米孝紅

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

有色金屬加工廠中軋機是最重要的設(shè)備，在鋁或銅軋制過程中使用以煤油為基礎(chǔ)油的軋制油，會形成油煙霧，由于火花、局部發(fā)熱等原因不可避免的會發(fā)生火災(zāi)，其火災(zāi)特點具有必然性、頻繁性、爆燃性。二氧化碳滅火系統(tǒng)為潔凈氣體滅火系統(tǒng)，滅火完畢現(xiàn)場不留任何痕跡，可立即繼續(xù)生產(chǎn)提高效益，且二氧化碳滅火劑價格低廉，獲取、制備容易，充裝方便。到目前為止，只有二氧化碳滅火系統(tǒng)可設(shè)計為局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)，其他如鹵代烷1211、1301滅火系統(tǒng)及七氟丙烷、IG541混合氣體和熱氣溶膠滅火系統(tǒng)均不能設(shè)計為局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)。由于滅火的主要對象——軋機本體只能采用局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)，所以軋機保護通常采用二氧化碳滅火系統(tǒng)是非常合適的。

1 二氧化碳的物相圖

通常條件下，物質(zhì)都存在固、液、氣三種狀態(tài)。在一定條件下，固、液、氣三態(tài)具有平衡關(guān)系，若改變條件則發(fā)生三種狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。物質(zhì)存在狀態(tài)一方面由物質(zhì)的本性決定，另一方面與溫度和壓力有關(guān)。

氣、液、固三者之間的物態(tài)變化不是原物質(zhì)轉(zhuǎn)變成新物質(zhì)，而是相(狀態(tài))變化。通常用相圖來表明溫度、壓力與各種相變之間的關(guān)系。為了表示二氧化碳的三種狀態(tài)之間的平衡關(guān)系，以壓力作縱坐標(biāo)，溫度作橫坐標(biāo)，可以畫出體系的狀態(tài)與溫度、壓力之間關(guān)系的平面圖，這種圖稱為相圖(或狀態(tài)圖)。各種物質(zhì)都有一定的相圖，圖1為二氧化碳的物相圖。

可以看出，二氧化碳的相圖是由三個單相區(qū)、三條兩相平衡線、一個三相點組成；在絕對壓力為1個大氣壓下，形成“干冰”的最高溫度為-78.5℃；溫度在31.35℃時液體消失，此溫度為臨界溫度；三相點壓力為0.517MPa，溫度為-56.6℃，在0.517MPa絕對壓力下，二氧化碳不存在液態(tài)；溫度為-56.6℃以上，固相不復(fù)存在。

圖1 二氧化碳物相圖

熟悉物相圖可更好地理解以下現(xiàn)象：如有些低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)備，在滅火劑釋放后會產(chǎn)生主閥與選擇閥之間的密閉段。由于在低溫下管內(nèi)存在干冰，干冰極易升華，會釋放出體積比原來固體干冰大1000倍的氣體，將導(dǎo)致該密閉段內(nèi)壓力的非正常升高，這也會引發(fā)管網(wǎng)事故。容器31.35℃以下，容器壓力只隨溫度升高而升高，與充裝率無關(guān)，此時處于液氣平衡線上，當(dāng)溫度接近臨界31.35℃時，充裝率越大，壓力隨溫度升高增長越大，說明此時二氧化碳已完全氣化。

2 滅火區(qū)設(shè)計用量計算

在有色金屬加工廠軋機保護區(qū)一般分為四個區(qū)：軋機區(qū)、工藝地下室、主地溝和板式過濾機。

2.1 工藝地下室、主地溝設(shè)計用量計算

工藝地下室、主地溝四周有墻和門，按全淹沒滅火系統(tǒng)設(shè)計，防護區(qū)應(yīng)符合下面規(guī)定[1]：

(1)對氣體、液體、電氣火災(zāi)和固體表面火災(zāi)，在噴放二氧化碳前不能自動關(guān)閉的開口，其面積不應(yīng)大于防護區(qū)總內(nèi)表面積的3%，且開口不應(yīng)設(shè)在底面；

(2)對固體深位火災(zāi)，除泄壓口以外的開口，在噴放二氧化碳前應(yīng)自動關(guān)閉；

(3)防護區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)及門、窗的耐火極限不應(yīng)低于 0.50h，吊頂?shù)哪突饦O限不應(yīng)低于0.25h；圍護結(jié)構(gòu)及門窗的允許壓強不宜小于1200Pa；

