浅论几种常用气体灭火系统的性能及工程应用

来源：职称驿站所属分类：气象学论文发布时间：2012-09-01 10:37:56浏览：次

　　摘要：本文介绍了几种气体灭火系统的性能，通过对灭火效能、环保性能、对保护对象的安全性、对人员的安全性、系统经济性进行比较评价，分析几种气体灭火系统在工程中的选择应用，认为七氟丙烷和IG-541将最具市场前景。
　　关键词：气体灭火系统，性能，比较，工程应用，选择
　　随着社会的进步和经济的发展，越来越多的保护对象需要灭火后破坏性小的介质进行保护，气体灭火系统以其固有的特性在该领域得到了广泛的应用。但目前气体灭火系统市场出现了多种气体灭火系统并存的局面，种类繁多的气体灭火系统给用户带来了更多的选择余地，同时也给消防监督管理、设计院设计和用户选择产品带来了一定的难度。本文通过对市场上常用的几种气体灭火系统进行比较，从而帮助分析各种气体灭火系统在工程中的选择应用。
　　一、几种常用气体灭火系统的简要介绍
　　1、 CO2灭火系统：CO2灭火系统是传统的气体灭火系统，具有成熟的应用技术。其灭火作用是物理方式，主要通过稀释和降低空气中可燃气体和氧气的浓度，从而达到抑制和灭火的目的。应用时可组成全淹没灭火系统和局部应用灭火系统、单元独立灭火系统和组合分配灭火系统、管网灭火系统和无管网灭火系统。
　　2、七氟丙烷灭火系统：七氟丙烷灭火系统是哈龙灭火替代技术的一种。其灭火作用主要是化学方式，通过对燃烧反应的化学抑制作用达到灭火的目的。七氟丙烷灭火方式的应用主要以全淹没灭火为主，可组成单元独立灭火系统和组合分配灭火系统、管网灭火系统和无管网灭火系统。
　　3、气溶胶灭火系统：气溶胶灭火系统是哈龙灭火替代技术的一种，气溶胶的灭火作用也同样主要是化学方式。气溶胶灭火剂平时以固态常压方式储存在容器内，启动时通过电点火器、引燃剂点燃催化固体气溶胶药柱，从而产生喷放气溶胶。气溶胶灭火方式的应用为全淹没灭火，通常以无管网方式使用。
　　4、混合气体IG-541灭火系统：混合气体IG-541灭火系统是新兴的气体灭火系统。其灭火作用是物理方式，喷放后使防护区空气中的氧气浓度下降燃烧的下限达到灭火的目的。IG-541灭火方式的应用主要以全淹没灭火为主，可组成单元独立灭火系统和组合分配灭火系统、管网灭火系统和无管网灭火系统。
　　二、几种常用气体灭火系统的性能比较
　　1、灭火效能：
　　灭火效能一般从灭火浓度和灭火速度两个方面进行衡量，灭火机理是影响灭火浓度和灭火速度的主要因素。根据燃烧理论分析，灭火可分为物理方式和化学方式。
　　上述几种气体灭火系统中，七氟丙烷、气溶胶以化学灭火方式为主，其灭火浓度较低,灭火速度较快。其中七氟丙烷属液化气体，喷放时对防护区有一定的冷却作用，气溶胶喷放产生的大量惰性气体对稀释氧浓度有一定的作用。二氧化碳、IG-541均是以物理方式灭火，需要较高的灭火浓度和较长的喷射时间，其中二氧化碳有窒息和冷却两种作用，IG-541仅以稀释防护区氧气浓度的窒息作用实施灭火。
　　表1灭火效能比较
　　名称灭火原理设计灭火
　　浓度范围喷射时间灭火速度综合评价
　　七氟丙烷化学方式 8%~10% 8~10S 快好
　　二氧化碳物理方式 34%~75% 60S 慢差
　　气溶胶化学方式 8%~10% 40S 快好
　　IG-541 物理方式 0.1kg/m3 60S 慢差
　　2、环保性能
　　通常情况下，评定一种灭火剂对大气破坏的环境指标有三项：
　　1）、对臭氧层（O3）不破坏，即臭氧耗损潜能值（ODP）为零。
　　2）、不产生温室效应或温室效应不明显，即全球温室效应值（GWP）为零或很小。
　　3）、合成物在大气中的存活寿命要短，即在大气中的存留时间（ALT）越小越好。
　　另外，通常将灭火剂产生的残留物污染也作为考核的一个指标之一。
