田薔薔

摘要：為提高FM-200氣體滅火組合分配系統(tǒng)鋼瓶選型快速性、全面性。搭建了滅火劑設(shè)計用量及鋼瓶選型數(shù)學(xué)模型，基于枚舉算法，通過C++語言編制程序，實現(xiàn)FM-200氣體滅火組合分配系統(tǒng)鋼瓶自動選型設(shè)計。與傳統(tǒng)試湊法相比，枚舉算法可找出各個防護區(qū)滿足約束條件的所有鋼瓶數(shù)及藥劑量充裝范圍;并且，在鋼瓶型號確定下，枚舉算法可以確定整個防護區(qū)所需鋼瓶最小值及鋼瓶充裝量最小值，此結(jié)果為造價最低的一組結(jié)果。

關(guān)鍵詞：七氟丙烷鋼瓶;滅火劑用量;枚舉算法;

中圖分類號：TQ569? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）03-0037-03

七氟丙烷（FM-200）氣體滅火具有較高的滅火效率和無污染等優(yōu)點，近年來，國內(nèi)越來越多場所需要使用七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)進行保護[1]。FM-200組合分配系統(tǒng)初步設(shè)計中，首先應(yīng)予考慮的問題就是FM-200藥劑量及鋼瓶選型問題，鋼瓶型號、數(shù)量及藥劑量的確定，對FM-200布置及經(jīng)濟性起到至關(guān)重要的作用。

從現(xiàn)有文獻來看，國內(nèi)在FM-200程序化鋼瓶選型設(shè)計方面的研究工作較少。在FM-200鋼瓶選型設(shè)計中，設(shè)計人員往往采用excel表格通過反復(fù)試算對防護區(qū)鋼瓶進行選型設(shè)計，這種方法效率較低，且在鋼瓶型號確定下，得出的設(shè)計方案所確定的鋼瓶數(shù)量及藥劑量很難是最小值，從而造成項目成本偏高。且七氟丙烷氣體消防組合分配系統(tǒng)鋼瓶選型計算過程繁瑣，各個計算數(shù)據(jù)息息相關(guān)，一個數(shù)據(jù)的改變都需要重新校核計算結(jié)果，即使設(shè)計人員通過反復(fù)試算得出方案，但也很難得出所有滿足條件的方案，造成方案設(shè)計片面性。

雖然FM-200組合分配系統(tǒng)計算量較大，但組合分配系統(tǒng)的每個防護區(qū)滅火劑用量能夠通過數(shù)學(xué)公式準確計算，整個系統(tǒng)鋼瓶型號是標準系列，且每個鋼瓶藥劑充裝量在實際使用過程中都有一定限制，且滿足一定約束條件。因此在鋼瓶型號確定下，通過從大到小遍歷鋼瓶藥劑量，可以全面找出滿足各個約束條件的方案。枚舉算法是我們在日常中使用到的最多的一個算法，它的核心思想就是枚舉所有的可能。枚舉算法簡單，結(jié)果準確且全面，在局部地方使用枚舉法，效果十分的好。因此可以將枚舉算法運用于FM-200組合分配鋼瓶選型設(shè)計中。

針對FM-200組合分配系統(tǒng)存在的問題，本文采用枚舉算法，運用C++程序化語言編程實現(xiàn)七氟丙烷氣體滅鋼瓶選型設(shè)計，并結(jié)合工程實例對算法的可行性進行驗證。

一、滅火劑設(shè)計用量計算

記region_r 為第r個防護區(qū)域，則防護區(qū)r滅火劑設(shè)計用量可由式（1）計算，防護區(qū)實際應(yīng)用的濃度不應(yīng)該大于滅火設(shè)計濃度的1.1倍[2]。

式中，Wr為防護區(qū)r滅火劑設(shè)計用量，kg;Wrmax為防護區(qū)r滅火劑最大用量，kg;Vr為防護區(qū)凈容積，單位為m3;K為海拔高度修正系數(shù);Cr為防護區(qū)r七氟丙烷滅火設(shè)計濃度，（%）;S為七氟丙烷過熱蒸汽在101KPa大氣壓和防護區(qū)最低環(huán)境溫度下的質(zhì)量體積（m?/kg）;Tr為防護區(qū)最低環(huán)境溫度，（℃）;

