细水雾防滴漏装置的应用与设计优化

洪 亮

合肥科大立安安全技术有限责任公司 安徽 合肥 230088

正文：

引言

细水雾灭火系统是目前正在普及的灭火系统，其优点为绿色环保、高效节能、水渍损失小等，广泛应用于主机机房、电缆隧道、档案库及柴油发电机房等场所，用于替代传统的卤代烷气体灭火剂。但由于档案库对水渍损失要求很高，而主机机房、电缆隧道和柴油发电机房等场所包含有电气设备，对水灭火的绝缘性能要求也很高。而当细水雾喷头在系统关机后，不再有动力继续维持高压喷洒时，会喷出小股水柱，对电气设备的保护有一定影响。因此，需要从快速封堵喷头出口，降低管道内余水压力等几方面同时进行优化，使得系统在关机后迅速关闭喷头喷孔，在细水雾水渍损失小的基础上更进一步降低，从而更加适应各种常见保护场所的应用。

1 喷头防滴漏的必要性

细水雾灭火系统的喷头雾化方式一般有离心雾化、压力雾化、两相流雾化、撞击雾化和其他方式（如超声波、静电、预加热等）。常见的产品化的喷头一般都为离心式细水雾喷头，因为该类型喷头结构相对简单，又不会使系统设计更加复杂，同时又能保证良好的雾化性能。该类型喷头的工作原理是一定的压力作用下，通过切向孔（通常为两个以上或成对布置）进入旋流室，并在其中做旋转运动，同时以一定的轴向速度向喷口方向推进，临近喷口时受旋流室壁面限制而收缩，从喷口旋转着向外喷出，从而形成雾滴直径Dv0.99＜100μm的细水雾对火源进行气化冷却、隔氧窒息、阻隔热辐射，最终扑灭火焰。

用于主机机房和档案库这类应用场所的细水雾喷头由于更注重灭火效率，因此通常会采用工作压力10MPa或者更高压力的高压细水雾喷头，提高压力的同时保持总的流量基本不变，则需要减小喷头的喷口直径，也就会提高水流喷出的速度，这同时会使喷雾效果提高，使雾滴直径Dv0.99进一步减小到50μm左右，大大提高了灭火效率，使得灭火总用水量减少。但是另一方面会使得水泵到喷头之间的主管道内的压力提高，而喷头的喷口直径减小会使得主管道内存留的余水正在水泵停机后无法快速排空，使得喷头会继续持续喷水。

而细水雾喷头流量与压力的关系一般通过经验公式表示为：

式中：Q为喷头流量，单位为L/min ；

K为喷头流量系数，该数值与喷头结构相关；

P为喷头的工作压力，单位为MPa 。

由该公式可见，压力变低之后会导致喷头的流量变低，也就是同样喷口处的出口速度变低，使得雾化效果变低，甚至成为直接喷射的水流。而流量降低之后又反过来使得主管道内的压力下降速度变低，使得在低压情况下的喷水时间变长。而主管道内压力下降速度同时又和主管道内原来充水的体积相关，充水体积越大，该下降速度越慢。因此，设计一组试验对给定主管道内充水体积条件下，不同流量系数的喷头泄压能力进行测量记录。由于工程上一般系统停机时会关闭相应保护分区的控制阀，所以只考虑分区内的管道容积即可，因此选用50m长的DN40管道来替代分区内的管道容积进行测试，末端安装一只流量系数2.8和0.7的喷头各进行一次试验，记录下管道内压力和时间变化的曲线，见图1 ，其中上方曲线为小流量系数0.7的喷头实验数据，下方曲线为大流量系数2.8的喷头实验数据。

图1 细水雾管道余水压力和时间关系图

由该关系图可见，在高压力情况下，压力降低速度是比较快的，从系统关机时管道内压力11.4MPa降低到1.0MPa左右，2.8流量系数的喷头用时28s左右，而0.7流量系数的喷头用时则在34s左右，两者差距并不大。但之后低压力情况下，两者泄压时间有了很明显差距，最终2.8流量系数喷头完全排空余水用时约13min37s ，而0.7流量系数喷头则用时24min49s 。这对档案库这类水渍损失要求高的场所是不可能接受的喷水时间，可能会因泡水而损坏到档案文档。因此必须要减少在系统关机之后喷头自然泄压的喷水时间。

