一种IG541气体灭火系统的设计方法.pdf

本发明公开了一种IG541气体灭火系统的设计方法。气体灭火系统主要由高压气体储存瓶、输送气体的管道、减压装置、气体喷嘴、火灾探测装置以及气体喷放控制系统组成，该方法采用动态的设计计算方法，将高压气体从储气瓶经管道喷放到各防护区、管道系统内各节点的气体压力和流量连续变化的过程离散化，将这个连续的过程离散成由0.1s的时间片段叠加而成，每个时间片段内的气体压力和流量在当个时间片段内视为恒定，分别在每个时间片段内计算管道系统中各节点的压力和气体流量，以此为基础进行气体灭火系统管道系统的设计计算。该方法采用动态设计思想、计算结果准确科学，达到既能可靠灭火，又能保障火灾时防护空间内不至于因喷放了大量气体而使人窒息。

1、  一种IG541气体灭火系统的设计方法，其中气体灭火系统主要由高压气体储存瓶、输送气体的管道、减压装置、气体喷嘴、火灾探测装置以及气体喷放控制系统组成，其特征在于：该设计方法采用动态的设计计算方法，将高压气体从储气瓶经管道喷放到各防护区、管道系统内各节点的气体压力和流量连续变化的过程离散化，将这个连续的过程离散成由0.1s的时间片段叠加而成，每个时间片段内的气体压力和流量在当个时间片段内视为恒定，分别在每个时间片段内计算管道系统中各节点的压力和气体流量，以此为基础进行气体灭火系统管道系统的设计计算。

2、  根据权利要求1所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：该方法的设计计算过程如下：
(1)计算并修正所需要的IG541气体需求量；
(2)根据正常工作环境温度下的设计浓度确定喷完90％气体量所需要的喷放时间；
(3)根据喷放时间和实际使用的气体量，估算各管道的设计流量；
(4)计算减压孔板的孔径和各管道管径；
(5)计算卸压口面积；
(6)根据输入的管网信息及以上计算信息，计算减压孔板的孔径；
(7)建立钢瓶出口气体压力与流过减压孔板气体流量的关系；
(8)验算各管道管径；
(9)分别计算峰值和平均状态下，气体在管网内的压力损失
(10)根据喷嘴处的气体压力和流量确定喷嘴的孔径；
(11)计算保护空间达到95％气体浓度的喷放时间。

3、  根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中计算并修正过程为先根据防护区的容积、灭火浓度，计算出灭火气体的需求量以及储气瓶数量。实际使用的气体量在计算过程中可能需要进行调整，使其满足(a)防护区的灭火气体浓度在规定的浓度范围内；(b)总的喷放时间经计算在规定的时间范围内；(c)喷嘴处的气体压力在规定的范围内，气体量的计算公式为
M=K·VS·ln100100-C=K·2.303·VSlg(100100-C)]]>
式中，M-所需气体量
K-大气压力校正系数；
V-防护区总容积(m³)；
C-灭火剂设计浓度乘以100所得的值；
S-IG541气体比容(m³/kg)

4、  根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中喷完90％IG541气体量所需喷放时间的计算公式为
T90=f(C)=253(C-37.5)+40]]>
式中，T₉₀-喷完90％IG541气体量所需喷放时间
C-灭火剂设计浓度乘以100所得的值。

5、  根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中减压孔板孔口面积的计算公式为

式中，A-减压孔板的孔口面积；
n-储气钢瓶个数；
V_钢瓶-储气钢瓶总容积(m³)；
V_集流管-集流管及软管的总容积(m³)；
ρ-孔板前的实时密度；
T₉₀-喷完90％IG541气体量所需喷放时间；
ρ₉₀-喷完90％的灭火剂后钢瓶和集流管中剩余气体的密度；
ρ₀-钢瓶和集流管中的初始密度；
k-IG541气体的比热常数；
由上式进而求出减压孔板的开口孔径d；
各管道管径的估算公式为
D=24-36Q]]>
式中D-管道内径(mm)；
Q-管道的平均设计流量(kg/s)；
估算出管道管径后，再对管道内气流的雷诺数及公式进行校核，确保各管道中气体流动状态一直处于完全紊流状态，且各管道长度L小于最大管长L_max。

6、  根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中卸压口面积的计算公式为
