枢纽楼消防设计管理论文
枢纽楼消防设计管理论文 摘要：本论文对当前市场上最常用的几种哈龙替代物进行了比较分析，根 据工程的特点及XXX片区枢纽楼（简称：业主）出于成本的考虑，综合分析后 为业主设计了一套七氟丙烷灭火系统。介绍了七氟丙烷灭火系统的组成及原理。针对XXX片区枢纽楼进行了七氟丙烷灭火系统设计及设计计算，火灾自动报警 及联动控制系统设计及设计计算，安全疏散讨论、施工图纸设计和设计经济预算。
关键词：七氟丙烷灭火系统火灾自动报警系统安全疏散设计预算设计图纸 1.前言 哈龙灭火系统自问世以来，由于在灭火方面具有浓度低、灭火效率高、不 导电等优异性能，在世界各地获得了广泛的应用。其主要应用于大型电子计算机 房、通讯机房、高低压配电室、档案馆等重要场所。然而，大量的科学实验证明 哈龙对大气臭氧层有破坏作用，有碍人类的生存环境。为保护人类健康及赖以生 存的地球环境，联合国制定了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，发达 国家自1994年1月1日，停止生产和使用哈龙灭火剂，发展中国家则可延长到2010 年。于是寻找新的灭火剂替代哈龙成为必然。目前哈龙灭火剂的替代物主要有两 大方向：一是以其他灭火系统替代哈龙灭火系统，如二氧化碳、细水雾等灭火系 统。二是新型的“洁净气体”灭火剂和相应的灭火系统，如卤代烃灭火系统、惰性 气体灭火系统。在各种洁净灭火剂中，具有实际应用价值的是七氟丙烷和烟烙尽。
下面就二氧化碳灭火系统、烟烙尽灭火系统和七氟丙烷灭火系统，对其灭 火效率、系统投资、保护生命等方面进行比较分析。并说明XXX片区枢纽楼的 最佳气体灭火系统的选择是七氟丙烷灭火系统。
二氧化碳灭火系统和烟烙尽灭火系统都是使氧气浓度下降，对燃烧产生窒 息作用，从而扑灭火灾的。七氟丙烷在火灾中有抑制燃烧过程基本化学反应的能 力，其分解物能够中断燃烧过程中化学连锁反应的链传递，因而灭火能力强，灭 火速度快。由此可见，二氧化碳灭火系统、烟烙尽灭火系统和七氟丙烷灭火系统 是两种不同的灭火机理，这两种不同的灭火机理决定了七氟丙烷灭火系统在设计 浓度上要远远低于二氧化碳灭火系统和烟烙尽灭火系统。三种灭火系统的最小设 计浓度7%、34%、37.5%。所以七氟丙烷的灭火效率是最高的，市场上经常使用 的气体灭火剂综合性能如表1.1所示。气体灭火剂综合性能对照表表1.1 灭火剂名称 FM-200 （七氟丙烷） CO2 （高压） INERGEN （烟烙尽） HALON （哈龙） 生产厂家 美国大湖公司 国产 美国安素 国产 适用范围 同1301，但由于惰性大，高度和气瓶间距离均受一定限制 与`1301同，适用于无人区域 与1301同，但保护面积不可超过1000米2 A、B、C类及电气火灾，通常适用于无人区域 灭火方式化学与物理 物理 物理 化学 设计浓度 8-10% 34-75% 37.5-42.8% 5-9.4% 灭火速度 快 最慢 慢 最快 贮存压力 2.5/4.2Mpa 5.8MPa 15Mpa 2.5/4.2Mpa 工作压力 2.5/4.2Mpa 15Mpa 15Mpa2.5/4.2Mpa 喷嘴压力 ≥0.8Mpa ≥1.4Mpa ≥0.8Mpa 酸性值 中等 低 最低 毒性值 中等（含氢氟酸） 低 无 低 LOAEL 10.5 浓度大于20%人员死亡 52 7.5 NOAEL 9.0 435.0 气体产物 HF CO2 N2、CO2、Ar2 HF、HBr 启动产物 N2 N2 N2 N2 气体与空气重量比 5.8 1.51 1.22 5.05 影响系统投资的主要因素是系统设备投资、系统瓶站建筑投资及系统的维 护保养费用等。目前市场上二氧化碳、烟烙尽与七氟丙烷的单价比为1：13：110。
