基于枚舉算法七氟丙烷氣體滅火組合分配系統鋼瓶選型的設計方法

田薔薔

摘要：為提高FM-200氣體滅火組合分配系統鋼瓶選型快速性、全面性。搭建了滅火劑設計用量及鋼瓶選型數學模型，基于枚舉算法，通過C++語言編制程序，實現FM-200氣體滅火組合分配系統鋼瓶自動選型設計。與傳統試湊法相比，枚舉算法可找出各個防護區滿足約束條件的所有鋼瓶數及藥劑量充裝范圍;并且，在鋼瓶型號確定下，枚舉算法可以確定整個防護區所需鋼瓶最小值及鋼瓶充裝量最小值，此結果為造價最低的一組結果。

關鍵詞：七氟丙烷鋼瓶;滅火劑用量;枚舉算法;

中圖分類號：TQ569? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）03-0037-03

七氟丙烷（FM-200）氣體滅火具有較高的滅火效率和無污染等優點，近年來，國內越來越多場所需要使用七氟丙烷氣體滅火系統進行保護[1]。FM-200組合分配系統初步設計中，首先應予考慮的問題就是FM-200藥劑量及鋼瓶選型問題，鋼瓶型號、數量及藥劑量的確定，對FM-200布置及經濟性起到至關重要的作用。

從現有文獻來看，國內在FM-200程序化鋼瓶選型設計方面的研究工作較少。在FM-200鋼瓶選型設計中，設計人員往往采用excel表格通過反復試算對防護區鋼瓶進行選型設計，這種方法效率較低，且在鋼瓶型號確定下，得出的設計方案所確定的鋼瓶數量及藥劑量很難是最小值，從而造成項目成本偏高。且七氟丙烷氣體消防組合分配系統鋼瓶選型計算過程繁瑣，各個計算數據息息相關，一個數據的改變都需要重新校核計算結果，即使設計人員通過反復試算得出方案，但也很難得出所有滿足條件的方案，造成方案設計片面性。

雖然FM-200組合分配系統計算量較大，但組合分配系統的每個防護區滅火劑用量能夠通過數學公式準確計算，整個系統鋼瓶型號是標準系列，且每個鋼瓶藥劑充裝量在實際使用過程中都有一定限制，且滿足一定約束條件。因此在鋼瓶型號確定下，通過從大到小遍歷鋼瓶藥劑量，可以全面找出滿足各個約束條件的方案。枚舉算法是我們在日常中使用到的最多的一個算法，它的核心思想就是枚舉所有的可能。枚舉算法簡單，結果準確且全面，在局部地方使用枚舉法，效果十分的好。因此可以將枚舉算法運用于FM-200組合分配鋼瓶選型設計中。

針對FM-200組合分配系統存在的問題，本文采用枚舉算法，運用C++程序化語言編程實現七氟丙烷氣體滅鋼瓶選型設計，并結合工程實例對算法的可行性進行驗證。

一、滅火劑設計用量計算

記region_r 為第r個防護區域，則防護區r滅火劑設計用量可由式（1）計算，防護區實際應用的濃度不應該大于滅火設計濃度的1.1倍[2]。

式中，Wr為防護區r滅火劑設計用量，kg;Wrmax為防護區r滅火劑最大用量，kg;Vr為防護區凈容積，單位為m3;K為海拔高度修正系數;Cr為防護區r七氟丙烷滅火設計濃度，（%）;S為七氟丙烷過熱蒸汽在101KPa大氣壓和防護區最低環境溫度下的質量體積（m?/kg）;Tr為防護區最低環境溫度，（℃）;

二、鋼瓶選型計算

（一）確定目標函數

（1）本文希望得到七氟丙烷組合分配系統在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶Nrj和Nj的全部組合，并得到所需鋼瓶數最小值Nj及鋼瓶充裝藥劑量最小值。

組合分配系統的滅火劑儲存量，應按儲存量最大的防護區確定[2]，同一集流管上的儲存容器，其規格、充裝壓力和充裝量應相同[2]。Nrj和Nj可通過以下數學原理公式得出，其中式（4）需滿足條件（5）。

式中，Nrj為防護區r在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數;Nj為整個防護區在特定型號鋼瓶HFCVj下所需總鋼瓶數;ceil（指定表達式）功能為返回大于或等于指定表達式的最小整數;floor（指定表達式）功能為返回小于或等于指定表達式的最小整數;wji為防護區r采用鋼瓶HFCVj時，單只鋼瓶滅火劑有效充裝量，kg;HFCVj 為第j個型號的鋼瓶的容量，鋼瓶型號一般取值為40L、68L、70L、90L、100L、120L、180L等;

（二）自變量的變化區間

本文希望防護區在Nrj和Nj確定后，找到每個鋼瓶充裝藥劑量的最小值和最大值，則wji滿足以下約束條件。

式中，ρmin，ρmax分別為鋼瓶的最小和最大裝劑量密度，分別取值為0.65和0.95（可根據不同廠家取值進行調整），單位為kg/L;wjre為第j種規格鋼瓶的儲存容器內的滅火劑剩余量和管網內的滅火劑剩余量平均到每個鋼瓶后之和[2]，單位為kg;

