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气体灭火系统的合理选型
2007-11-19 22:32
摘要：通过对各种气体灭火系统及其灭火剂理化特性的比较，分析各气体灭火系统的适合使用场所及其合理选型配置。
关键词：气体灭火系统；哈龙替代品；合理选型；工程应用
一．概述
气体灭火系统是指平时灭火剂以液体、液化气体或气体状态存贮于压力容器内，灭火时以气体（包括蒸汽、气雾）状态喷射作为灭火介质的灭火系统。并能在防护区空间内形成各方向均一的气体浓度，而且至少能保持该灭火浓度达到规范规定的浸渍时间，实现扑灭该防护区的空间、立体火灾。
二十世纪八十年代初有关专家研究表明，包括哈龙灭火剂在内的氯氟烃类物质在大气中的排放，将导致对大气臭氧层的破坏，危害人类的生存环境，1990年6月在英国伦敦由57个国家共同签定了蒙特利尔议定书（修正案），决定逐步停止生产和逐步限制使用氟里昂、哈龙灭火剂。
我国于1991年6月加入了《蒙特利尔议定书》（修正案）缔约国行列，承诺2005年停止生产哈龙1211灭火剂，2010年停止生产哈龙1301灭火剂。并于1996年颁布实施《中国消防行业哈龙整体淘汰计划》。
1996年以后，哈龙替代品及其替代技术研究迅速发展，短短几年，七氟丙烷、惰性混合气体（以下简称IG-541）、三氟甲烷等灭火系统相继出现，2003年中华人民共和国公安部发布了《气体灭火系统及零部件性能要求和试验方法》(GA400-2002)，对七氟丙烷、三氟甲烷、IG-541、IG-55、IG-01、IG-100等灭火系统的生产、检验作出明确的规定。
本文通过对各种气体灭火系统及其灭火剂理化特性的比较，分析各气体灭火系统的适
合使用场所及其合理选型配置。
二．性能比较
     目前，在工程应用中技术较为成熟的气体灭火系统为：高压二氧化碳、七氟丙烷、三氟甲烷、IG-541等四种灭火系统，以下对这四种灭火系统从灭火效果、环保性能、对保护对象的破坏性、人员的安全性、安全浓度验算、工程造价、技术成熟程度进行分析。
1、灭火效果
     灭火效果应从灭火浓度、灭火剂用量、灭火速度三个方面进行衡量。
表1 灭火效果对比
灭火系统性能指标
三氟甲烷
七氟丙烷
高压二氧化碳
IG-541
常压下沸点（℃）
－82.1
－16.4
－56.6
－320.0
灭火机理
物理方式(降低氧浓度、冷却)
物理方式部分化学方式
物理方式(降低氧浓度、冷却)
物理方式(降低氧浓度)
喷射时间（s）
10
10
60
60
灭火浓度
A类危险物表面火
15%
5.8%
36.47%
28.1%
n-庚烷
12%
6.6%
20.6%
29.1%
设计灭火浓度范围
15.6%～19.5%
8～10%
34～75%
36.5～43.9%
灭火剂用量(kg/m3)
0.542～0.711
0.634～0.81
1.0～3.3
0.47～0.56m3/m3
灭火速度
最快
快
最慢
慢
综合评价
最好
好
最差
较差

三氟甲烷以物理方式灭火为主，七氟丙烷以物理方式灭火为主、部分化学方式灭火，三氟甲烷属液化气体、七氟丙烷属液态（氮气增压），喷放时对防护区有一定的冷却作用，但三氟甲烷由于沸点低，靠自身蒸汽压喷放，喷放速度较快，稀释氧浓度的作用也比较明显。
高压二氧化碳、IG-541均以物理方式灭火，高压二氧化碳喷放时对防护区有降低氧浓度和明显的冷却作用，IG-541仅以稀释防护区氧浓度的窒息作用实施灭火。
2、环保性能
国际上衡量环保性的主要指标是对大气臭氧层耗损潜能值（ODP）、温室效应值（GWP）、灭火剂在大气中的存活寿命（ALT）。从保护臭氧层的角度考虑，首先要求所使用的灭火剂ODP值小于0.05或为0，其次要求GWP和ALT值越小越好。
