摘要：七氟丙烷氣體滅火系統是地鐵工程常用的消防設施之一。本文分析了七氟丙烷氣體滅火系統的滅火機理，結合規范和地鐵工程實例，闡述了七氟丙烷氣體滅火系統在地鐵工程設計中的應用情況，對主要設計過程進行了扼要的梳理，對如何深入理解規范條文以及如何解決一些常見設計難題，提出了應對策略，并對如何使設計做到經濟合理提出了相應的建議。
GB50157--2003 《地鐵設計規范》要求在“地下車站的車站控制室、通信及信號機房、 地下變電所應設置氣體自動滅火裝置”。目前，國內各城市地鐵采用的氣體消防系統主要有七氟丙烷、IG541以及高壓細水霧等。由于我國全淹沒七氟丙烷組合分配系統在地鐵中的運用經驗正在積累之中.當前國內對全淹沒七氟丙烷組合分配系統的設計研究較少。為使七氟丙烷滅火系統更好地應用于實際工程，本文針對全淹沒七氟丙烷組合分配系統的設計應用進行研究。
1、七氟丙烷氣體滅火系統簡介
1.1 滅火機理
在規定的時間內，向防護區噴放設計規定用量的七氟丙烷滅火劑，并使其均勻地充滿整個防護區;并在浸漬時間內保持一定的濃度，切斷分子中的燃燒鏈，同時七氟丙烷迅速由液態轉變成氣態，吸收大量的熱量，以降低防護區和燃燒物質周圍的環境溫度，從而迅速滅火。在地鐵的地下空間中，這種氣體滅火系統主要應用于重要機電設備房間。其典型的防護區有環控電控室、車站控制室、信號設備室、自動售檢票(AFC)機房、通信設備室和變電所設備房等。
1.2滅火流程
當防護區發生火情，火災探測器發出火災信號，報警滅火控制器即發出聲.光信號同時發出聯動指令，關閉連鎖設備;經過一段延遲時間(30s內，可調)，發出滅火指令，打開啟動閥釋放啟動氣體：啟動氣體通過啟動管道打開相應的選擇閥和容器閥(瓶頭閥)，釋放滅火劑，實施滅火。七氟丙烷氣體火火系統的滅火流程見圖1所示。
2、常見設計應用案例計算
2.1主要設計標準參數的選擇
主要設計參數可按照相關的規范選取，一般情況可按照下述規定確定：
1)設計滅火劑的質量分數為8.0%;
2)氣體噴放時間為8s;
3)儲瓶儲存壓力分為一級，二級，三級;
4)滅火浸漬時間為5min;
5)儲瓶容積分為70 L.100 L.150L等;
6)有毒反應濃度為10.5%。
2.2防護區管道的布置形式
噴頭的保護半徑一般為7 m左右，噴頭在房間內應盡量對稱布置，壓力計算、管徑、噴頭的選擇等應盡可能達到相互平衡，方可實現最佳匹配狀態。圖2是幾種常見的噴頭布置形式。筆者認為，每個防護區噴頭的布置數量盡量按1.2.4、8. ...數列均勻布置為宜，使其成為均衡管網。
2.3計算流程
全淹沒七氟丙烷組合分配系統的設計要經過一個比較復雜的過程。其各個參數相互制約，不是簡單提高或降低某個參數就能達到設計要求，必須經過試算、校核、驗算等多次計算才能得到一個合理的結果。概括起來：首先，設計時先以最大的防護區為基準，使其氣瓶數為整數，來初選充裝量，核算其它消防防護區的各種指標是否在規范許可的范圍內;如果不滿足，采用調整充裝量、管徑大小等參數或者優化管網布置，直到滿足規范要求。圖3是以二級充壓為例的系統計算流程簡圖。
3對系統計算要點的研究
3.1對室內最低溫度的理解
過熱蒸汽在一定大氣壓下其質量體積S隨溫度的影響差異較大，所以溫度對七氟丙烷氣體滅火系統設計計算影響亦相應顯著。因此，各防護區的最低溫度不宜籠統地采用設計額定溫度，要根據《地鐵設計規范》12.2.35的條文解釋規定，確定各房間的最低溫度T，質量體積S也要對應選擇。以下是各種溫度下對應的S值：
T=12℃時，S=0.133 056;
T=16℃時，S=0.135 108;
T=18℃時，S=0.136 134;
