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氣體滅火系統使用場所及合理選型配置

日期：2024-12-20 01:45
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摘要：
來源：慧聰消防網作者：威盾科技
摘要：通過對各種氣體滅火系統及其滅火劑理化特性的比較，分析各氣體滅火系統的適合使用場所及其合理選型配置。
    關鍵詞：氣體滅火系統；哈龍替代品；合理選型；工程應用
    概述
    氣體滅火系統是指平時滅火劑以液體、液化氣體或氣體狀態存貯于壓力容器內，滅火時以氣體（包括蒸汽、氣霧）狀態噴射作為滅火介質的滅火系統。并能在防護區空間內形成各方向均一的氣體濃度，而且至少能保持該滅火濃度達到規范規定的浸漬時間，實現撲滅該防護區的空間、立體火災。
    二十世紀八十年代初有關專家研究表明，包括哈龍滅火劑在內的氯氟烴類物質在大氣中的排放，將導致對大氣臭氧層的破壞，危害人類的生存環境，1990年6月在英國倫敦由57個國家共同簽定了蒙特利爾議定書（修正案），決定逐步停止生產和逐步限制使用氟里昂、哈龍滅火劑。
    我國于1991年6月加入了《蒙特利爾議定書》（修正案）締約國行列，承諾2005年停止生產哈龍1211滅火劑，2010年停止生產哈龍1301滅火劑。并于1996年頒布實施《中國消防行業哈龍整體淘汰計劃》。
    1996年以后，哈龍替代品及其替代技術研究迅速發展，短短幾年，七氟丙烷、惰性混合氣體（以下簡稱IG-541）、三氟甲烷等滅火系統相繼出現，2003年中華人民共和國公安部發布了《氣體滅火系統及零部件性能要求和試驗方法》(GA400-2002)，對七氟丙烷、三氟甲烷、IG-541、IG-55、IG-01、IG-100等滅火系統的生產、檢驗作出明確的規定。
    一、氣體滅火系統的分類
    1.按滅火劑品種分類
    （1）鹵代烴類（化學滅火劑）滅火系統：
    七氟丙烷（HFC-227ea）滅火系統、三氟甲烷（HFC-23）滅火系統
    （2）鹵代烷類（化學滅火劑）氣體滅火系統：
    鹵代烷1211滅火系統（我國已于2005年停止生產1211滅火劑）
    鹵代烷1301滅火系統（我國承諾2010年停止生產1301滅火劑）
    （3）純天然氣體類滅火系統：
    IG-541（N2、Ar、CO2混合氣體）滅火系統
    IG-100（N2）滅火系統
    IG-55（N2、Ar混合氣體）滅火系統
    IG-01（Ar）滅火系統
    CO2（二氧化碳）滅火系統
    2.按氣體滅火劑輸送壓力的來源及形式分類
    （1）內貯壓式滅火系統
    滅火劑在瓶組內采用驅動氣體（一般為N2）進行加壓貯存，系統動作時滅火劑靠瓶內的充壓氣體進行輸送的系統。如常見的七氟丙烷滅火系統。
    （2）外貯壓式滅火系統
    系統動作時滅火劑由專設的充壓氣體（一般為N2）瓶組按設計壓力對其進行充壓的系統。
    （3）自壓式氣體滅火系統
    滅火劑無需充壓而是依靠其自身飽和蒸汽壓力進行輸送的滅火系統。如三氟甲烷滅火系統，IG-541滅火系統、IG-100滅火系統、IG-55滅火系統、IG-01滅火系統、二氧化碳滅火系統等。
    3、按滅火劑儲存壓力分類
    （1）高壓系統
    滅火劑儲存壓力為15.0MPa、20.0MPa的氣體滅火系統。如：IG-541、IG-100、IG-55、IG-01滅火系統等。由于20.0MPa的氣體滅火系統設備成本過高，缺乏經濟性，一般不采用。