七氟丙烷、三氟甲烷虽然ODP值为0，但GWP值较高、大气存活寿命也比较长，有一定温室效应影响，而且与二氧化碳一起被京都会议决议《气候变化框架公约》（D.C.M）纳入受控范畴，但由于其灭火剂用量很少，整体环境影响不大，没有引起人们过多的关注。二氧化碳是引起全球环境温室效应的最大元凶，灭火剂作为温室气体自身环保性能较差。IG-541灭火剂由氮气、氩气和少量二氧化碳气体组成，受热不会发生分解，灭火剂来源于大气，对环境没有任何影响，属“绿色”环保产品。但在火场高温情况下，氮气组份会参与化学反应，产生NO、NO2等有害物质。
表2 环保性能对比
灭火系统性能指标
三氟甲烷
高压二氧化碳
七氟丙烷
IG-541
ODP值
0
0
0
0
GWP值
1.32
1
0.4
0
ALT值
267
120
31
0
综合评价
好
差
较好
最好
3、对保护对象的破坏性
通信机房、计算机房所采用的都是精密设备，通导性和清洁性都要求非常高，灭火剂在火场高温下所产生的分解物以及高压气流的冲击和液化气体挥发引起的“结露”、“冷激”、“冷淬”现象，对保护对象的金属表面、电路板、芯片等会产生不同程度的损害，在保护精密设备和珍贵财物时应特别关注。
三氟甲烷、七氟丙烷灭火剂均属于含氟化合物，明焰下受热分解产生氢氟酸（HF），对保护对象的金属、玻璃表面会产生腐蚀，生成氢氟酸的多少与药剂本身、火灾的大小、灭火时间长短有关。。
高压二氧化碳喷放过程中，由于液相和固态“干冰”的快速汽化，防护区温度会急剧下降，对保护对象产生一定程度的“冷激”、“冷淬”影响。
IG-541灭火剂均为惰性气体，受热不会发生反应，但减压孔板和管网设计应严格采用经国家有关部门审核的计算软件进行并采用径向或挡板喷头，否则将产生高压气流的冲击对保护对象形成威胁。在目前计算软件为国外垄断的情况下，不宜盲目凭主观想象设计推广。
表3 对保护对象的破坏性
灭火系统性能指标
三氟甲烷
高压二氧化碳
七氟丙烷
IG-541
酸性分解物（ppm）
30
0
1000～3000
0
残留物
0
0
0
0
其他影响
轻微冷激
冷激、冷淬
轻微冷激
存在高压气流冲击的危险性
综合评价
最好
较差
好
差
4、人员的安全性
灭火剂喷放后威胁人员安全主要来源于三个方面：缺氧、中毒、影响逃生。
能否引起人员窒息主要决定于灭火浓度、二氧化碳浓度和氧浓度，灭火浓度越高，灭火剂释放后，防护区内氧浓度越低（低于12%时），越容易发生人员缺氧，二氧化碳浓度过高（超过5%时）会影响人的正常呼吸，产生危险，二氧化碳浓度超过20%，会很快引起中毒反应，造成缺氧窒息。药剂毒性来源于药剂本身的毒性和分解物的毒性。影响逃生主要体现在成雾程度，降低防护区的能见度。
表4 人员安全性对比
灭火系统性能指标
三氟甲烷
高压二氧化碳
七氟丙烷
IG-541
NOAEL（%）
50
4
9
43
LOAEL（%）
>50
5
10.5
52
LC50（%）
>65
20
>80
62
ALC（%）
>65
30
>80
>62
毒性
微毒
窒息中毒
低毒
无毒
综合评价
最好
最差
较好
好
NOAEL—是指对生理影响无不良反应的最高浓度。LOAEL—是指对生理影响产生不良反应的最低浓度。LC50—是指鼠群在暴露4小时过程中半数死亡的灭火剂浓度。ALC—是指鼠群在暴露4小时过程中近似死亡的大约浓度。
高压二氧化碳灭火系统由于灭火浓度高，易引起人员缺氧窒息；同时二氧化碳喷放时会因迅速气化吸热，造成人员冻伤，产生“白雾”影响人员逃生，禁止使用在有人场所。
IG-541药剂本身无毒性，也不会产生毒性分解物，根据美国科学家“低氧状态下的生命维持理论”证明，空气中含有3%～5%的二氧化碳可以刺激人体呼吸速率加快。IG-541灭火剂中加入的8%二氧化碳，可起到在缺氧条件下，刺激呼吸加速，满足人体在缺氧条件下的氧气需求量，对人体是相对安全的，但当IG-541浓度超过52%时，根据NFPA-2001及ISO14520规定禁止使用在有人场所。同时由于系统压力高，喷放时会产生一定的噪音及高速气流产生灰尘、轻质物品飞扬，影响人员的听觉、视觉。