二、鋼瓶選型計算

（一）確定目標函數(shù)

（1）本文希望得到七氟丙烷組合分配系統(tǒng)在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶Nrj和Nj的全部組合，并得到所需鋼瓶數(shù)最小值Nj及鋼瓶充裝藥劑量最小值。

組合分配系統(tǒng)的滅火劑儲存量，應(yīng)按儲存量最大的防護區(qū)確定[2]，同一集流管上的儲存容器，其規(guī)格、充裝壓力和充裝量應(yīng)相同[2]。Nrj和Nj可通過以下數(shù)學(xué)原理公式得出，其中式（4）需滿足條件（5）。

式中，Nrj為防護區(qū)r在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數(shù);Nj為整個防護區(qū)在特定型號鋼瓶HFCVj下所需總鋼瓶數(shù);ceil（指定表達式）功能為返回大于或等于指定表達式的最小整數(shù);floor（指定表達式）功能為返回小于或等于指定表達式的最小整數(shù);wji為防護區(qū)r采用鋼瓶HFCVj時，單只鋼瓶滅火劑有效充裝量，kg;HFCVj 為第j個型號的鋼瓶的容量，鋼瓶型號一般取值為40L、68L、70L、90L、100L、120L、180L等;

（二）自變量的變化區(qū)間

本文希望防護區(qū)在Nrj和Nj確定后，找到每個鋼瓶充裝藥劑量的最小值和最大值，則wji滿足以下約束條件。

式中，ρmin，ρmax分別為鋼瓶的最小和最大裝劑量密度，分別取值為0.65和0.95（可根據(jù)不同廠家取值進行調(diào)整），單位為kg/L;wjre為第j種規(guī)格鋼瓶的儲存容器內(nèi)的滅火劑剩余量和管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量平均到每個鋼瓶后之和[2]，單位為kg;

三、用枚舉算法實現(xiàn)FM-200鋼瓶選型設(shè)計

對于每一個型號的鋼瓶HFCVj計算過程，枚舉查找算法計算流程如圖1所示，步驟如下：

（1）根據(jù)公式（1）和公式（2）計算每個防護區(qū)的滅火劑設(shè)計用量和最大用量。

（2）根據(jù)式（8）計算確當前鋼瓶HFCVj的最小最大裝劑量;

因算法是在每一個型號鋼瓶確定時，對于每個防護區(qū)遍歷鋼瓶藥劑量是從最大量開始遍歷，所以滿足各個約束條件的第一個解，就是七氟丙烷組合分配系統(tǒng)在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數(shù)最小值Nrj和Nj。

（4）如果wji不滿足式（7），則j=j+1，重復(fù)步驟（2），如果wji滿足式（7），執(zhí)行步驟（5）。

（5）根據(jù)式（4）和（5），計算在wji下，防護區(qū)r需要的瓶數(shù)Nrj。

若存在一個防護區(qū)，找不到滿足條件的鋼瓶數(shù)，則回到步驟（3）取下一個劑量，執(zhí)行步驟（4），直到尋找到第一個滿足條件的wji及鋼瓶數(shù)值Nrj，取Nj=max{N1j，N2j，… Nnj}，第一個滿足條件的Nrj和Nj，wji 即是一個滿足約束條件的解，且這組解就是七氟丙烷組合分配系統(tǒng)在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數(shù)最小值Nrj和Nj，第一個滿足條件的wji為鋼瓶充裝藥劑量最大值記為wjCMAX。

（6）繼續(xù)重復(fù)步驟（3），取下一個劑量，如果wji不滿足式（7），則j=j+1，執(zhí)行步驟（2），如果wji滿足式（7），根據(jù)式（4）和（5），計算在當前wji下，防護區(qū)r需要的瓶數(shù)Nrj，如果Nrj取值沒改變，wjCMIN=wji， 則反復(fù)重復(fù)步驟（3），如果wji不滿足式（7），則j=j+1，執(zhí)行步驟（2），如果wji滿足式（7），根據(jù)式（4）和（5），計算在當前wji下，防護區(qū)r需要的瓶數(shù)Nrj，直到wji的取值使Nrj變化為止，當前Nrj為新一組解，當前wji為新一組解藥劑瓶充裝量最大值記當前wjCMAX=wji。