T=20℃時，S=0.137 160。
3.2對系統滅火劑儲存量的理解
W0= W+ ΔW1 + ΔW2 (1)
式中：
W0 — 系統藥劑儲存量，kg;
W — 系統設計藥劑用量，kg;
ΔW1 一 儲存容器內的滅火劑剩余量，可按儲存容器內引伸管(虹吸管)管口以下的容器溶劑量換算，70L及100L的儲存瓶一般可取2~3 kg， 120L及150L的儲存瓶一般可取4~5 kg;ΔW2 ——— 管道內的滅火劑剩余量，kg。
GB50370)- 2005《氣體滅火系統設計規范》規定：
1)均衡管網和只含一個封閉空間的非均衡管網，其管網內的滅火劑剩余量均可不計。
2)防護區含兩個或兩個以上封閉空間的非均衡管網，其管網內的滅火劑剩余量可按各支管與最短支管之間長度差值的容積量計算。通過對ΔW2 的理解，可以知道為何氣體消防管道一般都盡量布置成均衡管網的原因了。但實際工程中，有些地鐵的個別防護區設有靜電地板和吊頂(在靜電地板和吊頂內需設置噴頭)，這些房間很難做到均衡管網。圖4是某車站控制室全淹沒七氟丙.烷組合分配系統圖。該防護區的吊頂和地板下，都布置了噴頭。這種不均衡管網內的滅火劑剩余量可按支管之間長度差值的容積量計算。
由圖4可以看出，不均衡管段即為AB的長度。由于在一個大氣壓下七氟丙烷在管道中的殘余應該是氣體而不是液態，它的密度為7.6 kg/m3。表1為20℃時不同管徑每m管道殘余的滅火劑剩余量。從表1可以看出，20℃時每m管道殘余的滅火劑剩余量非常少。而在地鐵設計中，通常這種不均衡管道很短，所以ΔW2值可以忽略不計。
3.3對干管、支管平均設計流量的計算
例：以防護區V= 100 m3、T= 12℃計，則防護區滅火設計藥劑用量(惰化設計用量)應按下式計算：
式中：
K — 海拔修正系數，天津、北京、沈陽、大連、哈爾濱、深圳、上海、南京均取1;
V 一 防護區容積，m3;
S — 滅火劑氣體在101 kPa大氣壓和防護區最低環境溫度下的質量體積，S=0.133 056 m3/kg;
G — 滅火劑的質量分數設計值，因為地鐵需氣體消防的房間均為固體表面火災，根據GB
50375-2005 《氣體滅火系統設計規范》3.3.1條，七氟丙烷滅火系統滅火劑的質量分數設計值不應小于滅火所需的1.3倍，故G=5. 8%X1.3= 7.5%，取8%。
由式(2)可得:W=65.35 kg。
主干管平均設計流量應按式(3)計算:
式中:
Qw — 主干管平均設計流量;
t — 氣體噴放時間，按8 s計。支管平均設計流量按式(4)計算:
式中:
Qg——支管平均設計流量;
Ng——安裝在計算支管下游的噴頭數量;
Qc——單個噴頭的設計流量。支管平均設計流量分配如圖5所示。
3.4初選管徑應注意的問題
GB 50)375 - 2005《氣體滅火系統設計規范》中的3.3.15條規定，初選管徑D可按管道設計流量Q參照式(5)、(6)計算:
當Q≤6.0 kg/s時，
當6.0 kg/s
但筆者認為這兩個公式有欠妥之處:當Q接近6.0 kg/s，若分別按式(5)、(6)中的系數來初選管
徑，可能會造成流量大的管徑反而小的矛盾。其原因是式(5)、(6)不連續。設計時應該考慮到這個因素，可將式(5)中的系數改為16~20。
3.5對系統平面布置的體會和探討
3.5.1防護區房間的布置