Ad=1.1·QavePmax]]>
式中，A_d-卸压口面积(m²)；
Q_ave-单个防护区内IG541的最高喷放速率(m³/s)；
P_max-防护区围护结构承受内压的允许压强(Pa)，一般取1.2KPa；

7、  根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(7)中钢瓶出口气体压力P₀跟流过减压孔板气体流量Q_主的关系的建立过程为通过对减压孔板前后的气体流动做分析，建立流过减压孔板气体流量Q_主(kg/s)与减压孔板前压力P_前(MPa)的计算关系Q_主～P_前，Q_主即为系统主干管道的流量，然后建立P_前与钢瓶出口气体压力P₀的对应关系P_前～P₀，这样就建立了某一个时间片段内Q_主与P₀计算关系；
具体过程为：
(a)Q_主～P_前的关系
Q_主与减压孔板的孔径d、管径D、孔板前的气体压力P_前、孔板后的压力P_后、孔板前的气体密度ρ有关，计算时减压孔板孔径d、管径D为已知，根据气体流过孔板的特点，确定P_前和P_后的关系，将Q_主转化为只取决于压力P_前，即Q_主～P_前；
(b)P_前～P₀的关系
单根管道压力损失的计算公式为
-16π2·D·Q2·∫ρ1ρ21ρdρ+D5·∫P1P2ρdP+8π2·f·Q2·L=0]]>
式中，Q为管道流量、D为管道内径、L为管道长度、f为沿程摩阻系数、P₁和ρ₁为管道始端的压力和密度、P₂和ρ₂为管道末端的压力和密度；
根据绝热过程的热力学方程
P1ρ1k=P2ρ2k]]>
管道始端的压力P₁和密度ρ₁在管网压力损失计算时为已知量，压力损失计算公式转换成一元非线性方程：
8π2·f·Q2·L+16π2·d·Q2·lnρ1-kk+1·d5·ρ1·P1-16π2·d·Q2·lnρ2]]>
+kk+1·d5·ρ1-k·P1·ρ2k+1=0]]>
通过编程用迭代法可求解出管道末端的压力P₂和密度ρ₂，从而完成了单根管道的压力损失计算；
对于某一时间片段Δt内，先确定钢瓶的出口气体压力P₀，设定(P_前)₀＝P₀，由Q_主～P_前，计算出Q_主，在依次计算孔板上游各管道的流量Q_i，再利用上述转换成一元非线性方程的压力损失计算公式依次对减压孔板上游的各管道进行压力损失计算，由此可以计算出孔板前的压力(P_前)₁，又可计算出Q_主，再进行压力损失计算，计算(P_前)₂，如此迭代，当|(P_前)_n-(P_前)_n-1|＜10^-5，循环结束，即P_前＝(P_前)_n，由此建立了P_前～P₀的关系。

8、  根据权利要求2或7所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(10)中，定义峰值状态为第一个时间片段内管网内气体的流动状态，钢瓶出口压力P₀为钢瓶的充装压力，由钢瓶出口气体压力与流过减压孔板气体流量的关系计算出总的流量Q_主和孔板后的压力P_后，由此初时条件进行减压孔板下游管网的压力损失计算，分别计算喷嘴的入口压力P_喷和密度ρ_喷，确定喷嘴所在管道的气体流量Q，峰值状态下，由于(δ=(2k+1)kk-1=0.5189,]]>P_air为大气压)，喷嘴孔板出气流速度为音速，马赫数Ma＝1，所以喷嘴孔板的前后压差ΔP＝(1-δ)·P_喷＝0.4811·P_喷，利用公式：
Qπ4·C·ϵ·D2·2·ρ·ΔP=β21-β4]]>和d＝β·D计算出各个喷嘴的孔径
式中，ε-可膨胀系数；
C-流出系数；
ΔP-孔板前后压差(MPa)；
D-管道内径；
ρ-孔板前气体的密度(kg/m³)；
Q-管网主干管道的流量。

9、  根据权利要求2所述的IG541气体灭火系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(11)中保护空间达到95％气体浓度的喷放时间计算过程为
建立钢瓶出口气体压力P₁与喷射时间的函数关系式
P1n=P0·(ρ1nρ0)k=P0·(M0-Σ0nQi·ΔtM0)k]]>
其中，P₀、ρ₀、M₀为钢瓶的初始充装压力，密度和质量，Δt为时间步长；
假设防护区在设计浓度C％下所需的灭火剂量为M，则保护空间达到95％的设计浓度所需的灭火剂为0.95M，储气瓶出口气体的压力P₁的初始值为储气瓶内气体充装压力P₀，由储气瓶的出口压力求出管网主干管道的流量Q，Q乘以时间步长Δt等于该步长内喷放的灭火剂气体量，累加先前时间步长的灭火剂喷放量，求出已喷放的灭火剂量Mn，判断Mn是否大于0.95M；当大于0.95M时，循环停止，用时间步长Δt乘以循环次数为总的喷放时间。

