为例进行主要设备的计算选型。
3.设计参数的选定
以某项目为例，规定选定设计参数，所有保护区域内的可能出现的最低温度约为16℃,极端最高温度约为40℃，而在通常情况下的正常温度约为20℃。
IG541气体灭火系统的最小设计灭火浓度为37.5%（16℃时），最大设计灭火浓度为52.0%（40℃时），经常有人工作场所最大设计灭火浓度为43.0%（40℃时），灭火剂喷放至设计用量的95%时，喷放时间限于1分钟内，本项目选55s。
本项目选择一级充压系统，15MPa,70L的钢瓶，充装系数为211.15Kg/m3。
土建结构防护区围护结构承受内压的允许压强不低于1.2KPa，本项目地下室土建结构承受内压为1.2KPa。
4.IG541气体灭火系统管网的布置
由于气体灭火系统为高压管网，喷头和管网布置宜采取对称布置，平均设计流量。以某项目为例，本论文选取高压总配电室为依据，进行IG541灭火系统管网的布置。布置图如图2所示。管网以主管-一级支管-二级支管-三级支管的形式对称平均布置，这样布置可以使灭火剂平均流量、压力，避免管道由于压力不均衡产生振动和甩击。
图2：平面布置图
5.IG541气体灭火系统主要设备选型
5.1.储瓶设计数量的确定
根据相关规定，以及结合某项目高压总配电室的实际情况，高压总配电室室内的长、宽、高、分别16.42m、8.34m、7.40m，(1)防护区净容积按公式1计算:
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式中：W—所需要的IG541的药剂量（Kg）；
K—海拔修正系数，查设计规范附录B得1.000
V—防护区净容积（立方米）；
T—防护区内预期最低温度（16℃）；
C—灭火剂设计浓度；按照取37.5%
(3)储气瓶设计数量按公式3计算确定;
取整数后储气瓶数量n=47(只)
式中：n—储气瓶个数；
W—灭火剂设计用量;
—充装系数211.15Kg/m3;
v—单个储气瓶的体积70L;
5.2.管网管道直径的确定
根据相关规定，以及结合项目实际情况，绘制高压总配电室的系统图如图3所示，标定分界节点a、b、c、d、e、f，减压孔板前管道a-b,减压孔板后主干管b-c，一级支管c-d,二级支管d-e，三级支管e-f。下边按照规范公式对管道流量和管径进行计算。
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图3：系统图
（1）按照以下公式计算管网的流量
主干管流量：
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（2）管网管道直径的确定：
以管道平均设计流量，根据相关规定以公式8计算管道通径。
计算得：
主干管管径：D=100mm
一级支管管径:D=65mm
二级支管管径:D=50mm
三级支管管径:D=40mm
5.3.储瓶实际数量的确定
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5.4.减压孔板的确定
灭火剂是以15Mpa的压力储存在钢瓶里的，灭火剂释放时，管网应该进行减压，采用设置于主干管入口处的减压孔板减压，
（1）根据规范按照公式11计算减压孔板前的压力：
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；
—减压孔板流量系数：
根据以上参数选择DN100，孔口面积约为16.44的减压孔板。
5.5.喷头的选型
根据以上计算可知2.50Mpa，查附录E-1得出减压孔板后b点的Y和Z的值，根据公式14并结合附录E-1，推算得出各点的Y，Z值和压力。
确定喷头的等效孔口面积为
,查附录D可选规格代号为24喷头，喷头的接管管径为40mm,喷头的孔板开孔尺寸由厂家确定
5.6.防护区泄压口面积计算
根据规定，土建结构防护区围护结构承受内压的允许压强不低于1.2KPa，本项目地下室土建结构承受内压为1.2KPa。根据式16计算泄压口面积，选定泄压口规格。
6.结论
本论文对高压总配电室对管网布置和主要部件的选型进行了论证。选用一级充压系统，实际项目中也可选用二级充压系统，二级充压系统压力为20MPa,输送距离更远。本文举例为单系统计算，实际项目中多为组合分配系统的计算，计算更复杂，都以计算机软件的形式计算。希望通过本论文可以引起相关设计人员对气体灭火系统的认识与重视，能够使相关设计人员掌握IG541气体灭火系统的设计方法，为后续类似项目设计提供参考。
参考文献
[1]《气体灭火系统施工及验收规范》GB50263-2007
[2]《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005
[3]《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2008
[4]《建筑设计防火规范》GB50016-2006
[5]《惰性气体IG541灭火系统技术规程》DG/TJ08-306-2001
[6]《IG541灭火系统设计、施工及验收规范》DBJ/T15-40-2005
[7]美国防火学会NFPA2001标准（即洁净药剂灭火系统标准）