七氟丙烷、三氟甲烷药剂本身毒性不大，但其产生的氢氟酸分解物有一定的毒性，有强烈的辛辣气味，刺激人的呼吸和眼睛，比较而言，三氟甲烷药剂毒性远低于七氟丙烷，产生的氢氟酸量也小于七氟丙烷，对人员的安全性较高。
公安部公消（2001）217号文做出明文规定：二氧化碳灭火系统不能用于保护经常有人场所，三氟甲烷、七氟丙烷、IG-541可用于保护经常有人场所。
任何一种气体灭火剂对人的生命都有一定的威胁，只是危险程度不同而已，安全性是相对的。所以，在有人场所，即使选用三氟甲烷、IG-541、七氟丙烷这些可用于保护经常有人场所的气体灭火系统，在系统设计时也必须对每个防护区进行必要的浓度核算（特别是IG-541、七氟丙烷的设计灭火浓度与LOAEL值非常接近），确保实际喷放后防护区的灭火剂浓度在允许的LOAEL值以下，系统运行时应将系统设置在手动启动状态，避免系统误喷造成人员伤害，同时，应根据现场实际情况，留够不少于30s的延迟启动时间，便于人员逃离火灾现场。
5、安全浓度验算
在平时有人值班的场所使用气体灭火系统时，实际设计浓度不应超过NOAEL值，若实际设计浓度介于NOAEL值和LOAEL值之间，根据NFPA-2001及ISO14520规定应提供一定措施（如按人员数量配置足够的逃生面具），限制人员与灭火剂的接触时间不超过5min。
1）七氟丙烷、三氟甲烷的实际设计浓度（C%）按下列公式进行验算。
C%=WS/(V+WS）
七氟丙烷：S=0.1269+0.000513×T (T=20℃)
三氟甲烷：S=0.3164+0.0012×T (T=20℃)
2）IG-541的实际设计浓度（C%）按下列公式进行验算。
ln(100/100-C)=WS/VS ，C%=1－10－WS/ VS
IG-541：S=0.65799+0.00239×T (T=20℃)
VS= 0.706(20℃时)
应特别注意：在组合分配系统中多个防护区之间，出现个别防护区灭火剂用量不为系统单个钢瓶储存灭火剂量的倍数时， 而实际灭火时是按整个钢瓶储存灭火剂量喷放，由此将会造成个别防护区实际设计浓度大大超过NOAEL值，特别是七氟丙烷的NOAEL值（9%）和LOAEL值（10.5%）、IG-541的NOAEL值（43%）和LOAEL值（52%）相当靠近，若不加以重视，将存在误喷时造成人员伤亡事故的危险隐患。
6、工程造价
气体灭火系统工程造价包括含灭火剂用量、设备造价、管网造价、储瓶间占用面积等四大部分，衡量一个系统的造价应综合考虑。
高压二氧化碳、IG-541储瓶数量多，储瓶间面积占用面积大；七氟丙烷和三氟甲烷储瓶数量少，储瓶间面积占用面积少，由于在全国不同的地区，消费水平不一，储瓶间每平方米造价在5000～20000元之间。以下表4.1、表4.2按10000元/㎡计算。
不同类型的保护对象，气体灭火系统工程造价亦不同，以下按1000m3的档案、图书资料库和1000m3的通信、计算机房为例进行造价比较。各气体灭火系统的工程造价详见表4.1、表4.2。
表4.1 气体灭火系统的工程造价
（保护对象为档案、图书资料库时）
造价指标
三氟甲烷
高压二氧化碳

七氟丙烷
IG-541
灭火剂用量（kg）
710
2250
851
450 m3
储存钢瓶数（个）
13
54
15
43
储瓶间面积（㎡）
7.2
24
8
19.2
设备造价（万元）
27.3
31.6
35.2
31.0
管网造价（万元）
2.0
1.5
2.0
1.5
工程投资（万元）
29.3
33.1
37.2
32.5
储瓶间费用（万元）
7.2
24.0
8.0
19.2
前期总投资（万元）
36.5
57.1
45.2
51.7
投资评价
最低
最高
低
高
表4.2 气体灭火系统的工程造价
（保护对象为通信、计算机房时）
造价指标
三氟甲烷
高压二氧化碳
七氟丙烷
IG-541
灭火剂用量（kg）
542
1500
666
400 m3
储存钢瓶数（个）
10
36
12
39
储瓶间面积（㎡）
6
17
6.8
17.6
设备造价（万元）
21.0
20.2
33.1