一种IG541气体灭火系统的设计方法
技术领域
本发明涉及一种气体灭火系统的设计方法，尤其是一种IG541气体灭火系统的设计方法。
背景技术
固定气体灭火系统是针对不得有水渍的场所或带电的昂贵设备场所配置的自动灭火设施。IG541气体灭火系统，又称洁净气体灭火系统，所用灭火剂由52％的氮气、40％的氧气、8％的二氧化碳混合而成，较早由美国Chvistian J.Lambertsen医学博士潜心研究而出，美国安素公司研制生产并推广应用，商业名称“INERGEN”。由于该灭火剂释放后，对被保护的环境、人、财产损失为零，因而在国内外得到广泛推广应用，其核心技术为如何有效控制灭火时间(灭火剂喷射时间)、灭火剂浓度、每个喷嘴的喷射压力和均衡喷射等，以上技术一直为国外企业所掌握和垄断。
IG541气体以15MPa的压力并纯气态的形式储存在钢制储气瓶里，大量的IG541气体喷放到火灾区中，能够降低火灾区域空气中氧的浓度，使火灾“窒息”而达到灭火的效果，灭火剂使用时不发生任何化学反应，是一种物理灭火方式。当IG541气体浓度低于42.8％时，对人的呼吸系统不会产生副作用；在通常情况下，氧气浓度降到15％以下，大部分可燃物将停止燃烧。在对灭火系统进行设计时，通常IG541气体灭火剂把氧气浓度降到大约12.5％，同时二氧化碳浓度上升到大约4％，二氧化碳浓度的增加，加快了人体呼吸速率和吸收氧气的能力，所以向火灾区喷放IG541气体能使火灾“窒息”，而不会使人窒息。
IG541气体的主要物理参数为：
平均摩尔质量M(g/mol)：M=28×5+39.95×4+44×110=34---(1-1)]]>
21℃时，IG541的密度为1.41kg/m3。
气体的比热比常数k：k＝C_p/C_v  (1-2)
其中C_v是定容比热，C_p是定压比热。
c_p-c_v＝R＝8.314J/(mol*K)  (1-3)
对于IG541气体：k＝C_p/C_v＝26.65/18.35＝1.4523
IG541气体灭火系统的设备组成可以分成两大部分，即药剂储存和喷放设备、报警和控制设备。药剂储存和喷放设备主要包括有储存IG541气体的钢瓶、钢瓶固定支架、瓶头阀电磁启动器、瓶头阀手动启动器、高压软管、气动软管、止回阀、泄气螺塞、减压孔板、区域选择阀、喷嘴和喷嘴挡流罩等。报警和控制设备主要包括有火灾探测器、控制盘、手拉开关、紧急停止开关、手动/自动选择开关、警铃、蜂鸣器和闪灯、气体释放指示灯、主用/备用选择开关和压力开关等。在对IG541气体灭火系统设计时，一般会根据需要选择采用以上的部分或全部的设备。
20℃时，钢瓶内灭火剂充装压力为：一级充压15MPa；二级充压20MPa。钢瓶容积：国内一般为70L和80L两种。
IG541气体灭火系统的优点是：(1)完全由自然存在于大气中的惰性气体组成，对环境完全无害；(2)在规定的灭火浓度下对人体完全无害，可以在有人工作的场所内安全使用；(3)药剂来源广泛，可确保长期使用；(4)完全由惰性气体组成的灭火剂，在火灾时的高温下不会产生任何酸性化学分解物，对精密设备和其他珍贵财物等无任何腐蚀作用；(5)以气态方式储存的灭火剂，喷放时不会引起保护区域内温度急剧下降，对精密设备和其他珍贵财物无任何伤害；(6)不会在保护区域内产生大量白色浓雾，不会因遮挡视线而影响人员及时疏散；(7)可以较其他气体灭火系统输送更长距离，在系统采用组合分配方式下，可以连接更多的保护区域，节约气体灭火系统的投资。
根据大量已经得到认证的灭火试验结果，证明IG541气体灭火系统能够有效地扑灭A类火灾、B类火灾和C类火灾，所以IG541气体灭火系统可以适用于目前绝大多数的场所。自1994年投入使用以来，已在全球范围内数十个国家和地区得到了应用。
IG541灭火系统在应用时，为了达到安全可靠灭火的目的，必须要满足以下条件：(1)往保护空间喷放IG541气体灭火剂，会导致保护空间的气体压强升高，保护空间的压强升高不能超过1200Pa，因此要设计计算保护空间卸压口的面积；(2)灭火剂的喷射时间应保证在60s之内达到保护空间的最小设计浓度的95％；(3)喷嘴出口前的最小压力在喷射初期的峰值压力应在1.9～5.0MPa之间；(4)气体喷放时，喷嘴处的平均气体压力大于2.0MPa；(5)灭火剂在保护空间的实际浓度在37.5％～42.8％之间，灭火剂浓度太低，则达不到灭火的目的，灭火剂浓度太高，则使火灾初期仍停留在防护区的人产生窒息，危及到人身安全；(6)管道容积与储存容器的最大容积比不宜大于66％。
