惰性气体灭火系统选择阀与减压装置优化设计分析

惰性气体灭火系统选择阀与减压装置优化设计分析

张楠、赵琼望、赵建存

温州图强电气科技有限公司    浙江省乐清市   325600

【摘要】为分析惰性气体灭火系统选择阀与减压装置优化设计，采用理论结合实践的方案，立足惰性气体灭火系统的结构组成和工作原理，分析了目前使用中存在的问题，以及优化设计的方法。分析结果表明，惰性气体灭火系统的选择阀与减压装置的优化设计是一个综合性的工程问题，需要根据具体的防护区域特性和灭火需求来进行详细分析和设计。通过合理的组件选择和配置，可以有效提高系统的灭火效率和安全性。

【关键词】惰性气体；灭火系统；选择阀；减压阀

【引言】惰性气体灭火系统是一种高效、环保的新型灭火系统，它利用惰性气体的惰性特性达到灭火目的。与传统的 CO2、干粉等灭火剂相比，惰性气体具有不易导电、无腐蚀、不燃及低毒性等特点，在许多场所都得到了广泛应用。但在实际应用还存在功能单一、压力变化受外界温度影响大等因素的联合影响，严重制约了惰性气体灭火系统的应用效果和范围。基于此，开展惰性气体灭火系统选择阀与减压装置优化设计的分析研究就显得尤为必要。

1、结构组成和工作原理

惰性气体灭火系统由驱动装置、选择阀和减压装置三大部分组成，驱动装置包括管网（或称灭火罐）、喷嘴、执行机构等部件。在正常情况下，驱动装置通过控制系统可使系统按预定的顺序开启喷嘴，并向空间喷出氮气气体，从而实现灭火保护。当火源附近发生火灾时，火焰燃烧产生热量会导致周围环境升温，这时喷嘴将以极快速度打开，形成高温高压气流，进而有效抑制火势蔓延。同时，驱动装置还可根据实际需要改变控制方式，例如调节阀门开度大小来控制喷射量和喷射时间等。选择阀是灭火系统中非常重要的一环，它能确保系统按照预设的顺序开启喷嘴，防止误喷或漏喷现象发生。目前大多数选择阀都采用电磁式或者机械式设计方案，其作用是在一定范围内（通常为0.2~1.5 MPa）对管道内流速进行精确控制。减压装置是用来抑制气态惰性气体流动，避免因气体压力过低而发生倒灌等问题的一种装置。常见的减压装置有弹簧减压阀、气动隔膜减压阀以及涡轮减压器等，它们的主要功能是降低系统出口的压力，保证其稳定性。

2、存在的问题

目前已有的惰性气体灭火系统主要以喷淋形式为主，这使得系统无法快速将氮气气体输送至预定空间位置，并且随着建筑物高度的增加，管道长度也相应增大，导致系统对火源的保护范围变小，降低了系统灭火效率【1】。此外，由于气态惰性气体流速较快，易发生倒灌现象，所以必须设置减压装置来抑制其流动。然而现有的减压装置多采用弹簧式结构，其功能单一，而且受工作环境温度和压力变化影响较大，很难实现稳定减压，容易造成局部泄漏而引发安全隐患。因此，为满足实际应用需求，必须对惰性气体灭火系统进行优化设计。

3、优化设计方法

3.1选择合适的减压装置

选择合适的减压装置，首先需要考虑防护区域的大小和淹没深度。对于不同的应用场景，如消防给水、潜水作业等，减压装置的选择标准和要求会有所不同。对于消防给水系统，减压阀应根据消防给水设计流量和压力选择，并确保减压孔板的最小尺寸和材质符合设计要求。此外，当消火栓设置减压装置时，还需检查减压装置是否符合设计要求。在高层建筑、厂房、库房等场所，当系统压力达到70MPa时应设置减压装置。这意味着在选择减压装置时，不仅要考虑其技术参数和性能，还要考虑其与防护区域的安全距离和防护能力。选择合适的减压装置需要综合考虑防护区域的大小、淹没深度以及具体应用场景的要求。在消防给水系统中，需要特别注意减压阀的设计流量和压力，以及减压孔板的规格。

