潔凈氣體滅火系統(tǒng)的選擇
摘要：通過(guò)對(duì)幾種潔凈氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 比較 分析 ，根據(jù)工程情況選擇適合的滅火介質(zhì).對(duì)工程設(shè)計(jì)有參照意義。
關(guān)鍵詞：潔凈氣體 氣體滅火 滅火劑
氣體滅火系統(tǒng)的 發(fā)展 趨勢(shì)
眾所周知，在消防領(lǐng)域 應(yīng)用 最廣泛的滅火劑就是水。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，大批 工業(yè) 和民用建筑尤其是高層建筑的不斷涌現(xiàn)，更隨著高 科技 的發(fā)展，設(shè)備對(duì)滅火劑的要求越來(lái)越高，對(duì)于撲滅可燃?xì)怏w、可燃液體、電器火災(zāi)以及 計(jì)算 機(jī)房、重要文物檔案庫(kù)、通信廣播機(jī)房、微波機(jī)房等不宜用水滅火的火災(zāi)，氣體消防作為最有效最干凈的滅火手段，日益受到重視。其中，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GBJ16-87一2001年版)和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50045-2001年版)已明確規(guī)定了應(yīng)設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)的場(chǎng)所？梢(jiàn)，氣體消防系統(tǒng)在各類(lèi)滅火系統(tǒng)中占有很重要的地位。
傳統(tǒng)哈龍產(chǎn)品——鹵代烷1211及1301在我國(guó)氣體消防行業(yè)的應(yīng)用 歷史 中占有非常重要的地位， 目前 系統(tǒng)的裝備量約占?xì)怏w滅火系統(tǒng)總裝備量的80%以上。
由于哈龍滅火劑是破壞大氣臭氧層的主要因素，為了保護(hù)人類(lèi)共同的生存環(huán)境，造福子孫后代，我國(guó)政府于1989及1991年分別簽署了《關(guān)于保護(hù)臭氧層的維也納公約》、《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》，并決定于2005年停產(chǎn)1211，2010年停產(chǎn)1301。這標(biāo)志著淘汰哈龍，開(kāi)發(fā)新型滅火劑已成為大勢(shì)所趨。
哈龍?zhí)娲夹g(shù)發(fā)展的一個(gè)方面是用已有的其他滅火系統(tǒng)替代哈龍滅火系統(tǒng)，如采用二氧化碳、水噴霧、泡沫、干粉、易安龍(氣溶膠)滅火系統(tǒng)等。這些滅火系統(tǒng)有的存在技術(shù)陷,尚未形成正式的技術(shù)規(guī)范和市場(chǎng);有的盡管較為成熟，但難以解決滅火劑的污染 問(wèn)題 ，只能在那些“非必要場(chǎng)所”替代哈龍滅火系統(tǒng)，如傳統(tǒng)滅火劑二氧化碳，雖然其應(yīng)用歷史較長(zhǎng),且技術(shù)已經(jīng)規(guī)范化，但其最低設(shè)計(jì)濃度高于對(duì)人體的致死濃度，故在保護(hù)經(jīng)常有人的場(chǎng)所時(shí)須慎重采用。
另一個(gè)發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)不污染被保護(hù)對(duì)象、不破壞大氣臭氧層、溫室效應(yīng)小、對(duì)人體無(wú)害的滅火劑，即“潔凈氣體”滅火劑和相應(yīng)的滅火系統(tǒng)，這是當(dāng)前發(fā)展的主流。
目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的第一代用于替代哈龍的潔凈氣體滅火劑共有14種。其中以含一個(gè)氫原子的氟代烷(HFC)的綜合性能較為理想，具有一定的開(kāi)發(fā)價(jià)值，但目前的開(kāi)發(fā)水平尚未達(dá)到“全代用”哈龍滅火劑的要求，其性能尚有不足之處，只能成為鹵代烷的過(guò)渡性替代物。
氣體滅火系統(tǒng)的類(lèi)型
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分類(lèi)方式
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系統(tǒng)類(lèi)型
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滅火劑
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按應(yīng)用方式分類(lèi)
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全淹沒(méi)滅火系統(tǒng)
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CO2、FM200、煙烙盡