要满足以上要求，IG541气体灭火系统在实际工程应用时，需要进行严格的管网设计计算。与哈龙、二氧化碳、七氟丙烷等气体灭火系统的水力计算相比，IG541气体灭火系统的设计计算有以下特点：(1)灭火剂的储存压力最高，达到15MPa；(2)气体在管道中的流动为气态单相流，而其它气体灭火系统为双相流；(3)系统中气体流动为非稳态流动，压力衰减很快；(4)系统带有减压装置(减压孔板)。正由于IG541气体灭火系统设计计算存在上述几个特点，使得管网的水力计算很复杂，不能采用其它气体灭火系统的设计计算方法。
IG541灭火系统是由美国安素(Ansul)公司率先推出的灭火产品，目前普遍认为，安素公司的设计计算软件进行工程设计比较可靠，很多公司直接使用安素公司的设计计算软件，但安素公司并不向外界透露其设计计算方法，因此无法知道其设计计算方法，而各个公司生产的IG541系统也不完全相同，尤其是喷嘴结构，这就迫使我国消防行业展开对IG541管网水力计算的研究。IG541系统自从引进中国以来，作为该系统核心技术的管网设计计算方法，成为众多消防企业、消防研究所、消防管理部门的攻关目标，已有众多消防企事业单位投入了相当多的人力和物力对IG541系统工程设计计算进行研究。
天津兆龙软件开发有限公司开发了一套专用IG541设计计算软件，其计算的基本原则是：(1)按等熵绝热过程有摩擦的恒定一元气体单相流进行热力过程计算；(2)设计计算时，瓶头阀出口压力按7MPa计算；(3)孔板下游压力等于中期压力的1.1倍，来确定减压孔板孔径的大小。其中第(2)、(3)原则的科学性、准确性存在严重的质疑，其计算结果基本上是以美国安素公司的计算结果来验算的，没有经过实际的实验研究。
有的消防研究单位也进行了相关的研究工作，研究的重点都在灭火剂IG541流过管道压力损失的计算公式的推导，没有对IG541系统整个设计过程作系统的研究。
西安一些消防企业联合当地高校进行了大量的研究，在这些研究基础上，西安地方消防标准中，给出了相关的设计计算方法，但关于减压孔板孔径的计算这一非常核心的设计内容并没有提到，并且在进行管网压力损失计算时，将设计流量作为平均流量，也是不准确的。
中华人民共和国建设部、国家质量技术监督检验检疫总局于2006年3月联合发布了有关IG541灭火系统的设计规范，即《气体灭火系统设计规范》(GB 50370-2005)(以下简称《设计规范》)。《设计规范》对我国IG541灭火系统的设计、施工以及工程验收提供了统一的、规范的依据，促进了这项灭火技术的应用和发展。《设计规范》也首次给出了IG541系统管网设计计算的方法。是这样规定的：
1、管道的流量宜采用平均设计流量
Qw=0.95Wt---(1-4)]]>
Qg=Σ1NgQc---(1-5)]]>
式中Q_w-主干网平均设计流量(kg/s)；
t-灭火剂设计喷放时间(s)；
Q_g-支管平均设计流量(kg/s)；
N_g-安装在计算支管下游的喷头数量(个)；
Q_c-单个喷头的平均设计流量(kg/s)。
2、减压孔板前的压力
P1=P0·(0.525·V0V0+V1+0.4·V2)1.45---(1-6)]]>
式中：P₁-减压孔板前的压力(MPa，绝对压力)；
P₀-灭火剂储存容器充压压力(MPa，绝对压力)；
V₀-系统全部储存容器的总容积(m3)；
V₁-减压孔板前管网管道容积(m3)；
V₂-减压孔板后管网管道容积(m3)。
此式是以释放95％设计用量的一半时系统的状况，按绝热过程求出减压孔板前管网内IG541气体的计算平均压力。
3、减压孔板后的压力
P₂＝δ·P₁  (1-7)
式中P₂-减压孔板后的压力(MPa，绝对压力)；
δ-落压比(临界落压比：δ＝0.52，落压比在0.52～0.60中选)。
4、减压孔板孔口面积的计算
Fk=Qk0.95·μk·P1·δ1.38-δ1.69---(1-8)]]>
式中F_k-减压孔板孔口面积(cm2)；
Q_k-减压孔板设计流量(kg/s)；
μ_k-减压孔板流量系数。根据孔径与管径的比值d/D，取0.6，0.61，0.62三个值。
此式是根据亚临界压差流量计算公式：
Q=μ·F·P1·2·g·kk-1·1R·T1[(P2P1)2k-(P2P1)k+1k]---(1-9)]]>而求得。
5、管网的压力损失从减压孔板后算起，管道的压力损失计算公式：
Y₂＝Y₁+A·L·Q²+B·(Z₂-Z₁)·Q²  (1-10)
