氮气灭火系统设计计算公式探讨

赖海灵　丰汉军　贺宇飞　郭进军

摘要：氮氣灭火系统管道内的气体流动过程可能是介于等温过程（等焓）与可逆绝热过程（等熵）之间的一种特殊的复杂过程，其设计计算是重点难点之一。通过流体伯诺里方程推导了管道沿程压强损失计算公式、气体密度计算公式、剩余量计算公式、开口补偿量公式以及管段末端马赫数计算公式，希望能给同行起到借鉴作用。

关键词：理想气体；欧拉方程；伯诺里方程；气体密度；管段末端马赫数

中图分类号：TU892      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）11-0010-03

氮气灭火系统管道内的气体流动过程是介于等温过程（等焓）与可逆绝热过程（等熵）之间的一种特殊的复杂过程，氮气在储存容器里初始压强为15MPa、20MPa，喷放过程中储存容器里压强不断降低，到喷头末端剩余压强通常为1～3MPa，要完全精确计算是非常困难的。GB50370—2005《气体灭火系统设计规范》提供的公式：减压孔板后压强P2=δ·P1，P1为当灭火剂喷出量为设计用量50%时的储存容器压强；δ落压比在0.52～0.60中选用，也是经验值；管网的压强都是在P1、P2基础上计算，与管网实际运行压强并不完全相符。因为氮气灭火系统与IG541灭火系统的灭火剂种类不同，故两种灭火剂的压强系数（Y）、密度系数（Z）、等效孔口单位面积喷射率（qc）均不同，所以GB50370—2005提供的IG541计算公式不能直接用于氮气灭火系统计算[1]。

1 基本理论

表1为0℃时1L的氮气的实验数据与理想气体状态方程、范德瓦尔斯方程所得数据的比较。

根据上述数据，在约20MPa条件下，理想气体PV值与真实气体仅差（1.0483-1.000）/1.0483=4.61%，误差在工程中可以接受，因此理想气体状态公式可以用于氮气灭火系统，GB50370—2005《气体灭火系统设计规范》提供的中期压强公式也是按理想气体公式推导得出[2]。

2 中期压强公式推导

3 管道压强公式推导

4 气体密度公式推导

5 气体流速及马赫数公式推导

惰性气体在管道中流动的同时，其体积迅速膨胀，因而在管径不变的管道中，质量流量不变的条件下，随着管长的增加，气体在管道中的体积流量和流速都将迅速增大。当管长增加到某一数值时，流速就会达到音速。一旦某一管段中的某个截面的流速达到了音速，就会出现“音障”阻碍流体流动，流速突破音障时还将产生剧烈的“爆震”。为避免可能给系统造成的严重破坏，必须控制喷放速度。

6 泄漏量公式推导

7 等效孔口单位面积喷射率公式推导

8 结论

参考文献：

[1]关宏.IG541气体灭火系统管网压力损失计算公式推导[J].消防技术与产品信息，2001（6）：35-36.

[2]王致新，王煜彤.IG541灭火系统的设计及计算方法[C]//“力坚杯”全国气体消防学术交流大会，中国土木工程学会，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