3.2实现系统的联动功能

将减压装置与选择阀合二为一，使其成为一个整体，这样既可以减少管道的连接长度，又可在阀门关闭后通过弹簧的反向作用力来维持阀口的密闭状态，从而实现对系统压力和流量的有效控制。比如：减压装置采用双流道结构，即有2个入口、2个出口，且每个流道均具备一定的开启和关闭能力，能有效避免因阀门失效导致的减压不稳定现象。同时，该装置的2个阀口分别设置为常开或常闭两种形式，可根据实际需求进行调整，以达到更好的灭火效果。此外，还需增加一套手动泄压装置。当系统出现泄漏时，可以通过手动操作来及时释放管内压力，防止发生爆炸事故。同时，该装置的设计也要兼顾安全可靠性，以保证人员安全。并且还需和智能余压消防报警系统之间能够联合应用，比如：可通过实时监测和报警、火灾位置准确报警、余压控制和防烟处理、自动化应急响应、远程监控和管理以及与其他安全设备的联动等多种方式提高火灾安全性。这种智能化的联动机制能够确保在火灾发生时，系统能够迅速做出反应，采取有效的防火措施。

3.3组件配置优化

3.3.1管道选择优化

对惰性气体灭火系统选择阀与减压装置的应用效果而言，管道的直径越大，系统运行速度就越快，但管道长度却会随之增加，这不仅会降低系统灭火效率，还可能导致灭火失败。因此，为了提高系统稳定性，应根据建筑物的高度选择合适的管道直径。在相同结构参数的情况下，当管道管径增加时，选择阀的动作时间会逐渐缩短，且该缩短规律与管道长度无关； 当管道管径小于20mm 时，当管道长度为7m 时，每增加1mm的管径会使选择阀动作时间延长0.5s，因此应尽量减小管道长度；当管径大于20 mm 时，管径每增加1mm，选择阀动作时间会降低约0.5s，因此应尽可能减小管道直径，以提高系统灭火效率

【2】；在系统压力不变的情况下，为了进一步提高灭火效率，可以考虑减小减压装置的总阀口直径，但需保证所有管道同时减压时最大压力差不大于设计要求。选择阀动作时间受管道直径影响较小，因此可通过合理控制管道直径来优化选择阀性能，进而优化整个惰性气体灭火系统。

3.3.2连接方式优化

由于选择阀的工作环境恶劣，在与管径为DN100、DN200或更大规格管道连接时，会出现应力集中现象，容易造成阀体变形，影响开关控制性能。同时，此类管路常采用焊接工艺进行连接，当焊接完成后，还需对焊缝进行防腐处理，增加了安装成本和时间。因此，推荐在DN>100mm管路中采用法兰连接方式，且为了提高密封性能，应选用具有防松功能的螺纹接口。另外，对于非金属管而言，其通径范围通常较小（一般小于DN50），而《消防给水及灭火系统技术规范》（GB25540-2014）规定：“直径小于或等于100mm的软管，可采用卡箍接头连接”。考虑到此问题，可在不超过DN50的管路上设计特殊的卡箍连接方式。此方式可以有效地防止管路因通径变化而引起的应力集中现象。

3.3.3 工作介质

在选择选择阀时，要综合考虑阀门所处位置、安装方式、管道材质等因素，确定阀门的工作介质，并通过分析验证该工作介质是否符合设计要求【3】。不同规格的惰性气体灭火剂气体密度与其爆炸下限值基本一致，且无明显差异；而二氧化碳（CO2）灭火剂、氮气（N2）灭火剂与水混配后密度均有所上升，说明在进行系统选择时，应优先选用密度较小的惰性气体灭火剂气体，从而降低因混合气体密度增加导致压力损失增大的风险。比如：IG-541灭火剂是由氮气（N2）、氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）三种气体按52%、40%、8%的比例混合而成。优化方案可以考虑根据具体的保护对象和环境条件调整这三种气体的比例，以达到最佳的灭火效果和经济效益。

【结束语】

综上所述，针对目前惰性气体灭火系统在运行中存在的问题，以选择阀和减压装置的特点和作用，在实际的优化设计中仅凭单方面的优化难以取得良好的效果，需要从选择合适的减压装置、实现系统的联动功能、组件配置优化等方面同时入手，才能最大限度上提升惰性气体灭火系统灭火效果，降低火灾造成的影响和损失。

【参考文献】

[1]苏成成.气体灭火技术在化工企业消防中的应用[J].化纤与纺织技术,2023,52(01):49-51.

[2]赖海灵,丰汉军,贺宇飞等.氮气灭火系统设计计算公式探讨[J].今日消防,2022,7(11):10-12.

[3]罗振敏,王欣,王涛等.细水雾-惰性气体协同灭火性能试验研究[J].中国安全科学学报,2022,32(10):63-68.