基于枚举算法七氟丙烷气体灭火组合分配系统钢瓶选型的设计方法

2021-04-12田蔷蔷

今日消防 2021年3期

田蔷蔷

摘要：为提高FM-200气体灭火组合分配系统钢瓶选型快速性、全面性。搭建了灭火剂设计用量及钢瓶选型数学模型，基于枚举算法，通过C++语言编制程序，实现FM-200气体灭火组合分配系统钢瓶自动选型设计。与传统试凑法相比，枚举算法可找出各个防护区满足约束条件的所有钢瓶数及药剂量充装范围;并且，在钢瓶型号确定下，枚举算法可以确定整个防护区所需钢瓶最小值及钢瓶充装量最小值，此结果为造价最低的一组结果。

关键词：七氟丙烷钢瓶;灭火剂用量;枚举算法;

中图分类号：TQ569 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2021）03-0037-03

七氟丙烷（FM-200）气体灭火具有较高的灭火效率和无污染等优点，近年来，国内越来越多场所需要使用七氟丙烷气体灭火系统进行保护[1]。FM-200组合分配系统初步设计中，首先应予考虑的问题就是FM-200药剂量及钢瓶选型问题，钢瓶型号、数量及药剂量的确定，对FM-200布置及经济性起到至关重要的作用。

从现有文献来看，国内在FM-200程序化钢瓶选型设计方面的研究工作较少。在FM-200钢瓶选型设计中，设计人员往往采用excel表格通过反复试算对防护区钢瓶进行选型设计，这种方法效率较低，且在钢瓶型号确定下，得出的设计方案所确定的钢瓶数量及药剂量很难是最小值，从而造成项目成本偏高。且七氟丙烷气体消防组合分配系统钢瓶选型计算过程繁琐，各个计算数据息息相关，一个数据的改变都需要重新校核计算结果，即使设计人员通过反复试算得出方案，但也很难得出所有满足条件的方案，造成方案设计片面性。

虽然FM-200組合分配系统计算量较大，但组合分配系统的每个防护区灭火剂用量能够通过数学公式准确计算，整个系统钢瓶型号是标准系列，且每个钢瓶药剂充装量在实际使用过程中都有一定限制，且满足一定约束条件。因此在钢瓶型号确定下，通过从大到小遍历钢瓶药剂量，可以全面找出满足各个约束条件的方案。枚举算法是我们在日常中使用到的最多的一个算法，它的核心思想就是枚举所有的可能。枚举算法简单，结果准确且全面，在局部地方使用枚举法，效果十分的好。因此可以将枚举算法运用于FM-200组合分配钢瓶选型设计中。

针对FM-200组合分配系统存在的问题，本文采用枚举算法，运用C++程序化语言编程实现七氟丙烷气体灭钢瓶选型设计，并结合工程实例对算法的可行性进行验证。

一、灭火剂设计用量计算

记region_r 为第r个防护区域，则防护区r灭火剂设计用量可由式（1）计算，防护区实际应用的浓度不应该大于灭火设计浓度的1.1倍[2]。

式中，Wr为防护区r灭火剂设计用量，kg;Wrmax为防护区r灭火剂最大用量，kg;Vr为防护区净容积，单位为m3;K为海拔高度修正系数;Cr为防护区r七氟丙烷灭火设计浓度，（%）;S为七氟丙烷过热蒸汽在101KPa大气压和防护区最低环境温度下的质量体积（m?/kg）;Tr为防护区最低环境温度，（℃）;

二、钢瓶选型计算

（一）确定目标函数

（1）本文希望得到七氟丙烷组合分配系统在特定型号钢瓶HFCVj下所需钢瓶Nrj和Nj的全部组合，并得到所需钢瓶数最小值Nj及钢瓶充装药剂量最小值。

组合分配系统的灭火剂储存量，应按储存量最大的防护区确定[2]，同一集流管上的储存容器，其规格、充装压力和充装量应相同[2]。Nrj和Nj可通过以下数学原理公式得出，其中式（4）需满足条件（5）。

式中，Nrj为防护区r在特定型号钢瓶HFCVj下所需钢瓶数;Nj为整个防护区在特定型号钢瓶HFCVj下所需总钢瓶数;ceil（指定表达式）功能为返回大于或等于指定表达式的最小整数;floor（指定表达式）功能为返回小于或等于指定表达式的最小整数;wji为防护区r采用钢瓶HFCVj时，单只钢瓶灭火剂有效充装量，kg;HFCVj 为第j个型号的钢瓶的容量，钢瓶型号一般取值为40L、68L、70L、90L、100L、120L、180L等;

（二）自变量的变化区间

本文希望防护区在Nrj和Nj确定后，找到每个钢瓶充装药剂量的最小值和最大值，则wji满足以下约束条件。

式中，ρmin，ρmax分别为钢瓶的最小和最大装剂量密度，分别取值为0.65和0.95（可根据不同厂家取值进行调整），单位为kg/L;wjre为第j种规格钢瓶的储存容器内的灭火剂剩余量和管网内的灭火剂剩余量平均到每个钢瓶后之和[2]，单位为kg;

