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气体灭火系统使用场所及合理选型配置

日期：2024-11-10 18:17
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摘要：
来源：慧聪消防网作者：威盾科技
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
    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。
    一、气体灭火系统的分类
    1.按灭火剂品种分类
    （1）卤代烃类（化学灭火剂）灭火系统：
    七氟丙烷（HFC-227ea）灭火系统、三氟甲烷（HFC-23）灭火系统
    （2）卤代烷类（化学灭火剂）气体灭火系统：
    卤代烷1211灭火系统（我国已于2005年停止生产1211灭火剂）
    卤代烷1301灭火系统（我国承诺2010年停止生产1301灭火剂）
    （3）纯天然气体类灭火系统：
    IG-541（N2、Ar、CO2混合气体）灭火系统
    IG-100（N2）灭火系统
    IG-55（N2、Ar混合气体）灭火系统
    IG-01（Ar）灭火系统
    CO2（二氧化碳）灭火系统
    2.按气体灭火剂输送压力的来源及形式分类
    （1）内贮压式灭火系统
    灭火剂在瓶组内采用驱动气体（一般为N2）进行加压贮存，系统动作时灭火剂靠瓶内的充压气体进行输送的系统。如常见的七氟丙烷灭火系统。
    （2）外贮压式灭火系统
    系统动作时灭火剂由专设的充压气体（一般为N2）瓶组按设计压力对其进行充压的系统。
    （3）自压式气体灭火系统
    灭火剂无需充压而是依靠其自身饱和蒸汽压力进行输送的灭火系统。如三氟甲烷灭火系统，IG-541灭火系统、IG-100灭火系统、IG-55灭火系统、IG-01灭火系统、二氧化碳灭火系统等。
    3、按灭火剂储存压力分类
    （1）高压系统
    灭火剂储存压力为15.0MPa、20.0MPa的气体灭火系统。如：IG-541、IG-100、IG-55、IG-01灭火系统等。由于20.0MPa的气体灭火系统设备成本过高，缺乏经济性，一般不采用。
    （2）中低压系统
    灭火剂储存压力为2.1MPa、2.5MPa、4.2MPa、5.6MPa、5.5MPa的气体灭火系统。如低压二氧化碳、七氟丙烷、三氟甲烷、高压二氧化碳等灭火系统。
    因为高压CO2灭火系统是指灭火剂在常温下加压液化储存（20℃时储存压力为5.5MPa）的二氧化碳灭火系统，低压CO2灭火系统是指灭火剂在－18℃～－20℃低温下液态储存（－18℃时储存压力为2.1MPa）的二氧化碳灭火系统，所以它们二者均属于中低压气体灭火系统范围。
4.按保护范围分类
    （1）全淹没灭火系统
    灭火剂在规定喷放时间内使整个防护区密闭空间达到设计灭火浓度。各类气体灭火剂均适用于此系统。
    （2）局部应用灭火系统
    以设计喷射率向具体保护对象喷放灭火剂，并持续一定时间。CO2是**可用于全淹没灭火系统也可用于局部应用灭火系统的气体灭火剂。
    5.按灭火剂输送途径分类
    （1）管网灭火系统
    灭火剂从贮存容器需经由管网（干管及支管）输送至喷放组件（喷嘴）才能实施喷放的气体灭火系统。其中一套灭火剂储存装置只保护一个防护区或保护对象的灭火系统为单元独立系统；而用一套灭火剂储存装置保护两个及两个以上（≤8个）防护区或保护对象的灭火系统为组合分配系统。
    （2）柜式灭火装置
    按一定的应用条件，将灭火剂贮存容器和喷放组件等预先设计、组装成套且具有联动控制功能的灭火系统。如柜式七氟丙烷灭火装置、柜式三氟甲烷灭火装置。
    （3）悬挂式气体灭火装置
    由灭火剂贮存容器、启动释放组件、悬挂支架（座）等组成可悬挂或壁挂式安装，能自动或手动（电气启动或机械应急启动）启动喷放气体灭火剂的灭火装置。
    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**性、**浓度验算、工程造价、技术成熟程度进行分析。
    七氟丙烷无色、无味、低毒、不导电、不破坏大气臭氧层，在常温下可加压液化、并能全部挥发，灭火后无残留物。可用于扑救A、B、C、E、F类火灾。可用于保护经常有人的场所。七氟丙烷为化学灭火剂，其灭火机理为主要以物理方式和部分化学方式灭火。
    IG-541是无色、无味、无毒的混合气体灭火剂，不破坏大气臭氧层，对环境无任何不利影响。不导电，灭火过程洁净，灭火后无残留物。适用于扑救A、B、C、E、F类火灾。可用于保护经常有人的场所。其灭火机理是通过降低燃烧物周围的氧浓度而窒息灭火，为物理方式灭火。