但二氧化碳灭火系统和烟烙尽灭火系统需要的灭火浓度高，自然灭火剂的用量就 大。值得注意的是，烟烙尽灭火系统其气体是以高压气态储存的，其输送距离可 长达150米，大大超过了其它以液态储存的灭火剂的输送距离。所以它一套组合 分配的装置可以保护的防护区数量可以很多，这样烟烙尽灭火系统的经济性是显 而易见的。瓶站的建筑面积与灭火剂的用量是联系在一起的，所以七氟丙烷灭火 系统需要的瓶站的建筑面积要大大小于二氧化碳灭火系统和烟烙尽灭火系统。但 由于烟烙尽灭火系统保护的距离长，所以需要的瓶站的数量也少。二氧化碳灭火 系统需要的储存容器，系统体积大、重量高，需要瓶站的建筑面积大，瓶站的建 筑投资大。关于系统的维护保养费用，10年时间二氧化碳、烟烙尽与七氟丙烷系统灭火剂的再充填的费用比约为1：4：85，所以二氧化碳和烟烙尽的再填充费用 是相对低的。通过上述各方面比较烟烙尽灭火系统的系统投资是最低的。
在保护人身安全方面，七氟丙烷人未观察到不良反应的浓度为9%，系统 最小设计浓度为7%，烟烙尽人未观察到不良反应的浓度为43%，系统最小设计 浓度为37.5%，所以七氟丙烷和烟烙尽在防护区喷放对人体是相对安全的。但七 氟丙烷在高温条件下会产生对人体有害的HF，所以它使用时的浓度必须低于 NOAEL值，而且灭火时的拖放时间不能过长。而二氧化碳在34%以上会使人窒 息死亡。据统计，近几年世界上由于火灾中被二氧化碳窒息而死的人每年多达80 余人。所以二氧化碳系统不适合人员出入较多的场所。
XXX片区枢纽楼需要气体保护的区域多为通信机房、寻呼机房、交换机 房等，工作人员和值班人员较多。六层以下多为商务中心等公共场所，人流量也 较大。该建筑需要气体保护的防护区多，空间也较大，组合分配的系统也多。综 合考虑以上各方面，虽然二氧化碳灭火系统具有来源广泛、价格低廉、无腐蚀性、 不污染环境等优点，但瓶组占地面积大、泄露点多，给以后的维修会带来一系列 的难度。而且气体容易从液压站的开口处流失，保证其灭火浓度也较难。灭火剂 的沉降也较快，特别是在高度和空间较大的情况下，高处火灾就难以扑灭。烟烙 尽灭火系统虽然系统投资低，对人体安全等许多优点，但目前在国内还没有完整 的设计规范。所以该建筑采用的最适合的气体灭火系统为七氟丙烷灭火系统。它 的灭火效率高，对大气臭氧层的损耗潜能值ODP值为零，对人体相对安全，瓶组 占地面积小，但它只适用于扑灭固体表面火灾，不适宜扑救固体深位火灾。
2.七氟丙烷灭火系统设计 2.1工程概况 XXX片区枢纽楼地上十七层，地下两层，裙房三层，辅房三层。建筑面 积23000平米，建筑高度为67.7米。四层到十六层层高3.9米，其中七至十六层的 通信机房、电力室、电池室、传输机房、LS机房、ATM机房、网管中心、软件 中心、计费中心和新技术发展用房，需要用气体灭火系统进行保护，采用七氟丙 烷灭火系统对其进行保护。
根据《高层民用建筑防火设计规范》该建筑为一类建筑，耐火等级为一级， 危险等级为中危险等级Ⅰ级。七层到十六层需要气体保护的区域，设有防静电地 板，地板高0.5米，净空高为3.4米（比例为5：34）。2.2七氟丙烷（FM―200）灭火系统 2.2.1七氟丙烷气体灭火剂性能及灭火机理 七氟丙烷灭火剂HFC-227ea（美国商标名称为FM-200）是一种无色无味、 低毒性、电绝缘性好，无二次污染的气体，对大气臭氧层的耗损潜能值（ODP） 为零。其化学结构式为CF3-CHF-CF3。在一定压强下呈液态储存。在火灾中具有 抑制燃烧过程基本化学反应的能力，其分解产物能够中断燃烧过程中化学连锁反 应的链传递，因而灭火能力强、灭火速度快。
2.2.2七氟丙烷灭火系统工作程序及原理 当防护区发生火灾时，灭火系统有三种启动方式：
自动启动：此时感温探测器、感烟探测器发出火灾信号报警，经甄别后由 报警和灭火控制装置发出声光报警，下达联动指令，关闭联锁设备，发出灭火指 令，延迟0-30秒电磁阀动作，启动启动容器和分区选择阀，释放启动气体，开启 各储气瓶容器阀，从而释放灭火剂，实施灭火。