A=10.242×10-8·D5.25---(1-11)]]>
B=1.653×107D4---(1-12)]]>
式中Q-管道设计流量(kg/s)；
L-计算管道长度(m)；
D-管道内径(mm)
Y₁-计算管段始端压力系数(0.1MPa.kg/m3)；
Y₂-计算管段末端压力系数(0.1MPa.kg/m3)；
Z₁-计算管段始端密度系数；
Z₂-计算管段末端密度系数。
此式的推导是采用可压缩流体绝热流动计入摩擦损失，建立管流方程式：
dPρ+a·υ·dυg+λ·υ2·dL2·g·D=0---(1-13)]]>
最后推算出
Q2=0.242×10-8·D5.25·Y0.04·D1.25·Z+L---(1-14)]]>
管道压力系数Y和密度系数Z由查表求出。
6、喷嘴等效孔口面积的计算
Fc=Qcqc---(1-15)]]>
式中：F_c-喷嘴等效孔口面积(cm2)；
q_c-等效孔口面积单位喷射率[kg/(s.cm2)]。
喷嘴单位喷射率由管网喷嘴处的压力查表求得。由喷嘴的等效孔口面积查表求得喷嘴规格代号。
《设计规范》中给出的计算方法是一种很不精确的设计计算方法，只适合对均衡管网系统的估算，不适合非均衡系统的设计计算，其存在以下问题：(1)第2步计算出的管网前的压力并不能代表管网的平均压力，在进行管网压力损失计算时，将设计流量和第2、3步计算的压力作为平均状态下的流量和压力，这是没有理论依据的，实际上，在用第2步所列出的公式计算出的“平均压力”下，管网系统总的流量并不等于总的设计流量；(2)在设计计算时多采用查表的方法进行计算，计算结果不准确，且不利于计算机程序计算；(3)该设计方法中未提到有关喷射时间的计算，喷放时间以及各保护空间的实际灭火剂浓度，这两个参数对于IG541系统管网设计又是至关重要的，因为各保护空间的设计浓度必须在60s内达到设计浓度的95％，只有这样才能达到迅速、安全、可靠灭火的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用动态设计思想、计算结果准确科学，达到既能可靠灭火、又能保障火灾时防护空间内不至于因喷放了大量气体而使人窒息的G541气体灭火系统的设计方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：气体灭火系统主要由高压气体储存瓶、输送气体的管道、减压装置、气体喷嘴、火灾探测装置以及气体喷放控制系统组成，其特征特点是该设计方法采用动态的设计计算方法，将高压气体从储气瓶经管道喷放到各防护区、管道系统内各节点的气体压力和流量连续变化的过程离散化，将这个连续的过程离散成由0.1s的时间片段叠加而成，每个时间片段内的气体压力和流量在当个时间片段内视为恒定，分别在每个时间片段内计算管道系统中各节点的压力和气体流量，以此为基础进行气体灭火系统管道系统的设计计算。
该方法的设计计算过程如下：
(1)计算并修正所需要的IG541气体需求量；
(2)根据正常工作环境温度下的设计浓度确定喷完90％气体量所需要的喷放时间；
(3)根据喷放时间和实际使用的气体量，估算各管道的设计流量；
(4)计算减压孔板的孔径和各管道管径；
(5)计算卸压口面积；
(6)根据输入的管网信息及以上计算信息，计算减压孔板的孔径；
(7)建立钢瓶出口气体压力与流过减压孔板气体流量的关系；
(8)验算各管道管径；
(9)分别计算峰值和平均状态下，气体在管网内的压力损失
(10)根据喷嘴处的气体压力和流量确定喷嘴的孔径；
(11)计算保护空间达到95％气体浓度的喷放时间。
本发明所述步骤(1)中计算并修正过程为先根据防护区的容积、灭火浓度，计算出灭火气体的需求量以及储气瓶数量。实际使用的气体量在计算过程中可能需要进行调整，使其满足(a)防护区的灭火气体浓度在规定的浓度范围内；(b)总的喷放时间经计算在规定的时间范围内；(c)喷嘴处的气体压力在规定的范围内，气体量的计算公式为
M=K·VS·ln100100-C=K·2.303·VSlg(100100-C)]]>
式中，M-所需气体量
K-大气压力校正系数；
V-防护区总容积(m³)；
C-灭火剂设计浓度乘以100所得的值；
S-IG541气体比容(m³/kg)
本发明所述步骤(2)中喷完90％IG541气体量所需喷放时间的计算公式为
T90=f(C)=253(C-37.5)+40]]>
式中，T₉₀-喷完90％IG541气体量所需喷放时间
