摘 要：通过对目前市场上常见的七种气体灭火系统从灭火效果、环保性能、对保护对象的安全性、对人员的安全性、工程造价、技术成熟程度六个方面进行全面的比较, 同时对这七种系统的特点、应用场合、选择原则等方面做了比较详细的分析。
关键词： 气体灭火系统；工程应用；选型
1、气体灭火系统简介
气体灭火系统是指以液化气体或非液化气体作为灭火介质的灭火系统。自1900 年世界上第一套哈龙104 (四氯化碳) 灭火系统问世至今, 气体灭火系统已经走过了一个多世纪, 现已在工业和民用建筑中得到广泛应用, 成为保护计算机房、通信机房、发电机房、变配电室及贵重精密设备贮藏间、档案馆、图书馆等场所的主力军, 成为人类同火灾作斗争的强有力的武器。
在1996 年之前, 我国气体灭火系统以卤代烷1211、1301 和高压二氧化碳灭火系统为主。随着联合国《蒙特利尔国际公约》的制定, 以及我国1996 年颁布实施《中国消防行业哈龙整体淘汰计划》以后, 哈龙替代品和替代技术研究迅速发展, 短短几年, 低压二氧化碳、七氟丙烷、混合气体IG 541 (以下简称IG 541)、气溶胶、三氟甲烷等气体灭火系统相继出现。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和用户选择产品带来一定难度。
2、常见的几种气体灭火器比较
目前市场上常见的气体灭火系统主要有以下几种: 卤代烷1301、高压二氧化碳、低压二氧化碳、七氟丙烷、IG 541、三氟甲烷、气溶胶灭火系统。本文将从灭火效果、环保性能、对保护对象的安全性、对人员的安全性、工程造价、技术成熟程度六个方面对上述七种气体灭火系统展开比较。
2.1 灭火效果
灭火效果一般从灭火浓度和灭火速度两个方面进行衡量, 灭火机理是决定灭火浓度和灭火速度的主要因素。根据燃烧理论分析, 灭火分物理方式和化学方式, 物理灭火又分为: 窒息、冷却、隔离燃烧物三种方式；化学灭火主要是指灭火剂通过化学催化作用和化学净化作用大量扑捉、消耗火焰中的自由基, 抑制燃烧的链式反应, 化学灭火浓度低、速度快。
上述7 种灭火系统, 卤代烷1301、七氟丙烷、三氟甲烷、气溶胶均以化学灭火方式为主, 其中卤代烷1301、七氟丙烷、三氟甲烷属液化气体, 喷放时对着火区有一定的冷却作用, 同时三氟甲烷对稀释氧浓度作用也比较明显, 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。高、低压二氧化碳、IG 541 均是以物理方式灭火, 其中高、低压二氧化碳有窒息和冷却两种作用, 低压二氧化碳冷却作用更加明显, IG541仅以稀释防护区氧气浓度的窒息作用实施灭火。 把安全工程师站点加入收藏夹
2.2 环保性能
上述7 种灭火系统, 除卤代烷1301为联合国环境署限制使用外, 其余六种系统均被列入允许使用环保产品。目前国际上衡量环保性的主要指标是对臭氧耗损潜能值(ODP)、温室效应值(GWP)、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GW P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最大元凶, 灭火剂作为温室气体自身环保性能较差。气溶胶虽然上述三个指标很好, 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。
2.3 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、无浸渍、灭火后不留痕迹的特点, 总体来说对大多数保护对象, 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。
卤代烷1301、七氟丙烷、三氟甲烷灭火剂均属于含氟化合物, 明焰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。由于上述三种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都属于固基热气溶胶,其灭火剂主要由氧化剂、燃料、催化剂和添加剂组成,灭火剂需通过燃烧放热反应, 可能会出现温度过高、火焰外喷现象。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。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。对此, 公消(2001) 207 号附件2 特别规定: 气溶胶不能保护易燃、易爆场所, 不能保护精密仪器和设备。
IG541 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, IG541 对保护对象是安全的。
2.4 对人员的安全性