三、用枚举算法实现FM-200钢瓶选型设计

对于每一个型号的钢瓶HFCVj计算过程，枚举查找算法计算流程如图1所示，步骤如下：

（1）根据公式（1）和公式（2）计算每个防护区的灭火剂设计用量和最大用量。

（2）根据式（8）计算确当前钢瓶HFCVj的最小最大装剂量;

因算法是在每一个型号钢瓶确定时，对于每个防护区遍历钢瓶药剂量是从最大量开始遍历，所以满足各个约束条件的第一个解，就是七氟丙烷组合分配系统在特定型号钢瓶HFCVj下所需钢瓶数最小值Nrj和Nj。

（4）如果wji不满足式（7），则j=j+1，重复步骤（2），如果wji满足式（7），执行步骤（5）。

（5）根据式（4）和（5），计算在wji下，防护区r需要的瓶数Nrj。

若存在一个防护区，找不到满足条件的钢瓶数，则回到步骤（3）取下一个剂量，执行步骤（4），直到寻找到第一个满足条件的wji及钢瓶数值Nrj，取Nj=max{N1j，N2j，… Nnj}，第一个满足条件的Nrj和Nj，wji 即是一个满足约束条件的解，且这组解就是七氟丙烷组合分配系统在特定型号钢瓶HFCVj下所需钢瓶数最小值Nrj和Nj，第一个满足条件的wji为钢瓶充装药剂量最大值记为wjCMAX。

（6）继续重复步骤（3），取下一个剂量，如果wji不满足式（7），则j=j+1，执行步骤（2），如果wji满足式（7），根据式（4）和（5），计算在当前wji下，防护区r需要的瓶数Nrj，如果Nrj取值没改变，wjCMIN=wji，则反复重复步骤（3），如果wji不满足式（7），则j=j+1，执行步骤（2），如果wji满足式（7），根据式（4）和（5），计算在当前wji下，防护区r需要的瓶數Nrj，直到wji的取值使Nrj变化为止，当前Nrj为新一组解，当前wji为新一组解药剂瓶充装量最大值记当前wjCMAX=wji。

（7）继续重复步骤（6）找出满足约束条件的所有解，每组解中包含钢瓶容量，各个防护区钢瓶数量，防护区总钢瓶数量及单个钢瓶有效充装量范围及实际充装量范围。

四、案例分析

为了说明所提出的方法，本文给出一计算案例。国家海洋局舟山潮流能示范工程建设项目海上升压平台主要设备房共两层，1层布置消防控制室、液压系统及润滑、变流器柜、控制柜、测试柜、电池柜、配电柜等设备;2层电气间布置变压器柜、综合监控柜、蓄电池柜、馈电柜、进线柜、柴油发电机等设备，其中柴油发电机与其他电气设备在二层不同房间内。

海上升压平台采用七氟丙烷气体灭火系统对防护区进行保护，防护区分别为：一层设备间、二层设备间、二层柴发室。防护区设计浓度Cr取值为9%;防护区最低环境温度为5℃;海拔修正系数K取值为1;单个钢瓶内的灭火剂剩余量和管网内的灭火剂剩余量平均到每个钢瓶后之和0.3kg;根据公式（1）和公式（2）得出防护区灭火剂用量见表1。工程现状采用excel手工试算法进行钢瓶选型，方案见表2。

（一）手工算法选型方案

钢瓶规格为68L或者70L，系统所需钢瓶数量为8，每个钢瓶充装药剂量为50kg，各个防护区所需钢瓶数及灭火剂用量见表2。

（二）枚举算法方案

采用枚举算法共得出7种方案，所有方案钢瓶数及单瓶充装量计算结果见表3，方案具体计算结果见表4。

由表3可知手动算法可以求解出防护区需要钢瓶数，但手动算法需要经过大量试算，且手动算法仅仅只可以求解出钢瓶数量，但不能够精确求解出每个钢瓶充装量的范围。

由表4可知，枚举算法可以求解出所有满足条件的解，方案覆盖面全，对于任何一种满足约束条件的解，可以得出每种类型钢瓶充装量区间及对应实际灭火浓度范围，极大提高计算的准确性和效率。

采用本文提出的方法，防护区若选用70L或68L钢瓶，所需最小钢瓶数量为7瓶，最小药剂量为379kg;手动算法则需要8瓶，药剂量为400kg，与手动算法相比，本文算法可以找到最经济的方案。

五、结语

（1）采用枚举算法进行FM-200气体灭火钢瓶选型设计，可以快速准确得出全部的钢瓶选型设计方案，有利于设计人员对设计方案进行全面分析与评价。

（2）枚举算法能找到各个防护区在特定型号钢瓶下，符合约束条件的钢瓶数量最小值及钢瓶充装量最小值，此结果为造价最低即最优的一组结果。

（3）枚举算法应用在FM-200组合分配系统钢瓶选型设计中显示了高效可靠的特点。

参考文献：