    （2）中低壓系統
    滅火劑儲存壓力為2.1MPa、2.5MPa、4.2MPa、5.6MPa、5.5MPa的氣體滅火系統。如低壓二氧化碳、七氟丙烷、三氟甲烷、高壓二氧化碳等滅火系統。
    因為高壓CO2滅火系統是指滅火劑在常溫下加壓液化儲存（20℃時儲存壓力為5.5MPa）的二氧化碳滅火系統，低壓CO2滅火系統是指滅火劑在－18℃～－20℃低溫下液態儲存（－18℃時儲存壓力為2.1MPa）的二氧化碳滅火系統，所以它們二者均屬于中低壓氣體滅火系統范圍。
4.按保護范圍分類
    （1）全淹沒滅火系統
    滅火劑在規定噴放時間內使整個防護區密閉空間達到設計滅火濃度。各類氣體滅火劑均適用于此系統。
    （2）局部應用滅火系統
    以設計噴射率向具體保護對象噴放滅火劑，并持續一定時間。CO2是**可用于全淹沒滅火系統也可用于局部應用滅火系統的氣體滅火劑。
    5.按滅火劑輸送途徑分類
    （1）管網滅火系統
    滅火劑從貯存容器需經由管網（干管及支管）輸送至噴放組件（噴嘴）才能實施噴放的氣體滅火系統。其中一套滅火劑儲存裝置只保護一個防護區或保護對象的滅火系統為單元獨立系統；而用一套滅火劑儲存裝置保護兩個及兩個以上（≤8個）防護區或保護對象的滅火系統為組合分配系統。
    （2）柜式滅火裝置
    按一定的應用條件，將滅火劑貯存容器和噴放組件等預先設計、組裝成套且具有聯動控制功能的滅火系統。如柜式七氟丙烷滅火裝置、柜式三氟甲烷滅火裝置。
    （3）懸掛式氣體滅火裝置
    由滅火劑貯存容器、啟動釋放組件、懸掛支架（座）等組成可懸掛或壁掛式安裝，能自動或手動（電氣啟動或機械應急啟動）啟動噴放氣體滅火劑的滅火裝置。
    性能比較
    目前，在工程應用中技術較為成熟的氣體滅火系統為：高壓二氧化碳、七氟丙烷、三氟甲烷、IG-541等四種滅火系統，以下對這四種滅火系統從滅火效果、環保性能、對保護對象的破壞性、人員的**性、**濃度驗算、工程造價、技術成熟程度進行分析。
    七氟丙烷無色、無味、低毒、不導電、不破壞大氣臭氧層，在常溫下可加壓液化、并能全部揮發，滅火后無殘留物。可用于撲救A、B、C、E、F類火災。可用于保護經常有人的場所。七氟丙烷為化學滅火劑，其滅火機理為主要以物理方式和部分化學方式滅火。
    IG-541是無色、無味、無毒的混合氣體滅火劑，不破壞大氣臭氧層，對環境無任何不利影響。不導電，滅火過程潔凈，滅火后無殘留物。適用于撲救A、B、C、E、F類火災。可用于保護經常有人的場所。其滅火機理是通過降低燃燒物周圍的氧濃度而窒息滅火，為物理方式滅火。
    三氟甲烷無色、無味、低毒、不導電，對大氣臭氧層的損耗潛能值（ODP）為零。滅火速度快，滅火效能高，噴放后無殘留物，對設備無污損，電絕緣性能好。可用于撲救A、B、C、E、F類火災，也適用于保護經常有人的場所。三氟甲烷為化學滅火劑，其滅火機理主要以物理方式和部分化學方式滅火。三氟甲烷與七氟丙烷相比，具有在嚴寒、酷熱環境下都能使用的特點及價格優勢。三氟甲烷滅火系統的缺點是對地球環境會產生溫室效應。
    二氧化碳滅火系統是成熟的傳統滅火技術，它不屬于嚴格意義上的鹵代烷替代品。由于它會對地球產生溫室效應，噴放時對人有窒息毒害作用，所以原則上也不能算是潔凈氣體滅火劑。