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局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)
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CO2
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按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)
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管網(wǎng)系統(tǒng)
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組合分配系統(tǒng)
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CO2、FM200、煙烙盡
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單元獨(dú)立系統(tǒng)
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CO2、FM200、煙烙盡
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無(wú)管網(wǎng)裝置
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CO2、FM200
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按儲(chǔ)存方式分類(lèi)
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高壓系統(tǒng)
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CO2、FM200、煙烙盡
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低壓系統(tǒng)
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CO2
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按管網(wǎng)布置形式分類(lèi)
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均衡管網(wǎng)系統(tǒng)
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CO2、FM200、煙烙盡
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非均衡管網(wǎng)系統(tǒng)
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CO2、FM200、煙烙盡
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注：滅火劑僅以二氧化碳(CO2)、FM200、煙烙盡為例。
氣體滅火劑的類(lèi)型
二氧化碳(CO2)
在常溫條件下，CO2以無(wú)色、無(wú)味的氣體存在，根據(jù)其物理特性，有二種儲(chǔ)存方式：⑴以常溫儲(chǔ)存于壓力容器內(nèi)，即高壓儲(chǔ)存(在20℃氣溫下，儲(chǔ)存壓力為5.17MPa)，相應(yīng)的滅火系統(tǒng)稱(chēng)為高壓系統(tǒng);⑵在所控制的低溫條件下將CO2儲(chǔ)存于壓力容器內(nèi)，即低壓儲(chǔ)存(在-18℃時(shí)儲(chǔ)存壓力為2.07 MPa)，相應(yīng)的滅火系統(tǒng)稱(chēng)為低壓系統(tǒng)。
CO2滅火作用主要用于窒息，其次是冷卻，為物理反應(yīng)。在眾多的鹵代烷滅火系統(tǒng)的替代系統(tǒng)中，以CO2滅火系統(tǒng)技術(shù)最為成熟，應(yīng)用也最廣泛。在國(guó)內(nèi)，以高壓系統(tǒng)最為普遍，近幾年，低壓CO2滅火系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展也很快。CO2滅火系統(tǒng)較為經(jīng)濟(jì)，能輸送較遠(yuǎn)距離，但其較高的滅火濃度對(duì)人非常危險(xiǎn)，不宜用于有人場(chǎng)所。另外，一些資料表明，在釋放過(guò)程中的冷凝現(xiàn)象可能會(huì)對(duì) 電子 元件造成損害。
七氟丙烷(FM200)
七氟丙烷(美國(guó)商標(biāo)名稱(chēng)為FM200)滅火劑是一種無(wú)色、幾乎無(wú)味、不導(dǎo)電的氣體，密度大約為空氣的6倍，采用高壓液化儲(chǔ)存。
七氟丙烷(FM200)的滅火機(jī)理為抑制化學(xué)鏈反應(yīng)，其滅火機(jī)理及滅火效率與鹵代烷“1301”相類(lèi)似，為主動(dòng)滅火，在幾種替代物中是較為有效的一種。
