洁净气体灭火系统的选择

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简介： 通过对几种洁净气体灭火系统进行技术经济比较分析，根据工程情况选择适合的灭火介质．对工程设计有参照意义。
关键字：洁净气体 气体灭火 灭火剂

气体灭火系统的发展趋势

众所周知，在消防领域应用最广泛的灭火剂就是水。随着国家经济建设的迅速发展，大批工业和民用建筑尤其是高层建筑的不断涌现，更随着高科技的发展，设备对灭火剂的要求越来越高，对于扑灭可燃气体、可燃液体、电器火灾以及计算机房、重要文物档案库、通信广播机房、微波机房等不宜用水灭火的火灾，气体消防作为最有效最干净的灭火手段，日益受到重视。其中，《建筑设计防火规范》（GBJ16-87一2001年版）和《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-2001年版）已明确规定了应设置气体灭火系统的场所。可见，气体消防系统在各类灭火系统中占有很重要的地位。

传统哈龙产品——卤代烷1211及1301在我国气体消防行业的应用历史中占有非常重要的地位，目前系统的装备量约占气体灭火系统总装备量的80%以上。

由于哈龙灭火剂是破坏大气臭氧层的主要因素，为了保护人类共同的生存环境，造福子孙后代，我国政府于1989及1991年分别签署了《关于保护臭氧层的维也纳公约》、《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，并决定于2005年停产1211，2010年停产1301。这标志着淘汰哈龙，开发新型灭火剂已成为大势所趋。

哈龙替代技术发展的一个方面是用已有的其他灭火系统替代哈龙灭火系统，如采用二氧化碳、水喷雾、泡沫、干粉、易安龙(气溶胶)灭火系统等。这些灭火系统有的存在技术陷,尚未形成正式的技术规范和市场；有的尽管较为成熟，但难以解决灭火剂的污染问题，只能在那些“非必要场所”替代哈龙灭火系统，如传统灭火剂二氧化碳，虽然其应用历史较长,且技术已经规范化，但其最低设计浓度高于对人体的致死浓度，故在保护经常有人的场所时须慎重采用。

另一个发展方向是开发不污染被保护对象、不破坏大气臭氧层、温室效应小、对人体无害的灭火剂，即“洁净气体”灭火剂和相应的灭火系统，这是当前发展的主流。

目前，国际标准化组织推荐的第一代用于替代哈龙的洁净气体灭火剂共有14种。其中以含一个氢原子的氟代烷(HFC)的综合性能较为理想，具有一定的开发价值，但目前的开发水平尚未达到“全代用”哈龙灭火剂的要求，其性能尚有不足之处，只能成为卤代烷的过渡性替代物。

气体灭火系统的类型

分类方式系统类型灭火剂按应用方式分类全淹没灭火系统CO₂、FM200、烟烙尽局部应用灭火系统CO₂按系统结构特点分类管网系统组合分配系统CO₂、FM200、烟烙尽单元独立系统CO₂、FM200、烟烙尽无管网装置CO₂、FM200按储存方式分类高压系统CO₂、FM200、烟烙尽低压系统CO₂按管网布置形式分类均衡管网系统CO₂、FM200、烟烙尽非均衡管网系统CO₂、FM200、烟烙尽

注：灭火剂仅以二氧化碳（CO₂）、FM200、烟烙尽为例。

气体灭火剂的类型

二氧化碳（CO₂）

在常温条件下，CO₂以无色、无味的气体存在，根据其物理特性，有二种储存方式：⑴以常温储存于压力容器内，即高压储存（在20℃气温下，储存压力为5.17MPa），相应的灭火系统称为高压系统；⑵在所控制的低温条件下将CO₂储存于压力容器内，即低压储存（在-18℃时储存压力为2.07 MPa），相应的灭火系统称为低压系统。

CO₂灭火作用主要用于窒息，其次是冷却，为物理反应。在众多的卤代烷灭火系统的替代系统中，以CO₂灭火系统技术最为成熟，应用也最广泛。在国内，以高压系统最为普遍，近几年，低压CO₂灭火系统应用技术发展也很快。CO₂灭火系统较为经济，能输送较远距离，但其较高的灭火浓度对人非常危险，不宜用于有人场所。另外，一些资料表明，在释放过程中的冷凝现象可能会对电子元件造成损害。

七氟丙烷（FM200）

七氟丙烷（美国商标名称为FM200）灭火剂是一种无色、几乎无味、不导电的气体，密度大约为空气的6倍，采用高压液化储存。

七氟丙烷（FM200）的灭火机理为抑制化学链反应，其灭火机理及灭火效率与卤代烷“1301”相类似，为主动灭火，在几种替代物中是较为有效的一种。

七氟丙烷（FM200）是毒性较低、无色、无味、无二次污染的气体，对人体产生不良影响的体积浓度临界值为9％，其最小设计灭火浓度为7％，因此，正常情况下对人体不会产生不良影响，可用于经常有人活动的场所，特别是它不破坏大气臭氧层，符合环境要求。由于灭火浓度较低，因而储瓶数量较少，占地面积也较小，而且各项指标较为合理，系统功能完善、工作准确可靠，长期储存不泄露。但其灭火系统也有自身的弱点：不能灭固体深位火灾，输送距离短，因为灭火剂的释放必须在十秒种之内完成，达到灭火浓度，否则产生的酸性分解物对人体有害，对被保护设施也有腐蚀性，用于组合分配系统时，各防护区位置应相对集中。另外灭火剂价格也较高。