    二氧化碳對絕大多數物質沒有破壞作用，不導電，滅火迅速徹底，滅火后能很快散逸，無殘留物，不污損物品，成本較低，無毒害物質產生。其滅火機理為物理窒息和部分冷卻作用。適用于撲救A、B、C、E、F類火災和棉花、織物、紙張等部分固體物質的深位火災，以及石蠟、瀝青等可溶化的固體火災。
    二氧化碳可用于全淹沒滅火系統，是**可用于局部應用滅火系統的氣體滅火劑。與其他幾種純天然氣體滅火劑相比，它的滅火效能*好。
二氧化碳滅火系統的缺點是滅火設計濃度較高，滅火劑用量較多，儲瓶間或儲罐間需要面積較大，噴放時對人有窒息毒害作用，不適宜用于經常有人工作或停留的場所。在釋放過程中因為有固態CO2（干冰）出現，會使防護區溫度急劇下降，對精密儀器和精密設備會造成一定的影響。
    1、滅火效果
    滅火效果應從滅火濃度、滅火劑用量、滅火速度三個方面進行衡量。
                             表1  滅火效果對比
       滅火系統性能指標
三氟甲烷
七氟丙烷
高壓二氧化碳
IG-541
常壓下沸點（℃）
－82.1
－16.4
－56.6
－320.0
滅火機理
物理方式 (降低氧濃度、冷卻)
物理方式部分化學方式
物理方式 (降低氧濃度、冷卻)
物理方式 (降低氧濃度)
噴射時間（s）
10
10
60
60
滅火濃度
A類危險物 表面火
15%
5.8%
36.47%
28.1%
n-庚烷
12%
6.6%
20.6%
29.1%
設計滅火濃度范圍
15.6%～19.5%
8～10%
34～75%
36.5～43.9%
滅火劑用量(kg/m3)
0.542～0.711
0.634～0.81
1.0～3.3
0.47～0.56m3/m3
滅火速度
*快
快
*慢
慢
綜合評價
*好
好
*差
較差
    2、環保性能
    國際上衡量環保性的主要指標是對大氣臭氧層耗損潛能值（ODP）、溫室效應值（GWP）、滅火劑在大氣中的存活壽命（ALT）。從保護臭氧層的角度考慮，首先要求所使用的滅火劑ODP值小于0.05或為0，其次要求GWP和ALT值越小越好。
    七氟丙烷、三氟甲烷雖然ODP值為0，但GWP值較高、大氣存活壽命也比較長，有一定溫室效應影響，而且與二氧化碳一起被京都會議決議《氣候變化框架公約》（D.C.M）納入受控范疇，但由于其滅火劑用量很少，整體環境影響不大，沒有引起人們過多的關注。二氧化碳是引起全球環境溫室效應的*大元兇，滅火劑作為溫室氣體自身環保性能較差。IG-541滅火劑由氮氣、氬氣和少量二氧化碳氣體組成，受熱不會發生分解，滅火劑來源于大氣，對環境沒有任何影響，屬“綠色”環保產品。但在火場高溫情況下，氮氣組份會參與化學反應，產生NO、NO2等有害物質。
                             表2  環保性能對比
         滅火系統性能指標
三氟甲烷
高壓二氧化碳
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、對保護對象的破壞性
    通信機房、計算機房所采用的都是精密設備，通導性和清潔性都要求非常高，滅火劑在火場高溫下所產生的分解物以及高壓氣流的沖擊和液化氣體揮發引起的“結露”、“冷激”、“冷淬”現象，對保護對象的金屬表面、電路板、芯片等會產生不同程度的損害，在保護精密設備和珍貴財物時應特別關注。
    三氟甲烷、七氟丙烷滅火劑均屬于含氟化合物，明焰下受熱分解產生氫氟酸（HF），對保護對象的金屬、玻璃表面會產生腐蝕，生成氫氟酸的多少與藥劑本身、火災的大小、滅火時間長短有關。。