　　表2环保性能比较
　　名称 ODP值 GWP值 ALT值残留物污染综合评价
　　七氟丙烷 0 0.6 31~42年无好
　　二氧化碳 0 1 120年无差
　　气溶胶 0 ≤0.5 0 有较差
　　IG-541 0 0 0 无最好
　　从上表可看出，七氟丙烷虽然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》纳人受控范畴，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主要因素，灭火剂作为温室气体自身环保性能较差。气溶胶虽然对大气破坏程度的三个指标很好，但由于喷放时会分解产生部分有毒气体，同时产生的大量固体微粒对环境造成一定程度的污染。IG541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，又释放回归于大气，对环境没有任何影响，称得上是真正的“绿色”环保产品。
　　3、对保护对象的安全性
　　大多数气体灭火系统基本都具有不导电、腐蚀性小、无污渍、灭火后不留痕迹的特点，对大多数保护对象，包括电器设备、仪器仪表、图书档案等都是安全的。但是由于酸性分解物的产生、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。
　　七氟丙烷灭火剂均属于含氟化合物，高温明火下会受热分解产生氢氟酸(HF)，对保护对象的金属、玻璃表面会产生一定腐蚀性。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。由于系统系统设计喷放时间都很短，灭火速度很快，酸性分解物的量一般很小，对大部分保护对象可不考虑其腐蚀影响。
　　二氧化碳(特别是低压二氧化碳)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。
　　气溶胶目前市场上出现的大都属于热气溶胶，气溶胶灭火剂需在释放过程需要经过燃烧放热反应，可能会出现温度过高现象。同时生成物含大量的碳酸盐及金属氧化物粉尘，约占总重量的90％，灭火后对保护对象和环境会造成污染。同时悬浮于空气中的粉尘呈电中性，容易造成精密电子电路的短路。另外，生成物中的碳酸盐极易与水在保护对象表面形成“盐露”，对铝和某些钢的腐蚀性特别大。
　　IG5-41灭火剂成分均为惰性气体，受热也不会发生反应，只要减压孔板和管网设计合理、采用径向或挡板喷头，避免高压气流的冲击，IG-541对保护对象是安全的。
　　几种气体对对保护对象的安全性能比较见下表：
　　表3对保护对象安全性能比较
　　名称腐蚀性
　　分解物残留物其它影响综合评价
　　七氟丙烷少量无无较好
　　二氧化碳无无冷激、冷淬差
　　气溶胶较多有热激最差
　　IG-541 无无无最好
　　4、对人员的安全性
　　灭火剂对人员安全性主要表现为三个方面：
　　1）、缺氧，引起人员窒息主要决定于灭火浓度和二氧化碳浓度，灭火浓度越高，灭火剂释放后，防护区内氧浓度越低，越容易发生人员缺氧，二氧化碳浓度过高(超过10％)会影响人的正常呼吸，产生危险，浓度超过25％，会很快引起中毒反应，造成缺氧窒息
　　2）、中毒，药物毒性来源于药剂本身的毒性和分解物的毒性。
　　3）、影响逃生，主要体现在灭火剂喷放后起雾或粉尘，降低防护区的能见度。
　　表4对人员安全性能比较
　　名称 NOAEL（%V/V） LOAEL（%V/V）毒性逃生能见度影响综合评价
　　七氟丙烷 9 10.5 低毒无较好
　　二氧化碳 - - 窒息白雾差
　　气溶胶 - - 低毒烟雾差
　　IG-541 43 52 无毒无最好
　　注：NOAEL—无毒性反应最低的最高浓度
　　LOAEL—有毒性反应最低的最低浓度