C-灭火剂设计浓度乘以100所得的值。
本发明所述步骤(4)中减压孔板孔口面积的计算公式为

式中，A-减压孔板的孔口面积；
n-储气钢瓶个数；
V_钢瓶-储气钢瓶总容积(m³)；
V_集流管-集流管及软管的总容积(m³)；
ρ-孔板前的实时密度；
T₉₀-喷完90％IG541气体量所需喷放时间；
ρ₉₀-喷完90％的灭火剂后钢瓶和集流管中剩余气体的密度；
ρ₀-钢瓶和集流管中的初始密度；
k-IG541气体的比热常数；
由上式进而求出减压孔板的开口孔径d；
各管道管径的估算公式为
D=24~36Q]]>
式中D-管道内径(mm)；
Q-管道的平均设计流量(kg/s)；
估算出管道管径后，再对管道内气流的雷诺数及公式进行校核，确保各管道中气体流动状态一直处于完全紊流状态，且各管道长度L小于最大管长L_max。
本发明所述步骤(5)中卸压口面积的计算公式为
Ad=1.1·QavePmax]]>
式中，A_d-卸压口面积(m²)；
Q_ave-单个防护区内IG541的最高喷放速率(m³/s)；
P_max-防护区围护结构承受内压的允许压强(Pa)，一般取1.2KPa；
本发明所述步骤(7)中钢瓶出口气体压力P₀跟流过减压孔板气体流量Q_主的关系的建立过程为通过对减压孔板前后的气体流动做分析，建立流过减压孔板气体流量Q_主(kg/s)与减压孔板前压力P_前(MPa)的计算关系Q_主～P_前，Q_主即为系统主干管道的流量，然后建立P_前与钢瓶出口气体压力P₀的对应关系P_前～P₀，这样就建立了某一个时间片段内Q_主与P₀计算关系；
具体过程为：
(a)Q_主～P_前的关系
Q_主与减压孔板的孔径d、管径D、孔板前的气体压力P_前、孔板后的压力P_后、孔板前的气体密度ρ有关，计算时减压孔板孔径d、管径D为已知，根据气体流过孔板的特点，确定P_前和P_后的关系，将Q_主转化为只取决于压力P_前，即Q_主～P_前；
(b)P_前～P₀的关系
单根管道压力损失的计算公式为
-16π2·D·Q2·∫ρ1ρ21ρdρ+D5·∫P1P2ρdP+8π2·f·Q2·L=0]]>
式中，Q为管道流量、D为管道内径、L为管道长度、f为沿程摩阻系数、P₁和ρ₁为管道始端的压力和密度、P₂和ρ₂为管道末端的压力和密度；
根据绝热过程的热力学方程
P1ρ1k=P2ρ2k]]>
管道始端的压力P₁和密度ρ₁在管网压力损失计算时为已知量，压力损失计算公式转换成一元非线性方程：
8π2·f·Q2·L+16π2·d·Q2·lnρ1-kk+1·d5·ρ1·P1-16π2·d·Q2·lnρ2]]>
+kk+1·d5·ρ1-k·P1·ρ2k+1=0]]>
通过编程用迭代法可求解出管道末端的压力P₂和密度ρ₂，从而完成了单根管道的压力损失计算；
对于某一时间片段Δt内，先确定钢瓶的出口气体压力P₀，设定(P_前)₀＝P₀，由Q_主～P_前，计算出Q_主，在依次计算孔板上游各管道的流量Q_i，再利用上述转换成一元非线性方程的压力损失计算公式依次对减压孔板上游的各管道进行压力损失计算，由此可以计算出孔板前的压力(P_前)₁，又可计算出Q_主，再进行压力损失计算，计算(P_前)₂，如此迭代，当|(P_前)_n-(P_前)_n-1|＜10^-5，循环结束，即P_前＝(P_前)_n，由此建立了P_前～P₀的关系。
本发明所述步骤(10)中，定义峰值状态为第一个时间片段内管网内气体的流动状态，钢瓶出口压力P₀为钢瓶的充装压力，由钢瓶出口气体压力与流过减压孔板气体流量的关系计算出总的流量Q_主和孔板后的压力P_后，由此初时条件进行减压孔板下游管网的压力损失计算，分别计算喷嘴的入口压力P_喷和密度ρ_喷，确定喷嘴所在管道的气体流量Q，峰值状态下，由于(δ=(2k+1)kk-1=0.5189,]]>P_air为大气压)，喷嘴孔板出气流速度为音速，马赫数Ma＝1，所以喷嘴孔板的前后压差ΔP＝(1-δ)·P_喷＝0.4811·P_喷，利用公式：
Qπ4·C·ϵ·D2·2·ρ·ΔP=β21-β4]]>和d＝β·D计算出各个喷嘴的孔径
式中，ε-可膨胀系数；
C-流出系数；
ΔP-孔板前后压差(MPa)；
D-管道内径；
ρ-孔板前气体的密度(kg/m³)；
Q-管网主干管道的流量。
本发明所述步骤(11)中保护空间达到95％气体浓度的喷放时间计算过程为建立钢瓶出口气体压力P₁与喷射时间的函数关系式
P1n=P0·(ρ1nρ0)k=P0·(M0-Σ0nQi·ΔtM0)k]]>
其中，P₀、ρ₀、M₀为钢瓶的初始充装压力，密度和质量，Δt为时间步长；