地鐵車站的防護區--般是電氣、通信設備房間，面積差別較大，有的為200多m2，有的只有10多m2。地鐵車站的防護區通常設置在車站站廳和站臺的兩端，如果在設計初期房間布置方面不提前考慮組合分配的因素，今后在設計過程中就會出現系統多氣瓶數量多和氣體消防房間面積大等問題。車站防護區布置時，車站的氣體保護房間要相對集中，氣瓶間不僅離最大的防護區要近，而且還要離最小的防護區近，這樣才能在計算時容易既滿足壓力要求又滿足規范上要求的“管網的管道內容積，不應大于流經該管網七氟丙烷儲存最體積的80)%”。多數人可能還存在一個認識誤區:“各防護區面積大小越接近，就越能組合。”其實不是這樣的，有些防護區面積相差甚小的時候反而不能組合。比如，面積70.1 m2和72 m2 ，很可能就不能組合在一起，原因是“一瓶不夠，兩瓶超標”。這種情況下，最好與建筑專業溝通，讓它們的面積一樣。
3.5.2 系統和管網的布置
噴頭要求盡量對稱布置，管網布置力求短而簡單;設計時要注意管道的壁厚，不能籠統地用公稱直徑表示，應標出外徑、內徑、壁厚等。若是有個別小的防護區影響到系統組合的話，可單獨剔除出來，設置無管網七氟丙烷系統。
3.6“釋藥法"的應用
《氣體滅火系統設計規范)第3.3.6條規定:“防護區實際應用的濃度不應大于滅火設計濃度的1. 1倍”。原因是:七氟丙烷噴放后分解產物主要是HF(氟化氫)，而HF對人體和精密設備有一定傷害。這也是進行七氟丙烷系統組合分配設計時遇到的最棘手難題之一。經研究及工程設計實踐，筆者認為，在滿足規范要求的防護區噴放濃度的前提下，將那些可能使小房間濃度超標的七氟丙烷釋放到防護區之外，可有效地適應規范要求，并減少系統和氣瓶數量;且由于釋放到防護區外的七氟丙烷量很少，不會帶來任何負面效應。本文暫且將這種方法命名為“釋藥法”。下面以某地下雙層島式站臺的地鐵站為例，描述“釋藥法”的工程應用情況。按該地鐵站防護區數量和布局,設置了3個氣瓶間,分別位于車站站廳層兩端及站臺的一端。采用常規的計算方法,整個車站共設置了5個系統,43個70L儲瓶,藥劑儲存量為1465kg;如果采用“釋藥法”,能使系統數量減為3個,氣瓶數量減為24個,藥劑量也減為1172 kg。“釋藥法”能使系統得到優化的原因是:設計時把可能超標房間的多余七氟丙烷釋放到防護區外面，使原來難以組合的防護區組合到了一起,使各子系統的充裝量得到了提高。這樣，既滿足了規范要求,又減少了系統數量,同時還減少了系統投資;而且由于氣瓶數和系統數量的減少,相應也減少了氣瓶間面積,從而有效降低了工程造價。使用該方法計算應注意以下幾點:
1)應計算出防護區可能超標所需釋放的七氟
丙烷的量范圍值;根據該范圍值和噴頭壓力選用釋放到防護區外的噴頭規格,不能籠統地采用防護區的噴頭規格。
2)釋放到防護區外管網應納人計算中,計算結果應滿足規范的各項要求。
3)連接釋放噴頭的管道應盡量短,噴頭應設置在管網的末端，出防護區后立即噴出,這樣使其管網能夠盡量均衡。
4)為了簡化計算，用防護區內的噴頭壓力計算選用釋藥噴頭規格時,由于防護區外實際釋藥噴頭的壓力比防護區內的噴頭壓力小，所以防護區外釋藥噴頭的實際噴放藥劑量會比計算的略少。所以，當在計算防護區釋藥噴頭的噴放氣體濃度為臨界狀態8.8%時,由于防護區外噴頭的釋藥量略少,所以防護區內的釋藥噴頭的噴放氣體濃度就可能超標。故而為保險起見，計算時這類防護區濃度采用8.1%~8.7%為宜。
4結論
對一般的地下地鐵車站來說，七氟丙烷滅火系統與IG541以及高壓細水霧等相比較，具有氣瓶儲存壓力低、瓶子數量較少、造價相對較低等優點,其在氣體消防領域具有較為廣泛的應用前景。木文通過對全淹沒組合分配七氟丙烷滅火系統的設計計算進行總結，可得出以下結論:
1)七氟丙烷滅火系統的管道布置應盡量采用均衡布置;
2)系統設計初期布置房間時應提前考慮組合分配因素;
3)采用“釋藥法”可有效適應規范對防護區氣體濃度的要求。
