七氟丙烷设计中防护区开泻压口的必要性

    摘要：通过对《某单位危险品仓库七氟丙烷气体灭火系统设计的几点体会》及《对七氟丙烷气体消防防护区泄压口计算的商榷》两文中存在问题的分析，并通过较详细的计算，得出对实际应用具有参考价值的结论。
    关键词：七氟丙烷灭火系统；泄压口；理想气体状态方程；道尔顿定律

    先前看到《消防技术与产品信息》2003年第3期一篇题为《某单位危险品仓库七氟丙烷气体灭火系统设计的几点体会》的文章，我认为其中的防护区压强的计算方法不妥；后又看到第9期也有一篇题为《对七氟丙烷气体消防防护区泄压口计算的商榷》文章对其提出质疑，但我觉得前者还有一些根本性的错误后者没有提到，而且后者有一些观点我认为也值得商榷，故认为有必要对此问题再深入分析计算，希望对大家在具体工程设计中能够起到参考作用。
1  气瓶里七氟丙烷不是以气态储存的
    从第3期作者把灭火剂总量W＝560ke除以气瓶充装密度P＝614.7 kg/m3，得出气瓶内气相容积Vt＝0.911m3并直接代人后面的计算公式中可看出，作者误以为七氟丙烷在气瓶里是气态储存的，从而导致计算结果出现严重偏差(这一点第9期作者并未提到)。
    由于七氟丙烷在20℃时的蒸气压仅为0.391MPa(绝压)，因此它充装到气瓶里只需很低的压力就可保持液态，但由于它的蒸气压太低，靠它自身的蒸气压不可能使它快速地从系统中输送到防护区，为此在气瓶中充装足够重量的七氟丙烷灭火剂后，另外充进干燥的氮气加压到2.5MPa或4.2MPa。因此在气瓶里储存的主要是液相的七氟丙烷和气相的氮气，另有少量溶解于七氟丙烷中的氮气和挥发在氮气中的七氟丙烷蒸气(后两者基本可忽略)。
2  采用理想气体状态方程定温状态下的简化式P·V＝C对混合气体进行计算
    在计算方法上，第9期作者在“存在的问题”中3．1“V气的容积是对应储存气压2580kPa时的容积，而不是喷口压力1151 kPa的容积”的这个观点是正确的，但对3．3条提到的“P·V＝C是理想气体状态方程P·V/T·R＝C在定温状态下的简化式，由于不同气体的气体常数R不同，防护区是气体灭火剂与空气的混合气体，故不应套用该简化公式计算”这一观点我认为值得商榷。
    其实P·V/T·R＝C这一公式首先是由P·V／T·Rm＝C为涉及气体质量计算而推导出来的，后者才是原本的理想气体状态方程。前者中R＝Rm/M，为每kg理想气体的气体常数，随气体的分子量变化而变化，M为每千摩尔气体质量，而Rm是每千摩尔理想气体的气体常数，称为通用气体常数，也称普适气体恒量，不会随气体的分子量变化而改变。也就是说，只要不需用该方程计算涉及气体质量的问题，都可用后者的简化式P·V＝C来计算各种气体包括混合气体压力和体积的变化。
3  要求出防护区内压，只需计算新增气体的分压
    至于第9期作者在“存在的问题”中3．2条“理想气体状态方程的计算压力应以绝对压力计算，但所得结果应大于一个标准大气压”中的前半点我是认同的(但无证据显示第3期作者不是采用绝压来计算)，但对后半点我认为应看具体计算方式而定。按作者的本意应该是认为在理想气体状态方程中，应把原防护区中空气的量加上喷放后增加的气体的量，求出混合后防护区的绝对压力且其数值应大于一个标准大气压。这计算方法本没有错误，但在该条件下会使计算过程复杂化。
    由于理想气体混合物各组成分子间没有内聚力作用且分子体积可以不计，各组成气体的分子间互相不影响各自行为。根据道尔顿定律：“理想气体混合物的压力等于各组成气体分压力的总和”。因为防护区原来的表压为零，因此只需计算出氮气和药剂喷放到防护区分散、气化后的气体分压之和即为全封闭条件下防护区受的内压压强，从而大大简化了计算过程。
