七氟丙烷設(shè)計中防護(hù)區(qū)開瀉壓口的必要性

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簡介： 通過對《某單位危險品倉庫七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計的幾點體會》及《對七氟丙烷氣體消防防護(hù)區(qū)泄壓口計算的商榷》兩文中存在問題的分析，并通過較詳細(xì)的計算，得出對實際應(yīng)用具有參考價值的結(jié)論。
關(guān)鍵字：七氟丙烷滅火系統(tǒng) 泄壓口 理想氣體狀態(tài)方程 道爾頓定律

先前看到《消防技術(shù)與產(chǎn)品信息》2003年第3期一篇題為《某單位危險品倉庫七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計的幾點體會》的文章，我認(rèn)為其中的防護(hù)區(qū)壓強的計算方法不妥；后又看到第9期也有一篇題為《對七氟丙烷氣體消防防護(hù)區(qū)泄壓口計算的商榷》文章對其提出質(zhì)疑，但我覺得前者還有一些根本性的錯誤后者沒有提到，而且后者有一些觀點我認(rèn)為也值得商榷，故認(rèn)為有必要對此問題再深入分析計算，希望對大家在具體工程設(shè)計中能夠起到參考作用。

　　 1 氣瓶里七氟丙烷不是以氣態(tài)儲存的

　　 從第3期作者把滅火劑總量W＝560ke除以氣瓶充裝密度P＝614.7 kg/m3，得出氣瓶內(nèi)氣相容積Vt＝0.911m3并直接代人后面的計算公式中可看出，作者誤以為七氟丙烷在氣瓶里是氣態(tài)儲存的，從而導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差(這一點第9期作者并未提到)。

　　 由于七氟丙烷在20℃時的蒸氣壓僅為0.391MPa(絕壓)，因此它充裝到氣瓶里只需很低的壓力就可保持液態(tài)，但由于它的蒸氣壓太低，靠它自身的蒸氣壓不可能使它快速地從系統(tǒng)中輸送到防護(hù)區(qū)，為此在氣瓶中充裝足夠重量的七氟丙烷滅火劑后，另外充進(jìn)干燥的氮氣加壓到2.5MPa或4.2MPa。因此在氣瓶里儲存的主要是液相的七氟丙烷和氣相的氮氣，另有少量溶解于七氟丙烷中的氮氣和揮發(fā)在氮氣中的七氟丙烷蒸氣(后兩者基本可忽略)。

　　 2 采用理想氣體狀態(tài)方程定溫狀態(tài)下的簡化式P·V＝C對混合氣體進(jìn)行計算

　　 在計算方法上，第9期作者在“存在的問題”中3．1“V氣的容積是對應(yīng)儲存氣壓2580kPa時的容積，而不是噴口壓力1151 kPa的容積”的這個觀點是正確的，但對3．3條提到的“P·V＝C是理想氣體狀態(tài)方程P·V/T·R＝C在定溫狀態(tài)下的簡化式，由于不同氣體的氣體常數(shù)R不同，防護(hù)區(qū)是氣體滅火劑與空氣的混合氣體，故不應(yīng)套用該簡化公式計算”這一觀點我認(rèn)為值得商榷。

　　 其實P·V/T·R＝C這一公式首先是由P·V／T·Rm＝C為涉及氣體質(zhì)量計算而推導(dǎo)出來的，后者才是原本的理想氣體狀態(tài)方程。前者中R＝Rm/M，為每kg理想氣體的氣體常數(shù)，隨氣體的分子量變化而變化，M為每千摩爾氣體質(zhì)量，而Rm是每千摩爾理想氣體的氣體常數(shù)，稱為通用氣體常數(shù)，也稱普適氣體恒量，不會隨氣體的分子量變化而改變。也就是說，只要不需用該方程計算涉及氣體質(zhì)量的問題，都可用后者的簡化式P·V＝C來計算各種氣體包括混合氣體壓力和體積的變化。

　　 3 要求出防護(hù)區(qū)內(nèi)壓，只需計算新增氣體的分壓

　　 至于第9期作者在“存在的問題”中3．2條“理想氣體狀態(tài)方程的計算壓力應(yīng)以絕對壓力計算，但所得結(jié)果應(yīng)大于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓”中的前半點我是認(rèn)同的(但無證據(jù)顯示第3期作者不是采用絕壓來計算)，但對后半點我認(rèn)為應(yīng)看具體計算方式而定。按作者的本意應(yīng)該是認(rèn)為在理想氣體狀態(tài)方程中，應(yīng)把原防護(hù)區(qū)中空氣的量加上噴放后增加的氣體的量，求出混合后防護(hù)區(qū)的絕對壓力且其數(shù)值應(yīng)大于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。這計算方法本沒有錯誤，但在該條件下會使計算過程復(fù)雜化。

　　 由于理想氣體混合物各組成分子間沒有內(nèi)聚力作用且分子體積可以不計，各組成氣體的分子間互相不影響各自行為。根據(jù)道爾頓定律：“理想氣體混合物的壓力等于各組成氣體分壓力的總和”。因為防護(hù)區(qū)原來的表壓為零，因此只需計算出氮氣和藥劑噴放到防護(hù)區(qū)分散、氣化后的氣體分壓之和即為全封閉條件下防護(hù)區(qū)受的內(nèi)壓壓強，從而大大簡化了計算過程。