    高壓二氧化碳噴放過程中，由于液相和固態“干冰”的快速汽化，防護區溫度會急劇下降，對保護對象產生一定程度的“冷激”、“冷淬”影響。
                              表3  對保護對象的破壞性
          滅火系統性能指標
三氟甲烷
高壓二氧化碳
七氟丙烷
IG-541
酸性分解物（ppm）
30
0
1000～3000
0
殘留物
0
0
0
0
其他影響
輕微冷激
冷激、冷淬
輕微冷激
存在高壓氣流沖擊的危險性
綜合評價
*好
較差
好
差
    4、人員的**性
    滅火劑噴放后威脅人員**主要來源于三個方面：缺氧、中毒、影響逃生。
    能否引起人員窒息主要決定于滅火濃度、二氧化碳濃度和氧濃度，滅火濃度越高，滅火劑釋放后，防護區內氧濃度越低（低于12%時），越容易發生人員缺氧，二氧化碳濃度過高（超過5%時）會影響人的正常呼吸，產生危險，二氧化碳濃度超過20%，會很快引起中毒反應，造成缺氧窒息。藥劑毒性來源于藥劑本身的毒性和分解物的毒性。影響逃生主要體現在成霧程度，降低防護區的能見度。
                            表4  人員**性對比
           滅火系統性能指標
三氟甲烷
高壓二氧化碳
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
無毒
綜合評價
*好
*差
較好
好
NOAEL—是指對生理影響無**反應的*高濃度。LOAEL—是指對生理影響產生**反應的*低濃度。 LC50—是指鼠群在暴露4小時過程中半數死亡的滅火劑濃度。ALC—是指鼠群在暴露4小時過程中近似死亡的大約濃度。
   高壓二氧化碳滅火系統由于滅火濃度高，易引起人員缺氧窒息；同時二氧化碳噴放時會因迅速氣化吸熱，造**員**，產生“白霧”影響人員逃生，禁止使用在有人場所。
    IG-541藥劑本身無毒性，也不會產生毒性分解物，根據美國科學家“低氧狀態下的生命維持理論”證明，空氣中含有3%～5%的二氧化碳可以刺激人體呼吸速率加快。IG-541滅火劑中加入的8%二氧化碳，可起到在缺氧條件下，刺激呼吸加速，滿足人體在缺氧條件下的氧氣需求量，對人體是相對**的，但當IG-541濃度超過52%時，根據NFPA-2001及ISO14520規定禁止使用在有人場所。同時由于系統壓力高，噴放時會產生一定的噪音及高速氣流產生灰塵、輕質物品飛揚，影響人員的聽覺、視覺。
    七氟丙烷、三氟甲烷藥劑本身毒性不大，但其產生的氫氟酸分解物有一定的毒性，有強烈的辛辣氣味，刺激人的呼吸和眼睛，比較而言，三氟甲烷藥劑毒性遠低于七氟丙烷，產生的氫氟酸量也小于七氟丙烷，對人員的**性較高。
    公安部公消（2001）217號**出明文規定：二氧化碳滅火系統不能用于保護經常有人場所，三氟甲烷、七氟丙烷、IG-541可用于保護經常有人場所。
    任何一種氣體滅火劑對人的生命都有一定的威脅，只是危險程度不同而已，**性是相對的。所以，在有人場所，即使選用三氟甲烷、IG-541、七氟丙烷這些可用于保護經常有人場所的氣體滅火系統，在系統設計時也必須對每個防護區進行必要的濃度核算（特別是IG-541、七氟丙烷的設計滅火濃度與LOAEL值非常接近），確保實際噴放后防護區的滅火劑濃度在允許的LOAEL值以下，系統運行時應將系統設置在手動啟動狀態，避免系統誤噴造**員傷害，同時，應根據現場實際情況，留夠不少于30s的延遲啟動時間，便于人員逃離火災現場。
5、**濃度驗算