　　从上表可知，二氧化碳系统由于灭火浓度高，会引起人员缺氧窒息；同时二氧化碳喷放时会因迅速气化吸热，可能会造成人员冻伤，喷放后产生“白雾”会影响人员逃生，因此二氧化碳灭火系统不能用于保护经常有人的场所。
　　气溶胶由于喷放时大量粉尘烟雾降低防护区能见度，严重影响人员逃生，产生部分有毒气体，对人体也有危害，因此气溶胶灭火系统也不能用于保护经常有人场所。
　　IG-541允许使用在有人场所。IG541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。IG541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，但由于系统压力高，喷放时会产生一定的噪音，可能影响人的视觉。
　　七氟丙烷灭火剂本身具有毒性和灭火剂接触高温产生的酸性对人员有危害，系统设计通过控制灭火设计灭火浓度和喷放时间可降低对人员的毒性危害致安全浓度下，因此，七氟丙烷可在经常有人的场所使用。
　　总的来说，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IG-541或七氟丙烷这些允许使用的气体灭火系统，在系统设计时也必须对每个防护区进行必要的浓度核算，确保实际喷放后防护区的灭火剂浓度在允许的NOAEL值以下，有人工作时将系统置于在手动状态，避免系统误喷造成人员伤害，同时，应根据现场实际情况，设置不少于30s的延迟启动时间，便于人员逃离火灾现场。
　　5、系统经济性
　　对于工程造价，气体灭火系统包含药剂成本、设备造价、管网造价、维护费用四大部分，衡量一个系统的造价，应考虑综合造价。
　　二氧化碳、IG541混合气体药剂便宜，但由于灭火剂用量大、系统压力高、储瓶数量多，其设备造价、管网造价相对较高。七氟丙烷灭火剂价格较高，药剂成本较大，但由于灭火剂用量少、系统压力低，其设备造价和管网造价相对较低。气溶胶目前仅局限于预制灭火装置，尚无管网系统，药剂用量少、设备简单，其前期工程造价低，只是药剂环境要求高、药效时间短，系统后期维护费用较大。同时由于气溶胶不宜采用管网输送，对于使用组合分配系统的场所，则气溶胶灭火系统因只能按单元独立系统设置，因此，这类场所使用气溶胶灭火系统会造价较高，且有一定的局限性。
　　表5系统经济性比较
　　名称药剂成本设备造价管网造价维护费用综合评价
　　七氟丙烷高低低低最好
　　二氧化碳低高高低差
　　气溶胶高低无高好
　　IG-541 低高高低差
　　
　　三、几种常用气体灭火系统的工程应用及选择
　　多数气体灭火系统可以扑救气体火灾、液体或可融化固体火灾、固体表面火灾及部分固体深位火灾、电器火灾，但不能用来保护含氧化剂的化学品、活泼金属、金属氧化物以及不能切断气源的气体火灾。由于灭火剂特性和系统特点的不同，工程应用时应充分结合工程实际，综合考虑灭火可靠性、环保性、对设备人员的安全性、工程造价、技术成熟性等因素，选择最佳的灭火系统，以达到既定的灭火效果。
　　1、二氧化碳灭火系统
　　在气体灭火剂中，开发应用最早的是二氧化碳灭火系统。由于其灭火剂来源广泛、价格低廉、电绝缘性高、清洁无残留物、长期贮存不变质，其应用较为广泛。
　　虽然二氧化碳属于温室气体，对环境有一定的影响，但是，目前消防使用的二氧化碳灭火剂全部来源于化工副产品，我国还没有一家专门的消防用二氧化碳生产厂家。这些二氧化碳副产品即使不用于消防，也会大多数排放到大气中，所以完全没有必要考虑使用二氧化碳灭火系统会对环境产生影响。且二氧化碳在技术应用成熟，所以无人场所建议优先选用二氧化碳灭火系统。另外，由于二氧化碳灭火剂便宜，密度比空气大，是目前唯一可以用于局部应用的气体灭火系统，对保护大空间或敞开场所的专门设备特别适宜。其次，液体二氧化碳渗透性比较好，对扑灭部分固体(如棉花、纸张)深位火灾效果较好。