灭火剂威胁人员安全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(低于12%时) , 越容易发生人员缺氧, 二氧化碳浓度过(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。药物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起雾或粉尘, 降低防护区的能见度。
卤代烷1301由于药剂本身对臭氧层的破坏, 被逐渐禁止使用。二氧化碳系统由于灭火浓度高, 能够引起人员缺氧窒息；同时二氧化碳喷放时会因迅速气化吸热, 造成人员冻伤, 产生“白雾”影响人员逃生, 也被禁止使用在有人场所。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NO x 有毒气体, 对人体也有危害, 公消(2001) 207 号附件2对此做出明文规定：气溶胶灭火系统不能用于保护经常有人场所。
七氟丙烷、IG541、三氟甲烷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、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, 三氟甲烷药剂毒性低于七氟丙烷, 产生的氢氟酸量也小于七氟丙烷, 对人的安全性较高。
2.5 工程造价
谈到工程造价, 对气体灭火系统而言包含药剂成本、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。
高压二氧化碳、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。低压二氧化碳虽然将系统压力降低, 但其低温贮存装置设备造价较高, 同时由于制冷机组长期带电, 系统维护费用较大, 与高压二氧化碳比较, 只有在大工程、大系统中占有价格优势。卤代烷1301、七氟丙烷和三氟甲烷灭火剂价格较高且需要定期更换, 药剂成本和维护费用较大, 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。
对同一工程, 前期投资混合气体造价最高, 其次是七氟丙烷、三氟甲烷、二氧化碳, 气溶胶造价最低。低压二氧化碳和气溶胶后期维护费用较大。
2.6 技术成熟程度
目前, 高压二氧化碳和卤代烷灭火系统从灭火剂、产品标准、设计规范、验收规范都有国家标准, 技术比较成熟。1929 年美国颁布了世界上第一个二氧化碳灭火系统标准, 使二氧化碳系统在西方国家迅速发展, 很快成为仅次于水灭火系统的第二大灭火系统。我国在80 年代比较重视卤代烷灭火系统的开发应用, 对二氧化碳灭火系统重视不够, 从90 年代开始重视, 并着手低压二氧化碳系统的研究, 1999 年将低压二氧化碳灭火系统的设计也纳入国家规范, 低压二氧化碳灭火系统产品的国家标准也即将颁布, 技术也已经相对成熟。
已经颁布和正在编制的关于二氧化碳和卤代烷灭火系统国家规范如下：《1301灭火剂》—GB6051-85、《CO2灭火剂》—GB4396-84、《卤代烷灭火系统容器阀、选择阀、喷嘴性能要求和试验方法》—GB333-89、《二氧化碳灭火系统及部件通用技术条件》—GB16669-1996、《卤代烷1301灭火系统设计规范》—GB50163-1992、《二氧化碳灭火系统设计规范》—GB50193-93 (1999 修订版) 和《气体灭火系统施工及验收规范》—GB50263-1997。
七氟丙烷、IG541、三氟甲烷和气溶胶灭火系统是近几年才出现的新产品, 国内技术相对不成熟。目前国家对此仅有部分产品标准出台, 设计规范尚未成熟, 系统设计基本依据部分地方标准和企业标准, 设计的规范性、正确性、可靠性有待提高。特别是IG541 灭火系统, 由于属于可压缩气体单相流, 管网计算比较复杂,系统设计有误可能引起管道破裂、防护区压力过高等危险, 要求设计精度较高, 手工计算几乎不可能, 系统设计必须采用专用的计算机设计软件, 国外企业对此进行技术封锁, 使国内该产品的推广受到很大限制。当前, 国内少数企业经过努力, 已经有了自己的系统设计软件, 但软件的可靠性、通用性有待提高。
已经颁布和正在编制的关于卤代烷替代产品灭火系统的规范如下：《气体灭火系统及零部件性能要求和试验方法》—GA 400-2002、《七氟丙烷(HFC-227ea) 洁净气体灭火系统设计规范》—DBJ 15-23-1999、《惰性气体IG-541灭火系统技术规程》—DG/TJ08-306-2001、《QL 200气溶胶自动灭火系统设计、施工、验收规范》—DB36/T 379-2001 和《三氟甲烷(HFC-23) 洁净气体灭火系统设计规范》（北京地方送审稿）。
3、气体灭火系统的选择
常见气体灭火系统均可以扑救气体火灾、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; 对含氧化剂的化学品、活泼金属、金属氧化物以及不能切断气源的气体火灾, 均无能为力。但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。
3.1 卤代烷1301灭火系统