（7）繼續(xù)重復(fù)步驟（6）找出滿足約束條件的所有解，每組解中包含鋼瓶容量，各個防護區(qū)鋼瓶數(shù)量，防護區(qū)總鋼瓶數(shù)量及單個鋼瓶有效充裝量范圍及實際充裝量范圍。

四、案例分析

為了說明所提出的方法，本文給出一計算案例。國家海洋局舟山潮流能示范工程建設(shè)項目海上升壓平臺主要設(shè)備房共兩層，1層布置消防控制室、液壓系統(tǒng)及潤滑、變流器柜、控制柜、測試柜、電池柜、配電柜等設(shè)備;2層電氣間布置變壓器柜、綜合監(jiān)控柜、蓄電池柜、饋電柜、進線柜、柴油發(fā)電機等設(shè)備，其中柴油發(fā)電機與其他電氣設(shè)備在二層不同房間內(nèi)。

海上升壓平臺采用七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)對防護區(qū)進行保護，防護區(qū)分別為：一層設(shè)備間、二層設(shè)備間、二層柴發(fā)室。防護區(qū)設(shè)計濃度Cr取值為9%;防護區(qū)最低環(huán)境溫度為5℃;海拔修正系數(shù)K取值為1;單個鋼瓶內(nèi)的滅火劑剩余量和管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量平均到每個鋼瓶后之和0.3kg;根據(jù)公式（1）和公式（2）得出防護區(qū)滅火劑用量見表1。工程現(xiàn)狀采用excel手工試算法進行鋼瓶選型，方案見表2。

（一）手工算法選型方案

鋼瓶規(guī)格為68L或者70L，系統(tǒng)所需鋼瓶數(shù)量為8，每個鋼瓶充裝藥劑量為50kg，各個防護區(qū)所需鋼瓶數(shù)及滅火劑用量見表2。

（二）枚舉算法方案

采用枚舉算法共得出7種方案，所有方案鋼瓶數(shù)及單瓶充裝量計算結(jié)果見表3，方案具體計算結(jié)果見表4。

由表3可知手動算法可以求解出防護區(qū)需要鋼瓶數(shù)，但手動算法需要經(jīng)過大量試算，且手動算法僅僅只可以求解出鋼瓶數(shù)量，但不能夠精確求解出每個鋼瓶充裝量的范圍。

由表4可知，枚舉算法可以求解出所有滿足條件的解，方案覆蓋面全，對于任何一種滿足約束條件的解，可以得出每種類型鋼瓶充裝量區(qū)間及對應(yīng)實際滅火濃度范圍，極大提高計算的準確性和效率。

采用本文提出的方法，防護區(qū)若選用70L或68L鋼瓶，所需最小鋼瓶數(shù)量為7瓶，最小藥劑量為379kg;手動算法則需要8瓶，藥劑量為400kg，與手動算法相比，本文算法可以找到最經(jīng)濟的方案。

五、結(jié)語

（1）采用枚舉算法進行FM-200氣體滅火鋼瓶選型設(shè)計，可以快速準確得出全部的鋼瓶選型設(shè)計方案，有利于設(shè)計人員對設(shè)計方案進行全面分析與評價。

（2）枚舉算法能找到各個防護區(qū)在特定型號鋼瓶下，符合約束條件的鋼瓶數(shù)量最小值及鋼瓶充裝量最小值，此結(jié)果為造價最低即最優(yōu)的一組結(jié)果。

（3）枚舉算法應(yīng)用在FM-200組合分配系統(tǒng)鋼瓶選型設(shè)計中顯示了高效可靠的特點。

參考文獻：

[1]高廣振.七氟丙烷滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及噴嘴數(shù)值模擬研究[D].成都：西華大學(xué)，2010.

[2]中華人民共和國建設(shè)部，氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：GB50370-2005[S].北京：中國計劃出版社，2006.