(4)防護區(qū)用的通風(fēng)機和通風(fēng)管道中的防火閥，在噴放二氧化碳前應(yīng)自動關(guān)閉。

為滿足或核算以上條件，噴放前能聯(lián)動關(guān)閉的洞口如通風(fēng)管道的防火閥必須關(guān)閉，電纜、管溝應(yīng)當(dāng)用防火堵料封堵，計入的開口面積應(yīng)小于總內(nèi)表面積的3%，且開口不應(yīng)設(shè)在底面；門、窗、吊頂耐火極限應(yīng)滿足要求，且有一定強度。設(shè)計用量按(1)式計算：

M=Kb(K1A+K2V) (1)

A=AV+30A0

V=VV-Vg

式中M——二氧化碳設(shè)計用量(kg)；

Kb——物質(zhì)系數(shù)，軋制油主要為煤油，設(shè)計濃度34%，Kb=1；

K1——面積系數(shù)，取0.2kg/m2；

K2——體積系數(shù)，取0.7kg/m3；

A——折算面積(m2)；

AV——防護區(qū)的內(nèi)側(cè)面、底面、頂面(包括其中的開口)的總面積(m2)；

A0——開口總面積(m2)；

V———防護區(qū)的凈體積(m3)；

VV——防護區(qū)體積(m3)；

Vg——防護區(qū)非燃燒體和難燃燒體的總體積(m3)。

式中Kb為物質(zhì)系數(shù)，是為了設(shè)計計算方便，取最小滅火設(shè)計濃度34%為基數(shù)，令其物質(zhì)系數(shù)等于1，其它滅火設(shè)計濃度按下式計算[2]：

C——某物質(zhì)的二氧化碳滅火設(shè)計濃度(%)，滅火設(shè)計濃度為實驗滅火濃度的1.7倍，并不小于34%(體積)。

根據(jù)工藝地下室或主地溝長、寬、高、開口面積大小，根據(jù)(1)式即可算出設(shè)計用量M。

2.2 軋機區(qū)和板式過濾機設(shè)計用量計算

2.2.1 軋機區(qū)設(shè)計計算

軋機區(qū)由于四周無遮擋物，按局部滅火系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定：保護對象周圍的空氣流動速度不宜大于3m/s，必要時，應(yīng)采取擋風(fēng)措施；在噴頭與保護對象之間，噴頭噴射角范圍內(nèi)不應(yīng)有遮擋物；當(dāng)保護對象為可燃液體時，液面至容器緣口的距離不得小于150mm。

為滿足以上條件保證滅火效果，二氧化碳噴放前電氣控制系統(tǒng)聯(lián)動停止排煙機、停止噴射壓縮空氣和軋制油，噴頭設(shè)置應(yīng)避開遮擋物或增設(shè)噴頭，保證一定的滅火濃度。軋機區(qū)局部滅火系統(tǒng)的設(shè)計采用體積法設(shè)計用量按(2)式計算：

M=V1×qv×t(2)

公式(2)中V1為軋機保護對象的計算體積(m3)。采用假定的封閉罩的體積。封閉罩的底應(yīng)是保護對象的實際底面；封閉罩的側(cè)面及頂部當(dāng)無實際圍封結(jié)構(gòu)時，它們至保護對象外緣的距離不應(yīng)小于0.6m。

圖2為軋機的外框圖，則假定的封閉罩的高度為H1，寬度為煙罩的寬度B1+1.2，長度為L1+1.2，計算體積為V1=(B1+1.2)× (L1+1.2)×H1。

公式(2)中t為局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)的二氧化碳噴射時間，不應(yīng)小于0.5min。對于燃點溫度低于沸點溫度的液體和可熔化固體的火災(zāi)，二氧化碳的噴射時間不應(yīng)小于1.5min為保證滅火效果的最佳時間。時間越長，滅火效果越好，但滅火用量越大，造價越高。t一般取0.5min。

公式(2)中qv為單位體積的噴射率，按公式(3)計算：

圖2 軋機外框簡圖

式中：qv—單位體積的噴射率[kg/(min·m3)]；

At—假定的封閉罩側(cè)面圍封面面積(m2)；

Ap—在假定的封閉罩中存在的實體墻等實際圍封面的面積(m2)。

為保證滅火濃度，軋機區(qū)圍封面較小忽略不計，qv=16 kg/(min·m3)。

綜合上述，當(dāng)t=0.5min時，軋機區(qū)設(shè)計用量M=8V1。

2.2.2 板式過濾機設(shè)計計算

板式過濾機也屬于開放區(qū)，按局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)設(shè)計，板式過濾機長為L，寬為B，高為H，計算體積：V1=(L+1.2)×(B+1.2)×(H+0.6)；t取0.5min；qv=16；設(shè)計用量M=V1×qv×t。