假设防护区在设计浓度C％下所需的灭火剂量为M，则保护空间达到95％的设计浓度所需的灭火剂为0.95M，储气瓶出口气体的压力P₁的初始值为储气瓶内气体充装压力P₀，由储气瓶的出口压力求出管网主干管道的流量Q，Q乘以时间步长Δt等于该步长内喷放的灭火剂气体量，累加先前时间步长的灭火剂喷放量，求出已喷放的灭火剂量Mn，判断Mn是否大于0.95M；当大于0.95M时，循环停止，用时间步长Δt乘以循环次数为总的喷放时间。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)该设计方法基于动态的设计计算方法，核心思想是将IG-541气体从钢瓶经管道喷放到各保护区这样一个连续的过程离散化，即将这个过程看成是若干个小于或等于0.1s的时间步长组成，由于时间步长取的间隔很小，在每个时间步长内，管网各节点的气体压力和流量可看成是恒定值，然后运用迭代算法，建立每个时间片段内的压力和流量的对应关系，通过编程实现管网的水力计算；(2)该设计方法不同于传统的静态设计方法，传统的静态设计方法是以中期状态作为整个过程的“平均值”进行管网的水力计算，静态设计方法没有考虑到气体在喷放过程中压力和流量衰减的复杂性，本方法所采用动态的设计思想更接近气体喷放的实际过程，准确性和科学性更高，特别适用于复杂、不利、特殊场合的工程设计计算；通过试验室及多个项目工程实例进行实际喷放校核，管网中点各节点压力、灭火剂喷放至设计用量95％的时间、灭火剂喷放浓度、喷嘴喷放的峰值压力等技术指标误差小于9％，其计算结果与系统实际测试结果比较符合。
附图说明
图1为本发明中动态设计的计算示意图。
图2为本发明中流体通过减压孔板时压力和流速的变化示意图。
图3为本发明中减压孔板处气体流动分析图。
图4为本发明中管网系统的简化图。
图5为本发明中管道压力损失的计算示意图。
图6为本发明中管网系统的示意图。
图7为本发明中减压孔板处的简化示意图。
图8为本发明中建立压力流量关系的计算流程图。
图9为本发明中喷嘴的示意图。
图10为本发明中喷射时间的计算流程图。
具体实施方式
IG541灭火系统是将按一定比例配制的灭火气体充入高压钢瓶，预置一定数量的高压钢瓶瓶阀出口汇集于集流管，再经管道等接到防护区喷头。灭火时，打开钢瓶瓶阀，灭火剂经管道流向预定区域通过喷头喷放。在喷放气体过程中，管网内任一点的压力、流量、密度都是随时间变化的，IG541气体从钢瓶喷出经过管网再到喷嘴，可以分以下三个阶段：(1)瓶头阀打开到灭火剂充满管网并且所有喷嘴开始喷射灭火剂，这一阶段时间很短；(2)各喷嘴开始喷射灭火剂到保护空间达到95％的设计浓度，这一阶段各管道内气体的流量，IG541气体的温度，钢瓶及管网各节点气体的压力连续变化；(3)保护空间达到95％的设计浓度后，钢瓶内剩余灭火药剂的喷放。本设计方法主要针对第二阶段内各管道内气体压力和流量的变化规律进行研究。因此在满足工程设计精度的要求的前提下，假设灭火剂从容器阀流出后，首先充满管网，之后所有喷嘴一齐喷射灭火剂，即管网充满过程之中喷射的灭火剂量忽略不计。
动态设计方法的基本思想是：将喷射过程中，管网内气体压力和流量连续变化的过程离散化，即将整个过程分成很多个小的时间步长Δt，在实际中考虑到精度满足要求的前提下，减少计算量和计算时间，取时间片段为0.1s，即把某个0.1s的时间内，压力和流量的值可以认为是稳定的值，如图1所示。
关键就是要确定每一个时间步长Δt管网内气体的压力和流量，将时间步长乘以该步长内系统的总流量，即为该时间步长内喷射的气体量。将该时间步长之前所有步长内喷射的气体量累加起来，即为在该时间步长初始时刻已经喷射的气体量，当已经喷射的气体量大于设计量的95％时，认为喷射以完成。累加所有时间步长可求得系统的喷射时间。
求出中期状态(已经喷放50％的气体量)下钢瓶出口压力，利用管网系统的压力流量特性(钢瓶出口压力与系统总流量的对应关系)求出中期状态下系统的总流量，以此压力和流量进行管网的压力损失计算，求出各喷嘴孔板前的压力和流量，然后计算出孔板的开孔尺寸。
IG541灭火系统的主要设计计算过程如下：
(1)划分和确定IG541气体灭火系统的保护区域；
(2)在同一保护区域中根据情况划分和确定不同的保护空间；
(3)计算保护区域或保护空间的体积；
(4)确定保护区域或保护空间的预期最低环境温度和预期最高环境温度和正常工作环境温度；
(5)根据保护区域或保护空间的体积、设计淹没系数计算需要最小的IG541气体量；