手动启动：将灭火控制盘的控制方式选择键拨到“手动”位置。此时自动控 制无从执行。操作灭火控制盘上的灭火手动按钮，仍将按上述即定程序实施灭火。
一般情况，保护区门外设有手动控制盒。盒内设紧急启动按钮和紧急停止按钮。
在延迟时间终了前可执行紧急停止。
应急启动：在灭火控制装置不能发出灭火指令时，可进行应急启动。此时， 人为启动联动设备，拔下电磁启动器上的保险盖，压下电磁铁芯轴。释放启动气 体，开启整个灭火系统，释放灭火剂，实施灭火。
2.3系统设计 2.3.1灭火方式 按防护区的特征和灭火方式采用全淹没灭火系统，管网输送方式为组合分 配系统。
全淹没灭火系统是在规定的时间内，向防护区喷放设计规定用量的七氟丙 烷，并使其均匀的充满整个防护区的灭火系统。组合分配系统是用一套七氟丙烷的储存装置通过管网的选择分配，保护两个或两个以上防护区的灭火系统。优点 是减少灭火剂的用量，大大节省系统投资。因为本建筑需要气体保护的机房较多 多，所以采用组合分配系统最为经济可行。
2.3.2防护区的划分 《规范》中规定：防护区宜以固定的单个封闭空间划分；
当同一区间的吊 顶层和地板下需同时保护时，可合为一个防护区；
当采用管网灭火系统时，一个 防护区的面积不宜大于500m2,容积不宜大于2000m3。
根据《规范》规定，把该组合分配系统四个系统中各个防护区的划分归纳 于下表，其中最大保护区的面积为310.25m2，容积为1210m3。
系统划分表表2.1 系统（一） 系统（二） 编号 保护区名称 楼层 编号 保护区名称 楼层 1 左LS机房 7F 1 左传输机房9F 2 右LS机房 7F 2 右传输机房 9F 3 电池室 8F 3 左ATM机房 10F 4 小电力室 8F 4 右ATM机房 10F 5 大电力室 8F 5左同步网监控中心 11F 6 主机房 11F 7 右同步网监控中心 11F 注：防护区的工作区和地板下均设置喷头和探测器，防护区设有弹簧门不 需单设泄压口。
2.3.3管网系统 本系统的管网布置为非均衡管网，但工作区和地板下的管网布置都为均衡 管网。《规范》中规定，均衡管网要符合下列要求：
①管网中各个喷头的流量相等；
②在管网上，从第一分流点至各喷头的管道阻力损失，其相互间的最大差 值不应大于20%。
管网设计布置为均衡系统有利于灭火剂在防护区喷放均匀，利于灭火。可 不考虑管网中的剩余量，做到节省。可只选用一种规格的喷头，只计算“最不利 点”的阻力损失就可以了。虽然对整个系统来说是非均衡管网，但因把工作区和 地板下都尽量布置为均衡，所以该系统工作区中的喷头型号相同，地板下的喷头 型号相同，工作区和地板下为不同型号的喷头。在管网设计时，考虑到经济性， 应尽量减少管段长度，减少弯头数量。做到管网布置合理、经济。
2.3.4增压方式 根据《规范》规定：七氟丙烷灭火系统应采用氮气增压输送。氮气的含水 量不应大于0.006%。额定增压压力选用4.2±0.125MPa级别。2.3.5系统组件 系统主要组件有：启动钢瓶组、储气钢瓶组以及单向阀、压力继电器、选 择阀、泄气卸压阀、金属软管、集流管、喷头及管路附件、灭火剂输送管网、储 气钢瓶架、启动钢瓶架等。
启动钢瓶组由电动启动阀、电磁阀、压力表组成。储气钢瓶组由容器阀、 导管、钢瓶组成。单向阀包括气控单向阀和液流单向阀。
2.4系统设计与管网计算2.4.1系统设计计算 系统（一）：
（一）确定灭火设计浓度 依据《七氟丙烷洁净气体灭火系统设计规范》（以下简称规范） 取C%=8% （二）计算保护空间实际容积 1区、2区、3区、5区容积相同：
V5区＝14.8×22.4×3.9＝1292.93（m3）其中地板下：165.76m3工作区：
1127.17m3 4区容积：
V4区＝（7.6×21.6-8.2×0.9）×3.9＝611（m3）其中地板下：78.33m3工作 区：532.67m3 （三）计算灭火剂设计用量 依据《规范》中规定W=K×（V/S）×C/（100-C） 其中K=1，S=0.1269+0.000513×20℃=0.13716（m3/kg） 1区、2区、3区、5区灭火剂设计用量相同：