    三氟甲烷无色、无味、低毒、不导电，对大气臭氧层的损耗潜能值（ODP）为零。灭火速度快，灭火效能高，喷放后无残留物，对设备无污损，电绝缘性能好。可用于扑救A、B、C、E、F类火灾，也适用于保护经常有人的场所。三氟甲烷为化学灭火剂，其灭火机理主要以物理方式和部分化学方式灭火。三氟甲烷与七氟丙烷相比，具有在严寒、酷热环境下都能使用的特点及价格优势。三氟甲烷灭火系统的缺点是对地球环境会产生温室效应。
    二氧化碳灭火系统是成熟的传统灭火技术，它不属于严格意义上的卤代烷替代品。由于它会对地球产生温室效应，喷放时对人有窒息毒害作用，所以原则上也不能算是洁净气体灭火剂。
    二氧化碳对绝大多数物质没有破坏作用，不导电，灭火迅速彻底，灭火后能很快散逸，无残留物，不污损物品，成本较低，无毒害物质产生。其灭火机理为物理窒息和部分冷却作用。适用于扑救A、B、C、E、F类火灾和棉花、织物、纸张等部分固体物质的深位火灾，以及石蜡、沥青等可溶化的固体火灾。
    二氧化碳可用于全淹没灭火系统，是**可用于局部应用灭火系统的气体灭火剂。与其他几种纯天然气体灭火剂相比，它的灭火效能*好。
二氧化碳灭火系统的缺点是灭火设计浓度较高，灭火剂用量较多，储瓶间或储罐间需要面积较大，喷放时对人有窒息毒害作用，不适宜用于经常有人工作或停留的场所。在释放过程中因为有固态CO2（干冰）出现，会使防护区温度急剧下降，对精密仪器和精密设备会造成一定的影响。
    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
*快
快
*慢
慢
综合评价
*好
好
*差
较差
    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*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-100
IG-541
ODP值
0
0
0
0
0
GWP值
1.32
1
0.4
0
0
ALT值
267
120
31
0
0
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。
                              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
*好
较差
好
差
    4、人员的**性
    灭火剂喷放后威胁人员**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**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
*好
*差
较好
好
NOAEL—是指对生理影响无**反应的*高浓度。LOAEL—是指对生理影响产生**反应的*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**员**，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**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**性较高。
    公安部公消（2001）217号**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，**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**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、**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。
    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℃)
    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**员伤亡事故的危险隐患。
    6、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**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**大灭火系统。IG-541、IG-55、IG-01、IG-100、三氟甲烷灭火系统是近十年才出现的新产品，国内技术相对不成熟。目前国家已有产品标准出台，部分产品设计规范尚未成熟，技术的规范性、可靠性有待提高。
    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》（NFPA2001：2004）
    已经颁布的关于哈龙替代灭火系统的国家、行业或地方规范如下：