3 噴頭、管道布置和流量的計算

3.1 噴頭布置

噴頭布置根據(jù)產(chǎn)品樣本給出的保護半徑來確定噴頭的個數(shù)和位置。全淹沒噴頭的布置參照表1。

噴頭單孔直徑2～2.8mm局部應(yīng)用，架空型噴頭在各安裝高度下的保護面積如表2。

噴頭單孔直徑3.2～5.6mm局部應(yīng)用，架空型噴頭在各安裝高度下的保護面積如表3。

表1 四孔全淹沒噴頭設(shè)計參數(shù)

表2

表3

3.2 管路布置

為了減少管路計算量，管路和噴頭設(shè)計盡可能布置成均衡系統(tǒng)。所謂均衡系統(tǒng)，就是全部選用同種型號噴頭，假定每只噴頭的設(shè)計流量相等，系統(tǒng)計算結(jié)果滿足公式(4)條件。

式中：hmax—噴頭裝在“最不利點”的全程阻力損失；

hmin—噴頭裝在“最利點”的全程阻力損失。

當(dāng)假定每只噴頭的設(shè)計流量不等，或不能滿足(4)式條件，只能以非均衡系統(tǒng)逐一計算每只噴頭入口壓力，然后根據(jù)假定流量，確定噴頭型號。為使設(shè)計計算結(jié)果符合實際情況，不影響系統(tǒng)的工作性能，應(yīng)把握以下幾點：(1)分流不采用四通管件，在系統(tǒng)中不能采用四通管件，四通管件也無供應(yīng)；(2)三通管件兩側(cè)分流比不應(yīng)小于4︰6；(3)三通管件直、側(cè)分流比例，直流部分不應(yīng)小于60%；(4)管路盡量簡潔，不應(yīng)形成局部高或低管段；(5)一般工藝地下室可以布置成均衡系統(tǒng)，其它區(qū)為非均衡系統(tǒng)。

3.3 流量的計算

流量的計算首先確定噴射時間t，全淹沒滅火系統(tǒng)二氧化碳的噴放時間不應(yīng)大于1min。當(dāng)撲救固體深位火災(zāi)時，噴放時間不應(yīng)大于7min，并應(yīng)在前2min內(nèi)使二氧化碳的濃度達到30%。為快速有效的撲滅火災(zāi)，工藝地下室或主地溝的噴放時間一般取0.5min左右。局部應(yīng)用系統(tǒng)噴射時間t可根據(jù)需要大于0.5min，軋機和板式過濾機一般取0.5min。干管的設(shè)計流量按公式(5)計算。

Q=M/t(5)

式中：Q——管道設(shè)計流量(kg/min)；

t——噴射時間(min)。

可以看出對于局部應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)(5)式Q=V1×qv，Q值大小不隨噴射時間變化，為常值；對于全淹沒應(yīng)用系統(tǒng)，Q值隨噴射時間增大而減小。

流量分配一般根據(jù)噴頭個數(shù)進行均勻分配，也就是說每個噴頭處流量相等。支管中設(shè)計流量按公式(6)確定。

式中：Ng——安裝在計算支管流程下游的噴頭數(shù)量；

Qi——單個噴頭的設(shè)計流量(kg/min)。

根據(jù)管道布置、管道管徑、管道流量，進行壓力降計算，得到噴頭入口處壓力，進而根據(jù)噴頭流量和壓力確定噴頭規(guī)格。

4 管道壓力降計算

在軋機CO2滅火設(shè)計中，管路壓力降正確計算對于恰當(dāng)選擇噴頭和保證滅火效果至關(guān)重要。理由如下：

(1)高壓CO2系統(tǒng)噴頭的入口壓力(絕對壓力)不應(yīng)小于1.4MPa。低壓CO2系統(tǒng)噴頭的入口壓力(絕對壓力)不應(yīng)小于1.0MPa。按照經(jīng)驗確定管道的管徑和噴頭的型號，而不復(fù)核噴頭的入口壓力，可能造成噴頭的入口壓力小于1.4MPa或1.0MPa，而造成噴頭的堵塞和滅火效果下降。

(2)末端噴頭等效孔口面積公式為F=Qi/q0，式中Qi為單個噴頭的設(shè)計流量(kg/min)，q0為等效孔口面積的噴射率(kg/min·mm2)。

而噴射率是噴頭入口壓力確定的，所以只有正確計算管網(wǎng)壓力降才能正確選用噴頭，才能保證軋機滅火時，每個噴頭噴出適量足夠的二氧化碳，才能確保滅火濃度和滅火時間，達到滅火效果。