七氟丙烷(FM200)是毒性較低、無(wú)色、無(wú)味、無(wú)二次污染的氣體，對(duì)人體產(chǎn)生不良 影響 的體積濃度臨界值為9%，其最小設(shè)計(jì)滅火濃度為7%，因此，正常情況下對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生不良影響，可用于經(jīng)常有人活動(dòng)的場(chǎng)所，特別是它不破壞大氣臭氧層，符合環(huán)境要求。由于滅火濃度較低，因而儲(chǔ)瓶數(shù)量較少，占地面積也較小，而且各項(xiàng)指標(biāo)較為合理，系統(tǒng)功能完善、工作準(zhǔn)確可靠，長(zhǎng)期儲(chǔ)存不泄露。但其滅火系統(tǒng)也有自身的弱點(diǎn)：不能滅固體深位火災(zāi)，輸送距離短，因?yàn)闇缁饎┑尼尫疟仨氃谑敕N之內(nèi)完成，達(dá)到滅火濃度，否則產(chǎn)生的酸性分解物對(duì)人體有害，對(duì)被保護(hù)設(shè)施也有腐蝕性，用于組合分配系統(tǒng)時(shí)，各防護(hù)區(qū)位置應(yīng)相對(duì)集中。另外滅火劑價(jià)格也較高。
煙烙盡(IG—541)
煙烙盡滅火劑由52%氮、40%氬、8%二氧化碳三種氣體組成，比空氣略重，屬于惰性氣體滅火劑，以氣態(tài)儲(chǔ)存，其儲(chǔ)存壓力為15MPa。
煙烙盡的滅火機(jī)理是通過(guò)降低防護(hù)區(qū)中的氧氣濃度(由空氣正常含氧量的21%降至12.5%)，使其不能維持燃燒而達(dá)到滅火的目的，為物理反應(yīng)，屬被動(dòng)滅火。
煙烙盡是一種綠色環(huán)保型滅火劑，在滅火時(shí)不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，不污染環(huán)境，無(wú)毒、無(wú)腐蝕，具有良好的電絕緣性能，不會(huì)對(duì)被保護(hù)設(shè)備構(gòu)成危害，也無(wú)須延遲噴放，這是其它滅火劑所不具備的特點(diǎn)。IG541混合氣體滅火劑在42.8%的滅火濃度下，人或者動(dòng)物不會(huì)感到不適應(yīng)，這是由于此時(shí)保護(hù)區(qū)內(nèi)的二氧化碳含量在4%～5%之間，提高了人或動(dòng)物的呼吸頻率，這樣可以使人或動(dòng)物氧氣的攝入量與在正常空氣下氧氣攝入量保持一致。另外，混合氣體以設(shè)計(jì)濃度和空氣混合后，可以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持這一滅火濃度，即使保護(hù)區(qū)沒(méi)有采取特別的密封措施，系統(tǒng)也能在20分鐘后保持滅火所需的濃度。另外滅火劑價(jià)格便宜，輸送距離也很長(zhǎng)，這對(duì)于保護(hù)相距較遠(yuǎn)的保護(hù)區(qū)十分有利，由于滅火氣體可充分與空氣混合，故能有效防止復(fù)燃。但因是被動(dòng)滅火，其滅火效果略差，其高壓氣態(tài)儲(chǔ)存方式帶來(lái)了儲(chǔ)瓶數(shù)量大，占地面積大，系統(tǒng)造價(jià)高的缺點(diǎn)。
滅火劑選擇的原則
① ODP值最小原則，即對(duì)臭氧層的耗損最小。
② C值最小原則，即滅火濃度小，滅火劑用量少。
③ GWP值最小原則，即溫室效應(yīng)小。
④ ALT值最小原則，即在大氣中存留期短，潛在危險(xiǎn)小。
⑤ NOAEL值最大原則，即毒性低。
五個(gè)原則具體執(zhí)行時(shí)應(yīng)綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧，結(jié)合具體條件決定。由于我國(guó)尚無(wú)國(guó)家級(jí)的規(guī)范出臺(tái)，因此工程應(yīng)用中各地方在滅火劑的選擇上也各有不同，目前我國(guó)在工程中常用的有七氟丙烷及煙烙盡，其他系統(tǒng)尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例。
系統(tǒng)選擇
筆者通過(guò)對(duì)北京市網(wǎng)通綜合樓氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中幾種新型滅火劑相對(duì)于1301滅火劑的技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 比較供讀者 參考 。
本工程按《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045-2001要求在地下一層傳輸機(jī)房設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)，防護(hù)區(qū)具體情況見(jiàn)左圖：
本工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路
