氮氣滅火系統設計計算公式探討

賴海靈　豐漢軍　賀宇飛　郭進軍

摘要：氮氣滅火系統管道內的氣體流動過程可能是介于等溫過程（等焓）與可逆絕熱過程（等熵）之間的一種特殊的復雜過程，其設計計算是重點難點之一。通過流體伯諾里方程推導了管道沿程壓強損失計算公式、氣體密度計算公式、剩余量計算公式、開口補償量公式以及管段末端馬赫數計算公式，希望能給同行起到借鑒作用。

關鍵詞：理想氣體；歐拉方程；伯諾里方程；氣體密度；管段末端馬赫數

中圖分類號：TU892? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）11-0010-03

氮氣滅火系統管道內的氣體流動過程是介于等溫過程（等焓）與可逆絕熱過程（等熵）之間的一種特殊的復雜過程，氮氣在儲存容器里初始壓強為15MPa、20MPa，噴放過程中儲存容器里壓強不斷降低，到噴頭末端剩余壓強通常為1～3MPa，要完全精確計算是非常困難的。GB50370—2005《氣體滅火系統設計規范》提供的公式：減壓孔板后壓強P2=δ·P1，P1為當滅火劑噴出量為設計用量50%時的儲存容器壓強；δ落壓比在0.52～0.60中選用，也是經驗值；管網的壓強都是在P1、P2基礎上計算，與管網實際運行壓強并不完全相符。因為氮氣滅火系統與IG541滅火系統的滅火劑種類不同，故兩種滅火劑的壓強系數（Y）、密度系數（Z）、等效孔口單位面積噴射率（qc）均不同，所以GB50370—2005提供的IG541計算公式不能直接用于氮氣滅火系統計算[1]。

1 基本理論

表1為0℃時1L的氮氣的實驗數據與理想氣體狀態方程、范德瓦爾斯方程所得數據的比較。

根據上述數據，在約20MPa條件下，理想氣體PV值與真實氣體僅差（1.0483-1.000）/1.0483=4.61%，誤差在工程中可以接受，因此理想氣體狀態公式可以用于氮氣滅火系統，GB50370—2005《氣體滅火系統設計規范》提供的中期壓強公式也是按理想氣體公式推導得出[2]。

2 中期壓強公式推導

3 管道壓強公式推導

4 氣體密度公式推導

5 氣體流速及馬赫數公式推導

惰性氣體在管道中流動的同時，其體積迅速膨脹，因而在管徑不變的管道中，質量流量不變的條件下，隨著管長的增加，氣體在管道中的體積流量和流速都將迅速增大。當管長增加到某一數值時，流速就會達到音速。一旦某一管段中的某個截面的流速達到了音速，就會出現“音障”阻礙流體流動，流速突破音障時還將產生劇烈的“爆震”。為避免可能給系統造成的嚴重破壞，必須控制噴放速度。

6 泄漏量公式推導

7 等效孔口單位面積噴射率公式推導

8 結論

參考文獻：

[1]關宏.IG541氣體滅火系統管網壓力損失計算公式推導[J].消防技術與產品信息，2001（6）：35-36.

[2]王致新，王煜彤.IG541滅火系統的設計及計算方法[C]//“力堅杯”全國氣體消防學術交流大會，中國土木工程學會，2003.

Discussion on calculation formula

of nitrogen fire extinguishing system design

Lai Hailing， Feng Hanjun， He Yufei， Guo Jinjun

（Guangzhou Design Institute， Guangdong Guangzhou 510620）

Abstract：The gas flow process in the pipeline of the nitrogen fire extinguishing system may be a special and complicated process between the isothermal process （isenthalpy） and the reversible adiabatic process （isentropy）， and its design and calculation is one of the key and difficult points. Through the fluid Bernoli equation， the pressure loss calculation formula， the gas density calculation formula， the residual amount calculation formula， the opening compensation formula and the Mach number calculation formula at the end of the pipe segment are derived， hoping to provide references for peers.

Keywords：ideal gas; Euler equation; Bernoulli equation; gas density; Mach number at the end of pipe segment