烟烙尽（IG—541）

烟烙尽灭火剂由52％氮、40％氩、8％二氧化碳三种气体组成，比空气略重，属于惰性气体灭火剂，以气态储存，其储存压力为15MPa。

烟烙尽的灭火机理是通过降低防护区中的氧气浓度（由空气正常含氧量的21％降至12.5％），使其不能维持燃烧而达到灭火的目的，为物理反应，属被动灭火。

烟烙尽是一种绿色环保型灭火剂，在灭火时不会发生任何化学反应，不污染环境，无毒、无腐蚀，具有良好的电绝缘性能，不会对被保护设备构成危害，也无须延迟喷放，这是其它灭火剂所不具备的特点。IG541混合气体灭火剂在42.8％的灭火浓度下，人或者动物不会感到不适应，这是由于此时保护区内的二氧化碳含量在4％～5％之间，提高了人或动物的呼吸频率，这样可以使人或动物氧气的摄入量与在正常空气下氧气摄入量保持一致。另外，混合气体以设计浓度和空气混合后，可以在较长的时间内保持这一灭火浓度，即使保护区没有采取特别的密封措施，系统也能在20分钟后保持灭火所需的浓度。另外灭火剂价格便宜，输送距离也很长，这对于保护相距较远的保护区十分有利，由于灭火气体可充分与空气混合，故能有效防止复燃。但因是被动灭火，其灭火效果略差，其高压气态储存方式带来了储瓶数量大，占地面积大，系统造价高的缺点。

灭火剂选择的原则

①  ODP值最小原则，即对臭氧层的耗损最小。

②  C值最小原则，即灭火浓度小，灭火剂用量少。

③  GWP值最小原则，即温室效应小。

④  ALT值最小原则，即在大气中存留期短，潜在危险小。

⑤ NOAEL值最大原则，即毒性低。

五个原则具体执行时应综合考虑，统筹兼顾，结合具体条件决定。由于我国尚无国家级的规范出台，因此工程应用中各地方在灭火剂的选择上也各有不同，目前我国在工程中常用的有七氟丙烷及烟烙尽，其他系统尚无应用实例。

系统选择

笔者通过对北京市网通综合楼气体灭火系统设计过程中几种新型灭火剂相对于1301灭火剂的技术经济比较供读者参考。

本工程按《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-2001要求在地下一层传输机房设置气体灭火系统，防护区具体情况见左图：

本工程系统的设计思路

洁净气体灭火系统的设计思路与卤代烷灭火系统颇为类似，可归纳为：设计灭火用量(M)→管道流量(Q)→管道内径(D)→管道规格→管道计算长度(L)→中期容器压力(P_m)→管道节点压力(P_j)→喷头等效孔口面积(F)→喷头规格→灭火剂储存量(M_c)→储瓶数量(N_p)。

系统管网计算的关键在于准确地计算出管道内各点的压力，从而合理选择灭火剂的贮存压力、灭火剂的充装密度、各管段的管径和各个喷嘴的孔口面积。管网阻力计算的“最终”结果是在保证灭火剂喷射时间及满足喷头最低入口压力前提下，尽可能选择较小的贮存压力、较大的充装密度、较小的管径，以降低工程造价。

不同灭火剂方案比较方   案1301HFC227IG541CO₂化学式CF3BrCF₃CHFCF₃注1CO₂分子量1491703444储存压力（20℃）MPa2.5/4.22.5155.17最小设计灭火浓度％，v/v5736.547ODP（臭氧耗损潜能值）CFC11=1.00000GWP（温室效应潜能值相对于CO₂）  205001毒性数据NOAEL％，v/v494334％浓度使人窒息LOAEL％，v/v  10.552大气中存活寿命（年）  35大气中存在大气中存在最大防护区容积(m³)传输机房1传输机房212481850124818501248185012481850系统形式传输机房1传输机房2组合分配组合分配组合分配组合分配贮存压力(MPa)传输机房1传输机房24.24.2155.17药剂量传输机房1传输机房2405 kg600 kg792kg1173 kg

2746m³4070m³

1595kg  2349kg

瓶量(瓶)传输机房1传输机房257

913

3146

1827

气瓶规格(L)90909090工程造价(万元)608514275

由以上分析可知，IG541系统造价高且瓶组过多占地大，对于该工程地下室狭窄空间以及惜地如金的建设方来说是难以接受的；另外传输机房是经常有人的场所，采用灭火浓度高于对人体致死浓度的CO₂系统显然也是不适宜的；相对而言，HFC227系统从灭火效能、占地面积等各方面情况均接近于1301系统，仅在药剂价格上稍高一些，但总投资还是可以让人接受的，最终入选。

结论

气体消防已成为国内外的热门话题和重要的研究课题。FM200做为洁净灭火剂更是大有作为，随着FM200国家规范的出台，FM200的设计会日趋成熟。愿本文的只言片语能引发同仁的探讨兴趣，不当之处，敬请专家同仁指正。