28.3
管网造价（万元）
2.0
1.5
2.0
1.5
工程投资（万元）
23.0
21.7
35.1
29.8
储瓶间费用（万元）
6.0
17.0
6.8
17.6
前期总投资（万元）
29.0
38.7
41.9
47.4
投资评价
最低
低
高
最高
注：灭火剂储存钢瓶按70升高压无缝钢瓶考虑，按国家有关高压容器规定，高压无缝钢瓶使用寿命为30年，焊接钢瓶使用寿命为15年。按GB5099规定：七氟丙烷灭火系统在50℃时，灭火剂储存钢瓶的工作压力为5.3MPa，不应采用焊接钢瓶。但目前各厂商为利益驱动，几乎都采用焊接钢瓶，为了准确性，全部按无缝钢瓶考虑。设备、管网造价按目前市场平均价格计算。
7、技术成熟程度
目前，高压二氧化碳灭火系统从灭火剂、产品、设计、施工验收都有国家标准或规范，技术比较成熟。1929年美国颁布了世界上第一个二氧化碳灭火系统标准，使二氧化碳灭火系统在西方国家迅速发展，很快成为仅次于水灭火系统的第二大灭火系统。
已经颁布和正式编制的关于二氧化碳灭火系统的国家规范如下：
《CO2灭火剂》—GB4396-84
《二氧化碳灭火系统及部件通用技术条件》—GB16669-1996
《二氧化碳灭火系统设计规范》—GB50193-93（1999修订版）
《气体灭火系统施工及验收规范》—GB50263-1997
七氟丙烷、IG-541、三氟甲烷灭火系统是近几年才出现的新产品，国内技术相对不成熟。目前国家对此仅有部分产品标准出台，设计规范尚未成熟，系统设计基本依据部分地方标准和企业标准，设计的规范性、正确性、可靠性有待提高。
特别是IG-541灭火系统，由于属于可压缩气体单相流，管网计算比较复杂，系统设计有误可能引起管道破裂、防护区压力过高等危险，要求设计精度较高，手工计算几乎不可能，系统设计必须采用专用的计算机设计软件，国外企业对此进行技术封锁，使国内该产品的推广受到很大限制。
已经颁布的关于哈龙替代灭火系统的国际或国外标准如下：
《气体灭火系统——物理性能和系统设计》（ISO14520：2000）
《洁净灭火剂灭火系统标准》（NFPA2001：2000）
已经颁布和正在编制的关于哈龙替代灭火系统的国家、行业或地方规范如下：
《气体灭火系统及零部件性能要求和试验方法》—GA400-2002
《七氟丙烷（HFC-227ea）洁净气体灭火系统设计规范》—DBJ15-23-1999
《惰性气体IG-541灭火系统技术规程》—DG/TJ08-306-2001
《三氟甲烷（HFC-23）洁净气体灭火系统设计施工及验收规范》—DB45/T 88-2003
《哈龙替代灭火系统设计施工及验收规范》—DB45/T ※※-2004
三．工程应用
综上所述，当保护对象为档案、图书资料库时，选用七氟丙烷、三氟甲烷灭火系统较为经济合理；当保护对象为通信、计算机房时，选用七氟丙烷、三氟甲烷、IG-541灭火系统较为经济合理；当保护对象为发电机房、变配电室时，选用三氟甲烷、高压二氧化碳灭火系统较为经济合理；从经济、安全角度考虑，当保护对象为发电机房、变配电室时，选用三氟甲烷灭火系统更为经济合理。
三氟甲烷灭火系统具有不破坏大气臭氧层、灭火速度快、灭火剂用量少、微毒、系统造价低、性能稳定、能用于有人场所等优点，有较理想的应用价值，是目前最理想的哈龙替代物。
参考文献：
（1）《气体灭火系统——物理性能和系统设计》—ISO14520：2000。
（2）《洁净灭火剂灭火系统标准》—NFPA-2001：2000。
（3）《二氧化碳设备规范·设计与安装》—Vds2093-1983。
（4）《七氟丙烷（HFC-227ea）洁净气体灭火系统设计规范》—DBJ15-23-1999。
（5）《惰性气体IG-541灭火系统技术规程》—DG/TJ08-306-2001。
（6）《三氟甲烷（HFC-23）洁净气体灭火系统设计施工及验收规范》—DB45/T 88-2003
（7）《关于进一步加强哈龙替代品及其替代技术管理的通知》公消（2001）217号文。