    在平時有人值班的場所使用氣體滅火系統時，實際設計濃度不應超過NOAEL值，若實際設計濃度介于NOAEL值和LOAEL值之間，根據NFPA-2001及ISO14520規定應提供一定措施（如按人員數量配置足夠的逃生面具），限制人員與滅火劑的接觸時間不超過5min。
    七氟丙烷、三氟甲烷的實際設計濃度（C%）按下列公式進行驗算。
    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的實際設計濃度（C%）按下列公式進行驗算。
    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℃時)
    應特別注意：在組合分配系統中多個防護區之間，出現個別防護區滅火劑用量不為系統單個鋼瓶儲存滅火劑量的倍數時，而實際滅火時是按整個鋼瓶儲存滅火劑量噴放，由此將會造成個別防護區實際設計濃度大大超過NOAEL值，特別是七氟丙烷的NOAEL值（9%）和LOAEL值（10.5%）、IG-541的NOAEL值（43%）和LOAEL值（52%）相當靠近，若不加以重視，將存在誤噴時造**員傷亡事故的危險隱患。
    6、技術成熟程度
    目前，高壓二氧化碳滅火系統從滅火劑、產品、設計、施工驗收都有國家標準或規范，技術比較成熟。1929年美國頒布了世界上**個二氧化碳滅火系統標準，使二氧化碳滅火系統在西方國家迅速發展，很快成為僅次于水滅火系統的**大滅火系統。IG-541、IG-55、IG-01、IG-100、三氟甲烷滅火系統是近十年才出現的新產品，國內技術相對不成熟。目前國家已有產品標準出臺，部分產品設計規范尚未成熟，技術的規范性、可靠性有待提高。
    已經頒布的關于哈龍替代滅火系統的國際或國外標準如下：
    《氣體滅火系統——物理性能和系統設計》（ISO14520：2000）
    《潔凈滅火劑滅火系統標準》（NFPA2001：2004）
    已經頒布的關于哈龍替代滅火系統的國家、行業或地方規范如下：
    《CO2滅火劑》—GB4396-84
    《二氧化碳滅火系統及部件通用技術條件》—GB16669-1996
    《二氧化碳滅火系統設計規范》—GB50193-93（1999修訂版）
    《氣體滅火系統及零部件性能要求和試驗方法》—GA400-2002
    《氣體滅火系統設計規范》—GB50370-2005
    《氣體滅火系統施工及驗收規范》—GB50263-2007
    《三氟甲烷（HFC-23）潔凈氣體滅火系統設計施工及驗收規范》—DB45/T88-2003
工程應用
    綜上所述，當保護對象為檔案、圖書資料庫時，選用七氟丙烷、三氟甲烷滅火系統較為經濟合理；當保護對象為通信、計算機房時，選用七氟丙烷、三氟甲烷、IG-541、IG-100滅火系統較為經濟合理；當保護對象為發電機房、變配電室時，選用三氟甲烷、高壓二氧化碳滅火系統較為經濟合理；從經濟、**角度考慮，當保護對象為發電機房、變配電室時，選用三氟甲烷滅火系統更為經濟合理。高壓二氧化碳滅火系統是至今**可以采用局部淹沒保護方式進行滅火的氣體滅火系統，在這方面有其獨特的優點。
    1.對于棉毛、織物、紙張等固體物質的深位火災，只能采用二氧化碳滅火系統。
    2.CO2是**可用于局部應用系統的氣體滅火劑。局部應用系統就是采用專門的噴嘴，使CO2能直接、集中地噴射到正在燃燒的物體上。要求噴放的CO2能穿透火煙，并在燃燒物的表面達到一定的供給強度，延續一定的時間，使燃燒熄滅。