4  药剂喷放后防护区理论内压压强的合理计算
    药剂喷放后对防护区的增压应主要计算气态的氮气膨胀和液态的七氟丙烷气化两方面。
    仍以第3期的油漆库为例：
    气瓶总容积V瓶＝0.911m3；气瓶表压Pt＝2500kPa(原Pt＝2580kPa可能是绝压，现取20C时的标准充装压力)；药剂量Ⅳ＝560 kg；防护区体积V防＝835.2 m3。
4．1  计算防护区中氮气的分压
4．1．1  先算出气瓶内液相容积和气相容积
    DBJ 15—23—1999中已给出七氟丙烷20C时的液体密度r＝1407 kg/m3
    V液＝W/r＝560/1407＝0.398 m3
    Vt＝V瓶一V液＝0.911-0.398＝0.513 m3
4．1．2  用理想气体状态方程在定温状态下的简化式计算防护区中新增的氮气分压
    由于气瓶中还留有1 bar绝压的氮气，原液相部分容积可近似认为是被七氟丙烷蒸气填充，故喷放到防护区那部分氮气的绝压基本等于原气瓶表压。
    P气·V气＝P氮·V防
    P氮＝2500X0.513/835.2＝1．54 kPa
4．2  计算防护区中七氟丙烷汽化后的分压
4．2．1  先算出七氟丙烷汽化后在常压下的体积：
    由DBJ 15—23—1999中S＝K1+K2T可算出七氟丙烷20℃常压下过热蒸气比容为0．1373m3/kg。
    V药＝W·S＝560X0.1373＝76.89 m3
4．2．2  算出防护区中七氟丙烷汽化后的分压
    P常·V药＝P药·V防
    P药＝101X 76.89/835.2＝9.30 kPa
4．3  防护区中新增氮气和七氟丙烷蒸气分压之和为
    P氮+P药＝10．84 kPa
    必须考虑到七氟丙烷汽化要吸收大量的热量，会使防护区温度明显下降，从而抵消了一部分压强，从DBJl5—23—1999中规定“防护区的最低环境温度不应低于-10℃(条文说明中解释：是依据七氟丙烷的沸点，以保证七氟丙烷喷放到防护区后能迅速汽化的要求)以及七氟丙烷在常压下的沸点-16.4℃可推测出：七氟丙烷汽化后防护区平均温度下降不应大于6℃。用理想气体状态方程在定容状态下的简化式P/T＝C可算出温度下降导致的最大可能压降P温＝2.29kPa(具体计算过程不再列出)。最后得出全封闭条件下防护区的内压压强最小值
     P防＝P氮+P药一P温＝8.55 kPa。
    由于我未能得到七氟丙烷气化潜热的数据，导致以上的计算不很精确，但应与实际比较接近。
    通过以上计算得出，系统喷放后，油漆库受的内压压强远远超过它的最低允许压强，应设泄压口或者设不上锁的可外开弹簧门或设弹性闭门器的外开门。
5  对开泄压口的建议
    由以上的计算数据可看出：对防护区内压影响最明显的是七氟丙烷蒸气分压P药，P氮和P温由于互相抵消后数值很小，在粗略的计算中可不用考虑。由于P药与实际灭火浓度成正比，所以实际灭火浓度大小决定了防护区内压的高低(高原、高山地区还应乘以海拨高度修正系数K)。而七氟丙烷在通常的应用中灭火浓度在8％以上，与上例中的8.3％差不多，故通常P防都应大于8 kPa，远超出NFPA—12A中规定的各种建筑物的最低允许压强，且这突然增高的压力会严重危害未能及时疏散人员的安全，另外DBJ 15-23-1999中规定的七氟丙烷设计用量已包含了从泄压口的流失，只要泄压口按规范设置就不需增加。故建议除有特殊要求通过计算能保证安全的场合，所有采用七氟丙烷气体灭火系统保护的防护区都应设泄压口或者设不上锁的可外开弹簧门或设弹性闭门器的外开门。

　　【文章出处：江门市建设监理顾问公司】