　　2、七氟丙烷灭火系统
　　七氟丙烷是国内开发较早的哈龙替代物之一，由于性能与哈龙相似，符合人们长期使用
　　哈龙灭火系统的习惯，且灭火效能也较高，因此七氟丙烷是目前哈龙替代产品中应用最多、技术相对最成熟的洁净气体灭火系统。
　　七氟丙烷的储存及释放条件与哈龙1301相似，且系统组成大部分也相同，组成系统的硬件、软件技术相对成熟，最适宜替代1301系统。对于经常有人的场所，也可以使用七氟丙烷进行保护。但由于七氟丙烷采用氮气增压，灭火剂在管网输送过程中压力损失较大，因此不适宜于长距离的输送，如确实需要输送较长距离，应考虑降低储瓶充装系数，加大储瓶充装压力技术措施，并进行严格的管网阻力损失计算。
　　3、混合气体1G-541灭火系统
　　IG541属惰性气体灭火系统，其环保性能和对设备的安全性能在气体灭火系统中最佳。特别适宜对环保要求高的场所和保护精密设备和珍贵财物。
　　另外，IG-541系统压力高、气相高程阻力小，输送距离远、垂直输送能力强，对防护区分散、管网复杂、输送距离远、垂直落差大的工程尤其适用。
　　但是IG541的灭火机理为物理灭火方式，灭火效率低，需要更多的药剂用量和贮存钢瓶、更粗的喷放管道、占用较大的储瓶间，工程投资较大。由于其灭火剂密度和空气接近，不能用于局部应用，也不能扑救固体物质深位火灾。
　　4、气溶胶灭火系统
　　气溶胶具有灭火效率高、灭火速度快、对大气臭氧层无损耗、可常压贮存、工程造价低、设备结构简单、安装方便等优级点，可用于小防护区、电缆沟、地下通道、地板或吊顶夹层等场所。
　　气溶胶灭火剂不完全燃烧产生的气体污染环境，固体微粒的产生对灭火现场有污染和腐蚀作用，灭A类火有一定困难。不能用于保护经常有人场所，不能保护易燃、易爆场所，不宜用于管网输送系统、不能保护精密仪器和设备、不能使用多机联用系统保护较大空间场所。
　　表6系统的工程应用和选择
　　名称经常有人
　　工作场所经常有人
　　工作场所管网系统长距离管网输送贵重与精密设备
　　七氟丙烷可用可用可用不宜选择使用
　　二氧化碳禁用可用可用可用选择使用
　　气溶胶禁用可用不宜不宜禁用
　　IG-541 可用可用可用可用可用
　　5、结论
　　综上所述，目前常见的气体灭火系统，没有那一种系统在灭火性、环保性、安全性、经济性方面是十全十美的，每一种气体灭火系统都有其优点和缺点。工程应用中，应充分结合实际情况，综合考虑各方面因素，扬长避短、合理选择，使气体灭火系统各尽其能。
　　四、几种常用气体灭火系统的市场前景
　　前面所述的几种气体灭火系统，均是在哈龙限制使用的背景下得到推广应用的，它们均为哈龙的替代物，在性能上并不能完全替代哈龙灭火系统。如到了某一天，人类开发了性能和哈龙相媲美的一种气体灭火剂并至成熟应用，那么，以上的部分灭火系统可能会失它们在市场生存的理由。但此时，它们仍是我们气体消防保护的生力军，在哈龙的完全替代物问世尚为未知数之时，通过市场发展趋势和人们对环保及安全的渴求，我们认为，七氟丙烷和IG-541将更具市场前景。
　　
　　参考文献：
　　1、 GB50263-2007《气体灭火系统施工及验收规范》；
　　2、 GB50193-1993《二氧化碳灭火系统设计规范》（2010年版）；
　　3、 GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》；
　　4、 GB16669-2010《二氧化碳灭火系统及部件通用技术条件》；
　　5、 GB25972-2010《气体灭火系统及部件》；
　　6、 GB20128-2006《惰性气体灭火剂》；
　　7、 GB18614-2002《七氟丙烷(HFC227ea)灭火剂》；
　　8、 GA499.1-2010《气溶胶灭火系统第1部分热气溶胶灭火装置》。