(6)根据保护区域的海拔高度修正IG541气体量；
(7)根据需要最小的气体量选择IG541气体的钢瓶数并计算实际使用的气体量；
(8)根据实际使用的气体量复核在预期最高环境温度下的实际浓度；
(9)根据实际使用的气体量计算在正常工作环境温度下的设计浓度；
(10)根据正常工作环境温度下的设计浓度确定喷完90％IG541气体量所需的喷放时间；
(11)根据喷放时间和实际使用的气体量，估算各管段中的设计流量；
(12)计算卸压口面积；
(13)根据输入的管网信息及以上的计算信息，计算减压孔板的孔径；
(14)管道管径的计算；
(15)建立钢瓶出口气体压力跟流过减压孔板气体流量的关系(管网系统的压力流量特性)；
(16)分别计算峰值和平均状态下，管网的压力损失；
(17)根据喷嘴处的气体压力和流量确定喷嘴的孔径；
(18)计算喷射时间；
当喷嘴处的气流峰值压力不在规定的范围或者喷射时间超过60s时，则需要调整管网参数，通常是增加灭火剂量或者修改设计的喷射时间，使管网的各项指标均达到设计要求。
具体如下：
1、计算实际使用的气体量
IG541气体灭火系统最小灭火设计浓度是37.5％，最高设计浓度是42.8％。这个设计浓度范围值实际上是针对有人工作的场所，因为在这个设计灭火浓度范围值之内，可以保证在喷放IG541气体时，对仍停留在保护区域中的人员无任何伤害。但对于无人工作的场合，根据需要，IG541气体灭火系统的设计浓度实际上是可以超出上述的数值。最小设计浓度是针对保护区域的预期最低环境温度而定的，一般经计算选定了IG541灭火剂的实际用量后，要求复核其在保护区域预期最高环境温度条件下的实际浓度是否超出42.8％。
由于防护区并不是密封的，带有卸压口，所以在计算灭火剂用量时，存在三种不同的算法：(1)先混合后泄漏，这种计算方法是假设IG541气体喷射完成后，才开始从卸压口泄漏气体；(2)边混合边泄漏，从卸压口出去的气体是空气与IG541气体不是按一定的比例混合的，而是逐渐增大；(3)先泄漏后混合，这种是假设从卸压口出去的气体就是空气。按第一种方法计算出的灭火剂用量是偏大的，是一种比较保守的计算方法，而第三种方法则正好相反，第二种假设模型比较精确。
目前通用的IG541气体灭火系统灭火药剂的计算方法是采用美国火灾防护协会NFPA(National Fire Protection Association)(2001)《Standard on Clean Agent Fire ExtinguishingSystems》上介绍的计算方法，采用的就是边混合边泄漏的模型，其灭火剂需求量M的计算公式为：
M=K·VS·ln100100-C=K·2.303·VSlg(100100-C)---(1-16)]]>
其中，K-大气压力校正系数，K＝5.3788×10^-9×H²-1.1975×10^-4×H+1(H，海拔高度(m))；
V-防护区总容积(m³)；
C-灭火剂设计浓度乘以100所得的值。
S-IG541气体比容(m³/kg)，S＝0.65799+0.00239T(T为防护区最低环境温度)。
另外考虑到钢瓶内以及管网内剩余的IG541气体不能完全喷到保护区，因此还要设计灭火剂余量。国家《设计规范》规定，系统的灭火剂剩余量应按计算：
M_s≥2.7V₀+2V_p  (1-17)
V₀，V_p分别为储存钢瓶总的容积量、管网总的容积量。
70L的IG541气体储存钢瓶在充装压力为15MPa的情况下，灭火剂的充装量为14.75kg。所以所需的灭火剂储存钢瓶的数量N计算式为：
N=INT(M14.75)+1---(1-18)]]>
INT()表示取整数。
以上计算的只是在设计浓度C％下的最小需求灭火剂量，在实际计算过程中，根据需要，在实际灭火剂浓度不超过42.8％的情况下，可能要增加灭火剂储存钢瓶数量。
2、根据正常工作环境温度下的设计浓度确定喷完90％气体量所需要的喷放时间
在进行IG541灭火系统设计和水力计算时，有两个重要的时间概念，一个是喷完90％的灭火剂量所需的时间；另一个是保护空间达到95％的设计浓度所需的时间，这里的设计浓度是最低设计浓度，通常是37.5％。
喷完90％的灭火剂量的时间是个重要的设计参数，减压孔板孔径的计算要根据这个时间来计算。在通常环境温度下，当所有的IG541气体喷放到保护空间，由保护空间达到的实际IG541气体浓度浓度来确定喷放90％的IG541气体所需的时间。通常查下表来确定。