(3)軋機管路布置一般為非均衡布置，CO2在各個噴頭的入口壓力都不相同，為保證各個噴頭的噴射流量相同，要求準(zhǔn)確計算各個噴頭的入口壓力。

二氧化碳在管道中流動不同于液體或氣體在管道中流動，是液氣兩相流，不能根據(jù)簡單公式一步得出壓力降，以可壓縮流體等熵流動引起的摩擦損失為假設(shè)條件，建立下面液氣兩相管流的方程式：

式中,P1為儲存絕對壓力；P2為管段終點絕對壓力；ρ1為壓力P1下密度；ρ2為壓力P2下密度；λ為沿程阻力系數(shù)；α為動能修正系數(shù)；V為平均流速。

經(jīng)積分和單位換算，得出以公式(7)來計算壓力降：

式中：D為管道內(nèi)徑(mm)；L為管道計算長度(m)；Y為壓力系數(shù)(MPa·kg/m3)；Z為密度系數(shù)。

式(7)中壓力系數(shù)Y和密度系數(shù)Z為壓力的函數(shù)，可查表得知。

4.1 CO2計算的圖解法

4.2 CO2計算的公式法

使用式(7)計算管道的壓力降比較困難，式(7)可變化成式(8)：

Y2=Y1+A×L×Q2+B(Z2-Z1)×Q2(8)

式(8)中Y1為計算管段始端Y值；Y2為計算管段末端Y值；Z1為計算管段始端Z值；Z2為計算管段末端Z值。

用式(8)計算壓力降，可預(yù)先設(shè)定Z2=Z1，求出Y2→P2→Z2，再把Z2代入式(8)，求出Y2→P2?？山频贸鯬2，如此反復(fù)計算，得到相對準(zhǔn)確壓力值。

圖3

4.3 CO2程序計算的流程圖

圖4為CO2程序計算的主要流程圖。采用的是迭代逼近法求管路末端壓力。圖中Y1為計算管段始端Y值；Y2為計算管段末端Y值；Z1為計算管段始端Z值；Z2為計算管段末端Z值。P21為中間過程中上次計算管段末端壓力值；P22為中間過程中最新計算管段末端壓力值。

上述流程圖基礎(chǔ)仍為公式法，通過計算機語言的循環(huán)結(jié)構(gòu)比較終點壓力的差值，小于某個較小的值，然后得出較準(zhǔn)確終點壓力值?？衫么肆鞒虉D和Visual Basic平臺開發(fā)CO2管路的計算程序，根據(jù)輸入的CO2流量、管徑、管件、高差可動態(tài)計算每段管路的壓力值，同時計算出在當(dāng)前壓力和流量下，應(yīng)當(dāng)選用的噴頭。能夠提高設(shè)計效率，保證了滅火區(qū)管路和噴頭的正確選擇，設(shè)備的安全性能大大提高。

4.4 全新的計算方法

圖4

根據(jù)以上公式，利用上游節(jié)點壓力、管長、管徑，可一步計算得出末端節(jié)點壓力，大大減少手工計算壓力降的工作量。與計算機程序計算結(jié)果相比，最大相對累計誤差在±2.1%內(nèi)，與圖解法相比減輕了勞動量，準(zhǔn)確度大大提高。

5 結(jié)束語

鑒于軋機滅火的重要性，設(shè)計滅火系統(tǒng)時，必須準(zhǔn)確計算設(shè)計用量、合理布置噴頭、恰當(dāng)?shù)姆峙淞髁?，?zhǔn)確地計算壓力降，其中壓力降的計算可采用程序計算和全新的代數(shù)計算，才能較準(zhǔn)確地確定噴頭的入口壓力，進而確定噴頭規(guī)格，這樣實際滅火劑的噴放狀態(tài)才能達到預(yù)想效果，方能保證可靠滅火。

本文根據(jù)作者自己滅火設(shè)計經(jīng)歷和經(jīng)驗，簡要介紹了軋機滅火系統(tǒng)的設(shè)計思想，希望能與同仁分享。

[1]二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范(2010年版).

[2]陳方肅.高層建筑給水排水設(shè)計手冊[第二版][M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社.

[3]王志新,王煜同.二氧化碳滅火系統(tǒng)傳統(tǒng)計算方法的新突破[J].亞洲消防, 2005,(12)