W=1×（1292.93/0.13716）×8/（100－8）=819.69（kg）其中地板下：104.7kg工作区：714.99kg 根据单瓶设计储量为819.69Kg/59Kg/瓶=13.89（瓶） 需要14只储瓶，所以W取826kg 工作区W1=720（kg）地板下W2=106（kg） 4区灭火剂设计用量：
W=1×（611/0.13716）×8/（100－8）=387.4（kg） 根据单瓶设计储量为387.4Kg/59Kg/瓶=6.57（瓶） 需要7只储瓶，所以W取413kg 工作区W1=360（kg）地板下W2=53（kg） （四）设定灭火喷放时间 依据《规范》规定，取t=7s （五）设定喷头布置与数量 选用JP型喷头，其保护半径为7.5m，最大保护高度为5m。工作区布置8只 喷头，按保护区平面均匀喷洒布置喷头。地板下与工作区的布置形式相同。
（六）选定灭火剂储存瓶规格及数量 1区、2区、3区、5区相同 根据W=819.69kg，选用JR-100/59储存瓶14只。
4区：
根据W=387.4kg，选用JR-100/59储存瓶7只。
（七）绘制管网设计图，见附图 （八）计算管道平均设计流量（1）1区、2区、3区、5区相同：
主干管：QW=W/t=819.69/7=117.1(kg/s) 支管：工作区：Q1-2=714.99/7=102.14(kg/s) Q2-3=51.07(kg/s) Q3-4=25.535(kg/s) Q4-5=12.7677(kg/s) 地板下：Q1-2′=104.7/7=14.96(kg/s) Q2′-3′=7.48(kg/s) Q3′-4′=3.739(kg/s) Q4′-5′=1.8696(kg/s) 储瓶出流管：QP=819.69/14/7=8.36(kg/s) 4区：
主干管：QW=W/t=413/7=59(kg/s) 支管：工作区：Q1-2=360/7=51.43(kg/s) Q2-3=25.714(kg/s) Q3-4=12.857(kg/s) Q4-5=6.4286(kg/s) 地板下：Q1-2′=53/7=7.57(kg/s) Q2′-3′=3.7857(kg/s) Q3′-4′=1.8929(kg/s) Q4′-5′=0.9464(kg/s) 储瓶出流管：QP=413/7/7=8.43(kg/s)（九）选择管网管道通径，标于图上 （十）计算充装率 系统设置用量：WS=W+△W1+△W2 储瓶内剩余量：△W1=n×3.5=14×3.5=49（kg） 管网内剩余量：△W2=8×2.9×0.49×1.04=16.55（kg） WS=819.69+49+16.55=885.24（kg） 充装率η=885.24/（14×0.1）=632.31（kg/m3） （十一）计算管网管道内容积 依据管网计算图。
1区 VP1′=29.807×8.33+7.4×8.33+5.6×2×4.7+3.675×4×3.42+2.8×8×3.42=0.489（m3） VP2′=10.3×1.96+5.6×2×1.19+3.675×4×0.8+2.8×8×0.49=0.057（m3） VPⅠ=VP1′+VP2′=0.546（m3） 2区：
VP1′=24.507×8.33+7.4×8.33+5.6×2×4.7+3.675×4×3.42+2.8×8×1.96=0.41（m3） VP2′=10.3×1.96+5.6×2×1.19+3.675×4×0.8+2.8×8×0.49=0.057（m3） VPⅡ=VP1′+VP2′=0.467（m3） 3区：