2 喷头防滴漏接头

由图1同时可以看出，只要在某个压力相对较高的时候，通过某种装置阻断主管道里的水流进入喷头，就可以大大降低持续喷水时间。现在常用的阻断装置其实是一种高压单向阀接头，其结构示意图见图2 。当压力达到开启压力时候，弹簧被压缩，活塞开启使水流流出进入喷头；而压力到关闭压力时，活塞关闭使管道里的水不再进入喷头。由于喷头的喷孔直径通常只有1mm左右，所以在无扰动的情况下，靠水的表面张力就能阻止水滴下落。

该种防滴漏接头由于开启时需要一定压力压缩弹簧，所以会对水流的压力有一定损失。安装接头后，由于出口端喷头多出了一定拥塞，会提高前段管道的压力并同时降低喷头实际的流量。经实验测得在不同流量喷头情况，该压力损失约为1.1MPa～0.6MPa ，对工程设计影响很大。并且由于是利用弹簧来进行控制开闭，因此达到开启压力时该接头并不是一下完全开启，而是需要一定时间逐渐对弹簧进行压缩；同理该接头在关闭的时候也不是立刻恢复到完全关闭状态，同样是需要一定时间来恢复弹簧压缩变形的。因此其效果并不是直接从对应压力处直接关闭，而是会多花一定时间。同样以流量系数2.8和0.7的喷头各进行一次试验，测试用的接头的弹簧动作的行程为16.5mm ，设计的封堵压力为0.4MPa 。安装防滴漏接头前后的压力和时间的关系曲线对比分别见图3和图4 。最终2.8流量系数喷头完全关闭用时约58s ，而0.7流量系数喷头则用时105s 。

图2 细水雾防滴漏接头结构示意图

图3 流量系数2.8喷头压力和时间关系图

图4 流量系数0.7喷头压力和时间关系图

可见使用防滴漏接头的确有明显效果，但并不能完全解决喷头低压喷水滴水的问题，尤其是喷头流量系数越小，喷头喷口也就越小，喷水时间也就越长。此外接头内的弹簧关闭压力越高效果越好，弹簧的压缩行程越短效果越好，但做到这两点的同时也会提高喷头压力损失，并且增加了接头的制造难度。因此需要再另外寻找办法解决系统滴漏的问题。

3 防滴漏控制阀

前面试验时预设了50m长的管道的条件，而这个主管道内充水体积和管道压力下降关系很大，余水越多，喷头安装越少，压力下降越慢，则喷水时间也就越长。因此将控制管道水流的控制阀改成专用的防滴漏控制阀，该阀门的结构示意图见图5 。关闭阀门后，泵到阀门之间的主管道内的充水虽然依然带压，但无法影响到阀门后到喷头之间管道的压力，同时旁路与后段管道联通将管道内带压力的余水通过旁路泄出，即可快速降低管道内压力。

图5 防滴漏球阀工作原理图

再次重复之前试验，依然采用流量系数2.8和0.7的两种喷头作为对比，防滴漏球阀安装在管道的前段，后段管道依然保持50m长度。测得无防滴漏接头情况下，2.8流量系数喷头完全关闭用时约13s ，而0.7流量系数喷头则用时24s ；而同时安装有防滴漏接头情况下，2.8流量系数喷头完全关闭用时约7s ，而0.7流量系数喷头则用时13s 。大大降低了系统关机后，喷头持续喷水的时间。

4 结束语

细水雾灭火系统防滴漏设计依然还有很多细节可以继续优化改进，比如防滴漏接头及安装立管、喷头内的水是无法通过防滴漏球阀泄压排出，依然是通过喷头喷孔喷出水来完成泄压，而当喷孔较小的情况下，喷水时间依然会持续十几秒。可以考虑在控制阀后的分区内适当位置加入一个空气罐，在系统复位的同时开启，利用压缩空气对管路进行吹扫。压缩空气可以在低压条件下帮助喷头喷出的水雾达到细水雾要求，而不会成股喷出或者直接滴下。今后还将继续对防滴漏要求高的细水雾灭火系统进行持续的研究改进，以便更加适应各种特殊场所的需求。