三、用枚舉算法實現FM-200鋼瓶選型設計

對于每一個型號的鋼瓶HFCVj計算過程，枚舉查找算法計算流程如圖1所示，步驟如下：

（1）根據公式（1）和公式（2）計算每個防護區的滅火劑設計用量和最大用量。

（2）根據式（8）計算確當前鋼瓶HFCVj的最小最大裝劑量;

因算法是在每一個型號鋼瓶確定時，對于每個防護區遍歷鋼瓶藥劑量是從最大量開始遍歷，所以滿足各個約束條件的第一個解，就是七氟丙烷組合分配系統在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數最小值Nrj和Nj。

（4）如果wji不滿足式（7），則j=j+1，重復步驟（2），如果wji滿足式（7），執行步驟（5）。

（5）根據式（4）和（5），計算在wji下，防護區r需要的瓶數Nrj。

若存在一個防護區，找不到滿足條件的鋼瓶數，則回到步驟（3）取下一個劑量，執行步驟（4），直到尋找到第一個滿足條件的wji及鋼瓶數值Nrj，取Nj=max{N1j，N2j，… Nnj}，第一個滿足條件的Nrj和Nj，wji 即是一個滿足約束條件的解，且這組解就是七氟丙烷組合分配系統在特定型號鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數最小值Nrj和Nj，第一個滿足條件的wji為鋼瓶充裝藥劑量最大值記為wjCMAX。

（6）繼續重復步驟（3），取下一個劑量，如果wji不滿足式（7），則j=j+1，執行步驟（2），如果wji滿足式（7），根據式（4）和（5），計算在當前wji下，防護區r需要的瓶數Nrj，如果Nrj取值沒改變，wjCMIN=wji， 則反復重復步驟（3），如果wji不滿足式（7），則j=j+1，執行步驟（2），如果wji滿足式（7），根據式（4）和（5），計算在當前wji下，防護區r需要的瓶數Nrj，直到wji的取值使Nrj變化為止，當前Nrj為新一組解，當前wji為新一組解藥劑瓶充裝量最大值記當前wjCMAX=wji。

（7）繼續重復步驟（6）找出滿足約束條件的所有解，每組解中包含鋼瓶容量，各個防護區鋼瓶數量，防護區總鋼瓶數量及單個鋼瓶有效充裝量范圍及實際充裝量范圍。

四、案例分析

為了說明所提出的方法，本文給出一計算案例。國家海洋局舟山潮流能示范工程建設項目海上升壓平臺主要設備房共兩層，1層布置消防控制室、液壓系統及潤滑、變流器柜、控制柜、測試柜、電池柜、配電柜等設備;2層電氣間布置變壓器柜、綜合監控柜、蓄電池柜、饋電柜、進線柜、柴油發電機等設備，其中柴油發電機與其他電氣設備在二層不同房間內。

海上升壓平臺采用七氟丙烷氣體滅火系統對防護區進行保護，防護區分別為：一層設備間、二層設備間、二層柴發室。防護區設計濃度Cr取值為9%;防護區最低環境溫度為5℃;海拔修正系數K取值為1;單個鋼瓶內的滅火劑剩余量和管網內的滅火劑剩余量平均到每個鋼瓶后之和0.3kg;根據公式（1）和公式（2）得出防護區滅火劑用量見表1。工程現狀采用excel手工試算法進行鋼瓶選型，方案見表2。

（一）手工算法選型方案

鋼瓶規格為68L或者70L，系統所需鋼瓶數量為8，每個鋼瓶充裝藥劑量為50kg，各個防護區所需鋼瓶數及滅火劑用量見表2。

（二）枚舉算法方案

采用枚舉算法共得出7種方案，所有方案鋼瓶數及單瓶充裝量計算結果見表3，方案具體計算結果見表4。

由表3可知手動算法可以求解出防護區需要鋼瓶數，但手動算法需要經過大量試算，且手動算法僅僅只可以求解出鋼瓶數量，但不能夠精確求解出每個鋼瓶充裝量的范圍。

由表4可知，枚舉算法可以求解出所有滿足條件的解，方案覆蓋面全，對于任何一種滿足約束條件的解，可以得出每種類型鋼瓶充裝量區間及對應實際滅火濃度范圍，極大提高計算的準確性和效率。

采用本文提出的方法，防護區若選用70L或68L鋼瓶，所需最小鋼瓶數量為7瓶，最小藥劑量為379kg;手動算法則需要8瓶，藥劑量為400kg，與手動算法相比，本文算法可以找到最經濟的方案。

五、結語

（1）采用枚舉算法進行FM-200氣體滅火鋼瓶選型設計，可以快速準確得出全部的鋼瓶選型設計方案，有利于設計人員對設計方案進行全面分析與評價。

（2）枚舉算法能找到各個防護區在特定型號鋼瓶下，符合約束條件的鋼瓶數量最小值及鋼瓶充裝量最小值，此結果為造價最低即最優的一組結果。

（3）枚舉算法應用在FM-200組合分配系統鋼瓶選型設計中顯示了高效可靠的特點。

參考文獻：

[1]高廣振.七氟丙烷滅火系統優化設計及噴嘴數值模擬研究[D].成都：西華大學，2010.

[2]中華人民共和國建設部，氣體滅火系統設計規范：GB50370-2005[S].北京：中國計劃出版社，2006.