VP1′=27.307×8.33+7.4×8.33+5.6×2×4.7+3.675×4×3.42+2.8×8×1.96=0.434（m3） VP2′=10.3×1.96+5.6×2×1.19+3.675×4×0.8+2.8×8×0.49=0.057（m3） VPⅢ=VP1′+VP2′=0.491（m3） 4区：VP1′=37.45×8.33+3.53×4.7+5.35×2×3.42+1.85×4×1.96+2.675×8×1.19=0.4（m3） VP2′=6.43×1.19+5.35×2×0.8+1.85×4×0.49+2.675×8×0.31=0.0265（m3） VPⅣ=VP1′+VP2′=0.4265（m3） 5区：
VP1′=21.807×8.33+7.4×8.33+5.6×2×4.7+3.675×4×3.42+2.8×8×1.96=0.3885（m3） VP2′=10.3×1.96+5.6×2×1.19+3.675×4×0.8+2.8×8×0.49=0.057（m3） VPⅤ=VP1′+VP2′=0.4455（m3） （十二）选用储瓶增压压力 依据《规范》中规定，选用P。=4.3MPa（绝压） （十三）计算全部储瓶气相总容积 1区、2区、3区、5区相同 依据《规范》中公式：V。=n×Vb×(1―η/γ) =14×0.1×（1―632.31/1407）=0.77（m3） 4区：
依据《规范》中公式：V。=n×Vb×(1―η/γ) =7×0.1×（1―632.31/1407）=0.385（m3） （十四）计算“过程中点”储瓶内压力（喷放七氟丙烷设计用量50%时的“过 程中点”） 1区：Pm1=P。V。/[V。+W/（2×γ）+VP] =4.3×0.77/[0.77+819.69/（2×1407）+0.546]=2.06MPa（绝压） 2区：Pm2=P。V。/[V。+W/（2×γ）+VP]=4.3×0.77/[0.77+819.69/（2×1407）+0.467]=2.175MPa（绝压） 3区：Pm3=P。V。/[V。+W/（2×γ）+VP] =4.3×0.77/[0.77+819.69/（2×1407）+0.491]=2.133MPa（绝压） 4区：Pm4=P。V。/[V。+W/（2×γ）+VP] =4.3×0.385/[0.385+413/（2×1407）+0.4265]=1.723MPa（绝压） 5区：Pm5=P。V。/[V。+W/（2×γ）+VP] =4.3×0.77/[0.77+819.69/（2×1407）+0.4455]=2.2MPa（绝压） （十五）计算管路阻力损失 ⑴a-b管段 1区、2区、3区、4区、5区：
（△P/L）a-b=0.0029(MPa/m)La-b=3.6+3.5+0.5=7.6(m) △Pa-b=0.02204(MPa) 工作区：
⑵b-1管段 1区：（△P/L）b-1=0.011(MPa/m) Lb-1=24.807+10+5×6.4+1.9=68.707(m) △Pb-1=（△P/L）b-1×Lb-1=0.011×68.707=0.756(MPa) 2区：（△P/L）b-1=0.011(MPa/m) Lb-1=19.507+10+4×6.4+2.1=57.2(m) △Pb-1=（△P/L）b-1×Lb-1=0.011×57.2=0.63(MPa) 3区：（△P/L）b-1=0.011(MPa/m)Lb-1=22.307+10+3×6.4+2.1=53.407(m) △Pb-1=（△P/L）b-1×Lb-1=0.011×53.407=0.59(MPa) 4区：（△P/L）b-1=0.0031(MPa/m) Lb-1=32.45+10+4×5.2+2.1=65.15(m) △Pb-1=（△P/L）b-1×Lb-1=0.011×65.15=0.2(MPa) 5区：（△P/L）b-1=0.011(MPa/m) Lb-1=16.807+10+3×6.4+2.1=48.107(m) △Pb-1=（△P/L）b-1×Lb-1=0.011×48.107=0.53(MPa) ⑶1-2管段 1区、2区、3区、5区：