    局部應用滅火系統只能用于撲救不具備封閉空間條件的具體保護對象的表面火災，如鋼廠軋機生產線、印刷機、電站、烘干設備、浸漬油槽、汽車廠噴漆生產線等工部工位的局部保護。不能撲滅深位火災。
    3.氣體滅火系統適用于撲救電氣火災、固體表面火災、液體火災和滅火前能切斷氣源的氣體火災。這是從廣義角度規定的，具體來說，應是指不適宜用水保護或滅火的場所或對象。如電器和電子設備、通訊設備，易燃可燃的液體和氣體，貴重物品和財產存放場所。
    4.各種氣體滅火系統都適用于撲救液體火災（B類火災），二氧化碳、三氟甲烷還適用于撲救石蠟、瀝青等可熔化的固體火災。但對于IG-541滅火系統，由于其滅火效能相對較低，在高壓噴放時可能導致可燃、易燃液體飛濺及汽化，有造成火勢蔓延擴大的危險，故一般不提倡將其用于撲救主燃料為液體的火災。
    5.對于氣體火災，無論選擇哪一種氣體滅火系統，均要求在滅火劑噴放前能切斷氣源供給。即在設計時應關注并提醒燃氣專業設計人員，在燃氣管道上設置緊急事故自動切斷裝置。《氣體滅火系統設計規范》明確指出：采取這一措施的主要目的是為了防止可燃氣體積聚引起爆炸，其次是為了防止可燃助燃氣體不斷逸出，沖淡滅火劑濃度，影響滅火。
    6.對于博物館、圖書館等重要場所，不適宜選用七氟丙烷滅火系統。其滅火劑具有相對較高的酸性和一定的腐蝕性，容易使紙質發脆。適宜選用三氟甲烷或IG-100、IG-541等滅火系統。
    7.精密儀器場所應優選IG-100、IG-541等滅火系統，其次可選用三氟甲烷滅火系統，不適宜選用七氟丙烷滅火系統。
    8.由于三氟甲烷滅火系統，是目前**適用溫度環境（－20℃～＋50℃）可在0℃以下使用的滅火系統，所以在嚴寒地區特別適宜選用三氟甲烷滅火系統。
    9.對于不適合安裝管網或已裝修完畢的防護區，可選用柜式七氟丙烷滅火裝置或柜式三氟甲烷滅火裝置，由于柜式二氧化碳滅火裝置的滅火效率較低，設備使用臺數較多，缺乏經濟價值。除非可能發生的火災對象必需選用，一般情況下，不提倡使用柜式二氧化碳滅火裝置。
    10.對于空間較小或不適合安裝管網的防護區，可選用懸掛式七氟丙烷滅火裝置。
    11.在空間很大的防護區，只有部分設備是危險源并需要滅火保護時，對該局部危險性大的設備，可采用局部應用系統或“改進型柜式氣體滅火裝置”進行保護，而不必采用大型自動滅火系統保護整個空間的方法來實現。
    12.K型氣溶膠滅火裝置只能用于撲救電纜隧道、電纜夾層、電纜井、自備發電機房等火災及木材、紙張、織物等固體表面火災。所保護對象應為非貴重物品。
    13.S型氣溶膠滅火裝置除能用于撲救K型氣溶膠滅火裝置保護對象的火災外，尚能用于撲救變配電房、電池室、不間斷電源室、普通電子計算機房以及并不貴重物品和普通儀器設備的火災。無限擴大其使用范圍，將會造成次生災害。
    參考文獻：
    （1）《氣體滅火系統——物理性能和系統設計》—ISO14520：2000。
    （2）《潔凈滅火劑滅火系統標準》—NFPA-2001：2000。
    （3）《二氧化碳設備規范·設計與安裝》—Vds2093-1983。
    （4）《氣體滅火系統設計規范》—GB50370-2005
    （5）《氣體滅火系統施工及驗收規范》—GB50263-2007
    （6）《三氟甲烷（HFC-23）潔凈氣體滅火系統設計施工及驗收規范》—DB45/T88-2003
    （7）《關于進一步加強哈龍替代品及其替代技術管理的通知》公消（2001）217號文。（威盾科技（中國）有限公司供稿）