    《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）
    《气体灭火系统及零部件性能要求和试验方法》—GA400-2002
    《气体灭火系统设计规范》—GB50370-2005
    《气体灭火系统施工及验收规范》—GB50263-2007
    《三氟甲烷（HFC-23）洁净气体灭火系统设计施工及验收规范》—DB45/T88-2003
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、IG-100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、**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。高压二氧化碳灭火系统是至今**可以采用局部淹没保护方式进行灭火的气体灭火系统，在这方面有其独特的优点。
    1.对于棉毛、织物、纸张等固体物质的深位火灾，只能采用二氧化碳灭火系统。
    2.CO2是**可用于局部应用系统的气体灭火剂。局部应用系统就是采用专门的喷嘴，使CO2能直接、集中地喷射到正在燃烧的物体上。要求喷放的CO2能穿透火烟，并在燃烧物的表面达到一定的供给强度，延续一定的时间，使燃烧熄灭。
    局部应用灭火系统只能用于扑救不具备封闭空间条件的具体保护对象的表面火灾，如钢厂轧机生产线、印刷机、电站、烘干设备、浸渍油槽、汽车厂喷漆生产线等工部工位的局部保护。不能扑灭深位火灾。
    3.气体灭火系统适用于扑救电气火灾、固体表面火灾、液体火灾和灭火前能切断气源的气体火灾。这是从广义角度规定的，具体来说，应是指不适宜用水保护或灭火的场所或对象。如电器和电子设备、通讯设备，易燃可燃的液体和气体，贵重物品和财产存放场所。
    4.各种气体灭火系统都适用于扑救液体火灾（B类火灾），二氧化碳、三氟甲烷还适用于扑救石蜡、沥青等可熔化的固体火灾。但对于IG-541灭火系统，由于其灭火效能相对较低，在高压喷放时可能导致可燃、易燃液体飞溅及汽化，有造成火势蔓延扩大的危险，故一般不提倡将其用于扑救主燃料为液体的火灾。
    5.对于气体火灾，无论选择哪一种气体灭火系统，均要求在灭火剂喷放前能切断气源供给。即在设计时应关注并提醒燃气专业设计人员，在燃气管道上设置紧急事故自动切断装置。《气体灭火系统设计规范》明确指出：采取这一措施的主要目的是为了防止可燃气体积聚引起爆炸，其次是为了防止可燃助燃气体不断逸出，冲淡灭火剂浓度，影响灭火。
    6.对于博物馆、图书馆等重要场所，不适宜选用七氟丙烷灭火系统。其灭火剂具有相对较高的酸性和一定的腐蚀性，容易使纸质发脆。适宜选用三氟甲烷或IG-100、IG-541等灭火系统。
    7.精密仪器场所应优选IG-100、IG-541等灭火系统，其次可选用三氟甲烷灭火系统，不适宜选用七氟丙烷灭火系统。
    8.由于三氟甲烷灭火系统，是目前**适用温度环境（－20℃～＋50℃）可在0℃以下使用的灭火系统，所以在严寒地区特别适宜选用三氟甲烷灭火系统。
    9.对于不适合安装管网或已装修完毕的防护区，可选用柜式七氟丙烷灭火装置或柜式三氟甲烷灭火装置，由于柜式二氧化碳灭火装置的灭火效率较低，设备使用台数较多，缺乏经济价值。除非可能发生的火灾对象必需选用，一般情况下，不提倡使用柜式二氧化碳灭火装置。
    10.对于空间较小或不适合安装管网的防护区，可选用悬挂式七氟丙烷灭火装置。
    11.在空间很大的防护区，只有部分设备是危险源并需要灭火保护时，对该局部危险性大的设备，可采用局部应用系统或“改进型柜式气体灭火装置”进行保护，而不必采用大型自动灭火系统保护整个空间的方法来实现。
    12.K型气溶胶灭火装置只能用于扑救电缆隧道、电缆夹层、电缆井、自备发电机房等火灾及木材、纸张、织物等固体表面火灾。所保护对象应为非贵重物品。
    13.S型气溶胶灭火装置除能用于扑救K型气溶胶灭火装置保护对象的火灾外，尚能用于扑救变配电房、电池室、不间断电源室、普通电子计算机房以及并不贵重物品和普通仪器设备的火灾。无限扩大其使用范围，将会造成次生灾害。
    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）《气体灭火系统设计规范》—GB50370-2005
    （5）《气体灭火系统施工及验收规范》—GB50263-2007
    （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/T88-2003
    （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。（威盾科技（中国）有限公司供稿）
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