　　 4 藥劑噴放后防護(hù)區(qū)理論內(nèi)壓壓強的合理計算

　　 藥劑噴放后對防護(hù)區(qū)的增壓應(yīng)主要計算氣態(tài)的氮氣膨脹和液態(tài)的七氟丙烷氣化兩方面。

　　 仍以第3期的油漆庫為例：

　　 氣瓶總?cè)莘eV瓶＝0.911m3；氣瓶表壓Pt＝2500kPa(原Pt＝2580kPa可能是絕壓，現(xiàn)取20C時的標(biāo)準(zhǔn)充裝壓力)；藥劑量Ⅳ＝560 kg；防護(hù)區(qū)體積V防＝835.2 m3。

　　 4．1 計算防護(hù)區(qū)中氮氣的分壓

　　 4．1．1 先算出氣瓶內(nèi)液相容積和氣相容積

　　 DBJ 15—23—1999中已給出七氟丙烷20C時的液體密度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 用理想氣體狀態(tài)方程在定溫狀態(tài)下的簡化式計算防護(hù)區(qū)中新增的氮氣分壓

　　 由于氣瓶中還留有1 bar絕壓的氮氣，原液相部分容積可近似認(rèn)為是被七氟丙烷蒸氣填充，故噴放到防護(hù)區(qū)那部分氮氣的絕壓基本等于原氣瓶表壓。

　　 P氣·V氣＝P氮·V防

　　 P氮＝2500X0.513/835.2＝1．54 kPa

　　 4．2 計算防護(hù)區(qū)中七氟丙烷汽化后的分壓

　　 4．2．1 先算出七氟丙烷汽化后在常壓下的體積：

　　 由DBJ 15—23—1999中S＝K1+K2T可算出七氟丙烷20℃常壓下過熱蒸氣比容為0．1373m3/kg。

　　 V藥＝W·S＝560X0.1373＝76.89 m3

　　 4．2．2 算出防護(hù)區(qū)中七氟丙烷汽化后的分壓

　　 P常·V藥＝P藥·V防

　　 P藥＝101X 76.89/835.2＝9.30 kPa

　　 4．3 防護(hù)區(qū)中新增氮氣和七氟丙烷蒸氣分壓之和為

　　 P氮+P藥＝10．84 kPa

　　 必須考慮到七氟丙烷汽化要吸收大量的熱量，會使防護(hù)區(qū)溫度明顯下降，從而抵消了一部分壓強，從DBJl5—23—1999中規(guī)定“防護(hù)區(qū)的最低環(huán)境溫度不應(yīng)低于-10℃(條文說明中解釋：是依據(jù)七氟丙烷的沸點，以保證七氟丙烷噴放到防護(hù)區(qū)后能迅速汽化的要求)以及七氟丙烷在常壓下的沸點-16.4℃可推測出：七氟丙烷汽化后防護(hù)區(qū)平均溫度下降不應(yīng)大于6℃。用理想氣體狀態(tài)方程在定容狀態(tài)下的簡化式P/T＝C可算出溫度下降導(dǎo)致的最大可能壓降P溫＝2.29kPa(具體計算過程不再列出)。最后得出全封閉條件下防護(hù)區(qū)的內(nèi)壓壓強最小值

　　 P防＝P氮+P藥一P溫＝8.55 kPa。

　　 由于我未能得到七氟丙烷氣化潛熱的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致以上的計算不很精確，但應(yīng)與實際比較接近。

　　 通過以上計算得出，系統(tǒng)噴放后，油漆庫受的內(nèi)壓壓強遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的最低允許壓強，應(yīng)設(shè)泄壓口或者設(shè)不上鎖的可外開彈簧門或設(shè)彈性閉門器的外開門。

　　 5 對開泄壓口的建議

　　 由以上的計算數(shù)據(jù)可看出：對防護(hù)區(qū)內(nèi)壓影響最明顯的是七氟丙烷蒸氣分壓P藥，P氮和P溫由于互相抵消后數(shù)值很小，在粗略的計算中可不用考慮。由于P藥與實際滅火濃度成正比，所以實際滅火濃度大小決定了防護(hù)區(qū)內(nèi)壓的高低(高原、高山地區(qū)還應(yīng)乘以海撥高度修正系數(shù)K)。而七氟丙烷在通常的應(yīng)用中滅火濃度在8％以上，與上例中的8.3％差不多，故通常P防都應(yīng)大于8 kPa，遠(yuǎn)超出NFPA—12A中規(guī)定的各種建筑物的最低允許壓強，且這突然增高的壓力會嚴(yán)重危害未能及時疏散人員的安全，另外DBJ 15-23-1999中規(guī)定的七氟丙烷設(shè)計用量已包含了從泄壓口的流失，只要泄壓口按規(guī)范設(shè)置就不需增加。故建議除有特殊要求通過計算能保證安全的場合，所有采用七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)保護(hù)的防護(hù)區(qū)都應(yīng)設(shè)泄壓口或者設(shè)不上鎖的可外開彈簧門或設(shè)彈性閉門器的外開門。