潔凈氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與鹵代烷滅火系統(tǒng)頗為類(lèi)似，可歸納為：設(shè)計(jì)滅火用量(M)→管道流量(Q)→管道內(nèi)徑(D)→管道規(guī)格→管道 計(jì)算 長(zhǎng)度(L)→中期容器壓力(Pm)→管道節(jié)點(diǎn)壓力(Pj)→噴頭等效孔口面積(F)→噴頭規(guī)格→滅火劑儲(chǔ)存量(Mc)→儲(chǔ)瓶數(shù)量(Np)。
系統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地計(jì)算出管道內(nèi)各點(diǎn)的壓力，從而合理選擇滅火劑的貯存壓力、滅火劑的充裝密度、各管段的管徑和各個(gè)噴嘴的孔口面積。管網(wǎng)阻力計(jì)算的“最終”結(jié)果是在保證滅火劑噴射時(shí)間及滿(mǎn)足噴頭最低入口壓力前提下，盡可能選擇較小的貯存壓力、較大的充裝密度、較小的管徑，以降低工程造價(jià)。
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不同滅火劑方案比較
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| 方 案 | 1301 | HFC227 | IG541 | CO2 | ||
| 化學(xué)式 | CF3Br | CF3CHFCF3 | 注1 | CO2 | ||
| 分子量 | 149 | 170 | 34 | 44 | ||
| 儲(chǔ)存壓力（20℃）MPa | 2.5/4.2 | 2.5 | 15 | 5.17 | ||
| 最小設(shè)計(jì)滅火濃度％，v/v | 5 | 7 | 36.5 | 47 | ||
| ODP（臭氧耗損潛能值）CFC11=1.0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| GWP（溫室效應(yīng)潛能值相對(duì)于CO2） | 2050 | 0 | 1 | |||
| 毒性數(shù)據(jù) | NOAEL％，v/v | 4 | 9 | 43 | 34％濃度使人窒息 | |
| LOAEL％，v/v | 10.5 | 52 | ||||
| 大氣中存活壽命（年） | 35 | 大氣中存在 | 大氣中存在 | |||
| 最大防護(hù)區(qū)容積(m3) | 傳輸機(jī)房1傳輸機(jī)房2 | 12481850 | 12481850 | 12481850 | 12481850 | |
| 系統(tǒng)形式 | 傳輸機(jī)房1傳輸機(jī)房2 | 組合分配 | 組合分配 | 組合分配 | 組合分配 | |
| 貯存壓力(MPa) | 傳輸機(jī)房1傳輸機(jī)房2 | 4.2 | 4.2 | 15 | 5.17 | |
| 藥劑量 | 傳輸機(jī)房1傳輸機(jī)房2 | 405 kg600 kg |
792kg1173 kg
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2746m34070m3
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1595kg 2349kg
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| 瓶量(瓶) | 傳輸機(jī)房1傳輸機(jī)房2 |
57
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913
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3146
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1827
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| 氣瓶規(guī)格(L) | 90 | 90 | 90 | 90 | ||
| 工程造價(jià)(萬(wàn)元) | 60 | 85 | 142 | 75 | ||
由以上 分析 可知，IG541系統(tǒng)造價(jià)高且瓶組過(guò)多占地大，對(duì)于該工程地下室狹窄空間以及惜地如金的建設(shè)方來(lái)說(shuō)是難以接受的;另外傳輸機(jī)房是經(jīng)常有人的場(chǎng)所，采用滅火濃度高于對(duì)人體致死濃度的CO2系統(tǒng)顯然也是不適宜的;相對(duì)而言，HFC227系統(tǒng)從滅火效能、占地面積等各方面情況均接近于1301系統(tǒng)，僅在藥劑價(jià)格上稍高一些，但總投資還是可以讓人接受的，最終入選。
結(jié)論
氣體消防已成為國(guó)內(nèi)外的熱門(mén)話(huà)題和重要的 研究 課題。FM200做為潔凈滅火劑更是大有作為，隨著FM200國(guó)家規(guī)范的出臺(tái)，F(xiàn)M200的設(shè)計(jì)會(huì)日趨成熟。愿本文的只言片語(yǔ)能引發(fā)同仁的探討興趣，不當(dāng)之處，敬請(qǐng)專(zhuān)家同仁指正。
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