联合国《蒙特利尔国际公约》以及我国《中国消防行业哈龙整体淘汰计划》虽然将卤代烷1301 列入限制和淘汰行列, 但由于其灭火效率和灭火可靠性尚无理想的洁净替代品可以替代。对此, 国际和国内对1301的禁止使用留有一定的余地。根据公消(2001)207号文件, 在哈龙必要场所可以使用哈龙固定灭火系统, 对需要新安装哈龙固定灭火系统的必要场所, 应采用1301 固定灭火系统, 不得采用1211 或其他哈龙灭火系统。这意味着在今后的新建工程中, 哈龙1301 是唯一允许设计的哈龙系统。不要误认为到2010 年以后,我国停止哈龙1301 灭火剂的生产就表明会停止哈龙1301 的使用。根据中国政府的承诺, 2010 年我国完全停止哈龙1301 灭火剂的生产, 在这之后, 将由国家哈龙银行把哈龙精品定期向必要场所的哈龙灭火设备供应。
所以, 在银行、金库、文物、档案等这些重要场所,考虑到灭火的高效性和可靠性, 应注意不要盲目采用哈龙替代技术, 而片面缩小或放弃哈龙1301 系统的使用, 这样会在一定程度上降低必要场所的消防保护能力。
3.2 高压二氧化碳灭火系统
在气体灭火剂中, 开发应用最早的是高压二氧化碳灭火系统。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, 在全球得到广泛应用。现在美国每年装用的二氧化碳灭火剂量已达4 万吨, 在德国二氧化碳灭火系统的装设量已占各个灭火系统总量的15% , 仅次于水灭火系统。
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。现在二氧化碳在技术上已趋向成熟, 近年来由于卤代烷灭火系统的逐步淘汰, 二氧化碳灭火系统将进一步得到推广和应用。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。
二氧化碳灭火系统不能用于有人场所。二氧化碳喷放时会产生“结露”、“冷激”、“冷淬”现象, 不适宜保护精密设备和珍贵财物。
3.3 低压二氧化碳灭火系统
低压二氧化碳灭火系统适用于保护空间大、灭火剂储存量大、管网相对简单的工业消防工程中, 与高压二氧化碳比较, 在大工程上有较大价格优势。
低压二氧化碳储存压力低、流动推力小, 系统在释放过程中, 管网中有干冰沉积现象, 干冰的存在容易引发管网堵塞、破裂事故, 选用低压二氧化碳灭火系统应当慎重, 并应采取必要的防范措施。另外, 低压二氧化碳较高压二氧化碳,“冷激”、“冷淬”现象更严重, 不适宜保护精密设备。
3.4 七氟丙烷(FM -200)气体灭火系统
FM -200 是美国大湖化学公司的注册商标, 它保留了哈龙极佳的化学抑制灭火特性, 对环境影响又很小, 可以说FM-200是1301的有效替代物。七氟丙烷也是目前卤代烷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。但由于七氟丙烷系统对人员和设备的安全性不是很好, 在人员密集场所或保护精密设备和珍贵财物时应慎重使用。
3.5 IG541灭火系统
IG541属惰性气体灭火系统, 是20世纪80年代末最早由美国人发明并使用。目前, 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, IG541 系统压力高(20℃压力15M Pa)、气相高程阻力小, 输送距离远(可达100 m )、垂直输送能力强(可达30 m ) , 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和高温封闭空间(400℃)。另外,IG541对人员有一定伤害,在人员密集场所慎重使用。
3.6 三氟甲烷灭火系统
三氟甲烷灭火系统的灭火效果和环保性能介于七氟丙烷和IG541系统之间, 由于其灭火剂合成比较容易, 灭火剂价格低于七氟丙烷,其灭火浓度和灭火剂储瓶数量远低于IG541, 所以, 工程造价低于七氟丙烷和IG541。
三氟甲烷最大特点是对人员的安全系数高,最适宜保护人员经常活动或人员密集的场所。另外,三氟甲烷灭火效率较高,灭火剂输送能力强于七氟丙烷,可以在有些场所替代哈龙或七氟丙烷,但也有一定毒性且目前尚无设计规范。
3.7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、工程造价低等优点, 近几年发展迅速。由于其设备结构简单、不占或占地面积小、安装方便, 特别适用于小防护区、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。公消(2001)207号附件2规定:气溶胶灭火系统不能用于保护经常有人场所,不能保护易燃、易爆场所, 在技术没有过关且未通过国家质检中心型式检验之前,不能用于管网输送系统、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。
4、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。