（△P/L）1-2=0.009(MPa/m) L1-2=7.4+2.1=9.5(m) △P1-2=0.009×9.5=0.0855(MPa) 4区：
（△P/L）1-2=0.0085(MPa/m) L1-2=3.53+5.2+0.6=9.33(m) △P1-2=0.0085×9.33=0.0793(MPa) ⑷2-3管段 1区2区3区5区：
（△P/L）2-3=0.007(MPa/m) L2-3=5.6+7.3+0.6=13.5(m) △P2-3=0.007×13.5=0.0945(MPa)4区：
（△P/L）2-3=0.006(MPa/m) L2-3=5.35+5.8+0.5=11.65(m) △P2-3=0.006×11.65=0.0699(MPa) ⑸3-4管段 1区2区3区5区：
（△P/L）3-4=0.005(MPa/m) L3-4=3.675+5.8+0.5=9.975(m) △P3-4=0.005×9.975=0.0499(MPa) 4区：
（△P/L）3-4=0.0058(MPa/m) L3-4=1.85+5+0.4=7.25(m) △P3-4=0.0058×7.25=0.042(MPa) ⑹4-5管段 1区：
（△P/L）4-5=0.0005(MPa/m) L4-5=2.8+0.2+5+3.5=11.5(m) △P4-5=0.0005×11.5=0.006(MPa) 2区、3区、5区：
（△P/L）4-5=0.0045(MPa/m) L4-5=2.8+0.2+5+0.4+3.5=11.9(m) △P4-5=0.0045×11.9=0.05355(MPa)4区：
（△P/L）4-5=0.0049(MPa/m) L4-5=2.675+4+0.3+0.2+2.8=9.975(m) △P4-5=0.0049×9.975=0.049(MPa) 工作区管道阻力损失：
1区：∑△P1=1.014(MPa) 2区：∑△P1=0.9355(MPa) 3区：∑△P1=0.9(MPa) 4区：∑△P1=0.462(MPa) 5区：∑△P1=0.84(MPa) 地板下：
1区、2区、3区、5区：
⑴1-2′管段 （△P/L）1-2′=0.007(MPa/m) L1-2′=10.3+3.5+2.1=15.9(m) △P1-2′=0.007×15.9=0.1113(MPa) ⑵2′-3′管段 （△P/L）2′-3′=0.006(MPa/m) L2′-3′=5.6+4+0.3=9.9(m) △P2′-3′=0.006×9.9=0.594(MPa) ⑶3′-4′管段 （△P/L）3′-4′=0.0046(MPa/m)L3′-4′=3.675+3.2+0.3=7.175(m) △P3′-4′=0.0046×7.175=0.033(MPa) ⑷4′-5′管段 （△P/L）4′-5′=0.004(MPa/m) L4′-5′=2.8+0.2+1.8+2.5+0.2=7.5(m) △P4′-5′=0.004×7.5=0.03(MPa) 4区：
⑴1-2′管段 （△P/L）1-2′=0.0065(MPa/m) L1-2′=3.53+2.9+1.7+0.9+2.8=11.83(m) △P1-2′=0.0065×11.83=0.0769(MPa) ⑵2′-3′管段 （△P/L）2′-3′=0.0055(MPa/m) L2′-3′=5.35+3.2+0.3=8.85(m) △P2′-3′=0.0055×8.85=0.0487(MPa) ⑶3′-4′管段 （△P/L）3′-4′=0.005(MPa/m) L3′-4′=1.85+2.5+0.2=4.55(m) △P3′-4′=0.005×4.55=0.0227(MPa) ⑷4′-5′管段 （△P/L）4′-5′=0.0041(MPa/m) L4′-5′=2.675+0.2+1.5+2+0.2=6.575(m)